林深才， 郭偉福

(廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

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面向林業(yè)工況的挖掘機設計與研究

林深才， 郭偉福

(廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007)

針對通用挖掘機用于林業(yè)工況存在安全性、實用性與可靠性不足的問題，通過對國內(nèi)外林業(yè)挖掘機實際使用工況的考察，對該特殊工況進行研究分析，對主機生產(chǎn)廠家的研發(fā)人員如何在標準挖掘機上進行工況適應性改進提出建議，從而使液壓挖掘機能夠更好地適應我國林業(yè)的發(fā)展。

林業(yè)；挖掘機；設計；研究

液壓挖掘機具有強大的功能，目前已不僅僅用于普通的土石方工程。隨著人力成本的不斷上漲以及人們從事大強度體力勞動的意愿降低，使得越來越多的液壓挖掘機被應用于林業(yè)生產(chǎn)，其范圍涵蓋了造林、撫育、采伐等。挖掘機所具有的作業(yè)效率高、使用成本低等優(yōu)點很好地解決了各地林場面臨的“民工荒”問題[1]。

我國挖掘機行業(yè)近年來發(fā)展迅速，但目前還沒有主機生產(chǎn)廠家生產(chǎn)專門針對林業(yè)工況的挖掘機。由于林業(yè)生產(chǎn)具有特殊的環(huán)境條件，用戶通常需要在購買普通挖掘機的基礎上再經(jīng)過簡單的改裝才能投入使用，存在產(chǎn)品實用性差、安全性與可靠性不足等問題。本文通過對挖掘機在國內(nèi)外林業(yè)工況下的使用情況進行調(diào)查，在原標準產(chǎn)品上提出若干項改進建議，使我國林業(yè)挖掘機的生產(chǎn)更加專業(yè)化，能更好地滿足林業(yè)使用要求。

1 適用機型選擇

我國國土面積幅員遼闊，林業(yè)種植的地形也各不相同，如廣西大面積種植的速生豐產(chǎn)林基地，地形地貌為低山、丘陵、臺地并存，以丘陵、臺地為主，海拔高度一般為100～700 m，相對高度一般為50～200 m，坡度在5°～45°之間。各林地之間的交通多為寬度2～2.5 m的小路，挖掘機進入林區(qū)作業(yè)時一般需要拖車運輸，道路的制約使挖掘機的噸位限制在8～15 t之間。產(chǎn)品噸位過大會影響運輸及使用成本，過小又會導致實用性差，因此挖掘機型號的選擇應根據(jù)實際作業(yè)環(huán)境來決定。

2 挖掘機各系統(tǒng)設計改進

2.1 發(fā)動機系統(tǒng)設計改進

發(fā)動機系統(tǒng)改進需要重點考慮機器在林區(qū)作業(yè)時大量樹葉等雜質(zhì)對發(fā)動機散熱系統(tǒng)的影響，樹葉等雜質(zhì)長期吸附在散熱器表面或內(nèi)部時會造成發(fā)動機水溫升高，影響發(fā)動機壽命。由于林區(qū)作業(yè)條件限制，樹葉等雜質(zhì)不能及時進行清理，因此通常需要做以下改進：

(1)在散熱器進風口處增加防護網(wǎng)。主要是在門進風處以及透風柵、發(fā)動機罩等進風口處增加防護網(wǎng)，防止樹葉等雜質(zhì)被吸入散熱器內(nèi)。透風柵增加防護網(wǎng)如圖1所示。

圖1 透風柵增加防護網(wǎng)

(2)選配帶反轉(zhuǎn)功能的風扇，利用風扇的反轉(zhuǎn)定時清理散熱器表面的雜質(zhì)。

2.2 液壓系統(tǒng)設計改進

(1)挖掘機通過匹配不同的機具，可在林業(yè)作業(yè)中滿足不同的作業(yè)需求，提高作業(yè)效率。典型的林業(yè)作業(yè)機具如圖2所示。

很多機具的應用要求整機能夠加裝附屬雙向管路、附屬回轉(zhuǎn)管路及快換裝置管路這三套附屬工作管路。前兩套管路可以滿足回轉(zhuǎn)類屬具的動作需求，快換裝置管路可以實現(xiàn)不同屬具的快速切換，提高工作效率。附屬管路的流量和壓力要能夠進行調(diào)節(jié)，以滿足不同機具的使用。

(2)除了滿足機具的使用要求外，還需要考慮工作裝置上的油缸以及管路防護，為防止采伐時傾倒的樹木損壞油缸及管路，需要在相應的位置上焊接防護裝置，如圖3所示。

圖2 典型的林業(yè)作業(yè)機具

圖3 油缸及液壓管路防護裝置

2.3 履帶行走系統(tǒng)設計改進

履帶行走系統(tǒng)的改進主要有以下幾點：

(1)林地多為濕地或松軟沙地，需要配置寬履帶以減小整機的接地比壓，如15 t挖掘機大多使用700 mm寬履帶，為了增加整機的附著性能，履帶可以選擇使用推土機上常用的單筋履帶板。

(2)履帶護罩采用整體式或者增加護罩的數(shù)量，防止履帶在凹凸不平的林地中行走脫落，拖鏈輪改為支重輪的安裝形式，以提高可靠性。

(3)由于林地采伐后遺留的樹樁較高，為了提高挖掘機的行走通過性能，還需要提高整機的離地間隙。但為了防止整機的重心過高，通常將整機的離地間隙控制在600 mm以內(nèi)。履帶行走系統(tǒng)設計改進如圖4所示。

圖4 履帶行走系統(tǒng)設計改進

2.4 覆蓋件及駕駛室設計改進

覆蓋件及駕駛室設計需要考慮整機的防護以及操作人員的安全。

(1)在覆蓋件防護方面，需要在發(fā)動機罩、左右側(cè)門、油箱處設計防護罩，設計防護罩時需要同時考慮整機的日常維護，便于打開；平臺下部的低封板需要加厚，以防止行走時樹木卡進整機的下部。

(2)在駕駛室防護方面，除了增加防護網(wǎng)以外，由于林地大多帶有坡度，作業(yè)時通常帶有一定的危險性，因此需要駕駛室?guī)в袧L翻保護裝置(ROPS)；同時為了防止樹木砸到駕駛室玻璃造成人員傷害，駕駛室玻璃要求采用透光性好的樹脂材料。覆蓋件及駕駛室的防護如圖5所示。

圖5 覆蓋件及駕駛室的防護

3 安全性設計

由于林業(yè)生產(chǎn)具有的特殊周邊環(huán)境以及作業(yè)方式，對挖掘機的使用安全性設計需要有更高的要求。除了上述提到的各系統(tǒng)對安全因素的考慮外，還需要注意以下幾點：

(1)整機的視野要求。良好的視野意味著操作的安全可靠，也關系到操作人員的舒適程度。為了保證操作區(qū)域具有足夠的照明，通常在駕駛室頂部額外增加2～4盞照明燈[2]。駕駛室內(nèi)如果需要額外增加監(jiān)控儀表，也需設置在操作者正面視野的50～55 cm內(nèi)，且不超出40°視角的范圍[3-4]。

(2)要有足夠的安全操作空間及安全提示標貼，尤其是針對改裝過的零部件及新增的操作功能。

(3)整機及各部件顏色應使用安全色。合理使用紅、藍、黃、綠四種安全色能夠提醒操作者以及周邊人員對威脅安全和健康的物體做出正確的分辨和反應。

(4)振動與噪聲應滿足國家的相關法規(guī)要求。操作者長期工作在噪聲及振動超標的環(huán)境下會損傷身體器官功能，影響思維和情緒，產(chǎn)生安全隱患。

4 小結(jié)

隨著近年來我國退耕還林以及在南方地區(qū)發(fā)展儲備林政策的實施，人工經(jīng)濟林種植面積得到快速提高。對林業(yè)機械尤其是林業(yè)挖掘機的需求也在逐年增加。根據(jù)2013年國家林業(yè)局發(fā)布《全國林業(yè)機械發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》的要求，其中的兩大任務就是加強林業(yè)重大技術(shù)裝備的自主研發(fā)和建立林業(yè)機械創(chuàng)新體系。

通過對國內(nèi)外林業(yè)挖掘機實際使用工況的考察，對該特殊工況進行研究分析，對主機生產(chǎn)廠家的研發(fā)人員如何在標準挖掘機上進行工況適應性改進提出一些建議，使用戶從市場上就可以直接購買到安全、可靠、實用的林業(yè)挖掘機，使林業(yè)挖掘機生產(chǎn)更加專業(yè)化，更好地促進我國林業(yè)機械化水平的提高。

[1] 王云頌，王晨.林業(yè)機械的安全性設計與人機工程學因素[J].林業(yè)勞動安全，2007，20(3)：41-44.

[2] 茹煜，周宏平，許林云.人機工程學在林業(yè)機械設計中的應用[J].林業(yè)機械與木工設備，2005，33(12)：32-35.

[3] 陳幸良.中國現(xiàn)代林業(yè)技術(shù)裝備發(fā)展戰(zhàn)略與技術(shù)創(chuàng)新對策[J].工業(yè)工程，2013，3(4)：1-2.

[4] 楊衛(wèi)杰，孟兆新，秦國新.聯(lián)合采伐機六足行走裝置單足力學解算與分析[J].森林工程，2015，30(1)：66-69+74.

(責任編輯 張雅芳)

·行業(yè)內(nèi)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(壯族)，廣西北流人，工程師，本科，研究方向為液壓挖掘機總體設計，E-mail：A10697@mail.lgnet.com。

S222

A

2095-2953(2017)08-0022-03

研究與設計