基于層次分析法的小型多功能集材機(jī)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(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)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(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué)))

為研究新的小型多功能集材機(jī)的主參數(shù)，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行優(yōu)化選擇。在林區(qū)調(diào)查和采集了作業(yè)對(duì)象和作業(yè)環(huán)境的數(shù)據(jù)，然后對(duì)集材機(jī)作業(yè)進(jìn)行受力分析，計(jì)算出主參數(shù)的參考值；運(yùn)用層次分析法建立了層次模型和判斷矩陣，從而對(duì)主參數(shù)的參考值進(jìn)行優(yōu)選。最后，初步選定了集材機(jī)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(yùn)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(jī)；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(shí)的原因，我國(guó)森林資源情況發(fā)生了很大變化，也帶來(lái)森林作業(yè)條件的變化。對(duì)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(jī)由于自質(zhì)量和體積很大，會(huì)造成林地地表土壤壓實(shí)，不利于森林更新，帶來(lái)水土流失等問(wèn)題，而且在行駛過(guò)程中還會(huì)對(duì)立木造成損傷。此外，傳統(tǒng)集材機(jī)價(jià)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(jī)主參數(shù)的優(yōu)化選擇。這種集材機(jī)具有小型化的特點(diǎn)，體積小，質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)彎靈活。同時(shí)，這種集材機(jī)的牽引力大，能集運(yùn)大徑級(jí)木材，具有較好的經(jīng)濟(jì)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(jī)還兼具裝載、推土等功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

1 主參數(shù)概述

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

1.前輪；2.車架；3.后輪；4.柴油機(jī)；5.絞集裝置；6.駕駛室；7.液壓缸；8.動(dòng)臂；9.鏟斗/抓具。

圖1 小型多功能輪式集材機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

這種小型多功能輪式集材機(jī)的底盤是由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的液力機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，前部為液壓驅(qū)動(dòng)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(jī)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(yùn)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(jī)主參數(shù)的依據(jù)主要有兩個(gè)，一個(gè)是集材機(jī)的作業(yè)對(duì)象，另一個(gè)是集材機(jī)的作業(yè)環(huán)境。作業(yè)對(duì)象就是伐區(qū)的木材資源，具體指立木蓄積量、立木徑級(jí)、單株立木材積等，其中對(duì)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(shì)、坡度、林區(qū)道路條件和特點(diǎn)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(cè)量實(shí)驗(yàn)在黑龍江省帶嶺林業(yè)局東方紅林場(chǎng)和吉林省臨江林業(yè)局大西林場(chǎng)進(jìn)行。所在伐區(qū)均為成熟林，樹種為云杉、胡桃楸、曲柳等。測(cè)量實(shí)驗(yàn)所需的儀器有卷尺、胸徑尺、測(cè)高儀等。

實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jī)的作業(yè)對(duì)象情況。由原條數(shù)據(jù)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，小型集材機(jī)原條集材的運(yùn)載量普遍在0.7 m3/次以上，而且集材中可以通過(guò)拼湊達(dá)到1.0、1.4、1.8、2.2、2.6 m3/次。

此外，實(shí)驗(yàn)還測(cè)量了林區(qū)現(xiàn)有集材道的寬度、坡度以及立木間隙，用來(lái)說(shuō)明集材機(jī)的作業(yè)環(huán)境，為主參數(shù)參考值的計(jì)算和選擇提供依據(jù)。

3 主參數(shù)參考值的計(jì)算

3.1 基本參數(shù)和集材參數(shù)參考值計(jì)算

多功能集材機(jī)的運(yùn)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(jìn)行計(jì)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(hù)林木的角度出發(fā)，初步選擇集材機(jī)外形尺寸的參考值為5 500 mm(長(zhǎng))×1 800 mm(寬)×2 700 mm(高)。

集材機(jī)的最小工作質(zhì)量要保證集材機(jī)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(jī)牽引力[6]，由此可以得到集材機(jī)最小工作質(zhì)量參考值(Gm)的計(jì)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(jī)的運(yùn)行阻力系數(shù)；μc為拖拉機(jī)集材的附著系數(shù)；W為木捆質(zhì)量。

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

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

N=KcFtV/(3.6η)。

(3)

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

參考現(xiàn)有集材機(jī)的技術(shù)參數(shù)，初步設(shè)定集材機(jī)的行駛速度為2.4 km/h，牽引作業(yè)時(shí)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(jìn)一步計(jì)算確定。集材機(jī)的最高速度出現(xiàn)在集材機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，此時(shí)集材機(jī)只受到機(jī)身運(yùn)行阻力的作用，因此集材機(jī)的最大速度(Vmax)可以用下式計(jì)算：

Vmax=N/(KcFtmin)=N/(KcGmμmg)。

(4)

式中：Ftmin為集材機(jī)的最小牽引力，即機(jī)身的運(yùn)行阻力。

3.2 裝載參數(shù)參考值計(jì)算

集材機(jī)作為裝載機(jī)進(jìn)行裝載作業(yè)時(shí)，額定裝載量要符合安全要求。按照相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、安全規(guī)定和設(shè)計(jì)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(jī)的額定裝載量還需要符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9]。

在木材生產(chǎn)作業(yè)中，集材機(jī)在作裝載機(jī)使用時(shí)主要進(jìn)行歸楞堆垛作業(yè)。因此，集材機(jī)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(shí)驗(yàn)測(cè)得；Δh為安全間隙，取300～500 mm。

3.3 推土參數(shù)參考值計(jì)算

小型多功能輪式集材機(jī)的最大插入力是集材機(jī)插入料堆或者土壤時(shí)，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(yùn)動(dòng)，不考慮空氣阻力時(shí)，最大插入力(Fimax)由集材機(jī)的牽引力和集材機(jī)機(jī)身的摩擦阻力之差決定：

Fimax=Ft-Gmμmg。

(7)

同時(shí)，最大插入力和機(jī)身阻力之和不能超過(guò)地面靜摩擦力，否則就會(huì)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(jī)進(jìn)行推土作業(yè)時(shí)，直鏟將土壤石塊等向前推送和進(jìn)行場(chǎng)地平整時(shí)，集材機(jī)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(jì)要求，集材機(jī)的推土量(T)可以由下式確定：

T=BH2Kn/(2tanφ0)。

(9)

式中：B為推土板長(zhǎng)度，一般和機(jī)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(cè)量獲得的運(yùn)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(gè)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(jìn)行計(jì)算，可以得到5組主參數(shù)的參考值(見(jiàn)表2)。

表2 小型多功能輪式集材機(jī)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(guò)分析復(fù)雜問(wèn)題包含的因素及其相互關(guān)系，將問(wèn)題分解為不同的要素，歸為不同的層次[11]。對(duì)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(wèn)題時(shí)，首先從系統(tǒng)的層次特性出發(fā)，用一個(gè)層次結(jié)構(gòu)模型來(lái)描述問(wèn)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(jì)效益和生態(tài)效益的小型多功能集材機(jī)的主參數(shù)。其準(zhǔn)則層可以分為性能水平、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。其中，性能水平(B1)指集材機(jī)的通過(guò)性能和作業(yè)能力，經(jīng)濟(jì)效益(B2)指集材機(jī)所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益，生態(tài)效益(B3)指集材機(jī)造成的生態(tài)影響。涉及的評(píng)價(jià)指標(biāo)有牽引力、功率、運(yùn)載量、額定裝載量和自質(zhì)量等7個(gè)指標(biāo)。其他未納入層次結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)也可以通過(guò)相關(guān)指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)，例如廢氣排放指標(biāo)可以由集材機(jī)功率來(lái)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(jī)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(jī)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(duì)各個(gè)指標(biāo)和方案進(jìn)行評(píng)價(jià)打分。專家小組的評(píng)價(jià)要立足林情、國(guó)情。一方面，集材機(jī)的各項(xiàng)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(jī)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(jī)對(duì)于土壤壓實(shí)、保留木的影響。根據(jù)專家意見(jiàn)建立各個(gè)層次的判斷矩陣，進(jìn)行層次單排序，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

表3 判斷矩陣A-B

注：IC為一致性指標(biāo)，IC=0；IR為隨機(jī)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(jī)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(jī)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(píng)價(jià)有集材機(jī)自質(zhì)量和接地比壓兩個(gè)指標(biāo)。這兩個(gè)指標(biāo)具有一致性，可以由集材機(jī)自質(zhì)量來(lái)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(gè)層次的排序情況，建立起A-C的層次總排序。將5個(gè)方案中各組參考值分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，參加方案的總排序，得到每個(gè)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(jì)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(gè)方案中處于中等水平，符合小型多功能集材機(jī)主參數(shù)的選擇要求。

5 結(jié)論

本研究經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量、建模計(jì)算和優(yōu)化選擇，初步選定了小型多功能集材機(jī)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(yùn)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(zhǎng))×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(jī)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(jì)效益，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，滿足實(shí)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(dòng)力分析[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),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(guó)財(cái)政經(jīng)濟(jì)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(jìn)展[J].森林工程,2012,28(4):31-36.

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

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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(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)重大項(xiàng)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.