林木聯(lián)合采育機(jī)作業(yè)過程中的穩(wěn)定性1)

蘇永濤 劉晉浩 丁小康

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083)

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“多功能林木采育作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)裝備研究與開發(fā)”(2006BAD11A15)，研制成功了國(guó)內(nèi)首臺(tái)多功能林木采育裝備。該多功能林木聯(lián)合采育機(jī)，是集采伐、打枝、造材、集材、歸堆、清林和采伐剩余物收集等于一體的機(jī)械，其提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和木材生產(chǎn)的安全性，并改善了林區(qū)作業(yè)條件［1－3］。本文主要通過建立大腦情感學(xué)習(xí)模型，對(duì)獲取的環(huán)境與運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合，對(duì)多車輛穩(wěn)定性作出判斷;通過對(duì)聯(lián)合采育機(jī)的縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性兩個(gè)方面進(jìn)行研究［4］，為駕駛員提供危險(xiǎn)預(yù)警，便于駕駛員的作業(yè)操作。

1 采育機(jī)縱向穩(wěn)定性計(jì)算與判斷

采育機(jī)作業(yè)穩(wěn)定性，是指作業(yè)時(shí)不發(fā)生傾翻的能力。在作業(yè)過程中，由于坡度、方位角等一系列因素的影響，可能發(fā)生向前或向后的縱向失穩(wěn)［5］。通過計(jì)算特征面外法矢量特征值，即可判斷采育機(jī)向前或向后的靜態(tài)穩(wěn)定性:當(dāng)外法矢量Z 值大于0時(shí)，即為該方向上的穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)外法矢量Z 值等于0 時(shí)，即采育機(jī)為該方向的翻傾臨界狀態(tài);當(dāng)外法矢量Z 值小于0 時(shí)，即采育機(jī)在該方向上為翻傾狀態(tài)，采育機(jī)將會(huì)發(fā)生相應(yīng)方向上的縱向失穩(wěn)。

下面以向前的縱向失穩(wěn)為例，分析計(jì)算采育機(jī)向前縱向失穩(wěn)的計(jì)算與判斷方法。

1.1 縱向穩(wěn)定性計(jì)算

設(shè)平面MON 外法矢量為(XMON，YMON，ZMON)，分別計(jì)算平面MON 的內(nèi)外法向量為:

利用立體三角形中向量之間的夾角關(guān)系，判斷平面MON 的外法矢量，并將相應(yīng)的值賦給平面MON 的外法矢量(XMON，YMON，ZMON)。

1.2 縱向穩(wěn)定性判斷

根據(jù)特征矢量法，判斷采育機(jī)向前穩(wěn)定性。若ZMON＞0，則采育機(jī)向前為穩(wěn)定狀態(tài);若ZMON=0，則采育機(jī)向前為傾翻臨界狀態(tài);若ZMON＜0，則采育機(jī)向前為不穩(wěn)定狀態(tài)，向前翻傾。

利用相同計(jì)算方法，可計(jì)算并判斷采育機(jī)向后的穩(wěn)定性。設(shè)平面POQ 外法矢量為(XPOQ，YPOQ，ZPOQ)，則:若ZPOQ＞0，則向后為穩(wěn)定狀態(tài);若ZPOQ=0，則向后為傾翻臨界狀態(tài);若ZPOQ＜0，則向后為不穩(wěn)定狀態(tài)。

2 采育機(jī)橫向穩(wěn)定性計(jì)算與判斷

2.1 橫向一級(jí)穩(wěn)定性計(jì)算與判斷

采育機(jī)在作業(yè)過程中，除了可能發(fā)生前后的縱向失穩(wěn)外，還會(huì)發(fā)生橫向的失穩(wěn)。由于采育機(jī)后橋與整機(jī)的鏈接只有一個(gè)支撐點(diǎn)，因此，后橋可以產(chǎn)生上下自由擺動(dòng)，后橋與前輪接地點(diǎn)連線構(gòu)成了采育機(jī)橫向一級(jí)失穩(wěn)的翻傾軸;所以，在計(jì)算采育機(jī)橫向一級(jí)失穩(wěn)的過程中，應(yīng)采用的質(zhì)心為整機(jī)除后橋外的質(zhì)心用于計(jì)算。通過計(jì)算翻傾軸與整機(jī)除后橋外質(zhì)心構(gòu)成平面的外法矢量，即可判斷采育機(jī)橫向一級(jí)失穩(wěn)向左或向右的靜態(tài)穩(wěn)定性。當(dāng)外法矢量Z＞0時(shí)，即為該方向上的穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)外法矢量Z=0 時(shí)，即采育機(jī)為該方向的翻傾臨界狀態(tài);當(dāng)外法矢量Z＜0 時(shí)，即采育機(jī)在該方向上為翻傾狀態(tài)，其將會(huì)發(fā)生相應(yīng)方向上的橫向一級(jí)失穩(wěn)。

下面以向右的橫向一級(jí)失穩(wěn)為例，分析計(jì)算采育機(jī)向右橫向一級(jí)失穩(wěn)的計(jì)算與判斷方法。

2.1.1 橫向一級(jí)穩(wěn)定性計(jì)算

設(shè)平面EO2N 外法矢量(XEO2N，YEO2N，ZEO2N)，分別計(jì)算平面EO2N 內(nèi)外法向量為=(1，a1，b1)=(－1，a2，b2)。

利用立體三角形中向量之間的夾角關(guān)系，判斷平面EO2N 的外法矢量，并將相應(yīng)的值賦給平面MON 的外法矢量(XEO2N，YEO2N，ZEO2N)。若·＞0，則(XEO2N，YEO2N，ZEO2N)=;若·＞0，則(XEO2N，YEO2N，ZEO2N)=。

2.1.2 橫向一級(jí)穩(wěn)定性判斷

根據(jù)特征矢量法，判斷采育機(jī)向右的橫向一級(jí)穩(wěn)定性。若ZEO2N＞0，則向右橫向一級(jí)穩(wěn)定性穩(wěn)定;若ZEO2N=0，則向右橫向一級(jí)穩(wěn)定性傾翻臨界狀態(tài);若ZEO2N＜0，則向右橫向一級(jí)穩(wěn)定性不穩(wěn)定狀態(tài)。

利用相同的計(jì)算方法，可計(jì)算并判斷采育機(jī)向后的穩(wěn)定性。設(shè)平面EO2M 外法矢量為(XEO2M，YEO2M，ZEO2M)，則:若ZEO2M＞0，向左橫向一級(jí)穩(wěn)定性穩(wěn)定;若ZEO2M=0，向左橫向一級(jí)穩(wěn)定性傾翻臨界狀態(tài);若ZEO2M＜0，向左橫向一級(jí)穩(wěn)定性不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 橫向二級(jí)穩(wěn)定性計(jì)算與判斷

輪式聯(lián)合采育機(jī)，在發(fā)生橫向一級(jí)失穩(wěn)后會(huì)繼續(xù)發(fā)生其他的失穩(wěn)狀態(tài)。以向右的橫向一級(jí)失穩(wěn)為例，轉(zhuǎn)向角θ 為輪式聯(lián)合采育機(jī)以方位角φ 置于斜坡上，發(fā)生橫向向右的一級(jí)失穩(wěn)。在發(fā)生橫向向右的一級(jí)失穩(wěn)后，除后橋外的整機(jī)質(zhì)心將繞翻傾軸EN旋轉(zhuǎn)，使擺動(dòng)橋右側(cè)兩限位塊相接觸;由于除后橋外的質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)，使得整機(jī)的質(zhì)心因此偏轉(zhuǎn)，此時(shí)即可判斷輪式聯(lián)合采育機(jī)是否會(huì)發(fā)生其他形式的失穩(wěn)。分別以后輪接地點(diǎn)連線PQ 和兩右輪QN 連線為翻傾軸，當(dāng)旋轉(zhuǎn)后的整機(jī)質(zhì)心在PQ 以外時(shí)，采育機(jī)向后縱向翻傾;當(dāng)旋轉(zhuǎn)后的質(zhì)心在QN 以外時(shí)，采育機(jī)向右橫向二級(jí)失穩(wěn);當(dāng)旋轉(zhuǎn)后的質(zhì)心在PQ 和QN 以內(nèi)時(shí)，采育機(jī)將在一級(jí)失穩(wěn)后保持穩(wěn)定狀態(tài)。

設(shè)平面EO3N 的外法向量為(XEO3N，YEO3N，ZEO3N)，分別計(jì)算平面EO3N 內(nèi)外法向量為:n=(1，a1，b1)=(－1，a2，b2)。

利用立體三角形中向量之間的夾角關(guān)系，判斷平面EO3N 的外法矢量，并將相應(yīng)的值賦給平面EO3N 的外法矢量(XEO3N，YEO3N，ZEO3N)，若·＞0，則(XEO3N，YEO3N，ZEO3N)=;若·＞0，則(XEO3N，YEO3N，ZEO3N)=。

根據(jù)特征矢量法，判斷采育機(jī)向右橫向一級(jí)失穩(wěn)后橫向二級(jí)穩(wěn)定性狀態(tài)。若ZEO3N＞0，則向右橫向二級(jí)穩(wěn)定性穩(wěn)定狀態(tài);若ZEO3N=0，則向右橫向二級(jí)穩(wěn)定性傾翻臨界狀態(tài);若ZEO3N＜0，則向右橫向二級(jí)穩(wěn)定性不穩(wěn)定狀態(tài)。

利用相同的計(jì)算方法，可計(jì)算并判斷采育機(jī)橫向一級(jí)失穩(wěn)后向后的穩(wěn)定性。設(shè)平面PO3Q 外法矢量為(XPO3Q，YPO3Q，ZPO3Q)，則:若ZPO3Q＞0，則向右一級(jí)失穩(wěn)后不會(huì)再發(fā)生向后翻傾失穩(wěn);若ZPO3Q=0，則向右一級(jí)失穩(wěn)后處于向后翻傾失穩(wěn)臨界狀態(tài);若ZPO3Q＜0，則向后一級(jí)失穩(wěn)后會(huì)繼續(xù)再發(fā)生向后翻傾失穩(wěn);當(dāng)ZPO3Q＞0，且ZQO3N＞0，則采育機(jī)向右橫向一級(jí)失穩(wěn)后，既不會(huì)發(fā)生向右橫向二級(jí)失穩(wěn)，也不會(huì)發(fā)生向后的縱向失穩(wěn)，保持穩(wěn)定狀態(tài)。

同理，可采用相同的計(jì)算方法，建立采育機(jī)向左一級(jí)失穩(wěn)后各失穩(wěn)狀態(tài)判斷計(jì)算方法。

設(shè)平面PO4M 的外法矢量為(XPO4M，YPO4M，ZPO4M)，利用特征矢量法判斷采育機(jī)向左橫向一級(jí)失穩(wěn)后橫向二級(jí)穩(wěn)定性。若ZPO4M＞0，則采育機(jī)向左橫向一級(jí)失穩(wěn)后不會(huì)發(fā)生橫向二級(jí)失穩(wěn);若ZPO4M=0，則采育機(jī)向左橫向一級(jí)失穩(wěn)后處于橫向二級(jí)失穩(wěn)臨界狀態(tài);若ZPO4M＜0，則采育機(jī)向左橫向一級(jí)失穩(wěn)向后發(fā)生橫向二級(jí)失穩(wěn)。

設(shè)平面PO4Q 的外法矢量為(XPO4Q，YPO4Q，ZPO4Q)，利用特征矢量法判斷采育機(jī)向左橫向一級(jí)失穩(wěn)后縱向穩(wěn)定性。若ZPO4Q＞0，則向后為穩(wěn)定狀態(tài);若ZPO4Q=0，則向后為傾翻臨界狀態(tài);若ZPO4Q＜0，則向后為不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)ZPO4M＞0，且ZPO4Q＞0，則采育機(jī)向左橫向一級(jí)失穩(wěn)后，既不會(huì)發(fā)生向左橫向二級(jí)失穩(wěn)，也不會(huì)發(fā)生向后縱向失穩(wěn)，保持穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

林木聯(lián)合采育裝備作為一種高性能的現(xiàn)代化林業(yè)復(fù)合裝備，在人工林地作業(yè)，顯示出無法比擬的先進(jìn)性，為采伐工人提供了安全、舒適的工作環(huán)境，從而提高了生產(chǎn)效率和木材利用率［6］。目前，在國(guó)際林業(yè)采育行業(yè)的應(yīng)用越來越廣，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。多功能林木采育裝備在作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)人工智能化的重要指標(biāo)，因此，對(duì)其穩(wěn)定性的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 趙文銳，劉晉浩.伐木聯(lián)合機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2008，36(11):10－12.

［2］ 鮑際平，劉晉浩，魏占國(guó)，等.世界采運(yùn)機(jī)械的采伐方式及發(fā)展進(jìn)程［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，48(8):2004－2006.

［3］ 王典，劉晉浩，王建利.基于系統(tǒng)聚類的林地內(nèi)采育目標(biāo)識(shí)別與分類［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(12):173－177.

［4］ 王猛猛，鮑際平，劉晉浩.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的聯(lián)合采伐機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定性分析［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，48(6):1485－1487.

［5］ 郭世懷，劉晉浩，孫治博，等.輪式林木聯(lián)合采育機(jī)林地越障能力分析與仿真［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(8):387－389.

［6］ 魏占國(guó)，王忠偉，劉晉浩.基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)林木聯(lián)合采育機(jī)的設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)體系［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，41(8):146－149.