大径级疫木粉碎装备的履带底盘机构设计与仿真分析

Design and Simulation Analysis of Track Chassis Mechanism for Large-Diameter Infected Wood Crushing Equipment

摘要

针对松材线虫病对松树等树种的威胁、传统处理大径级疫木的方法存在运输困难、效率低、传播风险高以及粉碎效果差等问题，研发大径级疫木粉碎装备，实现疫木的就地粉碎。为此，设计一种粉碎装备的履带底盘机构，采用液压劈砍技术预处理疫木，并通过盘式削片机和锤式粉碎机粉碎木材。利用多体动学仿真软件进行仿真，模拟履带底盘在20°坡度、200 mm高、400 mm宽的垂直壁和200 mm深、400 mm宽的壕沟等复杂地形下的运行特性，分析运行过程中的平移加速度、垂向加速度及俯仰角等关键参数。履带底盘在20°坡度、200 mm高、400 mm宽的垂直壁和200 mm深、400 mm宽的壕沟等复杂地形下，表现出良好的稳定性和通过能力，关键参数均在合理范围内，运行过程中未出现履带脱链等异常现象。大径级疫木粉碎装备可实现定点粉碎，为疫木粉碎和履带底盘设计提供思路和技术支持。

Abstract

In response to the threat posed by pine wood nematode disease to pine and other tree species， as well as the problems of transportation difficulties， low efficiency， high transmission risks， and poor crushing results inherent in traditional methods of handling large-diameter infected wood， a large-diameter infected wood crushing system was developed to enable on-site processing. Accordingly， a tracked chassis was designed for this crushing equipment； infected wood is first pretreated using hydraulic splitting technology and then crushed by a disc chipper followed by a hammer mill. Multibody dynamics simulation software was employed to simulate the operating behavior of the tracked chassis in complex terrains， including a 20° slope， a vertical wall measuring 200 mm in height and 400 mm in width， and a ditch measuring 200 mm in depth and 400 mm in width. Key parameters such as translational acceleration， vertical acceleration， and pitch angle were analyzed during operation. Under these conditions， the tracked chassis exhibited strong stability and pass ability， with all key parameters remaining within acceptable ranges and no incidents of track derailment. This large-diameter infected wood crushing equipment enables localized crushing， providing insights and technical support for infected wood management and tracked chassis design.

Graphical abstract

关键词

林业机械 / 大径级疫木 / 粉碎装备 / 履带底盘 / 动力学仿真

Key words

Forestry equipment / large-diameter infected wood / crushing equipment / track chassis / dynamic simulation

0 引言

松材线虫病严重威胁松树等针叶树种，导致其快速枯萎甚至死亡，对染病的疫木进行有效处理有重要意义。目前，对于直径40 cm及以上的大径级疫木，传统处理方法主要为人工砍伐后运输至粉碎厂或就地焚烧，存在运输困难、效率低、传播风险高及粉碎效果差等问题；焚烧还可能引发空气污染和森林火灾^［1-4］。若能开发出适用于处理大径级疫木的新型自动化设备，可显著节约人力物力，提高处理效率，降低传播风险。

对于大径级疫木的处理，国内外学者的研究较为有限，但可以通过对木材粉碎机现有研究的分析，为大径级疫木处理设备的设计提供参考。赵波等^［5］设计的自走式一体化桑枝剪伐粉碎机，能够实现桑树枝条的剪伐与粉碎一体化作业，虽在小径木处理上表现优异，但不适用于大型木材的粉碎。姚宗路等^［6］研制的木质类粉碎机采用先切削再粉碎的方式，适合直径15 cm以下的树枝，但功耗较大，且仅能固定作业。税加坤等^［7］研制的木桩粉碎机则能够实现自由定点粉碎，特别适用于野外森林复杂地带病树和树桩的现场处理，但该设备不具备封闭式粉碎功能。虽然现有设备在不同木材处理方面有所突破，但针对大径级疫木的专用自动化处理设备仍有待进一步发展。

在地形复杂的林区，设备的稳定性至关重要。履带式设备对山区和丘陵地区适应性强，运行过程中稳定性高，因此大多数农机采用履带式底盘设计^［8-10］。目前，研究人员已对应用于农业机械中的履带式底盘性能进行分析及优化设计。例如，吉旭等^［11］设计了一种适用于贵州山地的履带自走式辣椒收获机，通过仿真和试验验证其在22°横坡、30°纵坡、510 mm垂直壁和1 020 mm壕沟等条件下具有良好的通过性和稳定性，满足采收需求。李汉青等^［12］设计一款履带式三七收获机，并利用RecurDyn进行动力学仿真。结果显示，收获机在平地、转弯和越障工况下性能稳定，满足设计要求，同时提出延长履带寿命的建议。Li等^［13］通过建立四轮腿式收获机的运动学和动力学模型，分析了其动态倾斜特性。采用机械系统动力学自动分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）仿真验证结果，发现抬升支撑架最有效，抬升支撑架、缩短支撑架以及向倾翻侧转向的仿真与计算的平均误差为2.4%、0.67%和2.75%。上述研究对履带式农业机械设备的爬坡和越障稳定性进行深入分析和优化，但对于大径级疫木处理设备在地形复杂的林区爬坡、越障和跨沟等工况下的稳定性分析仍未见报道。因此，分析并优化大径级疫木处理设备在复杂工况下的稳定性，对于保证设备性能、提高粉碎效率具有重要意义。

针对以上问题，本研究设计一款大径级疫木粉碎装备，并对其在爬坡、越障和跨沟等情况下进行理论和仿真分析，以提高装备稳定性。

1 大径级疫木粉碎装备总体结构设计

1.1 设计要求与技术参数

为确保松材线虫被彻底消灭，粉碎物粒径需小于1 cm^［14］。基于此，粉碎机构采用盘式削片机与锤式粉碎机相结合的结构。盘式削片机先将大径级木材削片，锤式粉碎机进一步细化至目标粒度。针对40 cm直径疫木的进料要求，需通过液压劈砍将木材预处理为约20 cm的木瓣。液压系统配备安全阀与溢流阀，以确保操作安全。设备主要在人工林和次生林作业，路况包括柏油路、林间路及软土路，考虑到台阶、田埂等障碍，设计履带底盘，以提高越障能力和作业稳定性^［15］。主要技术参数见表1。

1.2 整机结构

基于设计指标，大径级疫木粉碎装备主要由前处理机构、输送机构、粉碎机构、动力机构以及履带底盘机构组成，如图1所示。

1.3 工作原理

大径级疫木粉碎设备行驶至疫木林区后，将疫木切割成不超过40 cm的木段并放置在前处理机构导轨上。液压缸推动木段至前处理刀具，将其劈砍成六瓣。劈砍后的木瓣通过输送机构送至粉碎机构，进一步被粉碎成1 cm以下的木屑，完成疫木粉碎作业。

2 履带底盘机构设计

林区行走设备一般采用轮式或履带式机构^［16］，与轮式机构相比，履带式机构具有结构紧凑、牵引力大和爬坡性能好等优点，为增强承载力与抓地力，减少设备对路面的破坏，本设备选用橡胶履带^［17］。行走机构布局如图2所示。

履带轮系由驱动轮、导向轮和支重轮组成。驱动轮节圆直径（D_q）、导向轮直径（D_d）及支重轮直径（D_z）通过以下公式计算

D_{\mathrm{q}}=\frac{t}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\frac{{\mathrm{180}}^{\circ }}{Z})}。（1）

D_{\mathrm{d}}=k{D}_{\mathrm{q}}。（2）

D_{\mathrm{z}}\le (\mathrm{1.5}~\mathrm{3})t。（3）

式中：D_q为驱动轮节圆直径节距，mm；D_d为导向轮直径，mm；D_z为支重轮直径，mm；t为节距（63 mm）； Z为齿数（14）；k为导向轮系数（0.8，0.9）。通过计算，D_q=288 mm，D_d=260 mm，D_z=180 mm。

履带与地面接触长度L=1 960 mm，履带宽度U=420 mm，履带高度H=600 mm，装备质量m=4 000 kg，重力加速度g=9.8 m/s²。接地比压（X）计算公式为

X=\frac{mg}{\mathrm{2}U(L+\mathrm{0.35}H)}。（4）

经计算，X=0.021 9 MPa。

由于最大许用接地比X≤0.26 MPa，故粉碎装备在运行过程中不会对地面造成破坏。粉碎装备上坡时的受力情况如图3所示。

履带行走阻力包括内部阻力和外部阻力。内部阻力主要来自轴承和密封件的摩擦，摩擦系数为0.05~0.10。大径级疫木粉碎装备行走较慢，故可忽略空气阻力。外部阻力主要源于履带压实地面引起的变形阻力，滚动阻力系数与土壤性质直接相关^［18］。

在林区松散土路条件下，滚动阻力系数μ=0.1；内摩擦系数f_n=0.06^［18］。牵引力（T）计算为

T=\mu mg+f_{\mathrm{n}}mg+mg\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha。（5）

经计算，T=19 839.6 N。

行驶速度v=8 m/min=0.48 km/h；传动效率η=0.65。所需额定功率（p）为

p=\frac{Tv}{\mathrm{3.6}\eta }。（6）

经计算，p=4.069 kW。

考虑环境复杂性，取功率储备系数k₁=2，实际需要功率（p₀）为

p_{\mathrm{0}}=k_{\mathrm{1}}p。（7）

经计算，p₀=8.2 kW。因此，行走机构采用功率大于8.2 kW的动力装置，履带底盘设计参数见表2。

3 底盘稳定性分析

3.1 底盘纵向坡路稳定性分析

3.1.1 底盘纵向上坡稳定性分析

大径级疫木粉碎装备在履带底盘匀速上坡时，其受力情况可近似为底盘静止停放在坡道上的受力情况，如图4所示。

大径级疫木粉碎装备履带底盘纵向上坡匀速行驶时，整机受力平衡^［19］，对后支撑点（B）点取矩

F_{\mathrm{1}}=G\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha。（8）

L_{\mathrm{1}}G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -hG\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha -N_{\mathrm{1}}m=\mathrm{0}。（9）

式中：G为装备重力，N；F₁为地面附着力，N；L₁为质心O到B距离，mm；h为质心高度，mm；N₁为支撑力，N；m为质心距离平均支撑点距离，mm；α为坡度角，（°）。

在竖直方向上所受合力为零，即N_{\mathrm{1}}=G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha。

m=\frac{(L_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -h\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha )}{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha }。（10）

若要底盘不发生倾翻，需使m≥0，即L_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -h\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \ge \mathrm{0}，可以得出底盘纵向上坡时不发生倾翻的最大坡度角（α_m1）为

{\alpha }_{\mathrm{m}\mathrm{1}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}(\frac{L_{\mathrm{1}}}{h})。（11）

3.1.2 底盘纵向下坡稳定性分析

大径级疫木粉碎装备履带底盘匀速下坡时的受力情况可近似为底盘静止停放在坡道上^［20-21］，如图5所示。与底盘纵向上坡时的稳定性分析过程相似，可以求得底盘纵向下坡不发生倾翻的最大坡度角（α_m2）为

{\alpha }_{\mathrm{m}\mathrm{2}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}(\frac{L_{\mathrm{2}}}{h})。（12）

式中，L₂为质心O到支撑点A的距离，mm。

履带底盘纵向上下坡不发生倾翻的最大坡度角与底盘结构参数的关系如图6所示。由图6可知，最大坡度角与质心高度和质心到支撑点的距离有关。当质心到支撑点距离一定时，最大坡度角与质心高度成反比；当质心高度一定时，最大坡度角与质心到支撑点距离成正比。

质心位置是影响坡道行驶稳定性的关键因素。质心到支撑点距离越大，爬坡能力越强；质心高度越低，底盘可攀爬的坡度角越大，纵向稳定性越好。为提高上下坡的稳定性，需降低底盘质心位置。

3.2 底盘横向坡路稳定性分析

为确保设备在横坡上行驶的稳定性，需要分析底盘在横向受力情况下的倾翻条件，确定允许的横向最大横坡角度（β_m）^［22］。设备在横向坡道上行驶时底盘的受力情况如图7所示，e为质点偏移距离，mm；B为履带轨距，mm；h为质心高度，mm；F为横向倾翻力，N；G为整车重力，N；F_N4为支撑力，N。

对于在横向坡道上行驶的大径级疫木粉碎装备履带底盘，F=0，底盘总体受力平衡，对C点取矩得

F_{\mathrm{N}\mathrm{4}}B-G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta (\mathrm{0.5}B-e)+Gh\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta =\mathrm{0}。（13）

由此求得

F_{\mathrm{N}\mathrm{4}}=\frac{\left[G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta (\mathrm{0.5}B-e)-Gh\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta \right]}{B}。（14）

若要底盘不发生侧翻，需使支撑力F_{\mathrm{N}\mathrm{4}}\ge \mathrm{0}，即\left[G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta (\mathrm{0.5}B-e)-Gh\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta \right]\ge \mathrm{0}，由此可得底盘在斜坡上横向直线行驶不发生侧翻的最大坡度角（β_m）为

{\beta }_m=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{\mathrm{0.5}B-e}{h}\right)。（15）

由图8可知，最大坡度角（β_m）与履带底盘的轨距（B）和质心高度（h）相关。具体来说，增大轨距（B）或降低质心高度（h），都能提高设备在横向坡道上行驶的稳定性。

4 底盘系统仿真分析

4.1 几何模型建立

在建模过程中，将整机结构简化为一个主体，使用三维建模软件建模后导入多体动学仿真软件^［23］。通过Track-LM模块搭建履带行走机构。每侧的履带行走机构由以下部分组成：1个驱动轮、8个支重轮、2个托链轮、1个履带架、1个导向轮和1条履带。建立地面模型，利用贝克理论（Bekker）定义沉陷路面， 林间作业路面参数见表3^［24］。

4.2 大径级疫木粉碎装备底盘动力学模拟仿真

行驶复杂地形可分为斜坡、垂直壁和壕沟等类型，并通过多体动力学仿真软件进行仿真模拟^［25］。经过在浙江永康市林区的实地勘察，路面主要包含20°斜坡、200 mm× 400 mm （高×宽）的垂直壁，以及200 mm × 400 mm （深×宽）的壕沟。模拟履带底盘在典型工况下的作业能力，包括纵向爬坡、攀登垂直壁及跨越壕沟。通过分析底盘的平移加速度、垂向加速度及俯仰角，探讨装备在不同路况下的行驶性能^［24-25］。

4.2.1 纵向坡地行驶仿真

在多体动力学仿真软件中建立一个倾角为20°的纵坡路面，对大径级疫木粉碎装备进行爬坡仿真，仿真结果如图9所示。

大径级疫木粉碎装备攀爬斜坡时，底盘平移加速度是判断稳定性的关键指标。由图9（a）可知，底盘平移加速度在0~14 000 mm/s²波动，与陈继清等^［26］研究的小型绿篱修剪机的平移加速度范围 相似，这一比较来源于两者均为履带式设备，在复杂工况下的动力学特性具有相似性。尽管规模 和用途不同，但该比较有助于为粉碎装备的稳定性评估提供参考，说明在爬坡过程中，装备能够保持相对稳定的加速状态，未出现过大的加速度波动，行驶过程较平稳。由图9（b）可知，垂向加速度 在-10 000~10 000 mm/s²波动。这是由于爬坡过程中，履带与路面之间的相互作用导致的上下抖动，但抖动幅度在可控范围内，对装备的稳定性影响较小。由图9（c）可知，在0~3.2 s，装备在平地上加速行驶，俯仰角在0°附近波动；从3.2 s开始，装备进入爬坡阶段，俯仰角逐渐增加，最终稳定在28°。这与路面坡度相符，表明装备能够顺利适应坡度变化。

上述仿真结果表明，粉碎装备在20°纵坡上的爬坡性能良好，底盘运行平稳，未出现履带脱链等不稳定现象。粉碎装备在爬坡过程中的最大平移加速度、垂直加速度及俯仰角见表4。

4.2.2 翻越垂直壁仿真

基于多体动力学仿真软件建立垂直壁200 mm×400 mm（高×宽）的路面，针对大径级疫木粉碎装备，进行整机翻越垂直壁仿真分析。仿真结果如图10所示。

大径级疫木粉碎装备翻越垂直壁时，必须确 保装备在越过垂直壁后能够恢复至平地行驶状态，因此需对装备底盘平移加速度、垂向加速度以及 俯仰角进行分析。由图10（a）可知，在翻越垂直壁过程中，平移加速度在0~20 000 mm/s²波动。较大的加速度变化是由于装备需要克服垂直壁的高度，实现攀爬所致^［26］。由图10（b）可知，垂向加速度 在-15 000 ~10 000 mm/s²波动。这反映装备在翻越过程中受到的垂直方向冲击，但整体变化在可接受范围内^［26］。由图10（c）可知，在0~3 s，装备在平地上行驶，俯仰角在0°附近；从3 s开始，装备开始翻越垂直壁，俯仰角逐渐增大，最大达到13°；6 s后，俯仰角恢复至0°，表明装备已成功越过障碍。

装备在翻越垂直壁的过程中，保持良好的稳定性，底盘运行平稳，无履带脱链现象。装备翻越垂直壁过程中的最大参数，见表5。

4.2.3 跨越壕沟仿真

基于多体动力学仿真软件建立200 mm×400 mm（深×宽）的壕沟路面，针对大径级疫木粉碎装备，进行整机跨越壕沟仿真分析^［26］。仿真结果如图11所示。

由图11（a）可知，在跨越壕沟过程中，平移加速度波动较为剧烈，最大值达到20 000 mm/s²。这是由于装备在跨越壕沟时，需要克服突然的路面变化，导致加速度出现较大峰值。由图11（b）可知，垂向加速度在-10 000~10 000 mm/s²波动。上下抖动主要发生在装备前后履带先后通过壕沟时，属于正常现象^［26］。由图11（c）可知，俯仰角在跨越过程中最大不超过3°，装备姿态变化较小，表明其在壕沟路面上具有良好的适应性。

表6为粉碎装备跨越壕沟时的最大参数。上述仿真结果表明，装备在纵向坡地行驶、翻越垂直壁、跨越壕沟过程中未出现异常，对多种复杂地形展现出良好的稳定性。

5 结论

针对大径级疫木处理效率低、松材线虫病二次传播风险，开发一款大径级疫木粉碎装备，实现疫木的定点处理。该设备采用前处理与粉碎机构一体化设计，通过多体动力学仿真软件进行仿真分析，评估底盘在复杂地形上的行走能力。主要结论如下。

1）大径级疫木粉碎装备主要包括前处理机

构、粉碎机构及履带底盘机构，依据直径40 cm大 径级疫木几何参数确定关键部件尺寸，整车尺寸为 3 025 mm ×1 890 mm ×2 325 mm（长×宽×高）。

2）仿真结果表明，大径级疫木粉碎装备在20°纵坡上的爬坡过程中，平移加速度稳定在0~

14 000 mm/s²，垂向加速度波动在-10 000~10 000 mm/ s²，俯仰角最终稳定在28°。装备在陡坡环境下能够保持稳定的运行状态，爬坡过程中未发生履带脱链等不稳定现象。

3）在翻越200 mm ×400 mm（高×宽）的垂直壁、跨越200 mm ×400 mm（深×宽）的壕沟时，大径级疫木粉碎装备表现出良好的越障能力。翻越垂直壁过程中，平移加速度最高达到20 000 mm/s²，俯仰角最大为13°；跨越壕沟过程中，平移加速度最高达到20 000 mm/s²，俯仰角最大仅为3°。装备在应对复杂地形障碍时，能够有效保持底盘稳定，确保设备顺利通过不同障碍物。

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基金资助

国家林草装备科技创新园研发攻关项目(2023YG06)