履带式林间剩余物集材机关键部件设计与试验研究

战丽 张志文 杨春梅 刘九庆

摘 要：为解决人工林及次生林集材效率较低的问题，依据人工林自身特点，设计自走履带式林间剩余物集材机。针对集材机关键部件设计计算，对机架进行有限元分析和优化，以保证设计合理性。对集材机进行在坡面和越障通过时稳定性的分析，在计算机辅助工程软件包Recurdyn（Recursive Dynamic）中进行坡面和越障仿真分析。通过对样机20°爬坡的试验和150、200、250 mm高的障碍物试验，结果显示，集材机能够有效通过20°坡度和250 mm高度障碍物。该研究的集材机设计合理，满足林间通行条件。

关键词：林间剩余物；集材机;通过性;试验；有限元

中图分类号：S776.32+5 文献标识码：A 文章编号：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

基金项目：黑龙江省自然科学基金项目（TD2020C001）；中央财政林业科技推广示范项目（黑[2022] TG13号）

第一作者简介：战丽，博士，副教授。研究方向为车辆工程与工业设计。E-mail： lilyzhan@vip.163.com

*通信作者：刘九庆，博士，教授。研究方向为林业机械化。E-mail： 727485313@qq.com

0 引言

随着生活水平的提高，人们对于木材消耗量也逐渐升高，我国人工林的面积也在逐渐增多，全国人工林面积达到了754.28万hm2，对于人工林木材收集主要依靠人工作业和集材机作业，我国主要有JC30型营林、金龙252L型营林整地机，但随着需求量的增加，已经不能满足现代人工林和次生林的生产需求。刘铁男[1]提出了三角履帶集材机额定载重质量为1 500 kg，整机全长6 100 mm，单次集材效果较好，但其尺寸过大，灵活性差。战丽等[2]提出间伐伐区小型集材机，其结构紧凑、布局合理、小巧灵活，但集材部分较小，整机单次集材效率较低。刘铁男等[3]对于集材机用三角履带的关键参数进行优化，提出了一种履带驱动效率优先的原则，得到了集材机三角履带关键参数的最优组合。Wang[4]通过对比多种集材机的移动方式，发现履带移动方式对森林土壤的影响最小。Adzhatyan[5]提出了一种履带外部载荷方案，制定了履带梁的设计方案，提高了地面载荷的合理分配及履带承载能力、使用寿命。Marsili等[6]提出了履带式林业车辆工作过程中对驾驶员的全身振动的影响。近年来，国内集材机发展较为缓慢，主要的研究方向是对原有车型的升级改造，解决移动较为缓慢、集材效率较低问题[7]。

为提高人工林集材效率，本研究设计一款自走履带式林间剩余物集材机，将林间障碍地形简化为斜坡和台阶2个地形进行理论分析[8]。制造样机，进行实地试验，以保证集材机设计的合理性。

1 自走履带式林间剩余物集材机设计

1.1 设计指标

自走履带式林间剩余物集材机主要作业环境为人工林和次生林，主要路面为柏油路面、林间集材道路和林间软土路。通过对小兴安岭某次生林伐区、东方红林场和临江林业局的调查得到以下的林间相关参数。集材道宽度为2.4 m，51%树间距大于2.4 m，79%树间距大于1.68 m，林间伐根一般200 mm。所需集材平均体积为0.07 m3，平均直径120 mm；道路坡度最大为20°[9]。因此集材机主要技术指标为：1）整机空载质量500 kg，满载质量1 000 kg；2）正常行驶速度0～2 km/h；3）具有较好的爬坡越障能力，最大爬坡角度20°，最高越障高度200 mm；4）操作方式简单，转型灵活。

1.2 履带式林间剩余物集材机总体结构

依据设计指标，自走履带式林间剩余物集材机结构如图 1所示，主要由行走机构、液压系统、柴油机、机罩、绞盘机和车体等组成。

自走履带式林间剩余物集材整机参数见表1。

1.3 额定功率的设计

集材机所在作业场地最大坡度为20°，满载质量为1 500 kg ，为了保证集材机工作过程中具有足够动力，需要确定合理的集材机功率为

集材机上坡时行驶阻力（Ff）计算公式为

根据牵引力的平衡关系可得

式中：P为集材机功率，kW；Fq最大载重时所需的牵引力，N；v为集材机上坡时候行驶速度，km/h， v=2 km/h；α为坡度角；μ为小型集材拖拉机上坡与地面间的摩擦阻力系数；Ff为行驶阻力，N；η为传动效率， η=0.66；G0为整机重力，N。

带入相关数据得P=6.32 kW，为了保证工作的可靠，集材机应该具有一定储备功率，所以集材机额定功率（Pc）为

式中，kc为功率储备系数，选择kc=1.17。

计算得额定功率为Pe=7 kW。选取常州常迈机械动力机械有限公司R190柴油机作为整机的动力源，其最大功率7.78 kW。

1.4 集材机绞盘的设计

为了提高集材效率，在集材机上安装绞盘机， 绞盘机具体的结构由支座、卷筒、钢丝绳和液压马达组成。钢丝绳作为绞盘机的关键部件之一，若选择不当，则会在工作过程中出现断裂的危险，从而影响集材效率， 严重的情况下会威胁到人身安全。

1.4.1 钢丝绳设计

集材机所需牵引力（T）的大小决定了绞盘机每次集材能力，绞盘机需要拉力计算公式为

式中：GQ为绞盘机单次集材重量，N，依据设计要求中GQ=5 000 N；w为集材的阻力系数，根据林区路面条件确定w=0.8；i为林区路面坡度千分数 。

带入相关数值得到集材牵引力T=4 100 N。为了保证集材机遇到突发情况具有一定的自救能力，绞盘机牵引力最终确定为4 500 N。

小型集材拖拉机最大牵引力4 500 N，钢丝绳的破断拉力应该满足式（6）。

式中：Tp为整条钢丝绳的破断拉力，N；Tmax为钢丝绳最大静拉力，N；n为钢丝绳最小安全系数，n=4。Tp≥4×4 500=18 000 N，选用6×19S+FC型号的钢丝绳，钢丝绳直径为8 mm，其最小被拉断拉力34 800 N，因此满足使用需求，钢丝绳长度初步选择25 m。

1.4.2 卷筒设计

卷筒作为绞盘机的重要部件之一，主要参数有卷筒的直径、卷筒厚度、缠绕圈数、卷筒长度和卷筒端板外缘直径参数。

1）卷筒直径

卷筒的直径（D）计算公式为

式中：hj为结构有关系数，取hj=21.4；d为钢丝绳直径，mm。

带入相关数值求出D≥21.4×8=171.2 mm，绞盘机的设计在满足使用功能前提下，结构应该较小，直径确定为180 mm。

2）卷筒厚度确定

卷筒厚度太小，强度不足，容易发生断裂和变形，卷筒厚度太大，则会增加绞盘转动的功率损失。依据经验公式，取厚度δ≈d=8 mm。

3）卷筒长度（Lj）计算

式中，φ为钢丝绳在卷筒上排列的不均匀系数，φ=1.1。求出Lj=1 848 mm，因此本研究取Lj=1 850 mm。

4）卷筒端板外缘直径计算

卷筒外缘直径选择恰当可防止钢丝绳的工作过程中的跳出，其直径计算公式为

式中，mk为钢丝绳不越出端板外缘安全高度，当卷筒为多层缠绕时取mk=2 d。求得D1≥1 230 mm。

1.5 行走机构的设计

集材机作业环境，路面较软，为保证通过性，选择履带作为行走机构。采用三轮一带的机构，整体布局如图 2所示。

1.5.1 履带设计

1）履带节距

节距太小会使传动件数量和履带质量增加，节距太大会使履带的刚度和行驶的平稳性变差。故根据经验履带节距[10-11]为12～14.54G。G为满载质量，kg，整机质量取1 500 kg，计算得履带节距为148 mm。

2）履带轨距和接地长度

考虑到林间的作业条件，要求集材机移动较为灵活，履带轨距（B）最小取560 mm。履带接地长度（Lg）和轨距之间的比值决定着集材机转向性能，依据经验取该比值为1.3，计算得Lg=690 mm。

3）履带宽度

履带宽度（k）计算方法为（0.18～0.22）Lg，取k=0.2Lg，计算得k=138 mm。

4）满载接地压力比（PF）计算公式

计算得PF=0.05 MPa≤Pmax （Pmax為履带允许最大接地压力，为10 MPa），集材机符合设计要求。

1.5.2 驱动轮的设计

驱动轮半径大，则驱动扭矩增大，所以驱动轮半径不应过大，但驱动轮半径太小，则会导致履带啮合部分半径也变小，减少履带寿命。所以取驱动轮齿数（z）为9。驱动轮齿顶圆直径Dt 、节圆直径Dk 和齿根圆直径Di 的计算公式为

式中：t0为履带的节距， t0=72 mm；C为履带的厚度，C=15 mm；Ft为橡胶履带内传动平面距钢丝绳中心面的距离，Ft=10 mm。

求出Dk=206 mm，根据实际情况最终取Dk=215 mm，求出Dt=240 mm，Di =195 mm。齿面弧线半径一般为r=30～60 mm，取r=45 mm。驱动轮三维结构如图3所示。

1.5.3 支重轮的设计

集材机的载重较大，为保证结构稳定，采用双边支重轮，支重轮的直径Dz≈（1.5～3）t0，最终确定Dz=160 mm。主要结构如图4所示。

1.6 机架的设计与校核

集材机机架主要是用来承载与连接集材机各部分，要求整个机架结构简单，加工容易，在机架满足集材机强度要求下，尽可能减小自重，提高集材机集材效率。为了便于加工，考虑整机集材机质量的合理分布，机架设计如图 5所示。

为了保证设计可靠性，进行机架静力学分析，按照集材机受力情况添加约束与受力，机架变形云图如图6所示。

由图6可知，最大变形量为机架前端0.603 02 mm，变形量较大，主要原因是机架前端放置柴油机、液压油箱，且悬臂较长；最大主弹性应变0.000 528 6，最大主应力137.48 MPa，主要存在于第一层机架和第二层机架连接的四立柱连接处。为了保证机架的合理性和安全性，在变形较大和应力集中处做出优化改进，优化后结构如图 7所示。优化后机架变形云图如图8所示。

优化后总变形为0.028 15，最大主弹性应变0.000 193，最大主应力39.49 MPa，相比优化前后总变形减小了一半，最大主弹性应变减少了一半，最大主应力减少了三分之一。

对优化后机架进行模态分析，前六阶主振型如图 9所示，振动频率见表 2。

机架振源主要是由动力源振动产生，集材机动力源最大振动频率为25 Hz，小于集材机的振动频率，改进后的机架更加合理。

2 通过性分析

2.1 坡面分析

集材机进行通过斜坡道路过程中，在分析过程中，做如下假设：1）坡道仅仅只有一个方向的倾斜角度；2）集材机在坡道上稳定行驶时所受的作用力主要包括集材机自身重力、前进方向的空气阻力（可忽略不计）、支撑地面的法向反力和行驶时的地面摩擦阻力[12-14]。

集材机在纵向坡道匀速行驶，处于平衡状态，对其进行受力分析，如图10所示。

力矩平衡方程，对A点取矩，得到公式

若坡度角过大，则集材机会发生倒翻，由几何关系得上坡过程中最大坡角

同理在车辆下坡过程中最大坡角

集材机成功爬坡的另外一个重要因素就是路面条件，由集材机履带与地面之间的附着条件决定，设林间路面与集材机之间的附着系数为φ，则有集材机林间最大附着力为

所以集材机在坡道上行驶不发生下滑的条件为F≤Fφ，集材机在不发生滑移所对应的最大滑移角βφ=arctanφ。

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

带入数据得集材机最大爬坡高度β=23° ，满足使用条件。

2.2 越障分析

集材机在跨越台阶过程中，首先履带与台阶前沿接触，集材机开始攀爬台阶，在此过程中，随着集材机导向轮的上升主体重心不断提高，集材车质心也在不断升高，底盘与地面的夹角逐渐增大，当集材机重心恰好在台阶边缘线正上方，此时是集材机攀越垂直壁的临界状态如图11所示，h为台阶高度，R为驱动轮半径（包括履带厚度），L为驱动轮圆心O1到导向轮圆心O2之间的距离，a为重心G在O1O2上的投影的距离，b为重心G距离O1O2的高度，建立如下方程式。

其中可以将车体仰角α质心位置a、b作为自变量，车体仰角超过0.5π之后肯定不能越过障碍，所以α为集材机仰角取值范围为（0～0.5π），集材机质心横坐标为（0～L），对式（19）求障碍物高度h关于车体仰角α的偏导可得

式中：α为O1O2与水平面夹角；2hα2≤0，h存在最大值，当hα=0时，可得出在临界状态下最大仰角α与a、b的变化，求障碍物高度h关于质心a、b的偏导，可得ha=sinα＞0，ha=sinαtanα＜0，所以质心靠前、靠下时候更容易越过障碍物，为了保证集材机良好的通过性，质心坐标也不能过低，根据履带底盘设计经验b＞0。选取4个质心位置，对应翻越障碍物的极限角度如图 12所示。

3 仿真分析

林间道路坡度一般为20°，砍伐树木之后的伐根通常高为200 mm，因此对集材机进行该坡度仿真分析。本研究利用计算机辅助工程软件包Recurdyn（Recursive Dynamic）软件集材机进行动力学仿真，Recurdyn是目前应用最为广泛的机械系统动力学仿真软件之一，可以和多种建模软件实现对接。林间道路多为软土路面，所以选择黏土路面为仿真路面，所得到的履带与土壤参数见表3[15-18]。

3.1 坡道仿真

在Recurdyn中建立20°坡面，仿真时间30 s，分别提取Y向位移和驱动轮转矩，如图 13所示。

在仿真过程中，由于驱动轮转动副的固定件和转动件相对运动的原因，所以在仿真结果中驱动力矩为负值，在分析过程中驱动力矩只看大小，不看正负。10 s之前在朝坡度移动驱动力矩为300 N·m，10 s開始爬坡，驱动力矩变为400 N·m，Y向逐渐增大，13.5 s左右集材机完全到达坡道，驱动力矩增大为470 N·m，后续保持不变，Y向位移平稳增加。

3.2 台阶仿真

同爬坡过程分析，驱动力矩只看大小不看正负。翻越200 mm高度障碍物驱动力矩和Y向位移如图14所示，2～8 s为在平地移动，驱动力矩350 N·m。8 s履带接触障碍物，开始越障，随着集材机向前移动，质心开始升高，驱动力矩逐渐增大，驱动力矩增加800 N·m。在14 s时刻，质心越过外沿线，在集材机重力作用下，越障成功，质心开始下降，16 s集材机达到稳定状态。

4 爬坡与越障试验

对集材机进行20°坡度和3种不同高度的试验，其试验过程如图15和图16所示。试验结果表明集材机能顺利通过20°坡度与250 mm高度障碍物。

该集材机能够通过20°坡度，可以应对林间一般坡度。在越障试验过程中，分别在3种高度障碍物下进行试验，为保证试验可靠性，每种高度进行了10次试验，均能够通过障碍，见表4。由此说明集材机满足林间环境下行驶。

5 结论

1）设计了一款用于自走履带式林间剩余物集材机，整机尺寸3 500 mm×850 mm×1 275mm。单次可集材1 000 kg。

2）建立了集材机爬坡运动学模型，并根据爬坡的几何、履带不打滑约束条件，对集材机质心、仰角与可翻越高度进行了理论分析。结果表明质心靠前、靠下时候更容易越过障碍物。

3）进行了爬坡和越障仿真分析。得到了驱动力矩与Y向位移变化曲线。完成了样机20°爬坡的试验，以及150、200、250 mm障碍物的越障试验。试验表明集材机通过性良好，设计合理，能够满足林间的作业要求。

【参 考 文 献】

[1]刘铁男.集材机用三角履带框架结构的优化及随机振动疲劳分析[D].哈尔滨：东北林业大学，2020.

LIU T N. Optimization and random vibration fatigue analysis of triangular crawler frame structure for skidder[D]. Harbin： Northeast Forestry University， 2020.

[2]战丽，朱晓亮，马岩，等.间伐伐区小型集材机的设计[J].林业工程学报，2016，1（3）：97-102.

ZHAN L， ZHU X L， MA Y， et al. The design of small skidder for intermediate cutting area[J]. Journal of Forestry Engineering， 2016， 1（3）： 97-102.

[3]刘铁男，王立海，张广晖，等.集材机用三角履带轮关键参数的优化设计[J].林业科学，2020，56（6）：94-102.

LIU T N， WANG L H， ZHANG G H， et al. Optimization design of key parameters of a triangular pedrail wheel system for log skidders[J]. Scientia Silvae Sinicae， 2020， 56（6）： 94-102.

[4]WANG L H. Assessment of animal skidding and ground machine skidding under mountain conditions[J]. Journal of Forest Engineering， 1997， 8（2）： 57-64.

[5]ADZHATYAN M G. Definition of rational track parameters excavator crawler engine[J]. Avtomobil Doroga Infrastruktura， 2020， 1（23）： 9.

[6]MARSILI A， RAGNI L， VASSALINI G. Vibration and noise of a tracked forestry vehicle[J]. Journal of Agricultural Engineering Research， 1998， 70（3）： 295-306.

[7]孫术发，张山山，李禹璇，等.国内外林区几种大型作业车辆研究进展及车型设计展望[J].北京林业大学学报，2019，41（6）：154-166.

SUN S F， ZHANG S S， LI Y X， et al. Studies of several large-scale forestry operating vehicles at home and abroad and prospect of vehicle type design[J]. Journal of Beijing Forestry University， 2019， 41（6）： 154-166.

[8]陈安成，穆希辉，杜峰坡，等.基于RecurDyn的小型履带车的建模与仿真[J].机械设计，2013，30（10）：36-39.

CHEN A C， MU X H， DU F P， et al. Modeling and simulation of small tracked vehicle base on RecurDyn[J]. Journal of Machine Design， 2013， 30（10）： 36-39.

[9]王霓虹，王志芳.孟家岗落叶松人工林标准树高模型的研究[J].森林工程，2014，30（2）：10-12.

WANG N H， WANG Z F. Study on standard tree height model of Meng Jiagang's larch plantation[J]. Forest Engineering， 2014， 30（2）： 10-12.

[10]孙振杰，刘俊峰，李彩风，等.微型农用履带式行走装置的设计方法[J].农机化研究，2011，33（10）：55-58.

SUN Z J， LIU J F， LI C F， et al. The design method of mini agricultural crawler running device[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research， 2011， 33（10）： 55-58.

[11]孙术发，高靖萱，王敬凯，等.适应湿地作业的履带式运输车设计与研究[J].森林工程，2022，38（3）：77-86.

SUN S F， GAO J X， WANG J K， et al. Design and research of tracked transport vehicle adapted to wetland operation[J]. Forest Engineering， 2022， 38（3）： 77-86.

[12]BAO K， DAI J， LIU Y， et al. Analysis of virtual fatigue life of welding structure of tracked vehicle based on load spectrum[J]. Journal of Physics： Conference Series， 2021， 1986（1）：012049.

[13]DEMIRJIAN W， POWELSON M， CANFIELD S. Design of track-type climbing robots using dry adhesives and compliant suspension for scalable payloads[J]. Journal of Mechanisms and Robotics， 2020， 12（3）： 031017.

[14]孫术发，任春龙，李涛，等.基于履带式底盘的改进型森林消防车通过性[J].农业工程学报，2018，34（17）：61-67.

SUN S F， REN C L， LI T， et al. Trafficability analysis of improved forest fire engine based on crawler chassis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（17）： 61-67.

[15]JEONG H， YU J， LEE D H. Track HM design for dynamic analysis of 4-tracked vehicle on rough terrain using Recurdyn[J]. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A， 2021， 45（4）： 275-283.

[16]LI Y W， ZANG L G， SHI T， et al. Design and dynamic simulation analysis of a wheel-track composite chassis based on RecurDyn[J]. World Electric Vehicle Journal， 2021， 13（1）： 12.

[17]李汉青，杜宗霖，张兆国，等.基于Recurdyn的履带式三七收获机不同收获工况性能分析[J].山东农业大学学报（自然科学版），2021，52（6）：1028-1034.

LI H Q， DU Z L， ZHANG Z G， et al. Performance analysis of tracked Panax notoginseng harvester under different operating conditions based on Recurdyn[J]. Journal of Shandong Agricultural University （Natural Science Edition）， 2021， 52（6）： 1028-1034.

[18]陈继清，黄仁智，莫荣现，等.基于RecurDyn小型绿篱修剪机履带底盘越障性能分析与仿真[J].中国农机化学报，2020，41（10）：89-98.

CHEN J Q， HUANG R Z， MO R X， et al. Analysis and simulation of obstacle crossing performance of tracked chassis of small hedge trimmer based on RecurDyn[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2020， 41（10）： 89-98.