張小珍，沈嶸楓，林曙，周新年，許 浩

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

南方丘陵地區(qū)CFJ20H 8W采伐機(jī)底盤初步結(jié)構(gòu)確立

張小珍，沈嶸楓，林曙，周新年，許 浩

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

采伐機(jī)底盤是采伐機(jī)的重要組成部分，直接關(guān)系到采伐機(jī)的工作效率。根據(jù)南方丘陵地區(qū)的自然環(huán)境情況，提出對(duì)采伐機(jī)底盤的性能要求，采用八只輪子的措施，可以提高采伐機(jī)在南方丘陵地區(qū)的行駛性能。通過(guò)收集國(guó)外廠商生產(chǎn)的八只輪子采伐機(jī)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式，總結(jié)出國(guó)外采伐機(jī)底盤特點(diǎn)。對(duì)比國(guó)內(nèi)采伐機(jī)的機(jī)型結(jié)構(gòu)，最終確定以鉸接式底盤為設(shè)計(jì)藍(lán)本，以John Deere 1270G 8W采伐機(jī)尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)為參考模型，確定出CFJ20H 8W采伐機(jī)底盤的尺寸參數(shù)，建立采伐機(jī)初步模型。通過(guò)HyperWorks軟件對(duì)采伐機(jī)初步車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性。

南方丘陵地區(qū)；采伐機(jī)底盤；機(jī)型

我國(guó)南方丘陵地區(qū)人工林的面積較大，再加上生活中木材的使用量較大，人工林的開采是當(dāng)前迫切所需，但是采伐工作是一個(gè)艱巨的任務(wù)，借助斧頭等小型工具的傳統(tǒng)采伐方式已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)方式，一臺(tái)采伐機(jī)能代替幾十個(gè)人的工作量，大大提高了工作效率，所以開發(fā)適合丘陵地區(qū)的采伐機(jī)是十分有必要的。[1-3]采伐機(jī)底盤是采伐機(jī)的重要組成部分，直接關(guān)系到采伐機(jī)工作的效率，國(guó)內(nèi)采伐機(jī)是直接引進(jìn)或改裝，在性能上不能完全滿足于南方丘陵地區(qū)采伐機(jī)的工作所需。我國(guó)南方丘陵地區(qū)地形復(fù)雜、地勢(shì)陡峭，給采伐機(jī)的研究工作帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)。所以，在南方丘陵地區(qū)的采伐機(jī)底盤的研究工作中，首先確定出南方丘陵地區(qū)對(duì)采伐機(jī)性能要求，然后根據(jù)分析國(guó)內(nèi)外的采伐機(jī)機(jī)型，確立出采伐機(jī)底盤的初步模型。

1 南方丘陵地區(qū)底盤研究概述

圖1 南方丘陵地區(qū)自然地形

我國(guó)南方丘陵地區(qū)地形復(fù)雜，地面崎嶇不平，地質(zhì)松軟，且林地上存在許多石塊、倒木、伐根等障礙物，如圖1所示，給采伐機(jī)底盤研究帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。[4-6]目前國(guó)內(nèi)使用的采伐機(jī)不是改裝工程機(jī)械就是直接引進(jìn)國(guó)外的采伐機(jī)，雖然減少了研發(fā)的時(shí)間和成本，但存在一些動(dòng)力性和適應(yīng)性上的問(wèn)題。[7]南方丘陵地區(qū)的地形復(fù)雜，存在凹凸不平、地質(zhì)松軟、地勢(shì)陡峭等自然環(huán)境問(wèn)題，要求采伐機(jī)具有較好的行駛穩(wěn)定性、通過(guò)性和較強(qiáng)的爬坡能力，所以需要研究一種具有較為靈活、動(dòng)力性較好的采伐機(jī)底盤。采用八只輪子的采伐機(jī)工作在凹凸不平的地面時(shí)，八只輪子能很好地與地面接觸，不易發(fā)生側(cè)傾翻現(xiàn)象。地面對(duì)八只輪子采伐機(jī)的支撐點(diǎn)較多，能很好地提高整機(jī)的穩(wěn)定性。但國(guó)內(nèi)對(duì)八只輪子采伐機(jī)研究甚少，需參看國(guó)外的機(jī)型。

2 采伐機(jī)的機(jī)型參考

底盤是承載采伐機(jī)各個(gè)部件并且承載工作載荷的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)根據(jù)機(jī)械種類、要求的不同，其結(jié)構(gòu)形式也有所不同，但一般可以分為整體式和鉸接式的兩大類，如圖2。整體式底盤由不同形狀的薄鋼板構(gòu)件焊接成一個(gè)整體。鉸接式底盤由前車架、鉸接機(jī)構(gòu)、后車架三部件構(gòu)成，是利用鉸接機(jī)構(gòu)將前車架和后車架連接在一起的關(guān)節(jié)式底盤。[8]下面通過(guò)國(guó)內(nèi)外的采伐機(jī)參看機(jī)型的分析，確定出需研究的采伐機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和尺寸參數(shù)。

圖2 車架結(jié)構(gòu)形式

2.1國(guó)外采伐機(jī)參考機(jī)型分析。

國(guó)內(nèi)對(duì)采伐機(jī)的研究暫時(shí)沒(méi)有較為完整的內(nèi)容，故對(duì)采伐機(jī)底盤的研究先參考國(guó)外采伐機(jī)的機(jī)型結(jié)構(gòu)。根據(jù)采用八只輪子采伐機(jī)來(lái)提高采伐機(jī)工作在南方丘陵地區(qū)的行駛穩(wěn)定性，選定國(guó)外八只輪子機(jī)型作為參考。通過(guò)比較、分析不同品牌機(jī)型，總結(jié)出采伐機(jī)底盤特征，有利于開發(fā)適應(yīng)我國(guó)特色的機(jī)型。首先比較目前市場(chǎng)具有較強(qiáng)地位的采伐機(jī)生產(chǎn)廠商的機(jī)型，而這些生產(chǎn)廠商主要有：芬蘭Ponsse；美國(guó)John Deere；瑞典Rottne；日本Komatsu；瑞典Eco-Log。

圖3 Ponsse Bear和Scorpion King采伐機(jī)

表1 EcoLog公司生產(chǎn)的8輪采伐機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖4 John Deere 1270G 8W

表2 John Deere公司生產(chǎn)的8輪采伐機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖5 Rottne H21采伐機(jī)

表3 Rottne公司生產(chǎn)的8輪采伐機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖6 Komatsu 931XC采伐機(jī)

圖7 EcoLog 688采伐機(jī)

表5 EcoLog公司生產(chǎn)的8輪采伐機(jī)技術(shù)參數(shù)

通過(guò)分析對(duì)比國(guó)外這些機(jī)型的采伐機(jī)，可以總結(jié)出底盤基本性能參數(shù)有：

(1)底盤中通常建立兩個(gè)獨(dú)立車架，前車架和后車架，前后車架通過(guò)中間的鉸接機(jī)構(gòu)連接，構(gòu)成鉸接式底盤。

(2)采伐機(jī)整機(jī)的重量在15噸到25噸之內(nèi)。

(3)底盤中車架初步采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235A。

(4)鉸接式底盤的最大轉(zhuǎn)向角可以達(dá)到42°-45°。

(5)鉸接機(jī)構(gòu)的位置對(duì)保持整車的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，其位置在軸距的中間。

(6)現(xiàn)有的采伐機(jī)都具有靈活的鉸接機(jī)構(gòu)，其中鉸接機(jī)構(gòu)中都具有雙液壓缸。

2.2 國(guó)內(nèi)采伐機(jī)參考機(jī)型分析。

國(guó)內(nèi)林業(yè)裝備技術(shù)的研究水平較低，主要是以改裝工程機(jī)械的手段來(lái)研究采伐機(jī)。北京林業(yè)大學(xué)孫治博、魏占國(guó)等人為了盡快研制適合我國(guó)南方丘陵地區(qū)的采伐機(jī)，以輪式裝載機(jī)為設(shè)計(jì)藍(lán)本，采用改裝技術(shù)進(jìn)行采伐機(jī)的研發(fā)，如圖8為改裝后的采伐機(jī)，該采伐機(jī)的參數(shù)如表2-6所示。[9-11]可以發(fā)現(xiàn)該采伐機(jī)車架的前車架和后車架間是通過(guò)鉸接連接的。而且很多工程車輛，如建筑機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、鏟土運(yùn)輸機(jī)械等，為了改變整體式車架的局限性，鉸接結(jié)構(gòu)得到廣泛的運(yùn)用。[12-13]

圖8 改裝后WCFJ30-I采伐機(jī)

表6 改裝后的采伐機(jī)技術(shù)參數(shù)

3 采伐機(jī)底盤初步設(shè)計(jì)模型

通過(guò)國(guó)外和國(guó)內(nèi)采伐機(jī)參考機(jī)型分析不難發(fā)現(xiàn)采伐機(jī)都采用鉸接結(jié)構(gòu)的底盤，整體的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)也非常近似。故最終確定以鉸接結(jié)構(gòu)的底盤為設(shè)計(jì)藍(lán)本，其尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式參考John Deere 1270G 8W采伐機(jī)(圖4)，確定出CFJ20H 8W采伐機(jī)底盤尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式，如表7所示，為采伐機(jī)底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的尺寸參數(shù)。根據(jù)John Deere 1270G 8W采伐機(jī)的底盤技術(shù)參數(shù)，初步能確立出采伐機(jī)底盤的外形尺寸，而內(nèi)部尺寸需要不斷嘗試和賦予一定值，建立CFJ20H 8W采伐機(jī)底盤初步的三維模型圖，如圖9所示。

表7 CFJ20H 8W采伐機(jī)底盤技術(shù)參數(shù)

圖9 CFJ20H 8W采伐機(jī)底盤三維模型圖

4 采伐機(jī)底盤結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

前文初步賦予采伐機(jī)底盤一定的結(jié)構(gòu)尺寸和碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235A(許用應(yīng)力值為113Mpa[14])，是否滿足材料的強(qiáng)度和剛度要求，需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。而承載采伐機(jī)的絕大數(shù)部件的是車架，其好壞直接關(guān)系到采伐機(jī)的使用性能、可靠性、安全性，所以借助有限元分析軟件HyperWorks軟件對(duì)車架的模型進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的分析。將SolidWorks軟件建立的車架的三維模型以step格式導(dǎo)入到HyperWorks軟件，對(duì)其進(jìn)行幾何清理、畫網(wǎng)格等進(jìn)行有限元模型，如圖10所示。車架滿載時(shí)承載的重力最大，以滿載彎曲為研究情況，進(jìn)行靜力學(xué)分析。

圖10 CFJ20H 8W采伐機(jī)車架的有限元模型

經(jīng)過(guò)hyperWorks軟件的分析、計(jì)算得到滿載彎曲下采伐機(jī)的等效云圖，如圖11所示，最大的應(yīng)力值為53.73MPa，最大變形值為0.46mm。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在前車架支座連接處，前車架的出現(xiàn)應(yīng)力大于后車架的，車架其他部位應(yīng)力值均較小，最大應(yīng)力值為53.73MPa，遠(yuǎn)小于該材料的許用應(yīng)力值。滿載彎曲工況下車架的變形集中在車架的尾部，最大變形量為0.46mm，遠(yuǎn)小于許用撓度13.29mm，其中尾部出現(xiàn)的變形大于頭部，由于后車架的總載荷小于前車架，且后車架的長(zhǎng)度大于前車架，導(dǎo)致容易發(fā)生變形。從整體上分析可知，CFJ20H 8W采伐機(jī)車架在滿載彎曲下強(qiáng)度和剛度是滿足設(shè)計(jì)要求的。

圖11 滿載彎曲下車架的等效云圖

5 總結(jié)

經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)外的機(jī)型探討，列舉出國(guó)外當(dāng)前采伐機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)比國(guó)內(nèi)的采伐機(jī)機(jī)型結(jié)構(gòu)，最終采用鉸接式的底盤，以John Deere 1270G 8W采伐機(jī)為參考模型，提出并確定了CFJ20H 8W采伐機(jī)底盤的基本尺寸參數(shù)，嘗試賦予采伐機(jī)一定尺寸，建立采伐機(jī)底盤初步模型，通過(guò)HyperWorks軟件對(duì)CFJ20H 8W采伐機(jī)車架進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到采伐機(jī)車技結(jié)構(gòu)是符合設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度和剛度，初步設(shè)計(jì)的CFJ20H 8W采伐機(jī)底盤是合理的，但采伐機(jī)的整體結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)行優(yōu)化，在今后研究中有待進(jìn)一步的改善。

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Class No.:S776.31 Document Mark：A

(責(zé)任編輯：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，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 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

張小珍，碩士，福建農(nóng)林大學(xué)。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。 沈嶸楓，通訊作者，副教授，博士，福建農(nóng)林大學(xué)。研究方向：林業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)。

福建農(nóng)林大學(xué)教材與實(shí)踐研究項(xiàng)目(111414044)；國(guó)家教育部創(chuàng)新科技計(jì)劃項(xiàng)目(111ZC5040)；福建農(nóng)林大學(xué)林業(yè)智能機(jī)械立體化教材項(xiàng)目(112515013)；福建農(nóng)林大學(xué)交通運(yùn)輸類實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心資助項(xiàng)目(01SJ10009)；福建農(nóng)林大學(xué)高水平大學(xué)建設(shè)重點(diǎn)資助項(xiàng)目(113-612014018)。

1672-6758(2016)12-0063-5

S776.31

A