楊艷峰

（712100 陜西省 楊凌市 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

挖樹(shù)機(jī)是一種樹(shù)木移植的機(jī)械設(shè)備，可以有效解決人工挖樹(shù)勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，促進(jìn)了苗木移植行業(yè)的發(fā)展。車載式挖樹(shù)機(jī)價(jià)格高、體積大、空間地形影響大，市場(chǎng)上用量少；履帶式挖樹(shù)機(jī)（包括懸掛履帶式）適應(yīng)性強(qiáng)，已成為市場(chǎng)主流[1]。底盤總成在挖樹(shù)機(jī)中起支撐和容納作用，挖樹(shù)機(jī)其他組件如門架總成、工作臺(tái)座、覆蓋件總成等都安裝在底盤總成上，液壓和動(dòng)力總成等部件安裝在底盤總成內(nèi)部。安徽三普智能重工有限公司為適應(yīng)果園、苗圃移栽作業(yè)，成功開(kāi)發(fā)了履帶式挖樹(shù)機(jī)。本文著重介紹該挖樹(shù)機(jī)底盤總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)底盤架進(jìn)行有限元分析，為底盤架的優(yōu)化提供了參考。

1 底盤總成組件的設(shè)計(jì)

挖樹(shù)機(jī)的工作地點(diǎn)土壤大多比較松軟，履帶式行走機(jī)構(gòu)具有較大的接地面積，對(duì)地面的附著力明顯大于輪式機(jī)構(gòu)，且對(duì)復(fù)雜的形有較大的適應(yīng)性，因此本文的挖樹(shù)機(jī)采用履帶式行走機(jī)構(gòu)[2]。挖樹(shù)機(jī)的底盤結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 底盤總成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of chassis assembly

1.1 定位樁和底盤架

定位樁的功能是使挖樹(shù)機(jī)工作平穩(wěn)。挖樹(shù)機(jī)作業(yè)時(shí)，油缸的缸桿伸出，定位樁向下轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼釬以一定角度插入土壤，挖樹(shù)機(jī)產(chǎn)生的力和振動(dòng)通過(guò)定位樁鋼釬傳到地下；挖樹(shù)機(jī)不工作或行走時(shí)，油缸的缸桿縮回，定位樁繞底盤架轉(zhuǎn)動(dòng)，向上抬起，鋼釬與地面不接觸。

定位樁的下樁梁用無(wú)縫矩形管制作，兩端封堵，鋼釬共有2 件，插在矩形管中，并且焊接牢固。油缸的桿端與焊接在下樁梁上的油缸安裝耳銷軸連接，油缸的尾部與門架銷軸連接，起升梁一端與下樁梁焊接，另一端通過(guò)銷軸與底盤架連接，使定位樁可在油缸推動(dòng)下繞底盤架轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，定位樁的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 定位樁結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of positioning pile

底盤架的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如圖3 所示，可以用矩形管和鋼板焊接而成，有利于減輕底盤架的質(zhì)量、節(jié)約動(dòng)力消耗。底盤架上容納有燃油箱和給液壓系統(tǒng)供油的壓力油箱。在負(fù)重輪支撐梁的上部焊接托輪安裝座、導(dǎo)向支架調(diào)整固定座以及導(dǎo)向叉安裝座，供托輪和導(dǎo)向總成的安裝；在負(fù)重輪支撐梁的下部焊接前后導(dǎo)軌安裝座和平衡輪安裝座，用來(lái)安裝前后導(dǎo)軌以及固定平衡輪的尾部；在底盤架的右側(cè)安裝變速箱輸出軸；在底盤架的左側(cè)，焊接有4 塊耳板，安裝定位樁的起升梁，使定位樁能繞底盤架轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 底盤架結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of chassis frame

1.2 履帶選取與支重輪組件

履帶可以分為橡膠履帶和鋼制履帶，橡膠履帶適用于小型農(nóng)業(yè)機(jī)械和小型工程機(jī)械。本文的挖樹(shù)機(jī)選用江西金利隆橡膠履帶有限公司生產(chǎn)的D320×90×50 型整體式橡膠履帶，履帶寬度為320 mm，節(jié)距為90 mm，節(jié)數(shù)為50。橡膠履帶具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）具有一定的柔軟度，對(duì)挖樹(shù)機(jī)地面行走具有很好的減震作用；（2）特制的長(zhǎng)短不一的條紋具有較強(qiáng)的抓地能力，可以消除運(yùn)作中打滑的安全隱患；（3）采用整體式構(gòu)造，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。

為了使挖樹(shù)機(jī)具有良好的行駛性能，需要確定履帶的接地長(zhǎng)寬比L/B。L/B過(guò)大，則轉(zhuǎn)向阻力增加導(dǎo)致挖樹(shù)機(jī)轉(zhuǎn)向困難；L/B過(guò)小則會(huì)影響車輛直線行駛的穩(wěn)定性。接地長(zhǎng)寬比L/B=0.2～0.3 時(shí)，挖樹(shù)機(jī)具有較好的行駛性能[3]。

分析可得，挖樹(shù)機(jī)履帶的接地段長(zhǎng)度范圍為 1 066～1 600 mm，而挖樹(shù)機(jī)行走裝置的工況比較惡劣，且轉(zhuǎn)向阻力一般比直行阻力大，因此確定挖樹(shù)機(jī)履帶接地段長(zhǎng)度為1 200 mm。挖樹(shù)機(jī)履帶的接地段長(zhǎng)度為左右兩側(cè)支重輪的中心距，由此可以確定支重輪在底盤架的位置。

支重輪組件共有10 套，用于支撐整個(gè)挖樹(shù)機(jī)的重量。支重輪支架的U 形口卡在底盤架的支重輪支撐梁下方，再用螺釘將支重輪組件固定在支重輪支撐梁上。支重輪上長(zhǎng)期帶有泥土，為防止泥土進(jìn)入軸承，支重輪外側(cè)邊緣用支重輪密封蓋密封，支重輪內(nèi)側(cè)邊緣用橡膠密封圈進(jìn)行密封，支重輪組件的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 支重輪組件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of support wheel assembly

橡膠履帶內(nèi)層含有與驅(qū)動(dòng)輪嚙合的鐵齒，如果支重輪排列不合理，會(huì)導(dǎo)致行走過(guò)程中支重輪滾動(dòng)到兩鐵齒段的橡膠時(shí)，各支重輪存在一定落差，使挖樹(shù)機(jī)履帶上下起伏。為了保證挖樹(shù)機(jī)行走時(shí)的平穩(wěn)性，各支重輪之間的距離一般為2.5t（t為挖樹(shù)機(jī)的履帶節(jié)距），履帶的節(jié)距為90 mm，故各支重輪相距225 mm 時(shí)可以消除支重輪的起伏落差，提高挖樹(shù)機(jī)行走的平穩(wěn)性。

1.3 驅(qū)動(dòng)輪與導(dǎo)向組件

驅(qū)動(dòng)輪采用ZG270-500 整體鑄造，共11 個(gè)齒，通過(guò)內(nèi)花鍵與輸出軸連接。驅(qū)動(dòng)輪的作用是與橡膠履帶嚙合，帶動(dòng)橡膠履帶旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)挖樹(shù)機(jī)行走。驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)圖Fig 5 Structure diagram of the drive wheel

導(dǎo)向總成安裝在底盤架的導(dǎo)向叉安裝座上，導(dǎo)向總成后部的螺紋部分安裝在導(dǎo)向支架調(diào)整固定座中，兩側(cè)用螺母旋緊定位，整個(gè)導(dǎo)向總成通過(guò)調(diào)整螺母來(lái)張緊橡膠履帶。導(dǎo)向總成中導(dǎo)向輪為光輪，沒(méi)有鏈齒，功能是張緊橡膠履帶，導(dǎo)向輪的材料為ZG270-500。由于挖樹(shù)機(jī)在野外工作，為防止泥土、灰塵進(jìn)入軸承，在軸承外邊緣處設(shè)置油封，導(dǎo)向總成的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 導(dǎo)向總成結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of guide assembly

挖樹(shù)機(jī)履帶在行駛過(guò)程中受到的力稱為預(yù)張緊力，預(yù)張緊力對(duì)挖樹(shù)機(jī)履帶的行走能力有很大影響。預(yù)張緊力過(guò)小導(dǎo)致履帶過(guò)松，會(huì)造成履帶脫鏈；預(yù)張緊力過(guò)大則會(huì)增加行走機(jī)構(gòu)的內(nèi)摩擦力，導(dǎo)致履帶磨損加劇，縮短履帶使用壽命。參考相關(guān)文獻(xiàn)，挖樹(shù)機(jī)在直行工況，履帶預(yù)張緊力為車身質(zhì)量的70%～80%；在爬坡工況，履帶預(yù)張緊力為車身質(zhì)量的70%～75%；在轉(zhuǎn)向工況，履帶預(yù)張緊力為車身質(zhì)量的75%～80%。綜合考慮選取挖樹(shù)機(jī)履帶預(yù)張緊力為車身質(zhì)量的75%。車身質(zhì)量為2 600 kg，故履帶預(yù)張緊力為19 110 N[4]。

1.4 平衡輪組件和托輪組件

平衡輪組件通過(guò)平衡輪安裝管安裝在底盤架下方，而平衡輪壓在橡膠履帶上。平衡輪組件的作用是調(diào)整挖樹(shù)機(jī)的平衡。行駛過(guò)程中橡膠履帶碰到磚塊等障礙物時(shí)，挖樹(shù)機(jī)會(huì)失去平衡，引入平衡輪后履帶會(huì)帶動(dòng)平衡輪組件向上移動(dòng)，使履帶越過(guò)障礙物不至于翻倒，平衡輪組件的結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 平衡輪組件結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of balancing wheel assembly

托輪組件與支重輪組件的結(jié)構(gòu)類似，托輪組件是通過(guò)托輪支架的U 形口卡在底盤架的支重輪支撐梁上方，再用螺釘將托輪組件固定在支重輪支撐梁上，托輪的作用主要是支撐回程的橡膠履帶，防止橡膠履帶下垂。

2 底盤架靜力學(xué)分析

底盤架起支撐挖樹(shù)機(jī)的作用，其可靠性至關(guān)重要。對(duì)底盤架進(jìn)行靜力學(xué)分析以檢驗(yàn)底盤架的設(shè)計(jì)是否滿足強(qiáng)度和剛度的要求。底盤架采用Q345 矩形管焊接而成，Q345 的質(zhì)量密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.28。通過(guò)SolidWorks 對(duì)底盤架進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入ANSYS Workbench 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]，底盤架的網(wǎng)格劃分圖如圖8 所示。

圖8 底盤架的網(wǎng)格劃分圖Fig.8 Grid partition diagram of chassis frame

底盤架受到的作用力來(lái)自挖樹(shù)機(jī)整車的重力，約為26 000 N，分別作用于底盤架左右兩側(cè)橫梁，并對(duì)底盤架的豎梁添加固定約束。底盤架載荷及約束如圖9 所示。對(duì)底盤架進(jìn)行有限元仿真分析得到底盤架的應(yīng)力和變形結(jié)果，如圖10 和圖11 所示。

圖9 底盤架的載荷約束圖Fig.9 Load constraint diagram of chassis frame

圖10 底盤架的等效應(yīng)力分布Fig.10 Equivalent stress distribution of chassis frame

圖11 底盤架的變形分布Fig.11 Deformation distribution of chassis frame

分析仿真結(jié)果可知，底盤架最大應(yīng)力發(fā)生在橫梁與豎梁的焊接點(diǎn)附件，最大應(yīng)力為165.08 MPa，小于矩形管Q345 的屈服強(qiáng)度345 MPa，故底盤架滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)應(yīng)注意在底盤架橫梁與豎梁的焊接處增設(shè)筋板以加強(qiáng)底盤架的強(qiáng)度。底盤架最大總變形位于左側(cè)橫梁的1/2 處，數(shù)值為0.46 mm，相對(duì)于橫梁的總長(zhǎng)度970 mm 可以忽略不計(jì)。因此底盤架的強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

3 底盤架模態(tài)分析

為了避免底盤架在工作過(guò)程中發(fā)生共振，利用ANSYS Workbench 對(duì)底盤架進(jìn)行模態(tài)分析，可以確定底盤架的固有頻率，再與底盤架的外部激勵(lì)對(duì)比?？紤]到低階模態(tài)對(duì)底盤架的影響較大，本文著重分析底盤架前4 階模態(tài)[6]。各階固有頻率下的振型圖如圖12 所示，前4 階模態(tài)的固有頻率如表1 所示。

圖12 底盤架固有頻率的振型圖Fig.12 Vibration pattern of natural frequency of chassis frame

表1 底盤架的前4 階固有頻率Tab.1 The first 4 order natural frequencies of chassis rack

由圖12 可知，底盤架前3 階模態(tài)的最大振幅位于中間支架處，底盤架第4 階模態(tài)的最大振幅位于橫梁以及中間支架處。底盤架的外部激勵(lì)頻率主要來(lái)源于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，而柴油機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不超過(guò)5 000 r/min[7]，通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算公式可得柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的最大激勵(lì)頻率約為83.3 Hz，低于底盤架的1 階固有頻率112.4 Hz，因此挖樹(shù)機(jī)在工作時(shí)底盤架不會(huì)發(fā)生共振，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)挖樹(shù)機(jī)底盤總成組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，通過(guò)有限元靜力分析得到底盤架的等效應(yīng)力和整體變形圖，得到了應(yīng)力集中區(qū)域以及最大變形區(qū)，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度和剛度均滿足要求；通過(guò)有限元模態(tài)分析，得到底盤架的前4 階固有頻率及其振型，發(fā)現(xiàn)該機(jī)械結(jié)構(gòu)避開(kāi)了共振頻率區(qū)域。為后續(xù)底盤優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考，縮短開(kāi)發(fā)周期并節(jié)省成本。