集材絞盤(pán)機(jī)新型摩擦卷筒試驗(yàn)與仿真分析

吳傳宇, 周成軍, 周新年, 張正雄, 張火明, 林　敏

(1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省漳平五一國(guó)有林場(chǎng)，福建 漳平 364400)

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集材絞盤(pán)機(jī)新型摩擦卷筒試驗(yàn)與仿真分析

吳傳宇1, 周成軍1, 周新年1, 張正雄1, 張火明2, 林敏2

(1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建省漳平五一國(guó)有林場(chǎng)，福建 漳平 364400)

針對(duì)傳統(tǒng)摩擦卷筒牽引力較小的缺點(diǎn)，進(jìn)行力學(xué)和仿真分析及模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：將集材絞盤(pán)機(jī)牽引卷筒設(shè)計(jì)成帶V型環(huán)槽的摩擦卷筒，可以顯著提高當(dāng)量摩擦系數(shù)和集材牽引力，從而取代纏繞卷筒，大大減小卷筒結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)絞盤(pán)機(jī)輕型化；摩擦卷筒牽引力的大小與V型環(huán)槽的楔角成反比.通過(guò)二次擬合建立摩擦卷筒V型槽楔角與牽引力關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式.

絞盤(pán)機(jī); 摩擦卷筒; V型環(huán)槽; 模型試驗(yàn); 摩擦系數(shù)

由于架空索道集材具有適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)地表破壞作用小、有利于環(huán)境保護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)在我國(guó)南方山地林區(qū)采伐作業(yè)中成為一種重要的集材方式[1,2].絞盤(pán)機(jī)作為架空索道集材系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，其性能對(duì)索道集材的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益具有重要影響.傳統(tǒng)的絞盤(pán)機(jī)普遍采用纏繞卷筒結(jié)構(gòu)，受卷筒容繩量的影響，其體積龐大、笨重，使得其在現(xiàn)有人工林采伐生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用受到很大限制，難以充分發(fā)揮索道集材的優(yōu)勢(shì)[3,4].因此，如何解決絞盤(pán)機(jī)結(jié)構(gòu)的輕型化，促進(jìn)架空索道在人工林采伐生產(chǎn)中的應(yīng)用，是當(dāng)前林業(yè)生產(chǎn)裝備研究中迫切需要解決的一個(gè)重要課題[5].

絞盤(pán)機(jī)的卷筒結(jié)構(gòu)主要有2種類(lèi)型，即纏繞卷筒和摩擦卷筒.由于摩擦卷筒是依靠卷筒表面和繩纜的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)繩纜的帶動(dòng)，理論上不存在容繩量的問(wèn)題.與纏繞卷筒相比，其體積可做得更小(卷筒體積可減小一半以上)，結(jié)構(gòu)更加緊湊.但如何保證摩擦卷筒具有足夠的摩擦牽引力，滿(mǎn)足索道集材的動(dòng)力需求，則是摩擦卷筒優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要解決的重要問(wèn)題.本研究通過(guò)對(duì)常用絞盤(pán)機(jī)摩擦卷筒結(jié)構(gòu)的受力分析，以及對(duì)影響摩擦卷筒摩擦力(牽引力)大小的V型環(huán)槽的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真及模型試驗(yàn)與分析，確定最佳參數(shù)，建立相應(yīng)的摩擦卷筒牽引力計(jì)算公式，完善V型環(huán)槽摩擦卷筒牽引力的計(jì)算方法，為絞盤(pán)機(jī)的卷筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算提供依據(jù)[6].

1　卷筒摩擦牽引力的影響因素

摩擦卷筒可分為單槽曲面摩擦卷筒和多環(huán)槽摩擦卷筒.傳統(tǒng)上多采用單槽曲面摩擦卷筒，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在單槽里纏繞0.5～6圈.多環(huán)槽摩擦卷筒可以顯著降低卷筒與繩纜的磨損，但制造過(guò)程相對(duì)復(fù)雜[7,8].

1.1影響摩擦牽引力的主要因素

影響摩擦卷筒牽引力的因素較多，主要包括材料摩擦系數(shù)、纏繞包角、摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、負(fù)載工作情況等[7].摩擦卷筒牽引力的常用公式[8]為：

F1=F2eμα

(1)

式中,F1表示緊邊拉力，即牽引力；F2表示松邊拉力；μ表示摩擦系數(shù)；α表示纏繞包角.

從式(1)可以看出，當(dāng)松邊拉力、繩纜纏繞包角和摩擦系數(shù)等參數(shù)中任一參數(shù)發(fā)生改變，牽引力均會(huì)隨之改變.

增大松邊拉力可以提高牽引力，但會(huì)使整個(gè)摩擦卷筒系統(tǒng)受到的拉力增大，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相應(yīng)提高.同樣，加大包角雖然可以提高牽引力，但會(huì)使摩擦卷筒的厚度增加，從而使其質(zhì)量增大.故這2種方法均不是最佳選擇，而提高摩擦卷筒牽引力的最好辦法是提高摩擦系數(shù).

提高摩擦系數(shù)的方法通常有2種：一種是選擇摩擦系數(shù)高的摩擦副；另一種是通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高其當(dāng)量摩擦系數(shù).由于摩擦系數(shù)高的摩擦副材料(如橡膠)磨損較大，使用壽命較短，所以提高當(dāng)量摩擦系數(shù)是提高摩擦卷筒牽引力的最佳途徑[9].

1.2提高摩擦卷筒牽引力的方法

可通過(guò)增大摩擦卷筒當(dāng)量摩擦系數(shù)來(lái)提高摩擦卷筒牽引力，為此，將摩擦卷筒設(shè)計(jì)成窄V型的輪槽，如圖1所示[10-13].由此可得當(dāng)量摩擦系數(shù)表達(dá)式如下：

(2)

則摩擦牽引力為：

F=2μN(yùn)=μνQ

(3)

圖1　V型槽摩擦卷筒截面Fig.1　Cross-section of V-shaped friction roll

式中，Q表示鋼絲繩承受的徑向壓力；N表示鋼絲繩承受的輪槽施加的正壓力；F表示鋼絲繩摩擦牽引力；θ表示輪槽楔角；μν表示當(dāng)量摩擦系數(shù).

從式(3)可知，摩擦牽引力與當(dāng)量摩擦系數(shù)成正比.從式(2)可知，當(dāng)摩擦系數(shù)μ一定時(shí)，當(dāng)量摩擦系數(shù)μv與輪槽楔角成反比.

設(shè)摩擦系數(shù)μ=0.12，當(dāng)θ從10°增大到180°時(shí)，其當(dāng)量摩擦系數(shù)μv從0.58下降到0.12，減小約79.3%.由此可見(jiàn)， V型槽楔角對(duì)摩擦卷筒的當(dāng)量摩擦系數(shù)的影響很大，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)合理減小V型槽楔角達(dá)到增大摩擦卷筒摩擦牽引力的目的.

2　卷筒輪槽的仿真分析

2.1有限元模型

卷筒為圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)及受力對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，可取垂直于軸線的截面建立分析模型，材料選45#鋼，彈性模量206 MPa，泊松比0.3.如圖2所示.在ANSYS13.0中，選用PLANE182平面單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分.在卷筒與鋼絲接觸的位置建立接觸對(duì)，其中TARGE170是目標(biāo)單元，覆蓋在卷筒內(nèi)表面；CONTA174是接觸單元，覆蓋在鋼絲繩外表面[14].

2.2約束與載荷

根據(jù)卷筒截面的受力特征，為方便施加載荷，在輪槽模型底面施加載荷N1，鋼絲繩模型x、y、z三向定位，輪槽模型側(cè)面y向定位.載荷和輪槽楔角等的變化如圖3所示.

圖2　有限元模型

圖3　有限元分析參數(shù)與分析值

2.3仿真結(jié)果分析

圖4　仿真摩擦應(yīng)力云圖Fig.4　Stress diagram of friction roll

從圖4可知，摩擦力只產(chǎn)生于鋼絲繩與卷筒輪槽的接觸點(diǎn).如圖3所示，最大摩擦力與輪槽楔角及外加載荷N1有關(guān).在相同的載荷下，隨著輪槽楔角的增大，其最大摩擦力逐漸減??；且載荷越大，楔角的影響越顯著.在保持楔角不變的前提下，隨著外加載荷N1的增大，其最大摩擦力也隨之增大.仿真結(jié)果與式(2)、式(3)的變化趨勢(shì)一致.

3　新型摩擦卷筒結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)裝置

采用模型試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，卷筒與鋼絲繩摩擦副的摩擦系數(shù)為0.23.由式(3)可知，V型槽楔角越小，當(dāng)量摩擦系數(shù)越大.當(dāng)材料摩擦系數(shù)為0.23時(shí)，其摩擦角等于15°.若楔角太小(θ<30°)，則會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩與卷筒的徑向角度小于摩擦角(圖1)，使得鋼絲繩與摩擦卷筒不能自然分離，加劇磨損[15].由圖3可知，當(dāng)楔角大于60°時(shí)，當(dāng)量摩擦系數(shù)隨楔角的變化趨于平緩.故試驗(yàn)中選取楔角為30°～60°，每檔相差10°.

制作了縮小比例的V型環(huán)槽摩擦卷筒模型裝置(圖5)，由卷筒模型(45號(hào)鋼)、鋼絲繩(直徑3 mm)、松邊砝碼和拉力計(jì)組成.如卷筒模型軸向剖面圖，卷筒模型為直徑40 mm的圓柱體，在其表面平行分布4條截面楔角分別為30°、40°、50°、60°的V型環(huán)槽和1條平底環(huán)槽(楔角θ=180°).試驗(yàn)加載采用砝碼，砝碼重為3～8 N，每個(gè)砝碼相差1 N.采用艾德堡HP-1K型拉力計(jì)對(duì)牽引力進(jìn)行測(cè)量.

圖5　V型槽摩擦卷筒試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)鋼絲繩串過(guò)卷筒模型的1條環(huán)槽，一端固定砝碼，另一端與拉力計(jì)連接.逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)卷筒模型，分別記錄不同楔角下拉力計(jì)所測(cè)量的緊邊拉力.先做平底 (θ=180°) 環(huán)槽摩擦卷筒試驗(yàn)，再做非平底(θ<180°) V型環(huán)槽摩擦卷筒試驗(yàn).在θ=50°、松邊拉力為7 N的條件下測(cè)得的緊邊拉力試驗(yàn)值如圖6所示，試驗(yàn)時(shí)拉力成跳躍式變化，但在一定范圍內(nèi)總趨勢(shì)平穩(wěn).由于傳感器滯后，第1次記錄值為0，故第2次開(kāi)始記錄，以累計(jì)大于100次記錄值的平均值作為試驗(yàn)值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

圖6　楔角為50°時(shí)緊邊拉力試驗(yàn)值

1)F1′表示緊邊拉力試驗(yàn)值；F1″表示緊邊拉力計(jì)算值.

4　結(jié)果與分析

4.1牽引力與V型環(huán)槽摩擦卷筒楔角的關(guān)系

從表1中可以看出，傳統(tǒng)平底環(huán)槽摩擦卷筒的緊邊拉力均小于其他楔角(θ=30°～60°)時(shí)的緊邊拉力，與θ=30°時(shí)的緊邊拉力相差14.2倍，說(shuō)明非平底V型環(huán)槽摩擦卷筒結(jié)構(gòu)的牽引力增大效果明顯.

在相同荷載下(如荷載=8 N)，緊邊拉力隨著V型環(huán)槽楔角的增大而減小，θ=60°時(shí)的緊邊拉力與θ=30°環(huán)槽時(shí)的緊邊拉力相差5.1倍.這主要是由于隨著楔角的增大，鋼絲繩與摩擦卷筒V型環(huán)槽的楔形效應(yīng)減小，摩擦力下降，從而導(dǎo)致?tīng)恳ο陆?

4.2V型環(huán)槽摩擦卷筒的牽引力公式

如表1所示，只有當(dāng)θ=180°時(shí)牽引力試驗(yàn)值與計(jì)算值相近，在其他情況下兩者相差較大.說(shuō)明用于V帶(橡膠皮帶)的牽引力計(jì)算公式[式(1)]不適合鋼絲繩V型輪槽的牽引力計(jì)算.主要原因在于鋼絲繩為多股鋼絲擰繞而成的繩體，故其摩擦副接觸對(duì)的接觸過(guò)程都與V帶不同.因此，需要建立一個(gè)適合于鋼絲繩V型環(huán)槽摩擦卷筒牽引力的計(jì)算公式.

以30°楔角為例，將試驗(yàn)結(jié)果繪于直角坐標(biāo)上，得到散點(diǎn)圖(圖7).從圖7可以看出試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布接近指數(shù)函數(shù).以指數(shù)函數(shù)分布進(jìn)行擬合，得到擬合曲線(圖8).其曲線方程表達(dá)式為：

(4)

圖7　30°楔角試驗(yàn)值散點(diǎn)擬合圖

圖8　楔角系數(shù)散點(diǎn)擬合

表2不同楔角試驗(yàn)值的回歸函數(shù)
Table 2Regression function of test values at various wedge angles

V型槽楔角/(°)30405060回歸函數(shù)F122.84e0.35x11.84e0.33x7.4e0.34x4.78e0.40x

指數(shù)函數(shù)的相關(guān)系數(shù)R2=0.95，說(shuō)明指數(shù)函數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性好，所以選取指數(shù)函數(shù)作為回歸函數(shù).同理，可以得到θ=40°～60°的回歸函數(shù)(表2).從表2可以看出回歸函數(shù)的指數(shù)較接近，故取其平均值0.36x作為回歸函數(shù)的指數(shù)[16].

從表2可看出，指數(shù)函數(shù)的回歸系數(shù)隨著楔角的增大逐漸減小，為找出其變化規(guī)律，以各個(gè)系數(shù)為變量繪出散點(diǎn)圖(圖8)，散點(diǎn)分布較接近冪函數(shù)，故以?xún)绾瘮?shù)進(jìn)行擬合，得到回歸函數(shù)為：

Y=23.86X-1.11R2=0.99

(5)

式中,X為楔角角度，Y為指數(shù)函數(shù)系數(shù).

綜合式(4)和式(5)，得到V型槽摩擦卷筒的緊邊拉力回歸公式為

(6)

4.3回歸方程的精度檢驗(yàn)

表3　緊邊拉力試驗(yàn)值與計(jì)算值1)Table 3　Experimental and theoretical results of tight side tension

1)F2表示松邊拉力.

圖9　摩擦力的變化趨勢(shì)Fig.9　Comparisons on theoretical, stimulated and test values of friction at various wedge angles

為驗(yàn)證回歸方程(式6)的顯著性，再次進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及計(jì)算值見(jiàn)表3.從表3可以得出，擬合方程計(jì)算值與驗(yàn)證試驗(yàn)值誤差均小于7%，完全可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度要求，故可以作為V型環(huán)槽摩擦卷筒設(shè)計(jì)的參考公式.

圖9為歸納公式、試驗(yàn)及仿真分析的摩擦力趨勢(shì)圖.其中Ansys仿真分析時(shí)得出最大摩擦力與有限元模型相關(guān).為方便觀察3種摩擦力的變化規(guī)律，通過(guò)將理論計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比，將仿真值等比例縮小25倍.從圖9可見(jiàn)，歸納公式、試驗(yàn)及仿真分析的摩擦力值隨輪槽楔角變化的趨勢(shì)一致，可見(jiàn)歸納公式合理，符合實(shí)際.

5　小結(jié)

將絞盤(pán)機(jī)牽引卷筒設(shè)計(jì)成V型環(huán)槽摩擦卷筒，通過(guò)理論分析、仿真分析和模型試驗(yàn)，結(jié)果表明采用V型環(huán)槽摩擦卷筒，可以顯著地增加其當(dāng)量摩擦系數(shù)，提高牽引力.用摩擦卷筒代替纏繞卷筒可減小絞盤(pán)機(jī)的總體尺寸.

當(dāng)量摩擦系數(shù)和牽引力的增大與V型槽楔角大小有關(guān)，當(dāng)V型槽楔角從90°下降到10°時(shí)，其當(dāng)量摩擦系數(shù)成指數(shù)次方增加.通過(guò)二次擬合建立了V型環(huán)槽摩擦卷筒牽引力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，該公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差小于7%，完全可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度的要求.

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(責(zé)任編輯:葉濟(jì)蓉)

校園景色:

Design and simulation analysis on a new friction drum of forest yarder

WU Chuanyu1, ZHOU Chengjun1, ZHOU Xinnian1, ZHANG Zhengxiong1, ZHANG Huoming2, LIN Min2

(1.College of Transportation and Civil Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China;2.Zhangping Wuyi State-Owned Forestry Farm in Fujian Province, Zhangping, Fujian 364400, China)

To solve the problem of traditional yarder that is low in traction, a V-shaped groove was modified to friction roll based on mechanical analysis, and followed by simulation test to optimize the parameters for best performance. Result indicated the V-shaped groove increased the equivalent friction coefficient and traction of friction roll significantly. Traction was inversely proportional to the angle of V-shaped wedge, based on which an empirical equation between them was established according to quadratic fitting method. In conclusion, with smaller volume and lighter, weight V-shaped groove is likely to be an excellent alternative to traditional twined roll.

yard; friction reel; V-ring groove; model test; friction coefficient

2016-01-12

2016-07-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(30972359)；福建農(nóng)林大學(xué)高水平大學(xué)建設(shè)項(xiàng)目(113-612014018)；福建省林業(yè)廳資助項(xiàng)目(閩林科[2013]5號(hào)K851310301)和[閩林科2014]2號(hào))；漳平五一林場(chǎng)合作項(xiàng)目基金(KH1400850)；福建省教育廳資助項(xiàng)目(JB14009).

吳傳宇(1976-)，男，高級(jí)工程師，博士研究生.研究方向：林業(yè)機(jī)械化.Email:360626964@qq.com.通訊作者張正雄(1961-)，男，教授,博士.研究方向：森林作業(yè)與環(huán)境的影響.Email:627467445@qq.com.

S776.02

A

1671-5470(2016)05-0611-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.05.022