一种林间自装卸粉碎机底盘设计与分析

邢力平，傅连朋，任长青，邢丹丹

(东北林业大学，哈尔滨150040)

目前，森林覆盖率越来越小，摆在人们面前的一个巨大的难题是如何尽量节约利用木材[1].随着我国木材综合利用的深入开展，开始对树头、枝桠等林木剩余物进行加工利用.对林木剩余物进行加工处理后主要是用作燃料，一种是将其切碎后直接进行燃烧发电，另一种则是将其粉碎后作为生物质制备固体、液体燃料的原料.随着人造板工业的发展、生物质固体燃料需求量日益增加和原木资源的日益缺乏，利用各种剩余制品工艺木片作为充分利用木材资源、提高木材综合利用率的主要手段和观点，已得到了人们的普遍赞同，粉碎机的种类也随之而日益增多.现在国内应用的大都是传统的粉碎机，需要把木材从林间运输到粉碎机的现场，浪费大量资源的同时大大降低了生产效率.而将木材就地粉碎，可以节省运输成本、减少剩余物堆积用地、净化环境.国内有些厂家及科研机构对移动式林间剩余物粉碎设备进行了研究和开发，但总体来看，国产移动式林间剩余物粉碎设备还比较缺乏，特别是承载粉碎机的设备很多都是从国外引进的，不仅价格昂贵，而且机器的维修与零件的更换很不方便，阻碍了移动粉碎技术的发展.这就需要我们在对粉碎机承载设备的关键技术进行充分分析研究的基础上，研制基于国产技术的林间剩余物粉碎机底盘.

1 底盘方案设计

1.1 方案与参数选取

总体方案见图1.

①使用拖拉机作为牵引，前桥可转动.

②车架采用矩形结构，车架纵梁高度1 100 mm，车架宽2 100 mm，车长5 000 mm.

③两个车桥采用钢板弹簧悬架结构.

④支撑和装卸均采用液压控制.

⑤使用液压控制装卸臂实现自装卸.

图1 林间自装卸剩余物粉碎机构成方案

底盘的主要参数:

1)主要尺寸参数:

总长5 000 mm;轴距4 200 mm;轮距1 225 mm;前悬/后悬1000/1150;车架平面离地高度为1 100 mm;车架宽度2 100 mm;最小离地间隙850 mm.

2)主要性能参数:

最高车速60 km/h;制动距离(初速度30 km/h)＜15 m;最大爬坡度(满载)＞30%;最小转弯直径＜15 m;百公里油耗＜33 L.

3)质量参数:

整车允许最大总质量12 000 kg;底盘整备质量4 000 kg.

1.2 各总成系统

1)行走系统

行走系统采用轮式，前桥4个车轮且随牵引车转向，后桥4个车轮，具有良好的机动性、通过性，适合林区的地面条件并保证了作业时机器对地面的附着力.同时，轮式行走系统结构简单，两个桥上的零件均为市场上使用较为普遍的配件，降低了制造成本，提高了机器的通用性.

2)车架

为了实现底盘实用性，车架为矩形结构，见图2.材料采用Q235.车架纵梁截面尺寸250 mm×150 mm×8 mm.从整车造型及稳定性考虑，车架上平面平整.车架采用了架式结构，全部型钢焊接而成.此结构车架与车身骨架全部参与承载，在承受载荷时，以强济弱，从而使整车具有更好的强度和刚度.另外，在设计过程中，通过有限元对车架进行强度分析和优化设计，减轻底盘自重，在一定程度上降低能源的消耗.

图2 车架

3)支撑系统

车辆停止时，特别在林区，为了使底盘尽量保持水平，在底盘上安装一个支撑系统.此支撑系统包括4个支撑液压缸，分别固定在底盘后桥前后位置，利用液压系统控制液压缸伸缩.底盘运输过程中，控制液压缸回缩防止影响底盘的通过性.粉碎机到达工作区域，控制液压缸伸出提供支撑力，保证粉碎机作业的顺利进行.

4)液压系统

液压系统包括两部分:4个支撑液压系统、摇臂液压系统.

根据底盘支撑的需要，支撑液压系统有液压泵、4个液压缸、手动换向阀等部件组成，见图3.支腿液压缸为并联方式供油，故可实现液压支腿单独或同时伸缩动作[2].装卸臂液压系统有液压泵、3个液压缸、手动换向阀等部件组成.装卸臂液压系统控制装卸臂装卸，保证装卸顺利进行.

5)制动系统

行车制动装置作用于所有车轮，脚操纵，两个桥为一个制动回路[3];主要由制动总阀、挂车制动阀、继动阀和相应制动分室组成.

制动器为简单非平衡蹄鼓式，制动鼓内直径270 mm，制动蹄片宽度为80 mm.

6)转向系统

图3 支撑液压图

该底盘车架上装有鞍座，保证底盘行进的稳定性、安全性.机构的整体装配.用产品装配设计(Assembly Design)模块根据同轴、共面和匹配等几何约束关系将各零部件装配起来.车架组装时，主要用到共面.车桥组装时，主要用同轴，同时注意轮距，组装完成得到林间自装卸粉碎机底盘的整机建模图.见图4.

图4 粉碎机底盘建模图

2 底盘三维建模与装配

2.1 底盘的结构拆分原则

林间自装卸剩余物粉碎机底盘的结构把功能和原理相同的划分为一部分，则可拆分为5部分:动力部分、传动部分、支撑部分、牵引部分、液压部分.

2.2 底盘主要部件建模

CATIA是法国达索公司开发的一个CAD/CAM/CAE/PDM一体化的应用系统，具有强大的三维造型功能.设计师通过CATIA装配设计建立并管理基于3D的零件机械装配件.装配件由多个主动或被动模型中的零件组成，零件间的接触自动地对连接进行定义，方便了CATIA对运动机构产品进行早期分析.基于先前定义零件的辅助零件定义和依据其之间接触进行自动定位，可加快装配件的设计进度，后续可利用此模型进行进一步的设计、分析和制造等.

零部件的绘制在实体造型(Part Design)模块中就能完成，利用实体造型(Part Design)模块中拉伸、旋转、扫描等功能，建立零部件的模型图.零部件绘制时，注意编号的统一排列，零部件模型创建完成后，接着进入装配阶段.由于整体机构零部件数量的庞大，不可能一次性把所有的零部件都导入装配空间中，因为零部件间的重叠将使装配无法进行，故装配过程用模块化的形式进行.可将装卸系统、支撑系统、液压系统、刹车系统等分开装配，然后再以产品的形式导入总的装配空间，实现

3 车体强度分析

车架是工作装置与行走装置相连接的部件，它有双向的作用:既承受机体重量和工作中受到的阻力传给行走机构，又传递行走动力并减小地面传给机体的冲击，保证林间自装卸粉碎机行驶的平稳性和工作时的稳定性.对车架结构设计提出的基本要求是:结构合理，具有足够的强度、刚度和稳定性，能够使林间自装卸粉碎机在恶劣的工作环境下保证工作安全进行，同时兼顾美观、便于维修等.

3.1 计算载荷

1)垂直静载荷

垂直静载荷Pj包括车架钢结构的重力、放置在车架上的粉碎机重力、柴油机重力、液压系统和支撑系统的重力、装卸臂的重力等.

2)垂直动载荷

垂直动载荷Pd是由于路面不平，车架本身状态不良等因素引起冲击和簧上振动而产生的，通常可由垂直静载荷Pj乘以垂直动载荷系数 Kd而得，即

垂直动载荷系数Kd的数值与车架运行速度V(km/h)、弹簧装置的静挠度fj(cm)以及所要计算的零部件在弹簧系统中的位置等因素有关[4]，由经验取动载系数Kd=1.5.

评定车辆强度时，垂直动载荷按静态作用考虑，其方向和作用点均与垂直静载荷相同.

3)侧向力

侧向力包括风力和离心惯性力.

当风从粉碎机底盘侧面吹来并垂直作用于车体侧壁，而粉碎机底盘又以最大允许速度运行在曲线区段时，粉碎机底盘所受的侧向力为风力和离心力之和.

计算车体强度时，将垂直静载荷增大10%来考虑侧向力的影响.

综上所述，作用在车架上的垂直载荷应为上述3部分之和，即总的垂直载荷P为

在CATIA中建立好模型后，运用Generative Structural Analysis模块进行有限元分析，并划分单元网格[5]，单元总数4 280，节点总数为1 821，如图5所示.

图5 车架单元网格划分

3.2 结果分析

车架构件的材料为Q235，强度安全系数为n=1.33，许用应力为

车架构件的计算应力均不应超过其许用应力，即σ≤ [σ].

计算结果分析

利用有限元计算结果整理出各单元主应力及结点位移.承受双向应力的车架强度按第4强度理论由下式验算

计算应力不超过许用应力 [σ]，则结构的强度满足要求.

图6为载荷作用在车架上时产生的应力云图，由此分析出:应力作用在鞍座处，图中显示应力最大值为1.10 MPa.由于选用Q235，即屈服极限，在满载工况下，选取安全系数n=1.33，则许用应力值 [σ] =235/1.33=173 MPa.应力最大值小于许用应力值，所以满足结构的强度要求.

图6 车架应力云图

4 结论

1)利用上述设计方案能保证底盘的强度，具有良好的机动性，底盘能够承载移动粉碎机，实现粉碎机林间就地作业，可以对林区的枝桠进行就地粉碎，避免了枝桠运输的困难和危险性.

2)对底盘进行三维建模能更加直观的表达底盘的构成，同时为以后的运动学分析，仿真和有限元分析打好基础.

3)本粉碎机底盘安装一套支撑系统，通过液压系统控制工作，实现自动化，保证粉碎机作业时稳定和安全.

4)对粉碎机底盘的强度分析验证了车架的强度和可靠度，底盘可以安全可靠的承载粉碎机进行作业.

[1] 潘书军，何金涛，张 玉.ZZ6147M4661型高档客车底盘的开发[J].客车技术与研究，2007(1):21-23.

[2] 朱金光，冷 峻，丁雄飞，等.YB3A型玉米联合收割机底盘机架强度分析方法研究[J].农业装备与车辆工程，2009(3):7-11.

[3] 桑璟如.EQ6891L系列高速高档中型客车及底盘的设计[J].汽车科技，2005(3):7-9.

[4] 李万莉，刘文伟.TG-1500E全液压汽车起重机底盘液压系统分析[J].建设机械技术与管理，2000(1):117-19.

[5] 尹辉俊，韦志林，黄 昶.面向设计的微型车车架强度分析[J].机械设计，2008，25(1):62-67.