自走式履帶灌木采伐機底盤設計

， ， ， ，任長清

(東北林業(yè)大學林業(yè)與木工機械工程技術中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

研究與設計

自走式履帶灌木采伐機底盤設計

楊春梅，初金星，姬廣磊，馬巖*，任長清

(東北林業(yè)大學林業(yè)與木工機械工程技術中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

針對自走式履帶灌木采伐機的需求，提出其底盤設計方案，并對其中的關鍵部件進行了設計。根據(jù)經(jīng)驗計算公式對接地長度、軌距及最小離地間隙等參數(shù)進行了分析計算。所設計的底盤可靠性好、穩(wěn)定性高、結構實用。

灌木采伐機；自走式；底盤；設計

Abstract：In view of the demand for self-propelled brushcutters，a chassis design scheme is put forward，involving the design of key components.Based on an experience formula，analytical calculation of such parameters as grounding length，gauge，and the minimum ground clearance is conducted.The designed chassis features good reliability，high stability and a practical structure.

Keywords：brushcutter；self-propelled；chassis；design

自走式履帶底盤是灌木采伐機一個非常重要的機構，其性能直接影響灌木采伐機的工作性能。灌木采伐機是在灌木叢中作業(yè)，作業(yè)環(huán)境較差，地面松軟，高低不平，這些都增加了機器的行駛阻力，而且轉(zhuǎn)向困難，同時還會影響采伐機的作業(yè)穩(wěn)定性。另外，灌木叢地面通常都有一定的坡度，有的地面坡度還比較大，這些外在環(huán)境也都不利于采伐機在灌木叢中行走[1]。自走式履帶灌木采伐機在行駛過程中不僅需要承受自身的重力，還要承受采伐機作業(yè)時所受到的外力，同時還需要保證采伐機作業(yè)時的穩(wěn)定性。采伐機底盤的質(zhì)量占采伐機總質(zhì)量的比例很大，結構也比較復雜，因此自走式履帶灌木采伐機底盤的設計要求較高。

通過對履帶式灌木采伐機底盤的分析和研究，設計出一臺基于國產(chǎn)技術的自走式灌木采伐機底盤。采用自走式履帶底盤來承載灌木采伐設備，可以保證灌木采伐設備在灌木叢中工作時的穩(wěn)定性、持續(xù)性和安全性。

1 設計原則及基本結構

一般履帶式底盤的主要部分有車輪、履帶和履帶支架。履帶式灌木采伐機的底盤結構與普通的履帶式底盤結構相似，只是該底盤支座的結構比較簡單，是直接焊在一起的，而且中央底座與履帶架也是一體的，合為一個底座支架[2-3]。

要求設計的自走式履帶底盤的可靠性、穩(wěn)定性較高，并且結構要簡單實用。該機構的特點主要包括以下幾個方面：①機構簡單、小巧；②機構用直流電動機驅(qū)動，使底盤的行走可控性強，而且具有足夠的行走動力；③可以原地轉(zhuǎn)向，機動靈活[4]。

底盤支座是整個灌木采伐機的結構基礎，底盤不僅要承受整個機器的質(zhì)量，而且還要承受機器在行走及作業(yè)過程中各外力的作用，并將這些力傳給底盤支座。該機架主要由矩形管和鋼板焊接而成，上面的焊接板用來安裝直流電機，尾部焊接板用來安裝直流發(fā)電機，前面的絲杠升降架用于安裝灌木采伐機。

灌木采伐機的重力首先作用在底盤支架上，再通過支撐輪、履帶等將所受的力分散傳至地面上。閉合式履帶繞過驅(qū)動輪和支撐輪，驅(qū)動輪與支撐輪所組成的側(cè)視圖為三角形，這樣可使履帶輪更加穩(wěn)定，同時也減少了上半部履帶的分支撓度。底盤動力由直流電機通過減速機傳給驅(qū)動輪，驅(qū)動輪通過與履帶嚙合驅(qū)動履帶帶動整個底盤運動。履帶支座上的張緊機構在安裝履帶時要處于松弛狀態(tài)，當履帶安裝上以后再將其張緊。履帶長期使用后會伸長變得松弛，使驅(qū)動力下降，此時可根據(jù)底盤的實際情況調(diào)整張緊裝置上的螺桿，以保證履帶有適宜的松緊度。底盤轉(zhuǎn)向通過控制直流電機轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，底盤向不同方向轉(zhuǎn)動時只有單個電機轉(zhuǎn)動，可以很方便地完成轉(zhuǎn)向或原地轉(zhuǎn)彎。自走式灌木采伐機底盤結構示意圖如圖1所示。

圖1 自走式灌木采伐機底盤結構示意圖1.直流電機；2.履帶；3.支撐輪；4驅(qū)動輪；5.支撐輪架；6.張緊裝置；7.升降架

2 自走式灌木采伐機底盤關鍵部件的設計

2.1支撐輪的結構設計

支撐輪主要承受灌木采伐機、汽油發(fā)電機的重力以及作業(yè)時產(chǎn)生的外力，通過兩端的軸承及軸套固定在機架上。底盤在行走時要承受由于路面崎嶇不平而產(chǎn)生的沖擊力，且經(jīng)常在比較泥濘或塵土較多的環(huán)境中作業(yè)，因此支撐輪的密封性必須可靠，耐磨性能好，承載能力強。目前支撐輪的密封主要采用油封的形式，其特點是結構簡單，壽命長，密封性能好，并且一次加油后可工作很長時間，維護保養(yǎng)簡單方便，成本低。

支撐輪的形式主要有兩種，一種是沒有外凸緣，另一種是帶有外凸緣。沒有外凸緣支撐輪的中間單緣與有外凸緣支撐輪的兩側(cè)凸緣均能使履帶沿著正確的方向運動。本設計中底盤支撐輪的工作面直徑較小，故選用的是帶有外凸緣的支撐輪，支撐輪結構如圖2所示。

圖2 支撐輪結構1.軸端蓋；2.支撐輪；3.主軸；4.支撐輪支架；5.軸承

2.2 驅(qū)動輪的結構設計

驅(qū)動輪與履帶相互嚙合，驅(qū)動輪帶動履帶一起轉(zhuǎn)動，履帶在各種工作環(huán)境中都能正常作業(yè)。驅(qū)動輪安裝在支撐輪的正上方，與支撐輪形成一個三角形結構，這樣的設計不僅能保證底盤在工作時的穩(wěn)定性，還能減小底盤的功率損失。驅(qū)動輪常用的制造形式有多種，當前應用比較廣泛的是整體鑄造式驅(qū)動輪。因為分體鑄造和鍛造的工藝都比較復雜，而且制造成本高，所以現(xiàn)在很少使用分體鑄造和鍛造形式的驅(qū)動輪。驅(qū)動輪的結構圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動輪結構

2.3 張緊裝置的結構設計

張緊裝置的結構形式較多，其作用是防止履帶因使用時間過長而松弛，而且在履帶松弛后也能保證其正常工作，同時還能避免履帶出現(xiàn)故障時對底盤造成功率損失。張緊裝置安裝在履帶支撐橫梁上，處于履帶正中間位置，張緊時可以使履帶受力均勻。張緊裝置主要由張緊螺桿、鎖緊螺母、支撐輪支架、導向桿等部件組成。張緊裝置結構如圖4所示。

圖4 張緊裝置結構1.張緊螺桿；2.鎖緊螺母；3.支撐輪支架；4.導向桿

2.4 底盤驅(qū)動馬達的結構設計

驅(qū)動馬達主要由直流電機、汽油發(fā)電機、蝸輪蝸桿減速器等組成，傳動方式為外殼傳動，汽油發(fā)電機安裝在底盤的尾部，這樣安裝還可以將其當作底盤配重，而直流電機與蝸輪蝸桿直接連接在一起，然后安裝在自走式灌木采伐機底盤支架上并直接與驅(qū)動輪相連，用于實現(xiàn)底盤的行走功能，其工作性能可靠，效率高。因為自走式灌木采伐機的工況復雜多變，因此驅(qū)動馬達也應能適應各種復雜的工作環(huán)境，如坡路、淤泥、洼地等。為了使自走式灌木采伐機適應各種不同的工作環(huán)境，驅(qū)動馬達應具有低速行走時還能保持平穩(wěn)的性能，為此設計時選擇了菱形自調(diào)心軸承，該軸承承受徑向負荷能力大，比較適用于這種有重負荷及沖擊負荷的情況，而且其抗振性能好，這樣可以承受底盤在作業(yè)和轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的軸向力和徑向力。驅(qū)動馬達的關鍵指標是驅(qū)動馬達傳遞給底盤驅(qū)動力的大小，其要滿足35°爬坡能力的要求[5-7]。

3 主要參數(shù)的設計分析

3.1接地長度和軌距

自走式履帶灌木采伐機底盤對地的接近角與遠去角都不是很大。接地長度L與軌距B等主要參數(shù)對自走式履帶灌木采伐機底盤的性能均有影響，L與B兩個參數(shù)的合理選取能使自走式灌木采伐機底盤的性能得到很大的增強(包括底盤的驅(qū)動性能與轉(zhuǎn)彎性能)。

接地長度L、軌距B與整車總質(zhì)量之間的關系為：

L=0.12m+1 320

(1)

B=0.112+940

(2)

式中：L為接地長度(10-3m)；B為軌距(10-3m)；m為整車質(zhì)量，m=600 kg。

求解上式得：接地長度L=1 390 mm；軌距B=1 000 mm。

由于灌木采伐機的重心不穩(wěn)及工作的環(huán)境路面復雜多變，因此其底盤的接地比壓不是常數(shù)，但可以求出最大接地比壓Pmax，計算公式為：

(3)

由式(3)可知，L/B越大Pmax值就會越小，P值越小，自走式履帶灌木采伐機底盤的通過性能就越好。

自走式履帶灌木采伐機底盤轉(zhuǎn)向時受到很多外力的作用，其中底盤受到的轉(zhuǎn)向阻力Tz的計算公式為：

(4)

式中：μ為履帶與地面之間的摩擦系數(shù)。

從式(4)可以得出，L/B越小越好，L/B的值大則Tz就大，而Tz大會降低自走式履帶采伐機底盤的轉(zhuǎn)向能力，因此需要選擇合適的L/B的比值。

L/B的比值初步確定后，可以運用理論分析計算的方法來確定最終值，其計算公式為：

(5)

當S>2.3時，底盤不能實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向；當2.1

(6)

3.2 最小離地間隙

最小離地間隙h代表了自走式履帶灌木采伐機底盤的通過性能，是自走式履帶灌木采伐機底盤的重要設計參數(shù)。該參數(shù)將直接影響自走式履帶灌木采伐機的重心高度及車身的穩(wěn)定性，該底盤的最小離地間隙與整車質(zhì)量的關系可根據(jù)經(jīng)驗確定，具體公式為：

h=0.016 2m+254

(7)

式中：h為最小離地間隙(10-3m)；m為為整機質(zhì)量(kg)。

將數(shù)值帶入式(7)可得最小離地間隙h=264 mm。

4 小結

介紹了自走式履帶灌木采伐機底盤驅(qū)動輪、支撐輪及張緊裝置的結構設計，對底盤的設計參數(shù)進行了分析，并根據(jù)經(jīng)驗計算公式對接地長度、輪距及最小離地間隙等參數(shù)進行了分析計算，確定了采伐機底盤的部分基本參數(shù)[8-9]。

[1] 楊春梅，馬巖，吳哲，等.林間履帶式多功能底盤的設計[J].林業(yè)機械與木工設備，2013，41(11)：12-15.

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(責任編輯 張雅芳)

DesignofSelf-propelledCrawlerBrushcutterChasses

YANGChun-mei，CHUJin-xing，JIGuang-lei，MAYan*，RENChang-qing

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center，Northeast Forestry University， Harbin Heilongjiang 150040，China)

2017-04-11

國家林業(yè)行業(yè)公益專項資助項目(201504508)

楊春梅(1977-)，女，東北林業(yè)大學教授，博士，研究方向為汽車電子技術，E-mail：ycmnefu@126.com。

*通訊作者：馬 巖(1954-)，男，教授，博士生導師，碩士，研究方向為機械設計及理論，E-mail：mayan@vip.163.com。

S776.3

A

2095-2953(2017)10-0016-03