楊春梅，趙洪元，宋文龍，朱曉亮，馬巖

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機械工程技術(shù)中心，哈爾濱150040)

間伐材伐區(qū)用小型抓木機的設(shè)計與分析

楊春梅，趙洪元，宋文龍*，朱曉亮，馬巖

(東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機械工程技術(shù)中心，哈爾濱150040)

通過對林區(qū)集材設(shè)備具體情況的分析與研究，設(shè)計了一臺小型履帶式抓木機。該小型履帶式抓木機具有體積小、質(zhì)量輕、牽引力大等特點，能夠在林區(qū)內(nèi)部靈活移動，并且該設(shè)備操作簡單，使林區(qū)工人能夠方便操作，以適應(yīng)現(xiàn)在林區(qū)生產(chǎn)作業(yè)的要求。主要介紹了該設(shè)備的整機結(jié)構(gòu)、工作原理，并對其所需牽引力與額定功率進行計算分析，同時對抓木機的行駛穩(wěn)定性進行定性分析，得出影響行駛穩(wěn)定性各因素之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明，保持較小偏心距、增加軌距可獲得較好行駛穩(wěn)定性；并通過計算得出整機縱向行駛的最大坡度角27.4°，橫向行駛的最大坡度角28.3°，轉(zhuǎn)彎半徑1.89 m，最大轉(zhuǎn)彎速度2.7 km/h。分析結(jié)果證明該抓木機能滿足間伐材伐區(qū)木材收集與運輸要求，具有良好的行駛穩(wěn)定性，對林業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展有促進作用。

小型抓木機；設(shè)計；間伐；運輸；穩(wěn)定性分析

伐區(qū)作業(yè)是木材生產(chǎn)的首要階段，工時消耗和費用占伐區(qū)生產(chǎn)段總成本的70%左右，而且是木材采伐對環(huán)境破壞最嚴(yán)重的環(huán)節(jié)[1]?？紤]木材生產(chǎn)的森林生態(tài)效益和社會經(jīng)濟效益，林業(yè)發(fā)展方式對人工林、次生林轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾晸嵊g伐作業(yè)，傳統(tǒng)伐區(qū)木材生產(chǎn)機械由于其體積和質(zhì)量較大，在行駛過程中會對樹木造成損傷，而且會造成土壤壓實，不利于森林更新等[2-3]。此外，設(shè)備價格昂貴，功能單一，已不能適應(yīng)現(xiàn)在林區(qū)生產(chǎn)作業(yè)的要求。

筆者針對間伐材伐區(qū)的實際工作條件，設(shè)計一臺環(huán)境友好型的小型履帶式抓木機，該設(shè)備具有小型化的特點，體積小，質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)彎靈活。同時，該設(shè)備牽引力大，可以自裝卸木材，能夠運輸截斷的原木以及剩余枝椏材，具有較好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

1 整機結(jié)構(gòu)

伐區(qū)地形環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備活動空間小，并且存在斜坡、凹坑等。小型履帶式抓木機體積小、轉(zhuǎn)彎靈活、越障能力強，使小型履帶式抓木機能夠高效快速地完成收集木材的任務(wù)。其由動力系統(tǒng)、行走機構(gòu)、減速器組件、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、抓具等組成，柴油機、變速箱布置在底盤上，抓具通過桿件與底盤相連，最終使整機擁有結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、機動靈活的特點。小型履帶式抓木機整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.動力系統(tǒng)；2.行走機構(gòu)；3.減速器組件；4.控制系統(tǒng)；5液壓系統(tǒng)；6.抓具圖1 小型履帶式抓木機整機結(jié)構(gòu)Fig. 1 Diagram of the crawler timber grab

2 工作原理

抓木機主機機架上安裝有柴油機、減速器組件及控制系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備工作時柴油機通過皮帶將動力傳給離合器，離合器與減速器組件輸入軸相連，減速器組件輸出軸連接驅(qū)動鏈輪，輸出動力給履帶式行走機構(gòu)，行走機構(gòu)在動力鏈輪的驅(qū)動和張緊輪、支重輪的支撐下使整機行走。

抓具通過桿機構(gòu)安裝在該設(shè)備的前部，當(dāng)進行木材收集時，柴油機通過減速器組件的齒輪泵將動力轉(zhuǎn)遞給液壓缸，通過控制抓具的液壓缸使抓具張開與閉合，再通過控制旋轉(zhuǎn)液壓缸使抓具旋轉(zhuǎn)到木材收集位置與運輸位置，從而實現(xiàn)木材的收集與運輸。小型抓木機行走機構(gòu)的動力系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

1.帶輪；2.動力輸入軸；3.離合器；4.減速器；5.輸出軸；6.驅(qū)動輪圖2 小型履帶式抓木機傳動系統(tǒng)簡圖Fig. 2 Diagram of the transmission system of the crawler timber grab

3 牽引力與額定功率的計算

為保證小型抓木機在林間行駛時具有良好的通過性能，根據(jù)林區(qū)集材道的寬度2.3 m，在保證機體不碰觸伐根與樹木的前提下，初步選擇整機的三維尺寸(長×寬×高)為2 700 mm×1 100 mm×1 200 mm。按下式計算其轉(zhuǎn)彎通過性能：

(1)

式中：R為最大轉(zhuǎn)彎半徑；m為轉(zhuǎn)彎瞬心至抓木機中心軸的垂直距離，最小值為抓木機寬度的一半，取600 mm；E為車身寬度，取1 100 mm；d為抓木機車體最外側(cè)點至前軸的縱向距離，可用軸距代替，取值1 500 mm。

將以上參數(shù)代入公式(1)得R=1.89 m，小于2.3 m，證明抓木機在林間可實現(xiàn)正常的轉(zhuǎn)彎行駛。

根據(jù)公式(2)可知，要確定小型抓木機理論額定功率P，首先需要確定抓木機運送木材時所需牽引力Fq[4]。

(2)

式中：P為小型抓木機理論額定功率，單位W；v為小型抓木機行駛速度，參考OH-13-138.64標(biāo)準(zhǔn)中緩行速度1.8～3.6 km/h，選擇此范圍內(nèi)的值v=2.7 km/h作為設(shè)計小型抓木機在林間正常的轉(zhuǎn)彎行駛速度[5]；η為小型抓木機傳動效率，η=0.75。

抓木機收集木材后的牽引力Fq需要克服所行駛阻力∑Ff，為了獲得最佳設(shè)計方案，需以抓木機上坡時運輸為參考。小型抓木機運輸木材上坡受力簡圖如圖3所示。

圖3 小型抓木機上坡集材受力簡圖Fig. 3 Force diagram of the timber grab during climbing

圖3中各參數(shù)依次為：滿載時整機的重力G,根據(jù)前文取G=10 000N；山體的坡角β，取β=25°[6-7]；小型履帶集材拖拉機上坡時垂直坡面的分力N；小型履帶集材拖拉機上坡與地面間的摩擦阻力系數(shù)μ,為保證行駛時動力充足取μ=0.6；小型履帶抓木機上坡時行駛阻力Ff：

Ff=μN=μGcosβ

(3)

根據(jù)牽引力的平衡關(guān)系可得公式(4)：

Fq=∑Ff=Ff+Gsinβ=

μGcosβ+Gsinβ=9 664 N

(4)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(2)中,可得到：P= 9.664 kW。

由于抓木機在伐區(qū)作業(yè)環(huán)境惡劣，地形條件復(fù)雜，理論設(shè)計的功率不足以讓抓木機順利通過。抓木機運行時還會受到空氣阻力、傳動損耗等其他因素影響，為保證運行時動力充足，保證抓木機在遇到極端地況時能夠具有良好的通過性能，應(yīng)為抓木機留有一定的儲備功率[8-10]。為此，抓木機的額定功率設(shè)為：

P1=KCP=14.496

(5)

式中：KC為功率儲備系數(shù)，取KC=1.5，故本設(shè)計采用功率為15 kW的柴油機。

4 穩(wěn)定性分析

小型抓木機由于其質(zhì)量相對較輕，穩(wěn)定性成為需要重點考慮的因素。根據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小型抓木機發(fā)生的傾翻、滑坡、側(cè)翻等意外事故多發(fā)生在坡路上，而縱向行駛時的傾翻和沿橫向行駛時的側(cè)翻占據(jù)意外事故總數(shù)的一半以上[11-13]。為此，本設(shè)計主要對抓木機縱向行駛和沿橫坡直線行駛、等速轉(zhuǎn)彎行駛狀況進行分析，以獲得影響抓木機行駛穩(wěn)定性的各因素間的關(guān)系。

4.1 縱向行駛穩(wěn)定性分析

4.1.1 縱向上坡行駛

小型履帶抓木機縱向上坡行駛時受力情況如圖4所示。

圖中：O為質(zhì)心；G為重力；N為地面對履帶垂直反力；m為垂直 反力與支撐點B之間距離；b為質(zhì)心到支撐點B距離(285 mm)； a為質(zhì)心到支撐點A距離(435 mm)；β為橫坡角度； h為質(zhì)心高度(550 mm)。下圖同。圖4 小型履帶抓木機縱向上坡行駛時受力簡圖Fig. 4 Force diagram of the crawler timber grab during uphill driving

4.1.2 縱向下坡行駛

小型履帶抓木機縱向下坡行駛時受力情況見圖5。由圖5可知，整個小型集材拖拉機受力平衡，對B點取矩可得公式(6)：

bGcosβ-hGsinβ-Nm=0→

l=(bcosβ-hsinβ)/cosβ

(6)

如果整機不發(fā)生傾翻需使m≥0，即bcosβ-hsinβ≥0，可得不發(fā)生傾翻的最大坡度角βm1為：

βm1=arctan(b/h)

(7)

由圖5可知，整個小型抓木機受力平衡，對A點取矩可得公式(8)：

aGcosβ-hGsinβ-Nm=0→

m=(aGcosβ-hGsinβ)/N

(8)

如果整機不發(fā)生傾翻需使m≥0，即acosβ-hsinβ≥0，可得不發(fā)生傾翻的最大坡度角βm2為：

βm2=arctan(a/h)

(9)

圖5 小型履帶抓木機縱向下坡行駛時受力簡圖Fig. 5 Force diagram of the crawler timber grab during downhill driving

分析可得，小型抓木機不論上坡還是下坡行駛時，質(zhì)心高度h越低，質(zhì)心距離傾翻支撐點的距離越大，整機越不容易發(fā)生傾翻。代入上文給出的數(shù)值后，可得βm1=27.4°，βm2=38.3°，所以整機具有很好抗傾翻能力及爬坡能力。

4.2 橫向行駛穩(wěn)定性分析

4.2.1 橫向直線行駛

小型履帶抓木機橫坡行駛時的受力情況如圖6所示。

圖中：O為質(zhì)心；F為慣性力；G為重力；Ni為地面對履帶垂直反力； Zi為地面作用于履帶平行于坡面的力；S為軌距(630 mm)；e為 質(zhì)心偏移距離(35 mm)；β為橫坡角度；h為質(zhì)心高度(550 mm)。圖6 小型履帶抓木機橫坡行駛時受力簡圖Fig. 6 Force diagram of the crawler timber grab perpendicular to the slope

小型抓木機在橫坡上行駛，當(dāng)直線行駛時，F(xiàn)=0，根據(jù)整機力矩平衡，對A點取矩可得公式(10)：

N1S-Gcosβ(0.5S-e)+Ghsinβ=0→

N1=[Gcosβ(0.5S-e)-Ghsinβ]/S

(10)

如果整機不發(fā)生側(cè)翻，則需要使N1≥0，即cosβ(0.5S-e)-hsinβ≥0，可得不發(fā)生側(cè)翻的最大坡度角βm為：

βm=arctan[(0.5S-e)/h]

(11)

圖7 小型抓木機最大爬坡角度與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系圖Fig. 7 relation between the maximum climbing angle and the structure parameters

根據(jù)公式(11)使用Matlab軟件，繪制最大爬坡角度與抓木機結(jié)構(gòu)參數(shù)(S為軌距，h為質(zhì)心高度，e為質(zhì)心偏移距離)之間的關(guān)系圖(圖7)。將相應(yīng)數(shù)值代入公式(11)，可得βm=29.8°。

4.2.2 橫向等速向下坡轉(zhuǎn)向行駛

當(dāng)抓木機等速轉(zhuǎn)向行駛時，F(xiàn)=Gv2/(gR)(v為行駛速度；R為轉(zhuǎn)彎半徑;g為重力加速度常數(shù))[14-16]，根據(jù)整機平衡和對A點取力矩可得公式(12)和(13)：

N1b-Gcosβ(0.5S-e)+

[Gsinβ+Gv2/gR]h=0

(12)

(13)

如果整機不發(fā)生側(cè)翻，則需要使N1≥0，即Gcosβ(0.5S-e)-G[sinβ-Gv2/(gR)]h≥0，可得等速轉(zhuǎn)彎行駛時不發(fā)生側(cè)翻的最大坡度角βm3為：

tanβm3=tanβm-v2/(gRcosβm3)

(14)

其轉(zhuǎn)彎半徑可根據(jù)以下公式求得：

(15)

式中：M為轉(zhuǎn)彎瞬心至抓木機中心軸垂直距離，最小值為整機寬度一半，考慮到林區(qū)地勢特點，此處取600 mm；E為小型履帶式抓木機寬度，取E=1 100 mm；d為小型抓木機機最外側(cè)點到前軸的縱向距離，可用軸距代替，取d=1 500 mm。

代入數(shù)值得：R=1.89 m。

抓木機不產(chǎn)生傾翻需保證N1≥0，可導(dǎo)出抓木機轉(zhuǎn)向最大行駛速度vm：

(16)

代入相關(guān)數(shù)值代入公式(16)得最大轉(zhuǎn)彎行駛速度vm=4.74 km/h，小型抓木機的最大行駛速度小于抓木機轉(zhuǎn)向最大行駛速度vm，因此小型抓木機具有良好行駛穩(wěn)定性。將抓木機最大行駛速度2.7 km/h和βm及其他相應(yīng)數(shù)值代入公式(14)，求得轉(zhuǎn)彎行駛時抓木機不發(fā)生側(cè)翻的最大坡度角βm3=28.3°。

5 小 結(jié)

筆者所設(shè)計的間伐材伐區(qū)用小型抓木機，整機結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，可以在株距較小的間伐材伐區(qū)行駛，額定功率選用15 kW的柴油機可以保證在運輸過程中有充足的動力?？傮w尺寸1 700 mm×1 100 mm×1 200 mm，保證其行駛過程中不與伐根接觸，保證整機能夠在伐區(qū)自由行駛。該設(shè)備橫向抗側(cè)翻以及縱向抗側(cè)翻能力較強，因此該設(shè)備具有良好的行駛穩(wěn)定性。所以該設(shè)備能夠很好地完成木材收集與運輸任務(wù)，提高伐區(qū)作業(yè)效率。目前市場上相關(guān)的小型設(shè)備較少，因此小型抓木機的設(shè)計可滿足我國林業(yè)發(fā)展的需求。

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The design and analysis of a small timber grab used in thinning plots

YANG Chunmei, ZHAO Hongyuan, SONG Wenlong*, ZHU Xiaoliang, MA Yan

(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Technology Center, Northeast Forestry University，Harbin 150040, China)

This paper made an in-depth study of forest logging equipment and logging environment. A small crawler timber grab was designed with the characteristics of small size, light weight, large traction and good climbing performance. It can move flexibly in the forest and is easy to operate. In this paper, the timber grab is introduced in detail, including the structure, the working principle and the required traction and rated power. The driving stability of the timber grab is quantitatively analyzed, and the relationship between the factors that affect the running stability is obtained. By keeping small eccentricity, increasing the gauge and reducing the center of gravity, good driving stability can be obtained. According to the results of calculation, the maximum slope angle of the vertical travel of the timber grab is 27.4°; the maximum gradient of the horizontal moving angle is 28.3°; the maximum turning radius is 1.89 m; and the maximum turning speed is 2.7 km/h. It has been proven that the timber grab can meet the requirements of collecting and transporting wood in thinning plots. It has good driving stability in the forest, and is valuable to the promotion of forestry modernization.

small skidder; design; intermediate cutting; transport; stability analysis

2016-07-09

2016-12-11

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404506)。

楊春梅，女，教授，研究方向為林業(yè)與木工機械。通信作者：宋文龍，男，教授。E-mail:wlsong@126.com

S776.36

A

2096-1359(2017)03-0112-05