南方丘陵地区CFJ20H 8W采伐机底盘初步结构确立

张小珍，沈嵘枫，林曙，周新年，许 浩

(福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

南方丘陵地区CFJ20H 8W采伐机底盘初步结构确立

张小珍，沈嵘枫，林曙，周新年，许 浩

(福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

采伐机底盘是采伐机的重要组成部分，直接关系到采伐机的工作效率。根据南方丘陵地区的自然环境情况，提出对采伐机底盘的性能要求，采用八只轮子的措施，可以提高采伐机在南方丘陵地区的行驶性能。通过收集国外厂商生产的八只轮子采伐机的参数和结构形式，总结出国外采伐机底盘特点。对比国内采伐机的机型结构，最终确定以铰接式底盘为设计蓝本，以John Deere 1270G 8W采伐机尺寸参数和结构为参考模型，确定出CFJ20H 8W采伐机底盘的尺寸参数，建立采伐机初步模型。通过HyperWorks软件对采伐机初步车架进行静力学分析，验证结构的可靠性。

南方丘陵地区；采伐机底盘；机型

我国南方丘陵地区人工林的面积较大，再加上生活中木材的使用量较大，人工林的开采是当前迫切所需，但是采伐工作是一个艰巨的任务，借助斧头等小型工具的传统采伐方式已经不能适应当前的生产方式，一台采伐机能代替几十个人的工作量，大大提高了工作效率，所以开发适合丘陵地区的采伐机是十分有必要的。[1-3]采伐机底盘是采伐机的重要组成部分，直接关系到采伐机工作的效率，国内采伐机是直接引进或改装，在性能上不能完全满足于南方丘陵地区采伐机的工作所需。我国南方丘陵地区地形复杂、地势陡峭，给采伐机的研究工作带来较大的挑战。所以，在南方丘陵地区的采伐机底盘的研究工作中，首先确定出南方丘陵地区对采伐机性能要求，然后根据分析国内外的采伐机机型，确立出采伐机底盘的初步模型。

1 南方丘陵地区底盘研究概述

图1 南方丘陵地区自然地形

我国南方丘陵地区地形复杂，地面崎岖不平，地质松软，且林地上存在许多石块、倒木、伐根等障碍物，如图1所示，给采伐机底盘研究带来了很大挑战。[4-6]目前国内使用的采伐机不是改装工程机械就是直接引进国外的采伐机，虽然减少了研发的时间和成本，但存在一些动力性和适应性上的问题。[7]南方丘陵地区的地形复杂，存在凹凸不平、地质松软、地势陡峭等自然环境问题，要求采伐机具有较好的行驶稳定性、通过性和较强的爬坡能力，所以需要研究一种具有较为灵活、动力性较好的采伐机底盘。采用八只轮子的采伐机工作在凹凸不平的地面时，八只轮子能很好地与地面接触，不易发生侧倾翻现象。地面对八只轮子采伐机的支撑点较多，能很好地提高整机的稳定性。但国内对八只轮子采伐机研究甚少，需参看国外的机型。

2 采伐机的机型参考

底盘是承载采伐机各个部件并且承载工作载荷的结构，其结构根据机械种类、要求的不同，其结构形式也有所不同，但一般可以分为整体式和铰接式的两大类，如图2。整体式底盘由不同形状的薄钢板构件焊接成一个整体。铰接式底盘由前车架、铰接机构、后车架三部件构成，是利用铰接机构将前车架和后车架连接在一起的关节式底盘。[8]下面通过国内外的采伐机参看机型的分析，确定出需研究的采伐机的结构形式和尺寸参数。

图2 车架结构形式

2.1国外采伐机参考机型分析。

国内对采伐机的研究暂时没有较为完整的内容，故对采伐机底盘的研究先参考国外采伐机的机型结构。根据采用八只轮子采伐机来提高采伐机工作在南方丘陵地区的行驶稳定性，选定国外八只轮子机型作为参考。通过比较、分析不同品牌机型，总结出采伐机底盘特征，有利于开发适应我国特色的机型。首先比较目前市场具有较强地位的采伐机生产厂商的机型，而这些生产厂商主要有：芬兰Ponsse；美国John Deere；瑞典Rottne；日本Komatsu；瑞典Eco-Log。

图3 Ponsse Bear和Scorpion King采伐机

表1 EcoLog公司生产的8轮采伐机技术参数

图4 John Deere 1270G 8W

表2 John Deere公司生产的8轮采伐机技术参数

图5 Rottne H21采伐机

表3 Rottne公司生产的8轮采伐机技术参数

图6 Komatsu 931XC采伐机

图7 EcoLog 688采伐机

表5 EcoLog公司生产的8轮采伐机技术参数

通过分析对比国外这些机型的采伐机，可以总结出底盘基本性能参数有：

(1)底盘中通常建立两个独立车架，前车架和后车架，前后车架通过中间的铰接机构连接，构成铰接式底盘。

(2)采伐机整机的重量在15吨到25吨之内。

(3)底盘中车架初步采用碳素结构钢Q235A。

(4)铰接式底盘的最大转向角可以达到42°-45°。

(5)铰接机构的位置对保持整车的稳定性起着至关重要的作用，其位置在轴距的中间。

(6)现有的采伐机都具有灵活的铰接机构，其中铰接机构中都具有双液压缸。

2.2 国内采伐机参考机型分析。

国内林业装备技术的研究水平较低，主要是以改装工程机械的手段来研究采伐机。北京林业大学孙治博、魏占国等人为了尽快研制适合我国南方丘陵地区的采伐机，以轮式装载机为设计蓝本，采用改装技术进行采伐机的研发，如图8为改装后的采伐机，该采伐机的参数如表2-6所示。[9-11]可以发现该采伐机车架的前车架和后车架间是通过铰接连接的。而且很多工程车辆，如建筑机械、农业机械、铲土运输机械等，为了改变整体式车架的局限性，铰接结构得到广泛的运用。[12-13]

图8 改装后WCFJ30-I采伐机

表6 改装后的采伐机技术参数

3 采伐机底盘初步设计模型

通过国外和国内采伐机参考机型分析不难发现采伐机都采用铰接结构的底盘，整体的结构和尺寸参数也非常近似。故最终确定以铰接结构的底盘为设计蓝本，其尺寸参数和结构形式参考John Deere 1270G 8W采伐机(图4)，确定出CFJ20H 8W采伐机底盘尺寸参数和结构形式，如表7所示，为采伐机底盘系统设计的尺寸参数。根据John Deere 1270G 8W采伐机的底盘技术参数，初步能确立出采伐机底盘的外形尺寸，而内部尺寸需要不断尝试和赋予一定值，建立CFJ20H 8W采伐机底盘初步的三维模型图，如图9所示。

表7 CFJ20H 8W采伐机底盘技术参数

图9 CFJ20H 8W采伐机底盘三维模型图

4 采伐机底盘结构验证

前文初步赋予采伐机底盘一定的结构尺寸和碳素结构钢Q235A(许用应力值为113Mpa[14])，是否满足材料的强度和刚度要求，需要进一步的验证。而承载采伐机的绝大数部件的是车架，其好坏直接关系到采伐机的使用性能、可靠性、安全性，所以借助有限元分析软件HyperWorks软件对车架的模型进行强度和刚度的分析。将SolidWorks软件建立的车架的三维模型以step格式导入到HyperWorks软件，对其进行几何清理、画网格等进行有限元模型，如图10所示。车架满载时承载的重力最大，以满载弯曲为研究情况，进行静力学分析。

图10 CFJ20H 8W采伐机车架的有限元模型

经过hyperWorks软件的分析、计算得到满载弯曲下采伐机的等效云图，如图11所示，最大的应力值为53.73MPa，最大变形值为0.46mm。最大应力值出现在前车架支座连接处，前车架的出现应力大于后车架的，车架其他部位应力值均较小，最大应力值为53.73MPa，远小于该材料的许用应力值。满载弯曲工况下车架的变形集中在车架的尾部，最大变形量为0.46mm，远小于许用挠度13.29mm，其中尾部出现的变形大于头部，由于后车架的总载荷小于前车架，且后车架的长度大于前车架，导致容易发生变形。从整体上分析可知，CFJ20H 8W采伐机车架在满载弯曲下强度和刚度是满足设计要求的。

图11 满载弯曲下车架的等效云图

5 总结

经过对国外的机型探讨，列举出国外当前采伐机的结构形式，对比国内的采伐机机型结构，最终采用铰接式的底盘，以John Deere 1270G 8W采伐机为参考模型，提出并确定了CFJ20H 8W采伐机底盘的基本尺寸参数，尝试赋予采伐机一定尺寸，建立采伐机底盘初步模型，通过HyperWorks软件对CFJ20H 8W采伐机车架进行静力学分析，得到采伐机车技结构是符合设计要求的强度和刚度，初步设计的CFJ20H 8W采伐机底盘是合理的，但采伐机的整体结构还可以进行优化，在今后研究中有待进一步的改善。

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Class No.:S776.31 Document Mark：A

(责任编辑：宋瑞斌)

Establishment of the CFJ20H 8W Tree Harvester Chassis Preliminary Structure in the Southern Hilly Region

Zhang Xiaozhen, Shen Rongfeng, Lin Shu，Zhou Xinnian, Xu Hao

(School of Transportation and Civil Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China)

The chassis is an important part of the tree harvester，directly related to the efficiency of the work of the cutting machine．Based on the natural environment in the southern hilly region，the performance requirements of the tree harvester chassis are proposed，and the eight wheels are used to improve the driving performance of the tree harvester operating in the southern hilly region．It is summed up that the characteristics of foreign logging machine chassis by collecting the parameters and structure of eight wheel tree harvester of the foreign manufacturers．There is ultimately determine the articulated chassis as the design blueprint by comparing with the domestic cutting machine model structure and referencing Deere John 1270G 8W cutting machine．Finally，it is determined that the size parameters and structure of the tree harvester chassis structure．The static analysis of the preliminary frame of the tree harvester was carried out by Hyper Works software，and the reliability of the structure was verified．

southern hilly region; tree harvester chassis; model

张小珍，硕士，福建农林大学。研究方向：机械设计。 沈嵘枫，通讯作者，副教授，博士，福建农林大学。研究方向：林业机械设计。

福建农林大学教材与实践研究项目(111414044)；国家教育部创新科技计划项目(111ZC5040)；福建农林大学林业智能机械立体化教材项目(112515013)；福建农林大学交通运输类实验教学示范中心资助项目(01SJ10009)；福建农林大学高水平大学建设重点资助项目(113-612014018)。

1672-6758(2016)12-0063-5

S776.31

A