鮑震宇 王立海

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱,150040) (森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué)))

基于層次分析法的小型多功能集材機主參數(shù)的優(yōu)化選擇1)

鮑震宇 王立海

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱,150040) (森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué)))

為研究新的小型多功能集材機的主參數(shù)，運用層次分析法進行優(yōu)化選擇。在林區(qū)調(diào)查和采集了作業(yè)對象和作業(yè)環(huán)境的數(shù)據(jù)，然后對集材機作業(yè)進行受力分析，計算出主參數(shù)的參考值；運用層次分析法建立了層次模型和判斷矩陣，從而對主參數(shù)的參考值進行優(yōu)選。最后，初步選定了集材機主參數(shù)，包括牽引力36～40 kN、功率45～55 kW、速度范圍1.8～42 km/h、運載量2.1～2.5 m3/次、自質(zhì)量4 000～4 500 kg、額定裝載量1 500～1 800 kg、最大插入力6.2～6.7 kN、推土量0.30 m3、卸載高度3.2 m。

集材機；主參數(shù)；優(yōu)化選擇；層次分析法

Skidder; Main parameters; Optimal selection; Analytic hierarchy process (AHP)

由于歷史與現(xiàn)實的原因，我國森林資源情況發(fā)生了很大變化，也帶來森林作業(yè)條件的變化。對于集材作業(yè)而言，這些變化體現(xiàn)在林木蓄積量低、出材量低、集材距離大、集材坡度大等方面[1]。

傳統(tǒng)集材機由于自質(zhì)量和體積很大，會造成林地地表土壤壓實，不利于森林更新，帶來水土流失等問題，而且在行駛過程中還會對立木造成損傷。此外，傳統(tǒng)集材機價格昂貴，功能單一，已不能適應(yīng)林區(qū)的生產(chǎn)作業(yè)要求[2]。

筆者研究一種小型多功能集材機主參數(shù)的優(yōu)化選擇。這種集材機具有小型化的特點，體積小，質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)彎靈活。同時，這種集材機的牽引力大，能集運大徑級木材，具有較好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。在具有集材牽引的功能以外，這種小型多功能輪式集材機還兼具裝載、推土等功能，實現(xiàn)一機多用。

1 主參數(shù)概述

本研究擬設(shè)計的多功能集材機屬于小型輪式半載集材機，裝載方式為前卸式裝載。小型多功能輪式集材機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.前輪；2.車架；3.后輪；4.柴油機；5.絞集裝置；6.駕駛室；7.液壓缸；8.動臂；9.鏟斗/抓具。

圖1 小型多功能輪式集材機的結(jié)構(gòu)示意圖

這種小型多功能輪式集材機的底盤是由柴油機驅(qū)動的液力機械傳動系統(tǒng)，前部為液壓驅(qū)動的前端裝載工作結(jié)構(gòu)，后部為絞集木材的絞集裝置和搭載裝置，中部為駕駛室。

多功能集材機的主參數(shù)分為基本參數(shù)、裝載參數(shù)和推土參數(shù)?；緟?shù)包括外形尺寸、最小工作質(zhì)量、額定功率、行駛速度、額定牽引力、運載量，裝載參數(shù)包括額定裝載量和卸載高度，推土參數(shù)包括最大插入力和推土量[3-4]。

選擇集材機主參數(shù)的依據(jù)主要有兩個，一個是集材機的作業(yè)對象，另一個是集材機的作業(yè)環(huán)境。作業(yè)對象就是伐區(qū)的木材資源，具體指立木蓄積量、立木徑級、單株立木材積等，其中對主參數(shù)選擇影響最重要的是原條材積。作業(yè)環(huán)境是指林地的自然因素，即地形地貌、地勢、坡度、林區(qū)道路條件和特點等[5]。

2 林區(qū)調(diào)查與數(shù)據(jù)采集

林區(qū)調(diào)查和數(shù)據(jù)測量實驗在黑龍江省帶嶺林業(yè)局東方紅林場和吉林省臨江林業(yè)局大西林場進行。所在伐區(qū)均為成熟林，樹種為云杉、胡桃楸、曲柳等。測量實驗所需的儀器有卷尺、胸徑尺、測高儀等。

實驗測量了林區(qū)的原條材積，其頻率分布如表1所示，可知集材機的作業(yè)對象情況。由原條數(shù)據(jù)計算得到原條的平均材積為0.466 m3，平均質(zhì)量為558 kg。

表1 原條材積的頻率分布表

根據(jù)實驗結(jié)果，小型集材機原條集材的運載量普遍在0.7 m3/次以上，而且集材中可以通過拼湊達到1.0、1.4、1.8、2.2、2.6 m3/次。

此外，實驗還測量了林區(qū)現(xiàn)有集材道的寬度、坡度以及立木間隙，用來說明集材機的作業(yè)環(huán)境，為主參數(shù)參考值的計算和選擇提供依據(jù)。

3 主參數(shù)參考值的計算

3.1 基本參數(shù)和集材參數(shù)參考值計算

多功能集材機的運載量參考值可根據(jù)林區(qū)的原條材積情況獲得，其他參數(shù)的參考值需要根據(jù)受力分析進行計算。

根據(jù)林區(qū)現(xiàn)有集材道的寬度和立木間隙，從有利于通行和保護林木的角度出發(fā)，初步選擇集材機外形尺寸的參考值為5 500 mm(長)×1 800 mm(寬)×2 700 mm(高)。

集材機的最小工作質(zhì)量要保證集材機正常行使，也就是要滿足不打滑的條件，即地面附著力要大于集材機牽引力[6]，由此可以得到集材機最小工作質(zhì)量參考值(Gm)的計算公式：

(1)

式中：K為原條懸空系數(shù)；μw為原條在集材道上被拖拽的阻力系數(shù)；μm為拖拉機的運行阻力系數(shù)；μc為拖拉機集材的附著系數(shù)；W為木捆質(zhì)量。

集材機的牽引力由受力分析確定。如圖2所示，集材機牽引力為集材機的摩擦力(Fm)和原條的摩擦力(Fw)之和[7]。因此集材機牽引力(Ft)：

Ft=Fm+Fw=(Gm+KW)g(μmcosα±sinα)+Wg(1-K)(μwcosα±sinα)。

(2)

式中：α為工作坡度；g為重力加速度，此處取9.8 m/s2。

圖2 集材機作業(yè)受力分析

計算集材機的功率參考值，需要從集材機的集材能力入手[8]。根據(jù)集材機的功率、牽引力和速度之間的關(guān)系，考慮機械傳動效率和儲備功率，集材機的額定功率為：

N=KcFtV/(3.6η)。

(3)

式中：V為集材機的行駛速度；η為集材機的傳動效率；Kc為功率儲備系數(shù)。

參考現(xiàn)有集材機的技術(shù)參數(shù)，初步設(shè)定集材機的行駛速度為2.4 km/h，牽引作業(yè)時的一檔低速為1.8 km/h。具體的速度范圍則需要在功率確定后進一步計算確定。集材機的最高速度出現(xiàn)在集材機空載運行時，此時集材機只受到機身運行阻力的作用，因此集材機的最大速度(Vmax)可以用下式計算：

Vmax=N/(KcFtmin)=N/(KcGmμmg)。

(4)

式中：Ftmin為集材機的最小牽引力，即機身的運行阻力。

3.2 裝載參數(shù)參考值計算

集材機作為裝載機進行裝載作業(yè)時，額定裝載量要符合安全要求。按照相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、安全規(guī)定和設(shè)計要求，額定裝載量(Gr)按照下式確定：

Gr=KrGm。

(5)

式中：Kr為安全系數(shù)。

此外，集材機的額定裝載量還需要符合國家標(biāo)準(zhǔn)[9]。

在木材生產(chǎn)作業(yè)中，集材機在作裝載機使用時主要進行歸楞堆垛作業(yè)。因此，集材機的卸載高度(h)應(yīng)該與楞堆相匹配，按照下式確定：

h=hv+Δh。

(6)

式中：hv為楞堆高度，由實驗測得；Δh為安全間隙，取300～500 mm。

3.3 推土參數(shù)參考值計算

小型多功能輪式集材機的最大插入力是集材機插入料堆或者土壤時，在鏟斗斗刃上產(chǎn)生的作用力，其值取決于牽引力，牽引力越大，插入力也越大。在平地勻速運動，不考慮空氣阻力時，最大插入力(Fimax)由集材機的牽引力和集材機機身的摩擦阻力之差決定：

Fimax=Ft-Gmμmg。

(7)

同時，最大插入力和機身阻力之和不能超過地面靜摩擦力，否則就會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。所以，鏟土作業(yè)的插入力還應(yīng)該滿足不打滑的條件：

Fimax≤Gmg(μc-μm)。

(8)

小型多功能輪式集材機進行推土作業(yè)時，直鏟將土壤石塊等向前推送和進行場地平整時，集材機所完成土石方量也就是推土量[10]。推土量與推土板的規(guī)格以及土壤的狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)有關(guān)的設(shè)計要求，集材機的推土量(T)可以由下式確定：

T=BH2Kn/(2tanφ0)。

(9)

式中：B為推土板長度，一般和機身寬度相當(dāng)；H為推土板高度；Kn為推土板充盈系數(shù)；φ0為土壤自然傾角。

根據(jù)林區(qū)測量獲得的運載量的參考值，結(jié)合材種和木材密度，可以得到木捆質(zhì)量(W)的5個參考值：1 200、1 680、2 160、2 640、3 120 kg。將木捆質(zhì)量的參考值代入到數(shù)學(xué)模型中進行計算，可以得到5組主參數(shù)的參考值(見表2)。

表2 小型多功能輪式集材機主參數(shù)參考值

4 主參數(shù)的優(yōu)化選擇

層次分析法(AHP)是通過分析復(fù)雜問題包含的因素及其相互關(guān)系，將問題分解為不同的要素，歸為不同的層次[11]。對各層要素建立判斷矩陣，得到相應(yīng)權(quán)重，從而得出不同方案的權(quán)重值，為優(yōu)化選擇提供依據(jù)。

4.1 層次分析結(jié)構(gòu)模型

層次分析法在分析復(fù)雜問題時，首先從系統(tǒng)的層次特性出發(fā)，用一個層次結(jié)構(gòu)模型來描述問題所涉及的因素及其相互間的關(guān)系。本研究層次分析的目標(biāo)是選擇兼具經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的小型多功能集材機的主參數(shù)。其準(zhǔn)則層可以分為性能水平、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。其中，性能水平(B1)指集材機的通過性能和作業(yè)能力，經(jīng)濟效益(B2)指集材機所能創(chuàng)造的經(jīng)濟效益，生態(tài)效益(B3)指集材機造成的生態(tài)影響。涉及的評價指標(biāo)有牽引力、功率、運載量、額定裝載量和自質(zhì)量等7個指標(biāo)。其他未納入層次結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)也可以通過相關(guān)指標(biāo)來體現(xiàn)，例如廢氣排放指標(biāo)可以由集材機功率來體現(xiàn)。由此建立的層次模型如圖3所示。

圖3 小型多功能集材機主參數(shù)選擇的層次結(jié)構(gòu)

4.2 層次單排序

在確定小型多功能集材機的主參數(shù)選擇層次結(jié)構(gòu)模型之后，需要組織專家小組對各個指標(biāo)和方案進行評價打分。專家小組的評價要立足林情、國情。一方面，集材機的各項參數(shù)應(yīng)該適應(yīng)于林區(qū)的自然條件和資源情況；另一方面，集材機的參數(shù)還要受到目前技術(shù)水平、生產(chǎn)效益、設(shè)備成本以及企業(yè)投資能力的限制。在滿足技術(shù)效果基礎(chǔ)上，還應(yīng)該考慮到森林生態(tài)環(huán)境要求，特別是集材機對于土壤壓實、保留木的影響。根據(jù)專家意見建立各個層次的判斷矩陣，進行層次單排序，并進行一致性檢驗。

表3 判斷矩陣A-B

注：IC為一致性指標(biāo)，IC=0；IR為隨機一致性指標(biāo)，IR=0.52；RC為一致性比率，RC=0；Wi為權(quán)重。

表4 判斷矩陣B1-C

注：IC為一致性指標(biāo)，IC=0.027；IR為隨機一致性指標(biāo)，IR=0.52；RC為一致性比率，RC=0.051；Wi為權(quán)重。

表5 判斷矩陣B2-C

注：IC為一致性指標(biāo)，IC=0.004 6；IR為隨機一致性指標(biāo)，IR=0.52；RC為一致性比率，RC=0.008 8；Wi為權(quán)重。

B3的評價有集材機自質(zhì)量和接地比壓兩個指標(biāo)。這兩個指標(biāo)具有一致性，可以由集材機自質(zhì)量來表征，故不需再建立判斷矩陣。

4.3 層次總排序

根據(jù)以上各個層次的排序情況，建立起A-C的層次總排序。將5個方案中各組參考值分別進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，參加方案的總排序，得到每個方案的權(quán)重得分。

表7 全體方案層次總排序

根據(jù)全體方案層次總排序的結(jié)果，方案3的層次總排序權(quán)重值最高，能很好地兼顧經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，是最優(yōu)方案。從具體參數(shù)看，方案3在5個方案中處于中等水平，符合小型多功能集材機主參數(shù)的選擇要求。

5 結(jié)論

本研究經(jīng)過實驗測量、建模計算和優(yōu)化選擇，初步選定了小型多功能集材機的主參數(shù)為：牽引力36～40 kN、功率45～55 kW、速度范圍1.8～42 km/h、運載量2.1～2.5 m3/次、自質(zhì)量4 000～4 500 kg、額定裝載量1 500～1 800 kg、最大插入力6.2～6.7 kN、推土量0.30 m3、外形尺寸5 500 mm(長)×1 800 mm(寬)×2 700 mm(高)、卸載高度3.2 m。

初步選定的小型多功能集材機的主參數(shù)能夠適應(yīng)新的森林作業(yè)條件，兼顧生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，同時能實現(xiàn)一機多用，滿足實際生產(chǎn)要求。

[1] 王立海,何娜.黑龍江省畜力集材發(fā)展變化及驅(qū)動力分析[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,38(2):93-95.

[2] 王立海.木材生產(chǎn)技術(shù)與管理[M].北京:中國財政經(jīng)濟出版社,2001.

[3] 張建偉,王立海.小型環(huán)境友好集材裝備的研究進展[J].森林工程,2012,28(4):31-36.

[4] 潘明旭，王立海.國內(nèi)林業(yè)絞盤機發(fā)展沿革及研究進展[J].森林工程,2011,27(2):44-47.

[5] 王忠.集材拖拉機的選型原則與方法[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,1992,20(3):45-48.

[6] 蘇益，葛異蘭.伐區(qū)集材機牽引力和集材量的計算[J].林業(yè)機械,1987,15(1):24-28.

[7] 劉振天.集材拖拉機牽引參數(shù)[J].林業(yè)機械,1967,2(4):9-10.

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[9] 楊占敏.輪式裝載機[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[10] 成凱.推土機與平地機[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[11] 王立海，楊學(xué)春，郝霞，等.層次分析法在集材方式選擇上的應(yīng)用[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,1996,24(1):68-73.

鮑震宇，男，1989年11月生，東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，碩士研究生。

王立海，森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，教授。E-mail:lihaiwang@yahoo.com。

2013年9月12日。

S782.2+5

Optimal Main Parameters of A Small Multifunctional Skidder Based on AHP/Bao Zhenyu(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Wang Lihai(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microoranism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(4).-131～134

1) 林業(yè)公益性行業(yè)科研專項重大項目(201104007)。

責(zé)任編輯：戴芳天。

The experiment was conducted to study the optimal main parameters of new small multifunctional skidder by Analytic hierarchy process (AHP) with the data of operating object and environment in forest region. The mechanical analysis models were established, and the reference values of the main parameters were calculated. AHP were used to compare and analyze the reference values by constructing hierarchy and comparison matrices. After optimal selection, the main parameters of the small multifunctional skidder were initially selected, including the rated traction force of 36-40 kN, the rated power of 45-50 kW, the speed of 1.8-42 km/h, the per-trip loading weight of 2.1-2.5 m3, the skidder weight of 4 000-4 500 kg, the rated loading weight of 1 500-1 800 kg, the maximum insertion force of 6.2-6.7 kN, the bulldozing volume of 0.30 m3, and the unloading height of 3.2 m.