間伐材伐區(qū)用小型抓木機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)械工程技術(shù)中心，哈爾濱150040)

間伐材伐區(qū)用小型抓木機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)械工程技術(shù)中心，哈爾濱150040)

通過(guò)對(duì)林區(qū)集材設(shè)備具體情況的分析與研究，設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型履帶式抓木機(jī)。該小型履帶式抓木機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、牽引力大等特點(diǎn)，能夠在林區(qū)內(nèi)部靈活移動(dòng)，并且該設(shè)備操作簡(jiǎn)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(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理，并對(duì)其所需牽引力與額定功率進(jìn)行計(jì)算分析，同時(shí)對(duì)抓木機(jī)的行駛穩(wěn)定性進(jìn)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(guò)計(jì)算得出整機(jī)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(jī)能滿足間伐材伐區(qū)木材收集與運(yùn)輸要求，具有良好的行駛穩(wěn)定性，對(duì)林業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展有促進(jìn)作用。

小型抓木機(jī)；設(shè)計(jì)；間伐；運(yùn)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(shí)消耗和費(fèi)用占伐區(qū)生產(chǎn)段總成本的70%左右，而且是木材采伐對(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益，林業(yè)發(fā)展方式對(duì)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(jī)械由于其體積和質(zhì)量較大，在行駛過(guò)程中會(huì)對(duì)樹木造成損傷，而且會(huì)造成土壤壓實(shí)，不利于森林更新等[2-3]。此外，設(shè)備價(jià)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(duì)間伐材伐區(qū)的實(shí)際工作條件，設(shè)計(jì)一臺(tái)環(huán)境友好型的小型履帶式抓木機(jī)，該設(shè)備具有小型化的特點(diǎn)，體積小，質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)彎靈活。同時(shí)，該設(shè)備牽引力大，可以自裝卸木材，能夠運(yùn)輸截?cái)嗟脑疽约笆Ｓ嘀坎?，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

伐區(qū)地形環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備活動(dòng)空間小，并且存在斜坡、凹坑等。小型履帶式抓木機(jī)體積小、轉(zhuǎn)彎靈活、越障能力強(qiáng)，使小型履帶式抓木機(jī)能夠高效快速地完成收集木材的任務(wù)。其由動(dòng)力系統(tǒng)、行走機(jī)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(jī)、變速箱布置在底盤上，抓具通過(guò)桿件與底盤相連，最終使整機(jī)擁有結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)。小型履帶式抓木機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.動(dòng)力系統(tǒng)；2.行走機(jī)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(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Diagram of the crawler timber grab

2 工作原理

抓木機(jī)主機(jī)機(jī)架上安裝有柴油機(jī)、減速器組件及控制系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)備工作時(shí)柴油機(jī)通過(guò)皮帶將動(dòng)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(dòng)鏈輪，輸出動(dòng)力給履帶式行走機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)在動(dòng)力鏈輪的驅(qū)動(dòng)和張緊輪、支重輪的支撐下使整機(jī)行走。

抓具通過(guò)桿機(jī)構(gòu)安裝在該設(shè)備的前部，當(dāng)進(jìn)行木材收集時(shí)，柴油機(jī)通過(guò)減速器組件的齒輪泵將動(dòng)力轉(zhuǎn)遞給液壓缸，通過(guò)控制抓具的液壓缸使抓具張開與閉合，再通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)液壓缸使抓具旋轉(zhuǎn)到木材收集位置與運(yùn)輸位置，從而實(shí)現(xiàn)木材的收集與運(yùn)輸。小型抓木機(jī)行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1.帶輪；2.動(dòng)力輸入軸；3.離合器；4.減速器；5.輸出軸；6.驅(qū)動(dòng)輪圖2 小型履帶式抓木機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig. 2 Diagram of the transmission system of the crawler timber grab

3 牽引力與額定功率的計(jì)算

為保證小型抓木機(jī)在林間行駛時(shí)具有良好的通過(guò)性能，根據(jù)林區(qū)集材道的寬度2.3 m，在保證機(jī)體不碰觸伐根與樹木的前提下，初步選擇整機(jī)的三維尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2 700 mm×1 100 mm×1 200 mm。按下式計(jì)算其轉(zhuǎn)彎通過(guò)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(jī)中心軸的垂直距離，最小值為抓木機(jī)寬度的一半，取600 mm；E為車身寬度，取1 100 mm；d為抓木機(jī)車體最外側(cè)點(diǎn)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(jī)在林間可實(shí)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(jī)理論額定功率P，首先需要確定抓木機(jī)運(yùn)送木材時(shí)所需牽引力Fq[4]。

(2)

式中：P為小型抓木機(jī)理論額定功率，單位W；v為小型抓木機(jī)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(jì)小型抓木機(jī)在林間正常的轉(zhuǎn)彎行駛速度[5]；η為小型抓木機(jī)傳動(dòng)效率，η=0.75。

抓木機(jī)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(jì)方案，需以抓木機(jī)上坡時(shí)運(yùn)輸為參考。小型抓木機(jī)運(yùn)輸木材上坡受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 小型抓木機(jī)上坡集材受力簡(jiǎn)圖Fig. 3 Force diagram of the timber grab during climbing

圖3中各參數(shù)依次為：滿載時(shí)整機(jī)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(jī)上坡時(shí)垂直坡面的分力N；小型履帶集材拖拉機(jī)上坡與地面間的摩擦阻力系數(shù)μ,為保證行駛時(shí)動(dòng)力充足取μ=0.6；小型履帶抓木機(jī)上坡時(shí)行駛阻力Ff：

Ff=μN(yùn)=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(jī)在伐區(qū)作業(yè)環(huán)境惡劣，地形條件復(fù)雜，理論設(shè)計(jì)的功率不足以讓抓木機(jī)順利通過(guò)。抓木機(jī)運(yùn)行時(shí)還會(huì)受到空氣阻力、傳動(dòng)損耗等其他因素影響，為保證運(yùn)行時(shí)動(dòng)力充足，保證抓木機(jī)在遇到極端地況時(shí)能夠具有良好的通過(guò)性能，應(yīng)為抓木機(jī)留有一定的儲(chǔ)備功率[8-10]。為此，抓木機(jī)的額定功率設(shè)為：

P1=KCP=14.496

(5)

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

4 穩(wěn)定性分析

小型抓木機(jī)由于其質(zhì)量相對(duì)較輕，穩(wěn)定性成為需要重點(diǎn)考慮的因素。根據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小型抓木機(jī)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(shí)的傾翻和沿橫向行駛時(shí)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(jì)主要對(duì)抓木機(jī)縱向行駛和沿橫坡直線行駛、等速轉(zhuǎn)彎行駛狀況進(jìn)行分析，以獲得影響抓木機(jī)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(jī)縱向上坡行駛時(shí)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(duì)履帶垂直反力；m為垂直 反力與支撐點(diǎn)B之間距離；b為質(zhì)心到支撐點(diǎn)B距離(285 mm)； a為質(zhì)心到支撐點(diǎn)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(jī)縱向上坡行駛時(shí)受力簡(jiǎn)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(jī)縱向下坡行駛時(shí)受力情況見圖5。由圖5可知，整個(gè)小型集材拖拉機(jī)受力平衡，對(duì)B點(diǎn)取矩可得公式(6)：

bGcosβ-hGsinβ-Nm=0→

l=(bcosβ-hsinβ)/cosβ

(6)

如果整機(jī)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(gè)小型抓木機(jī)受力平衡，對(duì)A點(diǎn)取矩可得公式(8)：

aGcosβ-hGsinβ-Nm=0→

m=(aGcosβ-hGsinβ)/N

(8)

如果整機(jī)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(jī)縱向下坡行駛時(shí)受力簡(jiǎn)圖Fig. 5 Force diagram of the crawler timber grab during downhill driving

分析可得，小型抓木機(jī)不論上坡還是下坡行駛時(shí)，質(zhì)心高度h越低，質(zhì)心距離傾翻支撐點(diǎn)的距離越大，整機(jī)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(jī)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(jī)橫坡行駛時(shí)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(duì)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(jī)橫坡行駛時(shí)受力簡(jiǎn)圖Fig. 6 Force diagram of the crawler timber grab perpendicular to the slope

小型抓木機(jī)在橫坡上行駛，當(dāng)直線行駛時(shí)，F(xiàn)=0，根據(jù)整機(jī)力矩平衡，對(duì)A點(diǎn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)等速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，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(jī)平衡和對(duì)A點(diǎn)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(jī)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(shí)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(jī)中心軸垂直距離，最小值為整機(jī)寬度一半，考慮到林區(qū)地勢(shì)特點(diǎn)，此處取600 mm；E為小型履帶式抓木機(jī)寬度，取E=1 100 mm；d為小型抓木機(jī)機(jī)最外側(cè)點(diǎn)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(jī)不產(chǎn)生傾翻需保證N1≥0，可導(dǎo)出抓木機(jī)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(jī)的最大行駛速度小于抓木機(jī)轉(zhuǎn)向最大行駛速度vm，因此小型抓木機(jī)具有良好行駛穩(wěn)定性。將抓木機(jī)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(shí)抓木機(jī)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(jì)的間伐材伐區(qū)用小型抓木機(jī)，整機(jī)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(jī)可以保證在運(yùn)輸過(guò)程中有充足的動(dòng)力?？傮w尺寸1 700 mm×1 100 mm×1 200 mm，保證其行駛過(guò)程中不與伐根接觸，保證整機(jī)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(qiáng)，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(yùn)輸任務(wù)，提高伐區(qū)作業(yè)效率。目前市場(chǎng)上相關(guān)的小型設(shè)備較少，因此小型抓木機(jī)的設(shè)計(jì)可滿足我國(guó)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(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201404506)。

楊春梅，女，教授，研究方向?yàn)榱謽I(yè)與木工機(jī)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