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1、簡易式履帶式間伐運輸機設計 機電工程學院機電工程學院 甄西剛甄西剛 林曉亮林曉亮 吳凱勝吳凱勝 楊俊強楊俊強 項目研究背景和意義項目研究背景和意義國產林間移動式設備大部分采用輪式行走或輪式拖車形式林間的地面大都不平整、不堅實，林間都有一定坡度履帶式行走方式驅動力大 ，接地比壓小 ，并且其爬坡能力大 ，轉彎半徑較小 國產林間履帶移動式設備底盤的研究和開發(fā)還比較缺乏 設計一臺基于國產技術的簡易式履帶式間伐運輸機。采用林間履帶式多功能底盤承載林間移動式設備，保證林間移動式設備在林間作業(yè)的穩(wěn)定性、持續(xù)性和安全性。項目創(chuàng)新點項目創(chuàng)新點 本項目的創(chuàng)新之處在于，以履帶式底盤替代輪式底盤，有更好山地運行的通過
2、性、較強的爬坡能力和抗側翻能力，保證間伐式運輸機在林間作業(yè)的穩(wěn)定性、適用性和安全性，有更強的通用性，有更有更大的應用范圍。研究內容研究內容 由于應用履帶式底盤代替輪式底盤是簡易式間伐運輸機的關鍵部件也是本項目的創(chuàng)新之處，因此研究內容主要圍繞履帶式底盤進行。對簡易式履帶式間伐運輸機底盤進行結構設計和參數設計。 對簡易式履帶式間伐運輸機底盤進行三維建模。使結構更加直觀，便于及早發(fā)現設計缺陷。 對簡易式履帶式間伐運輸機底盤進行仿真。利用三維軟件對簡易式履帶式間伐運輸機底盤進行越障分析。對簡易式履帶式間伐運輸機底盤進行有限元分析。簡易式履帶式間伐運輸機整體設計簡易式履帶式間伐運輸機整體設計底盤結構設計
3、底盤結構設計 履帶式底盤實體圖底盤結構設計底盤結構設計 1.導向輪；2.張緊裝置；3.履帶；4.履帶架；5.托鏈輪；6.支重輪；7.驅動輪；8.行走馬達 底盤結構示意圖履帶的選用履帶的選用目前常用的履帶主要有三種形式：整體式履帶、組合式履帶和橡膠履帶。（1）整體式履帶 整體式履帶直接與驅動輪嚙合，嚙合齒安裝在履帶板上，履帶板自身就可作為導向輪、托鏈輪等輪子的滾動軌道，拆裝簡單而且普遍使用在履帶式起重機和大型挖掘機上。（2）組合式履帶組合式履帶的機構與整體式履帶不同。履帶板之間用銷軸連接，履帶不易損壞，工作流暢。不會因襯套開裂或履帶板損壞而妨礙行走。此外，制造成本相對整體式履帶低。在工程鉆機上應
4、用廣泛，缺點是連接螺栓易折斷。（3）橡膠履帶橡膠履帶重量輕、不損壞路面，廣泛應用于農業(yè)和林業(yè)機械領域，橡膠履帶的缺點是在一些惡劣的環(huán)境中工作履帶非常容易損壞，而且維修麻煩，費用很高。因此在設備使用時，應特別注意保護橡膠履帶。本項目設計的簡易式履帶式間伐運輸機底盤規(guī)格較小所以使用橡膠履帶。 橡膠履帶 導向輪、驅動輪設計導向輪、驅動輪設計1.導向輪殼體 2.軸承 3.主軸 4.軸用擋圈 導向輪結構圖驅動輪二維圖 支重輪、拖鏈輪結構設計支重輪、拖鏈輪結構設計1.支重輪殼體 2.軸承 3.主軸 4.軸套 5.軸端蓋 支重輪結構圖1.軸端蓋 2.軸承 3.托鏈輪殼體 4.主軸 5.墊片 6.螺釘 7.前
5、蓋 托鏈輪結構圖張緊裝置的結構設計張緊裝置的結構設計1.導向輪支架 2.彈簧前擋板 3.彈簧 4.彈簧導向桿 5.彈簧后擋板 6.墊圈 7.螺母 張緊裝置結構圖行走馬達行走馬達行走馬達底盤主要性能參數的確定底盤主要性能參數的確定爬坡能力爬坡能力 參考小型挖掘機爬坡度一般是30或35，理論分析計算法驗證準確性。底盤的幾種阻力即： 林間移動式機械自重在斜坡方向的分力 運行阻力 最大牽引力T應不小于這些阻力之和， 還應保證底盤在爬坡時不打滑，即： 解式（2-3）和式（2-4）即可求得最大的坡度角 =35，表示林間履帶式多功能底盤的最大爬坡能力 sinGWpcos.GWy120yWWTpTGcos底盤
6、主要性能參數的確定底盤主要性能參數的確定接地比壓接地比壓若兩條履帶與土壤完全接觸，并且林間履帶式機械的重心位于機械中心。則有：解式（2-5），得 平均接地比壓是履帶式機械的一個重要指標，主要根據外形尺寸、履帶式地盤的附著性能、地面狀況等進行合理選取，其可以用來與同類型產品作比較。03502hLbmgp.PabLmgp3102256213028925002.底盤主要性能參數的確定底盤主要性能參數的確定最大牽引力最大牽引力 底盤的牽引力要比各種外部阻力大，并且比地面的附著力小，假設底盤爬坡時不進行轉彎，最大牽引力只在其爬坡能力最大時，不進行轉彎的情況下計算，底盤最大牽引力T計算公式為： 另外，根據
7、經驗底盤的最大牽引力也可以通過整機質量的比例進行計算，如下式 針對底盤要求的轉彎、爬坡的能力比較高，最大牽引力計算可由下式解：得 KN GGsinfTTTtfm.T5807 1445475mT.1445475 GT.72814454250075.主要元器件的選擇主要元器件的選擇四帶一輪四帶一輪履帶寬度履帶寬度b b 履帶的接地長度L，軌距B和履帶寬度b之間應該合理匹配，使接地比壓，轉彎性能和附著性能等符合設計要求。通過分析本機的設計參數得出履帶的主要影響參數是整機重量。本機初定整機重量為：2.5t。 令A表示驅動輪和導向輪輪距，單位為m；b表示履帶的寬度，單位為m；M表示整機重量，單位為t。則
8、有經驗公式得 m，取 mm mm307.1MA4121.BA220180.Ab4515207107133.MA1500A4121.BA120031.AB220180.Ab300200.Lb主要元器件的選擇主要元器件的選擇四帶一輪四帶一輪驅動輪節(jié)圓直徑驅動輪節(jié)圓直徑式中 z驅動輪齒數，取23。t履帶節(jié)距，取52.5mm。得得 mmqDztDq360sin/ztDq360sin/37923360552sin/.主要元器件的選擇主要元器件的選擇四帶一輪四帶一輪導向輪導向輪 工作面直徑工作面直徑得 mm托鏈輪踏面直徑托鏈輪踏面直徑 得 mm 得 托鏈輪過多易造成不必要的摩擦損失，又由于本次設計履帶長度
9、較短，則數量定為1個；由前面的設計參數，底盤每側支重輪選為4個。dDqdDD).(9080qdDD).(908030337980.tDtDt7151.79757855251mmD.ttDz7151.84552617151.tDz主要元器件的選擇主要元器件的選擇張緊裝置張緊裝置 經過一段時間林間履帶式多功能底盤的履帶由于磨損容易造成伸長，使履帶松弛張緊度下降而下?lián)?，出現磨擦履帶架的情況出現，造成林間履帶式多功能底盤功率損失甚至不能正常工作。 為保證林間履帶式多功能底盤能夠正常工作，每個導向輪后部都安裝一個張緊裝置，以防止履帶出現過松或者過緊的現象，減少林間履帶式多功能底盤產生的沖擊載荷和功率消耗
10、。 履帶的下?lián)隙仍趶埦o裝置調節(jié)下應不超過2040mm；行程大于履帶節(jié)距的一半。主要元器件的選擇主要元器件的選擇行走馬達行走馬達 行走馬達包括減速器和液壓馬達，通過求出減速器和液壓馬達的參數選取行走馬達。根據林間履帶式多功能底盤行駛速度v、底盤一側最大牽引力T和驅動輪節(jié)圓直徑Dq，求出減速器的輸出扭矩Mg、輸出轉速ng和傳動比ig：（1）減速器輸出扭矩Mg mlqgTDM2000主要元器件的選擇主要元器件的選擇行走馬達行走馬達 （2）減速器輸出轉速ngqgDvn6105（3）減速器傳動比ig3220mmmggpqMi根據Mg、ng和ig可求出液壓馬達的主要參數： 3mggmiMM主要元器件的選擇
11、主要元器件的選擇行走馬達行走馬達ggminn220mmmpMq可得Mg = 2300Nm，ng = 50r/min，ig = 50，Mm = 58 Nm，nm = 2500 r/min，qm = 18 mL/r。mq馬達排量（mL/r）。 mqmn馬達轉速（r/min）。 主要元器件的選擇主要元器件的選擇行走馬達行走馬達 根據所得參數本次設計選取GM04VN帝人行走馬達。GM04VN帝人行走馬達參數如表2-4所示： GM04VN帝人行走馬達參數 主要外形尺寸的分析主要外形尺寸的分析接地長度、軌距以及最小離地間隙接地長度、軌距以及最小離地間隙 林間履帶式多功能底盤的接近角和離開角數值都不大，則軸
12、距A（即導向輪與驅動輪兩輪的輪距）等于。接地長度和軌距是影響林間履帶式多功能底盤性能的很重要的參數。和合理選取能使林間履帶式多功能底盤性能得到很大的提高，其中包括轉彎能力的增加。 接地長度L、軌距B與整機質量m關系式為： L=0.12m+1320 （2-23） B=0.112m+940 （2-24） 式中 L接地長度（10-3m）； B軌距（10-3m）； m為整機質量（kg）。 解式（2-23）、式 （2-24），得接地長度L = 1600mm、軌距B = 1220mm。 在復雜的路況行駛時，由于林間履帶式機械重心不穩(wěn)定以及路面崎嶇不平，林間履帶式多功能底盤接地比壓也不是常數，最大接地比壓會
13、出現，其公式為從式（2-25）得出，L/B應該較大，以防止值增大，降低林間履帶式多功能底盤的通過性。BLbGP32max主要外形尺寸的分析主要外形尺寸的分析接地長度、軌距以及最小離地間隙接地長度、軌距以及最小離地間隙底盤在進行原地轉彎時受到多個外部力，其中轉彎阻力Tz據以下公式解得： BGLTz4式中 履帶板對地面的摩擦系數。得出，L/B應該較小，以防止Tz值增大，降低林間履帶式多功能底盤原地轉彎的能力，因此應恰當的選擇L/B的比值。 L/B比值初步確定后，可以使用理論分析計算法來選定 TBGLS式中 履帶板修正系數，=（b/500），b為履帶板寬度（10-3m）；G整機機重（N）；T行走最大
14、牽引力（N）。主要外形尺寸的分析主要外形尺寸的分析 接地長度、軌距以及最小離地間隙接地長度、軌距以及最小離地間隙 當S2.3時，不能實現原地轉彎；2.1S2.3時，可能實現原地轉彎；S 0.13m1/3，根據經驗最小離地間隙與整機質量關系式為：2540162.0hm式中 h最小離地間隙（10-3m）。m為整機質量（kg）。得最小離地間隙h=231mm。主要外形尺寸的分析主要外形尺寸的分析“四帶一輪四帶一輪”的安裝尺寸的安裝尺寸“四輪一帶”安裝尺寸的計算： （2-30） （2-31） （2-32） （2-33）解上式得，a=340，b=290，c=330，A=1620。)t(=a352 .)t(
15、=b352 .t=c).(816511)c-(m+b+a=A多功能底盤的三維建模多功能底盤的三維建模履帶架履帶架多功能底盤的三維建模多功能底盤的三維建模支重輪支重輪多功能底盤的三維建模多功能底盤的三維建模支重輪支重輪多功能底盤的三維建模多功能底盤的三維建模導向輪、托鏈輪導向輪、托鏈輪多功能底盤的三維建模多功能底盤的三維建模裝配裝配主要零件的有限元分析主要零件的有限元分析履帶架靜力分析履帶架靜力分析主要零件的有限元分析主要零件的有限元分析確定力學模型確定力學模型 底盤履帶架是對于U面軸都對稱的對稱結構。履帶架受力包括G履帶架自重；垂直載荷（包括上部柴油機重量、林間移動式機械重量、配重等）和“四輪
16、一帶”的反力。 結構簡化結構簡化 應滿足以下兩點： （1）建立的有限元模型把其所受力的受力狀態(tài)能夠基本表達清晰，不影響分析得出的結果； （2）有限元模型考慮部分要盡可能的簡練，對模型進行有限元分析時盡量減少工作量。 主要零件的有限元分析主要零件的有限元分析進入有限元分析模塊并添加材料進入有限元分析模塊并添加材料 進入有限元分析界面，并定義林間履帶式多功能底盤履帶架的材料為鐵，其材料屬性見表所示。主要零件的有限元分析主要零件的有限元分析網格劃分網格劃分 履帶架三維模型導入有限元分析模塊后，網格劃分時首先要對網格進行設置，履帶架網格劃分時使用Linear線型，網格尺寸分別設置為50mm和10mm。
17、通過設置即保證了計算機進行計算的時間不會很長，同時也能讓模型系統(tǒng)得到精度的應力和變形量。 本文履帶架結構劃分的單元數是28707 個，節(jié)點數為 10181 個。 劃分完網格的模型見圖。主要零件的有限元分析主要零件的有限元分析施加載荷施加載荷 履帶架上受到幾個主要作用力，中央底座上安裝柴油機和林間移動式機械，因此中央底座上受柴油機和林間移動式機械重力N，托鏈輪支架分別受履帶向下的壓力T = 1000N液壓馬達安裝板受液壓馬達作用力，其他為自重。主要零件的有限元分析主要零件的有限元分析計算與結果分析計算與結果分析變形情況如圖 主要零件的有限元分析主要零件的有限元分析計算與結果分析計算與結果分析應力圖主要零件的有限元分析主要零件的有限元分析計算與結果分析計算與結果分析履帶架位移圖 主要零件的有限元分析主要零件的有限元分析計算與結果分析計算與結果分析 中央底座的之間橫梁與履帶架的焊接處出現最大應力，在柴油機托板外側出現了最大變形，見圖中紅色區(qū)域。其最大應力為8.64Mpa，最大變形量為0.094mm。一般情況下鐵的許用應力為200MPa43，所以履帶架是滿足強度和剛度要求的。 由于正處于本科生階段的我們無論從知識水平或是專業(yè)技能方面都還不夠，仍處于學習階段，敬請各位領導和老師批評指正。 謝謝！謝謝！
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