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1、簡(jiǎn)易式履帶式間伐運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì) 機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 甄西剛甄西剛 林曉亮林曉亮 吳凱勝吳凱勝 楊俊強(qiáng)楊俊強(qiáng) 項(xiàng)目研究背景和意義項(xiàng)目研究背景和意義國產(chǎn)林間移動(dòng)式設(shè)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(jiān)實(shí)，林間都有一定坡度履帶式行走方式驅(qū)動(dòng)力大 ，接地比壓小 ，并且其爬坡能力大 ，轉(zhuǎn)彎半徑較小 國產(chǎn)林間履帶移動(dòng)式設(shè)備底盤的研究和開發(fā)還比較缺乏 設(shè)計(jì)一臺(tái)基于國產(chǎn)技術(shù)的簡(jiǎn)易式履帶式間伐運(yùn)輸機(jī)。采用林間履帶式多功能底盤承載林間移動(dòng)式設(shè)備，保證林間移動(dòng)式設(shè)備在林間作業(yè)的穩(wěn)定性、持續(xù)性和安全性。項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn) 本項(xiàng)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(yùn)行的通過

2、性、較強(qiáng)的爬坡能力和抗側(cè)翻能力，保證間伐式運(yùn)輸機(jī)在林間作業(yè)的穩(wěn)定性、適用性和安全性，有更強(qiáng)的通用性，有更有更大的應(yīng)用范圍。研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容 由于應(yīng)用履帶式底盤代替輪式底盤是簡(jiǎn)易式間伐運(yùn)輸機(jī)的關(guān)鍵部件也是本項(xiàng)目的創(chuàng)新之處，因此研究?jī)?nèi)容主要圍繞履帶式底盤進(jìn)行。對(duì)簡(jiǎn)易式履帶式間伐運(yùn)輸機(jī)底盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)。 對(duì)簡(jiǎn)易式履帶式間伐運(yùn)輸機(jī)底盤進(jìn)行三維建模。使結(jié)構(gòu)更加直觀，便于及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。 對(duì)簡(jiǎn)易式履帶式間伐運(yùn)輸機(jī)底盤進(jìn)行仿真。利用三維軟件對(duì)簡(jiǎn)易式履帶式間伐運(yùn)輸機(jī)底盤進(jìn)行越障分析。對(duì)簡(jiǎn)易式履帶式間伐運(yùn)輸機(jī)底盤進(jìn)行有限元分析。簡(jiǎn)易式履帶式間伐運(yùn)輸機(jī)整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易式履帶式間伐運(yùn)輸機(jī)整體設(shè)計(jì)底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3、底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 履帶式底盤實(shí)體圖底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.導(dǎo)向輪；2.張緊裝置；3.履帶；4.履帶架；5.托鏈輪；6.支重輪；7.驅(qū)動(dòng)輪；8.行走馬達(dá) 底盤結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)輪嚙合，嚙合齒安裝在履帶板上，履帶板自身就可作為導(dǎo)向輪、托鏈輪等輪子的滾動(dòng)軌道，拆裝簡(jiǎn)單而且普遍使用在履帶式起重機(jī)和大型挖掘機(jī)上。（2）組合式履帶組合式履帶的機(jī)構(gòu)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(huì)因襯套開裂或履帶板損壞而妨礙行走。此外，制造成本相對(duì)整體式履帶低。在工程鉆機(jī)上應(yīng)

4、用廣泛，缺點(diǎn)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，橡膠履帶的缺點(diǎn)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(fèi)用很高。因此在設(shè)備使用時(shí)，應(yīng)特別注意保護(hù)橡膠履帶。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易式履帶式間伐運(yùn)輸機(jī)底盤規(guī)格較小所以使用橡膠履帶。 橡膠履帶 導(dǎo)向輪、驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)導(dǎo)向輪、驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)1.導(dǎo)向輪殼體 2.軸承 3.主軸 4.軸用擋圈 導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)圖驅(qū)動(dòng)輪二維圖 支重輪、拖鏈輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支重輪、拖鏈輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.支重輪殼體 2.軸承 3.主軸 4.軸套 5.軸端蓋 支重輪結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖張緊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)張緊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.導(dǎo)向輪支架 2.彈簧前擋板 3.彈簧 4.彈簧導(dǎo)向桿 5.彈簧后擋板 6.墊圈 7.螺母 張緊裝置結(jié)構(gòu)圖行走馬達(dá)行走馬達(dá)行走馬達(dá)底盤主要性能參數(shù)的確定底盤主要性能參數(shù)的確定爬坡能力爬坡能力 參考小型挖掘機(jī)爬坡度一般是30或35，理論分析計(jì)算法驗(yàn)證準(zhǔn)確性。底盤的幾種阻力即： 林間移動(dòng)式機(jī)械自重在斜坡方向的分力 運(yùn)行阻力 最大牽引力T應(yīng)不小于這些阻力之和， 還應(yīng)保證底盤在爬坡時(shí)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(shù)的確定底盤主要性能參數(shù)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(jī)械的重心位于機(jī)械中心。則有：解式（2-5），得 平均接地比壓是履帶式機(jī)械的一個(gè)重要指標(biāo)，主要根據(jù)外形尺寸、履帶式地盤的附著性能、地面狀況等進(jìn)行合理選取，其可以用來與同類型產(chǎn)品作比較。03502hLbmgp.PabLmgp3102256213028925002.底盤主要性能參數(shù)的確定底盤主要性能參數(shù)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(shè)底盤爬坡時(shí)不進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，最大牽引力只在其爬坡能力最大時(shí)，不進(jìn)行轉(zhuǎn)彎的情況下計(jì)算，底盤最大牽引力T計(jì)算公式為： 另外，根據(jù)

7、經(jīng)驗(yàn)底盤的最大牽引力也可以通過整機(jī)質(zhì)量的比例進(jìn)行計(jì)算，如下式 針對(duì)底盤要求的轉(zhuǎn)彎、爬坡的能力比較高，最大牽引力計(jì)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(yīng)該合理匹配，使接地比壓，轉(zhuǎn)彎性能和附著性能等符合設(shè)計(jì)要求。通過分析本機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)得出履帶的主要影響參數(shù)是整機(jī)重量。本機(jī)初定整機(jī)重量為：2.5t。 令A(yù)表示驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)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(jī)重量，單位為t。則

8、有經(jīng)驗(yàn)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(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑式中 z驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)，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(dǎo)向輪導(dǎo)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(shè)計(jì)履帶長度

9、較短，則數(shù)量定為1個(gè)；由前面的設(shè)計(jì)參數(shù)，底盤每側(cè)支重輪選為4個(gè)。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(jīng)過一段時(shí)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(xiàn)磨擦履帶架的情況出現(xiàn)，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(gè)導(dǎo)向輪后部都安裝一個(gè)張緊裝置，以防止履帶出現(xiàn)過松或者過緊的現(xiàn)象，減少林間履帶式多功能底盤產(chǎn)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(diào)節(jié)下應(yīng)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(dá)行走馬達(dá) 行走馬達(dá)包括減速器和液壓馬達(dá)，通過求出減速器和液壓馬達(dá)的參數(shù)選取行走馬達(dá)。根據(jù)林間履帶式多功能底盤行駛速度v、底盤一側(cè)最大牽引力T和驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓直徑Dq，求出減速器的輸出扭矩Mg、輸出轉(zhuǎn)速ng和傳動(dòng)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(dá)行走馬達(dá) （2）減速器輸出轉(zhuǎn)速ngqgDvn6105（3）減速器傳動(dòng)比ig3220mmmggpqMi根據(jù)Mg、ng和ig可求出液壓馬達(dá)的主要參數(shù)： 3mggmiMM主要元器件的選擇

11、主要元器件的選擇行走馬達(dá)行走馬達(dá)ggminn220mmmpMq可得Mg = 2300Nm，ng = 50r/min，ig = 50，Mm = 58 Nm，nm = 2500 r/min，qm = 18 mL/r。mq馬達(dá)排量（mL/r）。 mqmn馬達(dá)轉(zhuǎn)速（r/min）。 主要元器件的選擇主要元器件的選擇行走馬達(dá)行走馬達(dá) 根據(jù)所得參數(shù)本次設(shè)計(jì)選取GM04VN帝人行走馬達(dá)。GM04VN帝人行走馬達(dá)參數(shù)如表2-4所示： GM04VN帝人行走馬達(dá)參數(shù) 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(shù)值都不大，則軸

12、距A（即導(dǎo)向輪與驅(qū)動(dòng)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(shù)。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(zhuǎn)彎能力的增加。 接地長度L、軌距B與整機(jī)質(zhì)量m關(guān)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(jī)質(zhì)量（kg）。 解式（2-23）、式 （2-24），得接地長度L = 1600mm、軌距B = 1220mm。 在復(fù)雜的路況行駛時(shí)，由于林間履帶式機(jī)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(shù)，最大接地比壓會(huì)

13、出現(xiàn)，其公式為從式（2-25）得出，L/B應(yīng)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(jìn)行原地轉(zhuǎn)彎時(shí)受到多個(gè)外部力，其中轉(zhuǎn)彎阻力Tz據(jù)以下公式解得： BGLTz4式中 履帶板對(duì)地面的摩擦系數(shù)。得出，L/B應(yīng)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(zhuǎn)彎的能力，因此應(yīng)恰當(dāng)?shù)倪x擇L/B的比值。 L/B比值初步確定后，可以使用理論分析計(jì)算法來選定 TBGLS式中 履帶板修正系數(shù)，=（b/500），b為履帶板寬度（10-3m）；G整機(jī)機(jī)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(dāng)S2.3時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎；2.1S2.3時(shí)，可能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎；S 0.13m1/3，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)最小離地間隙與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系式為：2540162.0hm式中 h最小離地間隙（10-3m）。m為整機(jī)質(zhì)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(jì)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(dǎo)向輪、托鏈輪導(dǎo)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(xué)模型確定力學(xué)模型 底盤履帶架是對(duì)于U面軸都對(duì)稱的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。履帶架受力包括G履帶架自重；垂直載荷（包括上部柴油機(jī)重量、林間移動(dòng)式機(jī)械重量、配重等）和“四輪

16、一帶”的反力。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化 應(yīng)滿足以下兩點(diǎn)： （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(dá)清晰，不影響分析得出的結(jié)果； （2）有限元模型考慮部分要盡可能的簡(jiǎn)練，對(duì)模型進(jìn)行有限元分析時(shí)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(jìn)入有限元分析模塊并添加材料進(jìn)入有限元分析模塊并添加材料 進(jìn)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(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分 履帶架三維模型導(dǎo)入有限元分析模塊后，網(wǎng)格劃分時(shí)首先要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)置，履帶架網(wǎng)格劃分時(shí)使用Linear線型，網(wǎng)格尺寸分別設(shè)置為50mm和10mm。

17、通過設(shè)置即保證了計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算的時(shí)間不會(huì)很長，同時(shí)也能讓模型系統(tǒng)得到精度的應(yīng)力和變形量。 本文履帶架結(jié)構(gòu)劃分的單元數(shù)是28707 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 10181 個(gè)。 劃分完網(wǎng)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(gè)主要作用力，中央底座上安裝柴油機(jī)和林間移動(dòng)式機(jī)械，因此中央底座上受柴油機(jī)和林間移動(dòng)式機(jī)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(dá)安裝板受液壓馬達(dá)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(jì)算與結(jié)果分析計(jì)算與結(jié)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(jì)算與結(jié)果分析計(jì)算與結(jié)果分析應(yīng)力圖主要零件的有限元分析主要零件的有限元分析計(jì)算與結(jié)果分析計(jì)算與結(jié)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(jì)算與結(jié)果分析計(jì)算與結(jié)果分析 中央底座的之間橫梁與履帶架的焊接處出現(xiàn)最大應(yīng)力，在柴油機(jī)托板外側(cè)出現(xiàn)了最大變形，見圖中紅色區(qū)域。其最大應(yīng)力為8.64Mpa，最大變形量為0.094mm。一般情況下鐵的許用應(yīng)力為200MPa43，所以履帶架是滿足強(qiáng)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(shí)水平或是專業(yè)技能方面都還不夠，仍處于學(xué)習(xí)階段，敬請(qǐng)各位領(lǐng)導(dǎo)和老師批評(píng)指正。 謝謝！謝謝！