戰(zhàn)麗 張志文 楊春梅 劉九慶

摘 要：為解決人工林及次生林集材效率較低的問題，依據(jù)人工林自身特點，設(shè)計自走履帶式林間剩余物集材機。針對集材機關(guān)鍵部件設(shè)計計算，對機架進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化，以保證設(shè)計合理性。對集材機進(jìn)行在坡面和越障通過時穩(wěn)定性的分析，在計算機輔助工程軟件包Recurdyn（Recursive Dynamic）中進(jìn)行坡面和越障仿真分析。通過對樣機20°爬坡的試驗和150、200、250 mm高的障礙物試驗，結(jié)果顯示，集材機能夠有效通過20°坡度和250 mm高度障礙物。該研究的集材機設(shè)計合理，滿足林間通行條件。

關(guān)鍵詞：林間剩余物；集材機;通過性;試驗；有限元

中圖分類號：S776.32+5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）03-0131-09

Abstract：In order to solve the problem of low skidding efficiency of plantation and secondary forest， according to the characteristics of plantation， a self-propelled crawler skidder for forest residues was designed. The key components of the skidder were designed and calculated， and the finite element analysis and optimization of the frame were carried out to ensure the rationality of the design. The stability of the skidder on the slope and the obstacle is analyzed， and the simulation analysis of the slope and the obstacle is carried out in the computer aided engineering software package Recursive Dynamic. Through the 20° climbing experiment of the prototype and the obstacle crossing experiment of 150， 200 and 250 mm high obstacles， the results show that the skidder can effectively pass through 20 ° slope and 250 mm height obstacles. The design of the skidder designed in this paper is reasonable and meets the conditions of forest traffic.

Keywords：Forest residue; skidder; trafficability; experiment; finite element

基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金項目（TD2020C001）；中央財政林業(yè)科技推廣示范項目（黑[2022] TG13號）

第一作者簡介：戰(zhàn)麗，博士，副教授。研究方向為車輛工程與工業(yè)設(shè)計。E-mail： lilyzhan@vip.163.com

*通信作者：劉九慶，博士，教授。研究方向為林業(yè)機械化。E-mail： 727485313@qq.com

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對于木材消耗量也逐漸升高，我國人工林的面積也在逐漸增多，全國人工林面積達(dá)到了754.28萬hm2，對于人工林木材收集主要依靠人工作業(yè)和集材機作業(yè)，我國主要有JC30型營林、金龍252L型營林整地機，但隨著需求量的增加，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人工林和次生林的生產(chǎn)需求。劉鐵男[1]提出了三角履帶集材機額定載重質(zhì)量為1 500 kg，整機全長6 100 mm，單次集材效果較好，但其尺寸過大，靈活性差。戰(zhàn)麗等[2]提出間伐伐區(qū)小型集材機，其結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、小巧靈活，但集材部分較小，整機單次集材效率較低。劉鐵男等[3]對于集材機用三角履帶的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種履帶驅(qū)動效率優(yōu)先的原則，得到了集材機三角履帶關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)組合。Wang[4]通過對比多種集材機的移動方式，發(fā)現(xiàn)履帶移動方式對森林土壤的影響最小。Adzhatyan[5]提出了一種履帶外部載荷方案，制定了履帶梁的設(shè)計方案，提高了地面載荷的合理分配及履帶承載能力、使用壽命。Marsili等[6]提出了履帶式林業(yè)車輛工作過程中對駕駛員的全身振動的影響。近年來，國內(nèi)集材機發(fā)展較為緩慢，主要的研究方向是對原有車型的升級改造，解決移動較為緩慢、集材效率較低問題[7]。

為提高人工林集材效率，本研究設(shè)計一款自走履帶式林間剩余物集材機，將林間障礙地形簡化為斜坡和臺階2個地形進(jìn)行理論分析[8]。制造樣機，進(jìn)行實地試驗，以保證集材機設(shè)計的合理性。

1 自走履帶式林間剩余物集材機設(shè)計

1.1 設(shè)計指標(biāo)

自走履帶式林間剩余物集材機主要作業(yè)環(huán)境為人工林和次生林，主要路面為柏油路面、林間集材道路和林間軟土路。通過對小興安嶺某次生林伐區(qū)、東方紅林場和臨江林業(yè)局的調(diào)查得到以下的林間相關(guān)參數(shù)。集材道寬度為2.4 m，51%樹間距大于2.4 m，79%樹間距大于1.68 m，林間伐根一般200 mm。所需集材平均體積為0.07 m3，平均直徑120 mm；道路坡度最大為20°[9]。因此集材機主要技術(shù)指標(biāo)為：1）整機空載質(zhì)量500 kg，滿載質(zhì)量1 000 kg；2）正常行駛速度0～2 km/h；3）具有較好的爬坡越障能力，最大爬坡角度20°，最高越障高度200 mm；4）操作方式簡單，轉(zhuǎn)型靈活。

1.2 履帶式林間剩余物集材機總體結(jié)構(gòu)

依據(jù)設(shè)計指標(biāo)，自走履帶式林間剩余物集材機結(jié)構(gòu)如圖 1所示，主要由行走機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、柴油機、機罩、絞盤機和車體等組成。

自走履帶式林間剩余物集材整機參數(shù)見表1。

1.3 額定功率的設(shè)計

集材機所在作業(yè)場地最大坡度為20°，滿載質(zhì)量為1 500 kg ，為了保證集材機工作過程中具有足夠動力，需要確定合理的集材機功率為

集材機上坡時行駛阻力（Ff）計算公式為

根據(jù)牽引力的平衡關(guān)系可得

式中：P為集材機功率，kW；Fq最大載重時所需的牽引力，N；v為集材機上坡時候行駛速度，km/h， v=2 km/h；α為坡度角；μ為小型集材拖拉機上坡與地面間的摩擦阻力系數(shù)；Ff為行駛阻力，N；η為傳動效率， η=0.66；G0為整機重力，N。

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)得P=6.32 kW，為了保證工作的可靠，集材機應(yīng)該具有一定儲備功率，所以集材機額定功率（Pc）為

式中，kc為功率儲備系數(shù)，選擇kc=1.17。

計算得額定功率為Pe=7 kW。選取常州常邁機械動力機械有限公司R190柴油機作為整機的動力源，其最大功率7.78 kW。

1.4 集材機絞盤的設(shè)計

為了提高集材效率，在集材機上安裝絞盤機， 絞盤機具體的結(jié)構(gòu)由支座、卷筒、鋼絲繩和液壓馬達(dá)組成。鋼絲繩作為絞盤機的關(guān)鍵部件之一，若選擇不當(dāng)，則會在工作過程中出現(xiàn)斷裂的危險，從而影響集材效率， 嚴(yán)重的情況下會威脅到人身安全。

1.4.1 鋼絲繩設(shè)計

集材機所需牽引力（T）的大小決定了絞盤機每次集材能力，絞盤機需要拉力計算公式為

式中：GQ為絞盤機單次集材重量，N，依據(jù)設(shè)計要求中GQ=5 000 N；w為集材的阻力系數(shù)，根據(jù)林區(qū)路面條件確定w=0.8；i為林區(qū)路面坡度千分?jǐn)?shù) 。

帶入相關(guān)數(shù)值得到集材牽引力T=4 100 N。為了保證集材機遇到突發(fā)情況具有一定的自救能力，絞盤機牽引力最終確定為4 500 N。

小型集材拖拉機最大牽引力4 500 N，鋼絲繩的破斷拉力應(yīng)該滿足式（6）。

式中：Tp為整條鋼絲繩的破斷拉力，N；Tmax為鋼絲繩最大靜拉力，N；n為鋼絲繩最小安全系數(shù)，n=4。Tp≥4×4 500=18 000 N，選用6×19S+FC型號的鋼絲繩，鋼絲繩直徑為8 mm，其最小被拉斷拉力34 800 N，因此滿足使用需求，鋼絲繩長度初步選擇25 m。

1.4.2 卷筒設(shè)計

卷筒作為絞盤機的重要部件之一，主要參數(shù)有卷筒的直徑、卷筒厚度、纏繞圈數(shù)、卷筒長度和卷筒端板外緣直徑參數(shù)。

1）卷筒直徑

卷筒的直徑（D）計算公式為

式中：hj為結(jié)構(gòu)有關(guān)系數(shù)，取hj=21.4；d為鋼絲繩直徑，mm。

帶入相關(guān)數(shù)值求出D≥21.4×8=171.2 mm，絞盤機的設(shè)計在滿足使用功能前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)該較小，直徑確定為180 mm。

2）卷筒厚度確定

卷筒厚度太小，強度不足，容易發(fā)生斷裂和變形，卷筒厚度太大，則會增加絞盤轉(zhuǎn)動的功率損失。依據(jù)經(jīng)驗公式，取厚度δ≈d=8 mm。

3）卷筒長度（Lj）計算

式中，φ為鋼絲繩在卷筒上排列的不均勻系數(shù)，φ=1.1。求出Lj=1 848 mm，因此本研究取Lj=1 850 mm。

4）卷筒端板外緣直徑計算

卷筒外緣直徑選擇恰當(dāng)可防止鋼絲繩的工作過程中的跳出，其直徑計算公式為

式中，mk為鋼絲繩不越出端板外緣安全高度，當(dāng)卷筒為多層纏繞時取mk=2 d。求得D1≥1 230 mm。

1.5 行走機構(gòu)的設(shè)計

集材機作業(yè)環(huán)境，路面較軟，為保證通過性，選擇履帶作為行走機構(gòu)。采用三輪一帶的機構(gòu)，整體布局如圖 2所示。

1.5.1 履帶設(shè)計

1）履帶節(jié)距

節(jié)距太小會使傳動件數(shù)量和履帶質(zhì)量增加，節(jié)距太大會使履帶的剛度和行駛的平穩(wěn)性變差。故根據(jù)經(jīng)驗履帶節(jié)距[10-11]為12～14.54G。G為滿載質(zhì)量，kg，整機質(zhì)量取1 500 kg，計算得履帶節(jié)距為148 mm。

2）履帶軌距和接地長度

考慮到林間的作業(yè)條件，要求集材機移動較為靈活，履帶軌距（B）最小取560 mm。履帶接地長度（Lg）和軌距之間的比值決定著集材機轉(zhuǎn)向性能，依據(jù)經(jīng)驗取該比值為1.3，計算得Lg=690 mm。

3）履帶寬度

履帶寬度（k）計算方法為（0.18～0.22）Lg，取k=0.2Lg，計算得k=138 mm。

4）滿載接地壓力比（PF）計算公式

計算得PF=0.05 MPa≤Pmax （Pmax為履帶允許最大接地壓力，為10 MPa），集材機符合設(shè)計要求。

1.5.2 驅(qū)動輪的設(shè)計

驅(qū)動輪半徑大，則驅(qū)動扭矩增大，所以驅(qū)動輪半徑不應(yīng)過大，但驅(qū)動輪半徑太小，則會導(dǎo)致履帶嚙合部分半徑也變小，減少履帶壽命。所以取驅(qū)動輪齒數(shù)（z）為9。驅(qū)動輪齒頂圓直徑Dt 、節(jié)圓直徑Dk 和齒根圓直徑Di 的計算公式為

式中：t0為履帶的節(jié)距， t0=72 mm；C為履帶的厚度，C=15 mm；Ft為橡膠履帶內(nèi)傳動平面距鋼絲繩中心面的距離，F(xiàn)t=10 mm。

求出Dk=206 mm，根據(jù)實際情況最終取Dk=215 mm，求出Dt=240 mm，Di =195 mm。齒面弧線半徑一般為r=30～60 mm，取r=45 mm。驅(qū)動輪三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.5.3 支重輪的設(shè)計

集材機的載重較大，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，采用雙邊支重輪，支重輪的直徑Dz≈（1.5～3）t0，最終確定Dz=160 mm。主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.6 機架的設(shè)計與校核

集材機機架主要是用來承載與連接集材機各部分，要求整個機架結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，在機架滿足集材機強度要求下，盡可能減小自重，提高集材機集材效率。為了便于加工，考慮整機集材機質(zhì)量的合理分布，機架設(shè)計如圖 5所示。

為了保證設(shè)計可靠性，進(jìn)行機架靜力學(xué)分析，按照集材機受力情況添加約束與受力，機架變形云圖如圖6所示。

由圖6可知，最大變形量為機架前端0.603 02 mm，變形量較大，主要原因是機架前端放置柴油機、液壓油箱，且懸臂較長；最大主彈性應(yīng)變0.000 528 6，最大主應(yīng)力137.48 MPa，主要存在于第一層機架和第二層機架連接的四立柱連接處。為了保證機架的合理性和安全性，在變形較大和應(yīng)力集中處做出優(yōu)化改進(jìn)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖 7所示。優(yōu)化后機架變形云圖如圖8所示。

優(yōu)化后總變形為0.028 15，最大主彈性應(yīng)變0.000 193，最大主應(yīng)力39.49 MPa，相比優(yōu)化前后總變形減小了一半，最大主彈性應(yīng)變減少了一半，最大主應(yīng)力減少了三分之一。

對優(yōu)化后機架進(jìn)行模態(tài)分析，前六階主振型如圖 9所示，振動頻率見表 2。

機架振源主要是由動力源振動產(chǎn)生，集材機動力源最大振動頻率為25 Hz，小于集材機的振動頻率，改進(jìn)后的機架更加合理。

2 通過性分析

2.1 坡面分析

集材機進(jìn)行通過斜坡道路過程中，在分析過程中，做如下假設(shè)：1）坡道僅僅只有一個方向的傾斜角度；2）集材機在坡道上穩(wěn)定行駛時所受的作用力主要包括集材機自身重力、前進(jìn)方向的空氣阻力（可忽略不計）、支撐地面的法向反力和行駛時的地面摩擦阻力[12-14]。

集材機在縱向坡道勻速行駛，處于平衡狀態(tài)，對其進(jìn)行受力分析，如圖10所示。

力矩平衡方程，對A點取矩，得到公式

若坡度角過大，則集材機會發(fā)生倒翻，由幾何關(guān)系得上坡過程中最大坡角

同理在車輛下坡過程中最大坡角

集材機成功爬坡的另外一個重要因素就是路面條件，由集材機履帶與地面之間的附著條件決定，設(shè)林間路面與集材機之間的附著系數(shù)為φ，則有集材機林間最大附著力為

所以集材機在坡道上行駛不發(fā)生下滑的條件為F≤Fφ，集材機在不發(fā)生滑移所對應(yīng)的最大滑移角βφ=arctanφ。

所以集材機所能爬坡的最大坡度角（β）為arctandH、arctanL1－dH、arctanφ三者最小值。

帶入數(shù)據(jù)得集材機最大爬坡高度β=23° ，滿足使用條件。

2.2 越障分析

集材機在跨越臺階過程中，首先履帶與臺階前沿接觸，集材機開始攀爬臺階，在此過程中，隨著集材機導(dǎo)向輪的上升主體重心不斷提高，集材車質(zhì)心也在不斷升高，底盤與地面的夾角逐漸增大，當(dāng)集材機重心恰好在臺階邊緣線正上方，此時是集材機攀越垂直壁的臨界狀態(tài)如圖11所示，h為臺階高度，R為驅(qū)動輪半徑（包括履帶厚度），L為驅(qū)動輪圓心O1到導(dǎo)向輪圓心O2之間的距離，a為重心G在O1O2上的投影的距離，b為重心G距離O1O2的高度，建立如下方程式。

其中可以將車體仰角α質(zhì)心位置a、b作為自變量，車體仰角超過0.5π之后肯定不能越過障礙，所以α為集材機仰角取值范圍為（0～0.5π），集材機質(zhì)心橫坐標(biāo)為（0～L），對式（19）求障礙物高度h關(guān)于車體仰角α的偏導(dǎo)可得

式中：α為O1O2與水平面夾角；2hα2≤0，h存在最大值，當(dāng)hα=0時，可得出在臨界狀態(tài)下最大仰角α與a、b的變化，求障礙物高度h關(guān)于質(zhì)心a、b的偏導(dǎo)，可得ha=sinα＞0，ha=sinαtanα＜0，所以質(zhì)心靠前、靠下時候更容易越過障礙物，為了保證集材機良好的通過性，質(zhì)心坐標(biāo)也不能過低，根據(jù)履帶底盤設(shè)計經(jīng)驗b＞0。選取4個質(zhì)心位置，對應(yīng)翻越障礙物的極限角度如圖 12所示。

3 仿真分析

林間道路坡度一般為20°，砍伐樹木之后的伐根通常高為200 mm，因此對集材機進(jìn)行該坡度仿真分析。本研究利用計算機輔助工程軟件包Recurdyn（Recursive Dynamic）軟件集材機進(jìn)行動力學(xué)仿真，Recurdyn是目前應(yīng)用最為廣泛的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件之一，可以和多種建模軟件實現(xiàn)對接。林間道路多為軟土路面，所以選擇黏土路面為仿真路面，所得到的履帶與土壤參數(shù)見表3[15-18]。

3.1 坡道仿真

在Recurdyn中建立20°坡面，仿真時間30 s，分別提取Y向位移和驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，如圖 13所示。

在仿真過程中，由于驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動副的固定件和轉(zhuǎn)動件相對運動的原因，所以在仿真結(jié)果中驅(qū)動力矩為負(fù)值，在分析過程中驅(qū)動力矩只看大小，不看正負(fù)。10 s之前在朝坡度移動驅(qū)動力矩為300 N·m，10 s開始爬坡，驅(qū)動力矩變?yōu)?00 N·m，Y向逐漸增大，13.5 s左右集材機完全到達(dá)坡道，驅(qū)動力矩增大為470 N·m，后續(xù)保持不變，Y向位移平穩(wěn)增加。

3.2 臺階仿真

同爬坡過程分析，驅(qū)動力矩只看大小不看正負(fù)。翻越200 mm高度障礙物驅(qū)動力矩和Y向位移如圖14所示，2～8 s為在平地移動，驅(qū)動力矩350 N·m。8 s履帶接觸障礙物，開始越障，隨著集材機向前移動，質(zhì)心開始升高，驅(qū)動力矩逐漸增大，驅(qū)動力矩增加800 N·m。在14 s時刻，質(zhì)心越過外沿線，在集材機重力作用下，越障成功，質(zhì)心開始下降，16 s集材機達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 爬坡與越障試驗

對集材機進(jìn)行20°坡度和3種不同高度的試驗，其試驗過程如圖15和圖16所示。試驗結(jié)果表明集材機能順利通過20°坡度與250 mm高度障礙物。

該集材機能夠通過20°坡度，可以應(yīng)對林間一般坡度。在越障試驗過程中，分別在3種高度障礙物下進(jìn)行試驗，為保證試驗可靠性，每種高度進(jìn)行了10次試驗，均能夠通過障礙，見表4。由此說明集材機滿足林間環(huán)境下行駛。

5 結(jié)論

1）設(shè)計了一款用于自走履帶式林間剩余物集材機，整機尺寸3 500 mm×850 mm×1 275mm。單次可集材1 000 kg。

2）建立了集材機爬坡運動學(xué)模型，并根據(jù)爬坡的幾何、履帶不打滑約束條件，對集材機質(zhì)心、仰角與可翻越高度進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明質(zhì)心靠前、靠下時候更容易越過障礙物。

3）進(jìn)行了爬坡和越障仿真分析。得到了驅(qū)動力矩與Y向位移變化曲線。完成了樣機20°爬坡的試驗，以及150、200、250 mm障礙物的越障試驗。試驗表明集材機通過性良好，設(shè)計合理，能夠滿足林間的作業(yè)要求。

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