中幼林抚育割草机履带行走装置的设计与分析

Design and Analysis on the Crawler Traveling Device of a Mower for Young and Middle-aged Forest Tending

摘要

针对丘陵山地中幼林抚育作业需求，设计一种履带式割草机行走装置并确定其关键参数。利用三维机械设计软件（solidworks，SOLIDWORKS）和机械系统动力学自动分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）软件，建立行走装置三维模型及动力学模型，通过仿真分析验证其在丘陵山地地形中的通过性，并针对仿真结果进行优化。结果表明，行走装置在35°斜坡上能保持稳定牵引性能；翻越150 mm垂直障碍时可平稳通过且不倾覆；通过500 mm宽沟壑时能维持良好稳定性；优化后的行走装置质心位移和速度波动幅度减小，稳定性提升。该履带行走装置在复杂地形中展现出优良的通过性和稳定性，有效解决丘陵山地割草机通过性差和稳定性不足的问题，对提升丘陵山地地区林业机械化水平具有重要意义。

Abstract

In response to the needs of young and middle-aged forest tending operations in hilly and mountainous areas， a crawler traveling device for a mower was designed， and its key parameters were determined. Using 3D mechanical design software （solidworks， SOLIDWORKS） and automatic dynamic analysis of mechanical systems （ADAMS） software， a three-dimensional model and a dynamic model of the crawler traveling device were established. The passability of the crawler traveling device in hilly terrain was verified by simulation analysis， and the simulation results were optimized. The results showed that the crawler traveling device can maintain stable traction on a slope with a gradient of 35°； it can smoothly cross a 150 mm vertical obstacle without tipping over； and it can maintain good stability when crossing a gully 500 mm wide； the centroid displacement and velocity fluctuation amplitude of the optimized traveling device were reduced， and the stability was improved. The crawler traveling device demonstrates excellent passability and stability in complex terrain， effectively solving the problems of poor passability and insufficient stability of mowers in hilly and mountainous areas. It is of great significance for improving the level of forestry mechanization in these regions.

Graphical abstract

关键词

中幼林抚育 / 割草机 / 履带行走装置 / 丘陵山地 / 通过性 / 稳定性 / ADAMS软件 / 运动学分析

Key words

Young and middle-aged forest tending / mower / crawler traveling device / hilly mountainous terrain / passability / stability / ADAMS / kinematic analysis

0 引言

中幼林抚育在森林培育中占据重要地位，是促进森林生长和提高经济效益的关键环节。其主要措施包括修枝、除草和合理间伐等，旨在为森林生长创造良好条件。在中幼林抚育中，丘陵山地林区地形复杂，不规则、坡度多变和道路崎岖等问题，对割草机的行走装置提出极高要求^［1］。履带式行走装置与轮式行走装置相比，履带行走装置具有接地面积大、接地比压小、爬坡能力强和通过性好等优点，能够有效克服丘陵山地林区的复杂地形条件。本研究针对中幼林抚育作业的特点和丘陵山地林区的地形需求，设计一种履带行走装置，以提高割草机在复杂地形中的作业性能和效率。利用三维机械设计软件（solidworks，SOLIDWORKS）构建履带行走装置的三维模型，并采用机械系统动力学自动分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）多体动力学仿真软件对其进行运动仿真。

当前许多学者将ADAMS软件运用于履带行走装置的仿真研究。Tang等^［2］利用ADAMS软件对大口径自驱动管道爬行器进行动态仿真，分析其在水平、爬坡和转弯状态下的动力学特性，结果表明，爬行器在各状态下表现稳定，转弯时驱动轮未悬空，通过性良好。商德勇等^［3］通过ADAMS软件，对巡检机器人在30°和45°斜坡上的爬坡过程进行了仿真模拟，精确获取了电机驱动力矩的变化规律，通过试验验证了机器人越障性能指标满足设计要求。解福祥等^［4］利用ADAMS软件对三角履带式果园运输机器人进行运动学和动力学仿真分析，通过稳定性分析，确定机器人能够翻越的最大障碍物高度；通过动力学分析，明确了驱动轮在工况下所需的最大扭矩。刘泽新等^［5］设计攀爬高地和翻越沟壑2种仿真试验，借助ADAMS软件对森林防火机器人履带平台的越障性能开展了动力学仿真研究。通过分析驱动力矩-时间曲线图，明确不同越障阶段伸缩杆所需的力矩大小，仿真结果与所选电机参数相匹配，确保机器人越障的稳定性。秦仙蓉等^［6］利用ADAMS软件对履带式挖掘机的越障动力学特性进行了仿真分析，通过研究越障过程中车体垂向位移与障碍物高度的相关性，验证了车体越障过程的平稳性。喻九阳等^［7］利用ADAMS软件模拟机器人在45°和90°坡度下的爬坡过程，通过2种坡度下仿真得到的爬坡性能，速度、牵引力和接触力的曲线波动分析机器人爬坡的稳定性。以上履带行走装置的仿真研究多集中于单一类型的越障环境，主要通过特定场景的仿真试验与分析展开，而针对多种复杂越障环境的综合仿真分析相对不足。本研究通过设置多种典型越障场景，对中幼林抚育割草机履带行走装置开展丘陵山地通过性进行仿真分析，利用计算机模拟验证其履带行走装置在该类地形中的通过能力，并对其通过性能进行评估。

1 履带行走装置参数计算

履带行走装置的组成包括履带、驱动轮、导向轮、支重轮、拖轮、张紧装置和车架等结构。通过电机和减速器将动力传递到驱动轮上，并与橡胶履带上的齿啮合，将驱动轮的旋转运动转变为行走装置在地面上的行驶运动^［8］。当前农林机械中常用的橡胶履带包括轮孔式、轮齿式和摩擦传动式3种类型。基于林区地形条件、机具稳定性和经济性需求，选用轮齿式橡胶履带。

1）驱动轮/履带节距的计算公式为^［9］

t_{\mathrm{0}}=\left(\mathrm{17.5}\sim \mathrm{23}\right)\times \frac{\sqrt[\mathrm{4}]{G}}{\mathrm{2}}=\mathrm{39.13}~\mathrm{51.428}\mathrm{m}\mathrm{m}。（1）

式中：G为整机质量，kg；t_{\mathrm{0}}为履带节距，mm。

根据计算选取履带和驱动轮节距t_{\mathrm{0}}=\mathrm{45}\mathrm{m}\mathrm{m}。

2）驱动轮的节圆直径公式为^［10］

D=\frac{t_{\mathrm{0}}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\frac{\mathrm{180}}{z}\right)}=\frac{\mathrm{45}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\frac{\mathrm{180}}{\mathrm{13}}\right)}\approx \mathrm{188}\mathrm{m}\mathrm{m}。（2）

式中：z为驱动轮齿数，通常驱动轮的齿数为奇数，z=13；D为驱动轮节圆直径，mm。

结合《联合收割机 橡胶履带系列参数》（JB/T 6682—2008）^［11-12］，对履带行走装置零部件的各个参数进行计算与校核，得到履带行走装置具体的尺寸参数。

2 履带行走装置建模及仿真

2.1 履带行走装置的运动学模型建立

根据履带行走装置的尺寸参数，采用SOLIDWORKS软件构建履带行走装置的三维模型，见图1（a）。为降低仿真时长，对建立的履带行走装置模型进行简化处理，见图1（b）。对简化模型进行优化，通过增加2个拖轮以减少履带下垂幅度，见图1（c）。

2.2 模型约束、驱动和外部载荷添加

履带行走装置的三维模型按Parasolid（.x_t）格式文件^［13］导入ADAMS软件中，构建履带行走装置的越障场景。在ADAMS软件中，对履带行走装置的各个零部件建立相应的约束关系^［14］，包括固定副、旋转副、滑移副，其中旋转副100个、固定副5个、滑移副2个。驱动采用Joint Motion形式添加在驱动轮的旋转副上，输入恒速度v=1 m/s。用阶跃函数（Step function，STEP）表达^［15］，为STEP（time，0，0 d，1，530.5 d）。虚拟样机模型中仅保留割草机的履带行走装置，总载重的质量等效为力施加于机架上，作为外部载荷。

2.3 利用宏命令添加接触副

履带行走装置虚拟样机模型的单侧履带由44个履带片、2个支重轮、1个张紧轮和1个托轮组成。零件间的接触均采用Impact函数法^［16］来实现，Impact函数的语法为\mathrm{I}\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{C}\mathrm{T}(q,q^{\text{'}},q_{\mathrm{0}},k,e,c_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}},d)。接触力公式^［17］为

。（3）

式中：F_{\mathrm{i}\mathrm{m}\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{t}}为接触力，N；q为2个对象之间实际的距离，mm；q^{\text{'}}为变量q的时间导数；q_{\mathrm{0}}为触发距离，mm；k为刚度系数；e为弹性力指数，≥1；c_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为最大阻尼系数；d为切入深度，mm。

虚拟样机模型接触力多，单个设置耗时且容易出错。应用宏命令脚本功能对接触力进行自动添加。图2为具体的接触力脚本例子，其他接触力设置只需更改对应的循环编号、接触名称、几何名称和具体的参数定义即可。

3 履带行走装置运动学分析

求解积分器参数设置如下：选用刚性积分求解器（Gear stiff integrator，GSTIFF），积分格式为I3，积分误差阈值设定为0.01，仿真终止时间为2 s，仿真步长设为100。仿真0~0.3 s的过程为履带行走装置从空中落地的过程。

3.1 爬坡行驶仿真分析

为验证履带行走装置的爬坡能力，在ADAMS软件中导入25°、30°、35°的斜坡虚拟路面，进行模拟仿真。履带行走装置爬坡行驶阶段过程见图3。履带行走装置爬坡的准备阶段（0.3~0.7 s）见图4，履带行走装置向前行驶，质心位移趋于稳定，质心速度围绕零呈现小幅度波动。在爬坡阶段（0.7~2 s），质心位移随斜坡角度增加而上升，2 s时达到峰值，分别为0.440 7、0.505 6、0.562 6 m。质心速度为正值且随斜坡角度增大而波动上升。

仿真结果表明履带行走装置能顺利通过35°斜坡。履带行走装置在爬坡阶段的质心位移和质心速度变化幅度与斜坡角度成正比。爬坡阶段存在非稳态加速现象，该现象与驱动力调整或履带打滑有关。履带行走装置的运动特性符合斜坡运动的力学规律。

3.2 翻越垂直障碍仿真分析

一般情况下履带行走装置翻越垂直障碍物的高度为自身驱动轮直径的1/2~2/3。为验证履带行走装置翻越垂直障碍的能力，在ADAMS软件中分别导入100、130、150 mm的垂直障碍物，进行模拟仿真。履带行走装置翻越垂直障碍的阶段过程见图5。履带行走装置质心位移在0.6 s开始显著上升，表示开始翻越障碍，见图6（a）。1.2 s时翻越100、130 mm障碍时质心位移达到峰值分别达0.094 6、0.119 6 m；1.4 s时翻越150 mm障碍时质心位移达到峰值为0.130 3 m。履带行走装置质心速度在1.2、1.8 s时翻越100、130 mm障碍时出现最大波动，见图6（b）；在1.3、1.9 s时翻越150 mm障碍时出现最大波动。1.24、1.26、1.3 s为履带行走装置克服100、130、150 mm障碍顶点的时刻；1.8、1.82、1.9 s为履带行走装置完成翻越后重心快速回落的时刻。

仿真结果表明履带行走装置能够顺利通过高度为其驱动轮直径1/2~2/3的垂直障碍。在翻越150 mm障碍时，质心达到最高位移点和速度最大波动的时间较其他高度障碍显著延迟，障碍高度的增加显著延长了履带行走装置动力系统的响应时间。

3.3 跨越沟壑仿真分析

为验证履带行走装置跨越沟壑的能力，在ADAMS软件中导入宽度为300、400、500 mm的沟壑虚拟路面真模拟。履带行走装置跨越沟壑的阶段过程见图7。跨越300、400 mm的沟壑，其跨越阶段为0.7~1.7 s，质心位移波动较小，见图8。1 s时，履带行走装置完成第1阶段，张紧轮接触对侧台面，质心位移分别为-0.017 2和-0.028 7 m，质心速度出现显著负向波动；1.5 s时，完成第2阶段，驱动轮离开一侧台面，质心位移分别为-0.015 6和-0.017 9 m，质心速度出现显著正向波动。跨越500 mm的沟壑，跨越阶段为0.7~1.8 s，质心位移波动较大。1.1 s时，完成第1阶段，张紧轮接触对侧台面，质心位移为-0.043 m，质心速度出现显著负向波动；1.58 s时，完成第2阶段，驱动轮离开一侧台面，质心位移为-0.042 9 m，质心速度出现显著正向波动，波动幅度显著大于300、400 mm沟壑。

仿真结果表明履带行走装置能够顺利跨越500 mm沟壑。对比跨越500 mm沟壑和300、400 mm沟壑，500 mm的沟壑对系统稳定性影响最大，质心的位移和速度波动幅度最大。验证了履带行走装置的跨越能力。

3.4 履带行走装置优化分析

在仿真过程中，行走装置在跨越障碍时，受重力作用以及托轮与驱动轮、张紧轮间距较大，履带上端在各轮之间会出现轻微下垂，导致行走装置出现轻微卡滞，从而影响行走装置的稳定性。在优化过程中，选取各越障地形场景中波动幅度最大的地形进行仿真验证，结果表明，优化模型的质心位移与速度整体变化趋势与简化模型基本一致，但在通过越障场景过程中的起伏波动幅度相比未优化状态明显减小，表现出更为平稳的运行特性，从而有效提升了履带行走装置的稳定性。

4 结论

针对丘陵山地中幼林抚育作业复杂地形的需求，设计一种履带行走装置，以解决在复杂地形下割草机通过性差和稳定性不足的问题。通过分析作业环境和技术指标，确定了履带行走装置的关键参数并基于SOLIDWORKS构建三维模型。应用ADAMS多体动力学仿真软件对斜坡、垂直障碍和沟壑3种典型地形场景进行仿真分析。结果表明，履带行走装置在35°斜坡上具有稳定牵引性能，质心位移和速度变化符合预期，表现出良好爬坡能力；在翻越高度为其驱动轮1/2~2/3的垂直障碍时，行走装置平稳通过且无倾覆，质心位移和速度波动较小，越障稳定性良好；在跨越宽度为300、400、500 mm的沟壑时，行走装置均能顺利通过。在跨越500 mm沟壑时质心位移和速度出现较大的波动变化，但均在合理范围内，显示了对复杂地形的良好适应性。针对仿真过程中发现的履带下垂问题，对行走装置结构进行了优化。优化后仿真结果显示，在越障场景中，行走装置质心位移与速度的波动幅度均明显减小。研究验证了该履带行走装置设计的可行性、通过性与稳定性，对提高丘陵山地地区的林业机械化水平具有重要的实践意义。

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基金资助

福建省林业科技项目(2025FKJ1)

福建省科技厅工业引导性（重点）项目(2023H0063)

福建农林大学科技创新专项基金项目(KFb22119XA)

福建农林大学科技创新专项基金项目(KFB24055A)

省级科技创新重点项目（高校类）(2021G02024)