介绍，包括具有较强越野能力的装备底盘以及有助于改善底盘性能的关键机构（悬架、转向、车轮），分析各自的优缺点，基于我国典型林区立地条件的基础上提出适合我国山地、丘陵地区作业的森林工程装备底盘的性能要求。
关键词：特殊功能底盘；底盘关键机构；底盘性能要求
中图分类号：S 776 文献标识码：A 文章编号：1001-005X（2015）02-0097-06
Abstract：With the development of forestry and increasingly tense labor force in China，the importance of mechanized operation of forest machine becomes more prominent.In the mountainous and hilly areas，the performance of chassis of forest machine can determine the possibility to “reach mountain and hill” for forest engineering equipment，which affects the process of mechanization of forest machine.Some design principles and methods of chassis used in forestry equipment are introduced according to some references at home and abroad in recent years including strong offroad forestry chassises and several important parts that contribute to improve the performance of chassis（suspension，steering，and wheels）.At the same time，the advantages and disadvantages are analyzed in detail.In the end，based on the analysis of typical forest areas in our country the performance requirments of chassis for forest machine that are suitable to work in the mountainous and hilly areas are put forward.
Keywords：special chassis；key parts of chassis；performance requirments of chassis
森林资源是人类的宝贵财富和社会发展的基础，我国地域辽阔，自然条件复杂，林木资源丰富，在世界上占有重要地位[1]。据林业部2010年全国森林资源统计，我国林业用地面积为30 590.41×104 hm2，森林面积为19 545.22×104 hm2，活立木总储蓄量为149.12×108 m3，森林储蓄量137.20×108 m3 [2]。就森林面积和蓄积总量而言，我国森林资源在世界上占有重要地位。面对如此广袤的地域和巨大的储蓄量，森林工程装备的好坏直接影响着我国林业发展，大力发展森林工程装备成为了加快我国林业发展的迫切要求。东北林业大学陆怀民教授，北京林业大学李文彬教授、刘晋浩教授以及南京林业大学“智能控制与机器人技术研究所”的科研人员一直对森林工程装备做着相关研究[3]。但是，国内这方面研究起步较晚，技术相对落后，和日本、美国、瑞典、加拿大等林业发达国家相比存在较大差距。更重要的是，我国的三大林区（东北林区、西南林区、南方林区）地形十分复杂。包括大兴安岭、小新安岭及长白山在内的东北林区，是我国最大林区，山环水绕，绵延几千里，林区的地形特点以山地、丘陵为主；西南林区主要包括四川、云南、西藏三省交界处的横断山区，以及西藏东南部的喜马拉雅山南坡等地区，地势险峻，为山地地形；秦岭、淮河以南，云贵高原以东的广大地区，属于我国第三个大林区——南方林区（东南林区），是我国热带和亚热带的森林宝库，以山地、丘陵地形为主。我国林区主要的地形特点是山地和丘陵，东北林区和南方林区海拔一般在800～2 000 m，西南林区横断山区海拔可达4 000～5 000 m，三大林区山地的平均坡度10°～25°，局部地段形成36°～45°的陡坡，树木间距一般在1.5～2 m左右，路面崎岖不平[4～6]，因此，实现林区作业机械化需首先解决装备的“上山入林”问题，对装备底盘设计提出了更高的要求，装备底盘的好坏直接制约着装备的未来发展。
森林工程装备底盘需要具有适应恶劣路况的能力，能够在地形复杂的山地、丘陵地区正常行驶和作业，满足这些要求的森林工程装备底盘，国内外做了大量的研究工作[7]。本文对近些年国内外装备底盘上的研究成果进行介绍，包括具有较强越野能力的装备底盘以及有助于改善底盘性能的关键机构（悬架、转向、车轮），分析各自的优缺点，提出适合我国山地、丘陵地区作业的森林工程装备底盘的性能要求。
1 森林工程装备底盘
世界上多数林区集中在地形陡峭的山区，给林木的抚育、采伐和集运带来了巨大的挑战，能适应这种地形的森林工程装备底盘成为实现林场作业机械化的迫切需求[8]。森林工程装备底盘是一种具备特种功能，用于承担林地运输或林地作业以及其它林地特种用途的车辆底盘。本文介绍了4种森林工程装备底盘，其中包括宽度可调式底盘、可开式林用底盘、重心可调式底盘和折叠履带式底盘。
1.1 宽度可调式底盘
国外针对森林工程装备底盘的设计与开发起步较早。他们在完善越野性、机动性、灵活性的同时，更加追求装备底盘的小巧性[9]。美国的Paul A、Yuker提出了一种宽度可调式底盘[10]，通过4个液压油缸1驱动每一个车轮沿Y轴方向独立移动，并且能够锁定在不同位置，底盘同时还采用独立液压马达实现全轮驱动使车辆沿X轴方向行进，如图1所示。这种设计通过改变车轮在Y轴方向的位置实现底盘在不同宽度的路段正常行驶，增强对不同宽窄道路的适应能力，全轮驱动在一定程度上增加了底盘的越野性。该底盘的不足之处就是液压油路的设计复杂，给底盘的维护和保养带来了一定困难；同时该底盘离地间隙不能够调节，对林区凹凸不平地面的适应性需要进一步加强。
1.2 可开式林用底盘
人工林地具有树木人工种植，分布成线性的特点，制约了很多大型森林工程装备。Huttunen paavo等针对这一问题开发了一款可开式林用底盘[11]，专门针对大型装备林地作业和穿行。该装备底盘由两部分组成，如图2所示，一部分是驾驶室1，用于控制森林工程装备行走和作业，另一部分是承载装置2，可将采伐的树木固定在该装置上。底盘由一前一后两个横梁3连接，通过液压缸可控制横梁3完成“连接”和“断开”两种工作状态，此外，驾驶室与承载装置均有独立的液压和电控设备。装备在林区执行间伐作业时，通过横梁3的实时开闭，可实现在不破坏周围树木情况下对目标树木的采伐，有利于底盘在林地作业和行驶。Huttunen paavo等人的这种设计解决了森林工程装备因体积大造成的林地行驶不便，采育过程损害其它树木问题，很大程度上增强了装备底盘的通过性，避免装备过高要求体积小造成作业装置安装不完整等问题，为大型森林工程装备底盘设计开拓了新的广阔前景；但不足之处是没有解决森林工程装备在复杂林地作业需要的越野性的难题。
1.3 重心可调式底盘
森林工程装备林区作业，具有强越野性和通过性的同时需要满足作业装备稳定性，尤其带有起重臂的装备。起重臂前后伸缩，并承载不同载荷，致使作业装备重心有时不能保证在安全范围内，造成作业安全隐患，给驾驶员和工人生命带来极大危害。为了解决这一问题，美国Mosterman、Foppe Johannes[12]等人设计一种重心可调式底盘，如图3所示，工作装置1安装在驾驶室2一侧方便驾驶员进行作业，为了调节装备作业重心，底盘增加了配重装置3，配重装置3可绕驾驶室2在一定角度范围内旋转。这种设计可以实时改变森林工程装备作业时重心位置，保证装备安全作业，并且底盘驾驶室2和配重装置3均可以独立转向，使装备林地作业更加灵活、可靠。但这样设计不足之处在于底盘灵活度大，加大了驾驶员的操作复杂性，易于疲劳。底盘重心的调节方式对森林工程装备底盘有重要的启示作用。
1.4 折叠履带式底盘
我国自然林多位于地势陡峭的山区，地面常出现急剧阶梯型障碍，给森林采伐和运输带来巨大挑战[13]。针对这个问题，北京林业大学刘晋浩教授、鲍际平教授[14]设计了一种折叠履带式底盘，如图4所示，该底盘的行驶系统由主履带1、副履带2和折叠油缸3组成。林区行驶中，一般路面采用主履带驱动行驶；攀越陡峭障碍时，采用主、副履带联合驱动并通过双履带伸展运动穿越障碍。这种底盘可以应用在履带式采伐机和履带式联合采育机等多种森林工程装备上，具有较强的越野性能，适应无道路野外作业环境。但履带式底盘共有一个通病，地面接触面积大，自身重量对地表植被损害较明显，不利于林地恢复和生态保护，同时履带车辆不能直接在公路上行驶，通常要采用专用的平板货车通过公路和林区道路运输[15]。
2 森林工程装备底盘关键机构
森林工程装备作业环境是地形复杂的林区，对底盘越野性能要求较高，提升越野性能可以采用特种底盘，例如宽度可调式底盘、可开式林用底盘等，此外，还可以通过改变底盘装备关键机构使底盘具有林区作业功能，森林工程装备设计与制造中，一般通过改进底盘悬架、转向和车轮设计提升底盘通过性、灵活性和越障性，更好适应林区作业。
2.1 悬 架
2.1.1 自动调平悬架
美国Sion、Emyr、Pierce等人[16]对6轮越野车辆进行研究，主要针对6轮小型越野车辆，设计了一种自动调平悬架，如图5所示，车辆在遇到沙石或者不平整路面时，悬架不随车架左右摆动，保证位于悬架上的驾驶平台始终处于水平，提高驾驶及乘坐人员的舒适性，有助于延长驾驶时间，降低驾驶强度。Sion、Emyr、Pierce等人为了增强底盘驱动力采用两个电动机，每个电动机分别驱动两侧的三个车轮，这样可以保证每个着地轮与地面产生足够的驱动力，使底盘更容易穿越障碍。该底盘更加适合外场工作，对工作环境、场地要求小，特别适合林地作业，对深入研究森林工程装备底盘具有重要的指导、参考价值。
2.1.2 高度可调悬架
为克服因路面不平整等原因造成底盘悬架与路面发生碰撞而无法通过，提高底盘的路面适应性、通过性[17]。中国农业大学李海涛、张仲轩、刘平义等人发明一种高度可调悬架，如图6所示[18]。设计是通过改变悬架高度使车架锁定在相对地面的不同高度位置，悬架的设计利用平行四边形不稳定性，采用一个可变形的平行四边形机构，并在相应的位置安装锁止装置，这样的设计使底盘越障性、通过性大幅提高。另外，发明的底盘高度可调悬架，可主动调整车架高度且调整范围超过车轮轮胎直径。增大、降低车架高度，对于森林工程装备底盘设计具有一定的参考意义。
2.2 转向机构
2.2.1 铰接转向
森林工程装备底盘的转向性能是衡量林用车辆灵活性与通过性的重要指标。优良的转向机构能够减小底盘转弯半径，保证装备在相对狭小的空间内作业。铰接转向是装备底盘主流的转向方式之一，它利用布置在前后车架之间的液压缸的伸缩使车架发生相对偏转，从而实现底盘的“折腰”转向。水电部长春机械研究所乔世珊等人在铰接式车辆的结构特点及分析[19]中对装备底盘铰接转向与偏转车轮转向做了对比，得出铰接转向具有转弯半径小，在狭小场地作业机动灵活；视野良好，驾驶员易于掌握转弯临界点位置；松软土地上行驶能获得较大牵引力等诸多优点，因此，铰接转向更适合凹凸不平的非公路路面，适合复杂的林区环境。装备底盘铰接转向具有众多优点，但如何布置液压转向油缸支点才能得到最佳的转向效果是这些优点得以发挥的基础，更是关键技术，哈尔滨林业机械研究所李世兴[20]等人做了这一方面的研究。铰接式车架液压转向油缸在车架上的布置情况，如图7所示，经过研究得出，铰接底盘液压转向油缸支点应选在转动油缸转向力臂最大同时油缸行程最小的位置，这样转矩不变的情况下，液体传动功率最小。该研究对采用铰接转向的装备底盘转向液压缸安装位置进行了优化，具有重要意义。
2.2.2 后轴转向
森林工程装备底盘除了采用铰接转向，还有一种应用在底盘上的新型转向方式——后轴转向，武汉理工大学车辆工程学院王科星、胡国强[21]针对后轴转向作了深入的研究，从理论和试验两个方面论证了后轴转向技术对提升森林工程装备底盘的机动性能和轮胎寿命方面具有重大的意义。一般车辆底盘采用前轮转向，这样转向有助于驾驶员对车辆转弯的控制，但是前轮转向的转弯半径相比后轮转向要大很多，影响装备底盘的灵活性[22]。通过后轴转向底盘几何关系，如图8所示，可以明显的得出：采用后轴转向具有更小的转弯半径，对于车速要求不是很高的森林工程装备车辆来说，这种转向方式也是一个不错的选择。但是不能否认后轴转向车辆与铰接式转向车辆相比笨重很多，并且采用整体式车架，对于不平整路面的自动调节能力相对比较差，造成车辆稳定性不好，不利于森林工程装备在地形恶劣的环境中作业，因此，对于后轴转向技术的研究与开发，未来还有待提升。
2.3 车 轮
2.3.1 可变直径轮
可变直径轮车辆是一种通过改变装备底盘车轮直径增强越障性的设计[23]。当车辆在平直的公路上行驶时，车轮抱成整圆，以提高车辆的舒适性与操纵性，当车辆在复杂的非公路上行驶时，车轮直径改变，由连续的整圆变成离散的圆形轮子，如图9所示，这种设计增大了车轮与路面间的摩擦力以及车轮直径，使可越过障碍物尺寸明显增大，提高了底盘的越障能力。北京航空航天大学陈新波、高峰等人[24]对可变直径轮车辆越障性能做出分析，探究轮径变化在底盘越障能力中的贡献。从理论计算和仿真结果上证明了发动机输出功率不变的情况下改变轮径会明显增强车辆的越障能力，减小越障时底盘对动力系统的依赖程度，给森林工程装备底盘设计带来了启示。但由于这种设计结构复杂，出现问题不便于维修，至今还未实现大批量的生产。
2.3.2 行星越障轮
行星越障轮是针对月球表面复杂环境设计的一种越障车轮，其显著的优点是具有较强的越障能力，能够适应月球表面凹凸不平的环境[25]。林区工作的森林工程装备同样需要克服恶劣的地形环境，越障能力是衡量装备底盘性能好坏的重要指标，因此，行星越障轮的设计有助于改进装备底盘的越野性能，为森林工程装备林区作业提供了保障。哈尔滨工业大学邓宗全教授[26]设计的行星越障轮的结构，如图10所示，该车轮在行驶时至少有两个车轮与地面接触，降低了接地比压。当行驶在平坦路面上时，驱动轮系演变成定轴轮系，与普通车轮一样，具有较高的效率；当遇到较大的障碍物时，车轮角色发生改变，驱动轮系变为行星轮系，攀上障碍物实现翻越。该车轮在松软土壤上行驶时，可以大大减少车辆的运动阻力，明显增加驱动力，轮子也具有步行轮机构逾越障碍的能力。当在硬路面上行驶时，它给予车辆适宜的速度特性和较佳的平顺性，效率与经济性与一般传统车轮相同[27-29]。
3 结束语
随着科技的不断进步，未来森林资源开发与利用必将以机械化取代传统的人工劳动，研制高性能的森林工程装备底盘非常重要。由于我国林区地形特点一般以山地、丘陵为主，常出现陡坡、坑洼地势，林木间距小，根据林区作业的特点，森林工程装备底盘应该具有如下的性能：①底盘具有尺寸、结构可调功能，适应不同株距的林地作业要求；②底盘具有稳定性可调功能，作业过程中可以根据不同的立地条件，自动调节底盘的重心位置，确保森林工程装备的稳定和安全。③底盘具有调平功能，作业过程中保证驾驶室基本水平，提高森林工程装备的安全性；④底盘具有越野性可调功能，作业过程中可以根据不同的立地条件，自动调节底盘的离地间隙增加跨越障碍物的能力；⑤底盘具有小转弯半径，在林地狭小的区域内灵活转向。然而，兼具上述优点的森林工程装备底盘仍处于初级研发阶段，如何更好的设计与制造，有着广泛的探索和发展空间，有待于今后进一步的研究。
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[责任编辑：胡建伟]