林业科学

作者：韩庆珏1,肖江铃1,晏希1,胡展雄1,孙继静2,*

单位：1. 中南林业科技大学机械与智能制造学院　长沙 4100042. 湖南女子学院社会发展与管理学院　长沙 410004

关键词：仿生羊蹄,附着性能,履带板履刺,林地土壤特征参数,EDEM离散元仿真

基金：湖南省教育厅科学研究优秀青年项目（20B616）

目的: 针对林地松软地质条件下履带作业车辆履带板附着性能较低的问题，将具有较高附着特性的山羊蹄球外形与履带板履刺相结合，设计一款仿生山羊蹄履带板，为提高林地条件下履带作业车辆的附着性能提供新的思路与方案。方法: 基于山羊蹄原形，运用逆向工程技术构建山羊蹄三维模型，提取山羊蹄球轮廓脊线。利用MATLAB软件对山羊蹄球轮廓脊线进行三阶曲线拟合，获得曲线方程，依据该方程开展仿生履带板履刺设计，依此设计出仿生山羊蹄履带板，并将常见的直齿履带板作为试验对比对象。基于Rankine被动土压力理论，推导出直齿履带板和仿生山羊蹄履带板附着力的理论计算公式。以中南地区油茶林地土壤条件为依据，开展土力学试验获取林地土壤特征参数，通过理论计算获得直齿履带板和仿生山羊蹄履带板附着力的理论值。应用EDEM软件建立基于林地土壤确定参数的离散元系统，选用Hertz-Mindlin模型并结合JKR和HMB黏结模型作为土壤颗粒间的接触模型，对直齿履带板和仿生山羊蹄履带板的附着性能进行仿真分析。加工制作出实物履带板，通过土槽试验对履带板进行试验分析，获取直齿履带板和仿生山羊蹄履带板附着力的试验值。结果: 理论分析结果显示，仿生山羊蹄履带板的理论附着力为165.04 N，直齿履带板的理论附着力为152.36 N，仿生山羊蹄履带板的理论附着力相比直齿履带板提高8.32%；借助EDEM的后处理功能分析可得，仿生山羊蹄履带板的平均附着力为181.17 N，直齿履带板的平均附着力为161.33 N，仿生山羊蹄履带板的平均附着力相比直齿履带板提高12.30%；从微观变化角度分析土壤颗粒场发现，仿生山羊蹄履带板周围具有强应力的颗粒数量占比更高，故附着力更大；履带板土槽试验表明，仿生山羊蹄履带板的平均附着力为173.41 N，直齿履带板的平均附着力为150.89 N，仿生山羊蹄履带板的平均附着力相比直齿履带板提高14.92%，进一步验证了理论计算结果和仿真试验结果的正确性。结论: 林地松软地质条件下，仿生山羊蹄履带板在理论分析、仿真分析以及试验分析层面较常见的直齿履带板均展现出更高的附着性能，充分证明仿生山羊蹄履带板履刺设计的优越性，可为林地条件下履带作业车辆附着性能提升提供结构参数设计的理论依据。

来源：2025年第10期

《林业科学》期刊编辑部

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