覆帶式山地作業(yè)機(jī)及其自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

摘 要：覆帶式山地作業(yè)機(jī)在應(yīng)用中表現(xiàn)出安全性差、不穩(wěn)性、適應(yīng)性薄弱等問題，影響林地作業(yè)效率。基于此，本文提出一種優(yōu)化覆帶式山地作業(yè)機(jī)及其自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并給出具體實(shí)現(xiàn)措施，為森林工程工作者開展林地作業(yè)提供安全可靠的車輛設(shè)備，推動(dòng)森林工程的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：覆帶式山地作業(yè)機(jī);調(diào)平系統(tǒng);作業(yè)臂

前言

自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)節(jié)車輛，確保其始終處于水平位置，該功能可有效解決覆帶式山地作業(yè)機(jī)存在的問題，推動(dòng)森林工程的自動(dòng)化發(fā)展。但關(guān)于山地作業(yè)機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)平研究處于空白狀態(tài)，導(dǎo)致山地作業(yè)車輛的性能偏低，應(yīng)用效果不理想。可見，對自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)在山地作業(yè)機(jī)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 覆帶式山地作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文結(jié)合國內(nèi)外覆帶式山地作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參照山地作業(yè)要求，進(jìn)行覆帶式山地作業(yè)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本節(jié)主要介紹底盤、車架與整機(jī)等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程與要點(diǎn)。

1.1底盤設(shè)計(jì)

在開展底盤設(shè)計(jì)前，根據(jù)覆帶式山地作業(yè)機(jī)的應(yīng)用不足，明確山地作業(yè)機(jī)的底盤設(shè)計(jì)要求：（1）具備自動(dòng)調(diào)平功能，橫坡的調(diào)平需達(dá)20°，縱坡的仰角調(diào)平需達(dá)20°，俯角調(diào)平需達(dá)10°;（2）最大爬坡能力可達(dá)30°。由于我國森林地區(qū)的山地丘陵以土路為主，且存在坑洼或緩坡，要求山地作業(yè)機(jī)的底盤性能滿足如下要求：（1）通過液力機(jī)械進(jìn)行傳動(dòng);（2）山地作業(yè)機(jī)的最高行駛速度需達(dá)25km/h。基于上述要求，本文選擇徐工XE18系列小型挖掘機(jī)的底盤為基礎(chǔ)，進(jìn)行覆帶式山地作業(yè)機(jī)的底盤設(shè)計(jì)，保持性能參數(shù)不變，結(jié)合覆帶式山地作業(yè)機(jī)的結(jié)構(gòu)大小，調(diào)節(jié)硬件參數(shù)。同時(shí)，將覆帶條數(shù)設(shè)定為兩條，通過輪齒式嚙合實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，即使處于泥濘山地環(huán)境，覆帶也不會(huì)出現(xiàn)打滑。

1.2車架設(shè)計(jì)

車架是指覆帶式山地作業(yè)機(jī)各個(gè)器件運(yùn)行的基礎(chǔ)，本節(jié)將小型挖掘機(jī)的底盤車架為基礎(chǔ)，選擇X型車架形式，但由于這類車架不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平，需進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)。本文選擇自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)中的“中心不動(dòng)”調(diào)平策略，調(diào)節(jié)覆帶式山地作業(yè)機(jī)的支腿油缸活塞桿，確保作業(yè)平臺始終固定。細(xì)化來說，在覆帶式山地作業(yè)機(jī)中，利用旋轉(zhuǎn)鉸及液壓缸調(diào)節(jié)車架的橫坡與縱坡找平參數(shù)，在上機(jī)架與下機(jī)架的右側(cè)連接桿設(shè)置橫坡旋轉(zhuǎn)鉸點(diǎn);在行走架與下機(jī)架的右側(cè)連接桿部位設(shè)置縱坡旋轉(zhuǎn)鉸點(diǎn);在上機(jī)架與下機(jī)架的左側(cè)設(shè)置橫坡調(diào)平油缸;在行走架與下機(jī)架的左側(cè)設(shè)置縱坡調(diào)平油缸。

1.3整機(jī)設(shè)計(jì)

在覆帶式山地作業(yè)機(jī)的各項(xiàng)部件配置完成后，通過仿真模擬試驗(yàn)，分析其穩(wěn)定性與安全性。在穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中，通過MOTION失效運(yùn)動(dòng)分析，明確整機(jī)的安全坡度角，在整機(jī)的不同旋轉(zhuǎn)角度下，安全坡度角均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，表明上述設(shè)計(jì)設(shè)備具備較高穩(wěn)定性;安全性實(shí)驗(yàn)主要分析調(diào)平結(jié)構(gòu)機(jī)架的安全性，通過ANSYS分析山地作業(yè)機(jī)機(jī)架的受力狀況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)架的盈利小于屈服強(qiáng)度，可保障安全運(yùn)行[1]。

2 覆帶式山地作業(yè)機(jī)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在覆帶式山地作業(yè)機(jī)運(yùn)行中，其自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：（1）確保山地作業(yè)機(jī)在駐車或駕駛工況下均可自動(dòng)調(diào)平;（2）確保自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)平時(shí)間低于20s;（3）車輛駕駛?cè)藛T可實(shí)時(shí)獲取作業(yè)平臺的角度參數(shù);（4）當(dāng)山地作業(yè)機(jī)處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)可自動(dòng)報(bào)警。基于上述要求，本文開展如下硬件與軟件設(shè)計(jì)。

第一，硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)是指自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，包括以下幾項(xiàng)：（1）傾角信息采集電路，用于采集設(shè)備傾角信息，應(yīng)用電壓型雙軸傾角傳感器，通過AD轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)傾角信息傳輸;（2）顯示與報(bào)警電路，利用CPU進(jìn)行傾角信息分析，結(jié)合分析結(jié)果進(jìn)行顯示與報(bào)警處理，顯示硬件選擇數(shù)碼管;（3）驅(qū)動(dòng)控制電路，自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)選擇電磁閥進(jìn)行作為驅(qū)動(dòng)控制電路的核心，應(yīng)用三極管控制繼電驅(qū)動(dòng)電路，可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，也支持手動(dòng)控制;（4）電源電路選用LM7805與LM7812元件。

第二，軟件設(shè)計(jì)。自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)選用單片機(jī)C語言開發(fā)系統(tǒng)，程序內(nèi)部含有不同控制模塊，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析、報(bào)警、控制與防誤操作等功能。以信息采集模塊為例，其軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：在轉(zhuǎn)換器中配置AD0809芯片，通過其“EOC”管腳進(jìn)行模擬量信號轉(zhuǎn)換結(jié)果的呈現(xiàn)，在“EOC”管腳出現(xiàn)高位電平時(shí)，表明模擬量信號轉(zhuǎn)換結(jié)束，CPU可接收數(shù)字信號，為后續(xù)傾角分析提供條件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的有效傳輸，保障自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[2]。

結(jié)論

綜上所述，目前的覆帶式山地作業(yè)機(jī)不符合森林工程作業(yè)需求，需創(chuàng)新設(shè)計(jì)設(shè)備及其自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。通過本文的設(shè)計(jì)參考，設(shè)計(jì)人員需做好覆帶式山地作業(yè)機(jī)的底盤、車架與整機(jī)設(shè)計(jì)，并做好自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)，提升森林工程作業(yè)的安全性與自動(dòng)化。

參考文獻(xiàn)

[1]陳志強(qiáng)，黃世頂，張德暉等.南方丘陵山地多功能林業(yè)作業(yè)機(jī)清雜部件設(shè)計(jì)[J].福建林業(yè)科技，2018，45（02）：40-43.

[2]王芳莉，鮑向東，李廣華.適用于貴州丘陵山地作業(yè)精整地機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2017（04）：89-91.

作者簡介：

張曉虎（1998-），男，山西省呂梁市人，寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，研究方向：交通運(yùn)輸.