面向林业工况的挖掘机设计与研究

林深才， 郭伟福

(广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007)



面向林业工况的挖掘机设计与研究

林深才， 郭伟福

(广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545007)

针对通用挖掘机用于林业工况存在安全性、实用性与可靠性不足的问题，通过对国内外林业挖掘机实际使用工况的考察，对该特殊工况进行研究分析，对主机生产厂家的研发人员如何在标准挖掘机上进行工况适应性改进提出建议，从而使液压挖掘机能够更好地适应我国林业的发展。

林业；挖掘机；设计；研究

液压挖掘机具有强大的功能，目前已不仅仅用于普通的土石方工程。随着人力成本的不断上涨以及人们从事大强度体力劳动的意愿降低，使得越来越多的液压挖掘机被应用于林业生产，其范围涵盖了造林、抚育、采伐等。挖掘机所具有的作业效率高、使用成本低等优点很好地解决了各地林场面临的“民工荒”问题[1]。

我国挖掘机行业近年来发展迅速，但目前还没有主机生产厂家生产专门针对林业工况的挖掘机。由于林业生产具有特殊的环境条件，用户通常需要在购买普通挖掘机的基础上再经过简单的改装才能投入使用，存在产品实用性差、安全性与可靠性不足等问题。本文通过对挖掘机在国内外林业工况下的使用情况进行调查，在原标准产品上提出若干项改进建议，使我国林业挖掘机的生产更加专业化，能更好地满足林业使用要求。

1 适用机型选择

我国国土面积幅员辽阔，林业种植的地形也各不相同，如广西大面积种植的速生丰产林基地，地形地貌为低山、丘陵、台地并存，以丘陵、台地为主，海拔高度一般为100～700 m，相对高度一般为50～200 m，坡度在5°～45°之间。各林地之间的交通多为宽度2～2.5 m的小路，挖掘机进入林区作业时一般需要拖车运输，道路的制约使挖掘机的吨位限制在8～15 t之间。产品吨位过大会影响运输及使用成本，过小又会导致实用性差，因此挖掘机型号的选择应根据实际作业环境来决定。

2 挖掘机各系统设计改进

2.1 发动机系统设计改进

发动机系统改进需要重点考虑机器在林区作业时大量树叶等杂质对发动机散热系统的影响，树叶等杂质长期吸附在散热器表面或内部时会造成发动机水温升高，影响发动机寿命。由于林区作业条件限制，树叶等杂质不能及时进行清理，因此通常需要做以下改进：

(1)在散热器进风口处增加防护网。主要是在门进风处以及透风栅、发动机罩等进风口处增加防护网，防止树叶等杂质被吸入散热器内。透风栅增加防护网如图1所示。

图1 透风栅增加防护网

(2)选配带反转功能的风扇，利用风扇的反转定时清理散热器表面的杂质。

2.2 液压系统设计改进

(1)挖掘机通过匹配不同的机具，可在林业作业中满足不同的作业需求，提高作业效率。典型的林业作业机具如图2所示。

很多机具的应用要求整机能够加装附属双向管路、附属回转管路及快换装置管路这三套附属工作管路。前两套管路可以满足回转类属具的动作需求，快换装置管路可以实现不同属具的快速切换，提高工作效率。附属管路的流量和压力要能够进行调节，以满足不同机具的使用。

(2)除了满足机具的使用要求外，还需要考虑工作装置上的油缸以及管路防护，为防止采伐时倾倒的树木损坏油缸及管路，需要在相应的位置上焊接防护装置，如图3所示。

图2 典型的林业作业机具

图3 油缸及液压管路防护装置

2.3 履带行走系统设计改进

履带行走系统的改进主要有以下几点：

(1)林地多为湿地或松软沙地，需要配置宽履带以减小整机的接地比压，如15 t挖掘机大多使用700 mm宽履带，为了增加整机的附着性能，履带可以选择使用推土机上常用的单筋履带板。

(2)履带护罩采用整体式或者增加护罩的数量，防止履带在凹凸不平的林地中行走脱落，拖链轮改为支重轮的安装形式，以提高可靠性。

(3)由于林地采伐后遗留的树桩较高，为了提高挖掘机的行走通过性能，还需要提高整机的离地间隙。但为了防止整机的重心过高，通常将整机的离地间隙控制在600 mm以内。履带行走系统设计改进如图4所示。

图4 履带行走系统设计改进

2.4 覆盖件及驾驶室设计改进

覆盖件及驾驶室设计需要考虑整机的防护以及操作人员的安全。

(1)在覆盖件防护方面，需要在发动机罩、左右侧门、油箱处设计防护罩，设计防护罩时需要同时考虑整机的日常维护，便于打开；平台下部的低封板需要加厚，以防止行走时树木卡进整机的下部。

(2)在驾驶室防护方面，除了增加防护网以外，由于林地大多带有坡度，作业时通常带有一定的危险性，因此需要驾驶室带有滚翻保护装置(ROPS)；同时为了防止树木砸到驾驶室玻璃造成人员伤害，驾驶室玻璃要求采用透光性好的树脂材料。覆盖件及驾驶室的防护如图5所示。

图5 覆盖件及驾驶室的防护

3 安全性设计

由于林业生产具有的特殊周边环境以及作业方式，对挖掘机的使用安全性设计需要有更高的要求。除了上述提到的各系统对安全因素的考虑外，还需要注意以下几点：

(1)整机的视野要求。良好的视野意味着操作的安全可靠，也关系到操作人员的舒适程度。为了保证操作区域具有足够的照明，通常在驾驶室顶部额外增加2～4盏照明灯[2]。驾驶室内如果需要额外增加监控仪表，也需设置在操作者正面视野的50～55 cm内，且不超出40°视角的范围[3-4]。

(2)要有足够的安全操作空间及安全提示标贴，尤其是针对改装过的零部件及新增的操作功能。

(3)整机及各部件颜色应使用安全色。合理使用红、蓝、黄、绿四种安全色能够提醒操作者以及周边人员对威胁安全和健康的物体做出正确的分辨和反应。

(4)振动与噪声应满足国家的相关法规要求。操作者长期工作在噪声及振动超标的环境下会损伤身体器官功能，影响思维和情绪，产生安全隐患。

4 小结

随着近年来我国退耕还林以及在南方地区发展储备林政策的实施，人工经济林种植面积得到快速提高。对林业机械尤其是林业挖掘机的需求也在逐年增加。根据2013年国家林业局发布《全国林业机械发展规划(2011-2020)》的要求，其中的两大任务就是加强林业重大技术装备的自主研发和建立林业机械创新体系。

通过对国内外林业挖掘机实际使用工况的考察，对该特殊工况进行研究分析，对主机生产厂家的研发人员如何在标准挖掘机上进行工况适应性改进提出一些建议，使用户从市场上就可以直接购买到安全、可靠、实用的林业挖掘机，使林业挖掘机生产更加专业化，更好地促进我国林业机械化水平的提高。

[1] 王云颂，王晨.林业机械的安全性设计与人机工程学因素[J].林业劳动安全，2007，20(3)：41-44.

[2] 茹煜，周宏平，许林云.人机工程学在林业机械设计中的应用[J].林业机械与木工设备，2005，33(12)：32-35.

[3] 陈幸良.中国现代林业技术装备发展战略与技术创新对策[J].工业工程，2013，3(4)：1-2.

[4] 杨卫杰，孟兆新，秦国新.联合采伐机六足行走装置单足力学解算与分析[J].森林工程，2015，30(1)：66-69+74.

(责任编辑 张雅芳)

·行业内外·

Design and Research of Excavators Intended for Forestry

LIN Shen-cai， GUO Wei-fu

(Guangxi Liugong Machinery Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China)

In view of the problems of insufficient safety，practicality and reliability of general excavators used in forestry，through exploration of the actual use of excavators in forestry at home and abroad，special working conditions are studies and analyzed，with recommendations put forward as to how the research and development personnel of main equipment manufacturers conduct development of standard excavators based on working condition adaptability to enable hydraulic excavators to better adapt to the development of China’s forestry.

forestry；excavator；design；research

2017-03-14

林深才(1982-)，男(壮族)，广西北流人，工程师，本科，研究方向为液压挖掘机总体设计，E-mail：A10697@mail.lgnet.com。

S222

A

2095-2953(2017)08-0022-03

研究与设计