曲振興， 向文博，2， 胡景陽(yáng)， 王凡雨，2， 周建波*

(1.國(guó)家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院研究生部，北京 100000)

動(dòng)力底盤(pán)在我國(guó)林業(yè)機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程中有至關(guān)重要的影響地位，尤其是目前存在著由于動(dòng)力底盤(pán)缺失導(dǎo)致的林業(yè)機(jī)械設(shè)備上山難、行走難的現(xiàn)狀[1]。林地環(huán)境復(fù)雜，地面平整度以及撫育管理程度與田地相比有極大差距，林地自身坡度條件、地面溝壑障礙都對(duì)動(dòng)力底盤(pán)的穩(wěn)定性以及通過(guò)性提出了很高的要求。在進(jìn)行動(dòng)力底盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到林地自身?xiàng)l件對(duì)其結(jié)構(gòu)、性能的影響，在滿(mǎn)足安全的前提下，提高動(dòng)力底盤(pán)的性能。本文主要從林地坡度、動(dòng)力底盤(pán)的穩(wěn)定性、通過(guò)性及爬坡度四個(gè)角度進(jìn)行分析，探究各因素對(duì)動(dòng)力底盤(pán)性能產(chǎn)生的影響。

1 林地坡度與地面環(huán)境

用兩點(diǎn)間的高程差與其水平距離的百分比表示坡度，是最常用的表示方法。目前我國(guó)對(duì)坡度大小的分級(jí)一般分為六級(jí)：平坡：0～5°；緩坡：6°～15°；斜坡：16°～25°；陡坡：26°～35°；急坡：36°～45°；險(xiǎn)坡：大于46°[2]。25°坡度以上的土地為《水土保持法》規(guī)定的開(kāi)荒限制坡度，即不準(zhǔn)開(kāi)荒種植農(nóng)作物。因此在設(shè)計(jì)林機(jī)動(dòng)力底盤(pán)時(shí)，可將25°坡度以下的林地設(shè)為研究對(duì)象，討論各因素對(duì)林業(yè)動(dòng)力底盤(pán)的影響。

林地復(fù)雜地面環(huán)境對(duì)于動(dòng)力底盤(pán)的各項(xiàng)性能提出較高的要求。在對(duì)人工開(kāi)發(fā)出的經(jīng)濟(jì)林地進(jìn)行需求設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮種植密度(行距、株距)對(duì)動(dòng)力底盤(pán)及整體尺寸的要求，同時(shí)轉(zhuǎn)向方式簡(jiǎn)潔，轉(zhuǎn)彎半徑要盡可能小，在林地間工作時(shí)要靈活輕便[3]。此外在進(jìn)行輪胎選擇時(shí)要考慮土壤特性，如林地多雨，土壤較為潮濕，整體硬度較低，對(duì)于輪胎選擇有一定要求[4]。若所選輪胎花紋太淺，在發(fā)生抓地力與附著力不足的情況時(shí)，易發(fā)生打滑或越障失敗，若輪胎花紋太深，則需要考慮輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是否能甩掉花紋間攜帶的泥土。

2 穩(wěn)定性

2.1 縱向穩(wěn)定性

當(dāng)運(yùn)動(dòng)底盤(pán)以低速勻速上坡時(shí)，忽略空氣阻力，視輪胎為剛性體，進(jìn)行力學(xué)分析，低速勻速上坡受力圖如圖 1，建立力學(xué)平衡方程：

圖1 低速勻速上坡受力圖

式中：F1為土壤對(duì)前輪切向作用力；F2為土壤對(duì)后輪切向作用力；G為底盤(pán)重力；ɑ為上坡極限翻傾角；N1為土壤對(duì)前輪的法向作用力；N2為土壤對(duì)后輪的法向作用力；h為重心到地面的垂直高度；L為前后輪軸心水平距離；L1為重心到后輪軸心水平距離。

當(dāng)前輪剛好不受土壤反作用力時(shí)，達(dá)到上坡傾翻極限狀態(tài)，此時(shí)F1=0，可得上坡極限傾翻角：

當(dāng)?shù)妆P(pán)的后輪剛好不受土壤的反作用力時(shí)，即為下坡極限傾翻臨界狀態(tài)，則后輪的切向作用力F2=0。

可得下坡極限傾翻角為：

因此，結(jié)合上下坡的使用需求，在設(shè)計(jì)時(shí)將重心布置在底盤(pán)中段盡可能低的位置，能增大底盤(pán)的傾翻極限角，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

2.2 橫向穩(wěn)定性

底盤(pán)在傾斜路面上靜止或行駛過(guò)程中，在橫向力的作用下，可能產(chǎn)生沿橫向力方向的側(cè)向滑移，橫向受力圖如圖2所示。不產(chǎn)生橫向滑移的最大坡度角稱(chēng)為橫向滑移角φ。滿(mǎn)足穩(wěn)定條件是橫向力小于等于輪胎與路面之間的橫向附著力[5]。

圖2 橫向受力圖

Gsinφ=Gcosφ·Φ

φ=tg-1Φ

式中：Φ為橫向附著系數(shù)，是指支撐面提供的最大切向力與支撐面法向反作用力之比。

由此可知，橫向滑移角φ僅取決于橫向附著系數(shù)Φ。附著系數(shù)受到道路狀況、輪胎花紋樣式等得影響較大，在選擇輪胎時(shí)注意選擇花紋樣式較深，并且注意路況，避免發(fā)生橫向滑移。

3 通過(guò)性

影響車(chē)輛通過(guò)性的因素主要有：最小離地間隙、接近角、離去角以及縱向通過(guò)角等。

車(chē)輛在通過(guò)起伏不平的路面時(shí)，地面的凸起障礙會(huì)發(fā)生拖住底盤(pán)底部的情況，發(fā)生“頂起失效”，使底盤(pán)無(wú)法通過(guò)[6]，這種情況是由于在底盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有充分考慮到最小離地間隙和縱向通過(guò)角導(dǎo)致的。

當(dāng)動(dòng)力底盤(pán)在崎嶇路面通過(guò)時(shí)，首先要考慮到地面的垂直高度差與底盤(pán)底部到地面的間隙之間的關(guān)系，如圖 3。若設(shè)置的最小離地間隙過(guò)小，可能導(dǎo)致地面頂起底盤(pán)無(wú)法前進(jìn)的問(wèn)題。最小離地間隙與底盤(pán)自身結(jié)構(gòu)布局以及輪胎的選取有關(guān)。最小離地間隙的測(cè)量點(diǎn)應(yīng)選取底盤(pán)最低點(diǎn)，因此底盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)布置的盡量平整，避免出現(xiàn)尖銳凸起，影響最小離地間隙。另一個(gè)影響最小離地間隙的因素是輪胎的選取。增大輪胎的直徑可以提高底盤(pán)的離地間隙，降低輪胎的接地比壓，增加與地面接觸面積以減少土壤阻力和滑轉(zhuǎn)，但會(huì)升高底盤(pán)整體重心位置，同時(shí)要采用大傳動(dòng)比的傳動(dòng)系傳輸動(dòng)力，因此在選取輪胎時(shí)，要充分考慮到最小離地間隙與重心位置間的影響關(guān)系。

圖3 最小離地間隙示意圖

縱向通過(guò)角是車(chē)輛在滿(mǎn)載、靜止時(shí)，分別通過(guò)前、后輪胎外緣作垂直于車(chē)輛縱向?qū)ΨQ(chēng)平面的切平面，當(dāng)兩平面交于車(chē)體下部最低部位時(shí)所夾的最小銳角β[7]，如圖 4?？v向通過(guò)角與最小離地間隙以及前后輪軸心水平距離有關(guān)。最小離地間隙越大，縱向通過(guò)角越大，此時(shí)底盤(pán)重心升高，極限傾翻角減小，穩(wěn)定性降低。前后輪軸心水平距離變大，縱向通過(guò)角減小，此時(shí)底盤(pán)極限傾翻角變大，穩(wěn)定性提升。

圖4 縱向通過(guò)角示意圖

接近角與離去角是車(chē)輛前后邊緣與車(chē)輛前后輪所引切線(xiàn)與地面的夾角，如圖 5。在行駛過(guò)程中，若車(chē)輛前后端伸出過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致γ1或γ2減小，車(chē)輛前后緣觸及地面，發(fā)生“觸頭失效”或“拖尾失效”，也易發(fā)生不能通過(guò)的問(wèn)題[8]。

圖5 接近角與離去角示意圖

4 爬坡度

動(dòng)力底盤(pán)在進(jìn)行林間作業(yè)和運(yùn)輸過(guò)程中，通常屬于滿(mǎn)載、低速的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，車(chē)速變化不大，幾乎不產(chǎn)生加速超車(chē)情況，因此用爬坡度評(píng)估動(dòng)力底盤(pán)在坡地工作的爬坡能力，設(shè)驅(qū)動(dòng)底盤(pán)在坡度角為α的坡道上用變速箱最低檔位保持等速行駛，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)平衡方程式為：

Fq=Fw+Ff+Gsinα

由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的有效扭矩和傳動(dòng)系數(shù)參數(shù)，可計(jì)算驅(qū)動(dòng)底盤(pán)在最低檔位時(shí)動(dòng)力底盤(pán)所產(chǎn)生的最大驅(qū)動(dòng)力為：

式中：Me為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；ig為變速器各檔位比；I0為主減速器速比；ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)總效率；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑。

對(duì)于林用動(dòng)力底盤(pán)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，對(duì)行駛速度的要求并不高，在根據(jù)林地環(huán)境確定整體車(chē)型后，即可確定Fw空氣阻力；根據(jù)地面情況確定滾動(dòng)阻力系數(shù)后，可確定Ff滾動(dòng)阻力，由此得出所需的底盤(pán)驅(qū)動(dòng)力。底盤(pán)驅(qū)動(dòng)力與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩成正比，與車(chē)輪滾動(dòng)半徑成反比。為了增大底盤(pán)驅(qū)動(dòng)力選取大扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)提高制造成本，減小車(chē)輪滾動(dòng)半徑則會(huì)影響運(yùn)動(dòng)底盤(pán)的通過(guò)性能。

5 綜合分析

本文介紹了幾種影響林地動(dòng)力底盤(pán)性能的因素：林地坡度與地面環(huán)境、動(dòng)力底盤(pán)穩(wěn)定性、通過(guò)性與爬坡度。林地坡度與地面環(huán)境作為背景因素，是進(jìn)行動(dòng)力底盤(pán)設(shè)計(jì)制造的前提條件。在設(shè)計(jì)之前，要著重考察動(dòng)力底盤(pán)的工作環(huán)境、土壤物理性質(zhì)、林地種植密度(行距、株距)等因素，對(duì)動(dòng)力底盤(pán)及整機(jī)外形尺寸結(jié)構(gòu)有一定的指導(dǎo)意義，確立尺寸要素。

動(dòng)力底盤(pán)的穩(wěn)定性、通過(guò)性與爬坡度作為動(dòng)力底盤(pán)工作性能的代表，通過(guò)分析得知三性能互相影響。三個(gè)主要影響因素：動(dòng)力底盤(pán)重心位置的布置、前后輪軸心位置的布置與輪胎的選取(包括半徑及花紋等)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮關(guān)聯(lián)關(guān)系，在滿(mǎn)足林地背景因素條件的基礎(chǔ)上降低重心提升穩(wěn)定性、提升運(yùn)動(dòng)底盤(pán)的通過(guò)性能。