驅(qū)動(dòng)輪外層材料對(duì)桉樹(shù)修枝機(jī)攀爬性能影響的試驗(yàn)測(cè)試

盧 鴻， 鄭 賢， 韋 為

(1.廣西壯族自治區(qū)國(guó)有七坡林場(chǎng)，廣西 南寧 530225；2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；3.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

為了獲得無(wú)節(jié)眼、通直度高的優(yōu)質(zhì)木材以及增加林木產(chǎn)量，對(duì)桉樹(shù)林木進(jìn)行修枝是有效的手段之一[1-2]，修枝工作的高效完成有賴(lài)于桉樹(shù)修枝機(jī)設(shè)計(jì)理論的充實(shí)和新機(jī)型的開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研制了不少沿著樹(shù)干爬升并在爬升過(guò)程中完成枝條修剪的專(zhuān)用爬樹(shù)修枝機(jī)器，如國(guó)內(nèi)有北京林業(yè)大學(xué)和山東農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位通過(guò)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)或者自行研發(fā)設(shè)計(jì)的一類(lèi)沿著樹(shù)上螺旋爬升并依靠動(dòng)力剪完成修枝作業(yè)的專(zhuān)用修枝機(jī)器[3-8]，東北林業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的基于模糊控制的剪枝機(jī)器人[9]，南京林業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的基于柔性刀具的爬樹(shù)修枝機(jī)器人[10]，金華綠川科技有限公司設(shè)計(jì)的爬樹(shù)修枝機(jī)器人[11]，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的直接爬升式修枝機(jī)器人[12]等；國(guó)外有歐洲國(guó)家設(shè)計(jì)的立木整枝機(jī)——“上樹(shù)猴”[13]，日本SEIREI公司設(shè)計(jì)的無(wú)線可遙控型自動(dòng)立木整枝機(jī)(AB170、AB230、AB350系列)[14]，Gui等[15]設(shè)計(jì)的帶有防下滑功能的新型修枝機(jī)器人，日本岐阜大學(xué)持續(xù)10多年研發(fā)的帶有節(jié)能鏈鋸驅(qū)動(dòng)器的修枝機(jī)器人[16]和德國(guó)Jordan家族企業(yè)研發(fā)的advaligno PATAS[17-18]等等。以上這一類(lèi)專(zhuān)用的爬樹(shù)修枝機(jī)器，它們對(duì)通直度高林木的修枝具有一定的適應(yīng)性，基本代表這一領(lǐng)域修枝機(jī)的發(fā)展方向，但面對(duì)桉樹(shù)的修枝還存在一定的問(wèn)題和較大的改善空間。從工作原理來(lái)看，這一類(lèi)修枝機(jī)都是通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪或者驅(qū)動(dòng)履帶與樹(shù)干之間的摩擦力獲得爬升力，因此其修枝性能很大程度上依賴(lài)于驅(qū)動(dòng)輪或者驅(qū)動(dòng)履帶與樹(shù)干之間的摩擦力，但目前的研究很少對(duì)驅(qū)動(dòng)輪或者驅(qū)動(dòng)履帶與樹(shù)干之間的摩擦力及其產(chǎn)生機(jī)理開(kāi)展研究，而這恰恰又是開(kāi)展爬樹(shù)修枝機(jī)器新機(jī)型設(shè)計(jì)或者對(duì)現(xiàn)有機(jī)型進(jìn)行改進(jìn)的關(guān)鍵。本研究通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[19]所述的桉樹(shù)修枝機(jī)使用由不同外層材料組成的驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行攀爬性能測(cè)試，結(jié)合桉樹(shù)樹(shù)皮的結(jié)構(gòu)分析不同的驅(qū)動(dòng)輪外層材料對(duì)修枝機(jī)攀爬性能的影響，初步探究修枝機(jī)驅(qū)動(dòng)輪或者驅(qū)動(dòng)履帶與樹(shù)干之間的摩擦力及其產(chǎn)生機(jī)理，指出可用于修枝機(jī)且能夠獲得較大摩擦力驅(qū)動(dòng)輪外層材料的選擇方向，為爬樹(shù)修枝機(jī)新機(jī)型的設(shè)計(jì)或現(xiàn)有機(jī)型的改進(jìn)提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的設(shè)備為如圖1所示新設(shè)計(jì)的遙控式爬樹(shù)修枝機(jī)，其總體構(gòu)成如圖1(a)所示，主要包括爬樹(shù)修枝部分、控制器、電源線、移動(dòng)電源和手持遙控器。其中，爬樹(shù)修枝部分如圖1(b)所示，由機(jī)架、修枝裝置(主要包括活動(dòng)刀片、固定刀片、活動(dòng)刀片開(kāi)合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)推桿)和攀爬裝置(主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)輪開(kāi)合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)推桿)組成；控制器安裝在上樹(shù)修枝機(jī)上并與移動(dòng)電源通過(guò)電源線相連；移動(dòng)電源為汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)且輸出電壓為24 V直流電發(fā)電機(jī)，試驗(yàn)時(shí)使用兩個(gè)12 V蓄電池串聯(lián)在一起形成24 V電源；手持遙控器為操控裝置，用于發(fā)送信號(hào)控制上樹(shù)修枝機(jī)完成修枝作業(yè)。

圖1 遙控式爬樹(shù)修枝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要參數(shù)

爬樹(shù)修枝部分總重為9.8 kg，驅(qū)動(dòng)輪直徑為80 mm，用于夾緊兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪電動(dòng)推桿的最大拉力為600 N，無(wú)刷電機(jī)的型號(hào)、最大電壓和最大功率分別為L(zhǎng)BP5692-1 000 kV、40 V和5 500 W，減速器的減速比為36∶1，樹(shù)干的直徑為100～120 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

由于測(cè)試所用的遙控式爬樹(shù)修枝機(jī)主要是面向通直度高的桉樹(shù)等速生林木設(shè)計(jì)的，測(cè)試時(shí)以桉樹(shù)作為測(cè)試對(duì)象。修枝機(jī)的爬樹(shù)修枝部分在攀爬樹(shù)干過(guò)程中，其攀爬性能取決于驅(qū)動(dòng)輪與樹(shù)干的摩擦力，而摩擦力主要與相接觸的兩物體之間的接觸情況和接觸力有關(guān)。當(dāng)接觸力不變時(shí)，由于作業(yè)對(duì)象(桉樹(shù))的表皮結(jié)構(gòu)是自然態(tài)而無(wú)法進(jìn)行調(diào)控，則爬樹(shù)修枝機(jī)的攀爬性能主要取決于驅(qū)動(dòng)輪外層的材料及其表面情況?？紤]到爬樹(shù)修枝部分在攀爬樹(shù)干進(jìn)行修枝作業(yè)的過(guò)程中不能損傷樹(shù)皮，先選擇硬度相對(duì)小且具有較好耐磨性的聚氨酯作為驅(qū)動(dòng)輪的外層材料，測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)爬樹(shù)修枝部分不能攀爬樹(shù)干，繼而采用硬度更小且外表面有圓形防滑小突起的薄層膠帶作為驅(qū)動(dòng)輪的外層材料，此時(shí)爬樹(shù)修枝部分仍然不能攀爬樹(shù)干，經(jīng)過(guò)分析，猜測(cè)爬樹(shù)修枝部分不能攀爬樹(shù)干的原因可能是因?yàn)轵?qū)動(dòng)輪與樹(shù)干接觸面積過(guò)小，為此又采用其他幾種不同的材料作為爬樹(shù)修枝部分驅(qū)動(dòng)輪的外層材料。試驗(yàn)過(guò)程中先后作為驅(qū)動(dòng)輪外層的材料見(jiàn)表1。每次采用不同外層材料的驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)操縱遙控器使驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速由零開(kāi)始逐漸增加至最大值(666 r/min)，觀察爬樹(shù)修枝部分的攀爬情況，同時(shí)使用攝像機(jī)記錄其攀爬過(guò)程。

表1 爬樹(shù)修枝機(jī)驅(qū)動(dòng)輪外層材料

2 測(cè)試結(jié)果

爬樹(shù)修枝機(jī)的測(cè)試工況如圖2所示，攀爬情況見(jiàn)表2，從圖1和表2可以看出，爬樹(shù)修枝機(jī)的攀爬性能以驅(qū)動(dòng)輪外層為厚層橡膠裹層最好，其次是驅(qū)動(dòng)輪外層為橡膠條纏繞層，接著是驅(qū)動(dòng)輪外層為中層橡膠，最后是驅(qū)動(dòng)輪外層為薄層膠帶和外層為聚氨酯裹層。此外，驅(qū)動(dòng)輪外層的防滑橫紋并不能增加摩擦力從而提高上樹(shù)修枝機(jī)的攀爬性能，而且驅(qū)動(dòng)輪外表面的齒形也不能增加上樹(shù)修枝機(jī)的攀爬性能且導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)。

圖2 爬樹(shù)修枝部分攀爬性能測(cè)試

3 討論

3.1 桉樹(shù)表皮的結(jié)構(gòu)分析

由摩擦學(xué)的微凸體接觸典型理論[20-21]和橡膠與硬物體接觸的情況[22]可知，要弄清樹(shù)干表皮與驅(qū)動(dòng)輪之間的摩擦力及其產(chǎn)生機(jī)理，首先需了解桉樹(shù)樹(shù)干表皮的結(jié)構(gòu)，桉樹(shù)樹(shù)干新鮮的表皮結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，自然狀態(tài)下的桉樹(shù)表皮，其表層生長(zhǎng)有薄片狀的白色小斑點(diǎn)，這些小斑點(diǎn)正是使桉樹(shù)樹(shù)干呈白色的主要成分，其與樹(shù)皮之間的附著強(qiáng)度極小，用手輕輕一撮即可使其脫落，在縱向方向則可以依稀地看到呈平行分布的紋理，自然態(tài)的桉樹(shù)表皮橫截面示意圖如圖3(b)所示。將桉樹(shù)表皮的白色斑點(diǎn)擦除，可以看到桉樹(shù)表皮的結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示，從圖中可以看出，桉樹(shù)表皮除了尺度在1×10-1mm范圍內(nèi)呈平行分布的紋理，還存在尺度在1×10-2mm范圍內(nèi)的微凸體。縱向紋理的間距和紋理的大小如圖3(b)或者圖3(d)所示的L1和L2，其尺度分別為1 mm和1×10-1mm。

3.2 驅(qū)動(dòng)輪與桉樹(shù)表皮的接觸與摩擦情況

驅(qū)動(dòng)輪與桉樹(shù)樹(shù)干表皮接觸示意圖如圖4所示。

(1)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為聚氨酯裹層時(shí)，聚氨酯裹層與桉樹(shù)樹(shù)干表皮之間的真實(shí)接觸情況如圖4(a)所示，由于聚氨酯裹層的硬度值為HA96，硬度較大，驅(qū)動(dòng)輪與桉樹(shù)表皮的接觸，不僅在宏觀尺度范圍內(nèi)僅有較小的接觸面積，而且在中等尺度和微觀尺度范圍內(nèi)，聚氨酯與桉樹(shù)樹(shù)干表皮之間相互嵌入的程度低，在桉樹(shù)樹(shù)干表皮上僅有少量的微凸體嵌入到聚氨酯內(nèi)部，隨著驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，嵌入到聚氨酯內(nèi)部的桉樹(shù)表皮上的微凸體受到剪切或黏附作用而產(chǎn)生摩擦力，但該摩擦力不足與跟驅(qū)動(dòng)力抗衡，造成桉樹(shù)表皮微凸體所受的剪切應(yīng)力過(guò)大而被破壞從而形成如圖2(a)所示的樹(shù)皮磨損，驅(qū)動(dòng)輪則在原處打滑，爬樹(shù)修枝部分無(wú)法上升。

(2)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為薄層膠帶時(shí)，盡管橡膠層的硬度值僅為HA45，硬度較低，但是厚度較小，在相同的接觸力作用下，其產(chǎn)生的變形較小，在宏觀尺度范圍內(nèi)僅有較小的接觸面積，并且由于其表面含有圓形的防滑小突起，在中等尺度范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)輪也不能與桉樹(shù)表皮緊密接觸，如圖4(b)所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，薄層膠帶的防滑小突起受到剪切或黏附作用產(chǎn)生摩擦力，盡管防滑小突起能很好地嵌入到樹(shù)皮表層的小凹坑，但由于宏觀尺度和中等尺度的接觸面積小，該摩擦力仍然不能與驅(qū)動(dòng)力抗衡，造成防滑小凸起受到過(guò)大的剪切應(yīng)力而被破壞，從而使薄層膠帶的防滑小突起被磨平，如圖2(b)所示，驅(qū)動(dòng)輪在原處打滑，爬樹(shù)修枝部分同樣無(wú)法上升。

(3)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為中層橡膠包層時(shí)，由于橡膠層的硬度值為HA50，硬度小且具有較厚的包層，在相同的接觸力作用下，橡膠包層能夠形成較大的變形并且能較好地嵌入到桉樹(shù)表皮的凹坑，盡管在微觀尺度范圍內(nèi)能緊密接觸，但由于該橡膠包層外表面含有防滑小橫紋，在小橫紋的凹陷處，橡膠包層和桉樹(shù)表皮之間仍然存在空隙，如圖4(c)所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在橡膠包層和桉樹(shù)表皮之間由于剪切力或黏附而形成的摩擦力可以抗衡驅(qū)動(dòng)力，桉樹(shù)樹(shù)皮微凸體的剪切應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)應(yīng)力強(qiáng)度，從而使得爬樹(shù)修枝部分能夠順利沿著樹(shù)干向上爬升。

(4)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為厚層橡膠裹層時(shí)，由于橡膠裹層硬度小，其硬度值僅為HA45，且層厚較大，在相同的接觸力作用下，橡膠裹層可以得到更大的變形，與桉樹(shù)樹(shù)干表皮之間形成幾乎沒(méi)有空隙的接觸，如圖4(d)所示，此時(shí)，橡膠裹層與桉樹(shù)表皮之間相互嵌入的程度最高，可提供的摩擦力最大，因而攀爬性能最優(yōu)。

(5)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為橡膠條纏繞層時(shí)，其硬度為50 HA，硬度較小，但橡膠纏繞層并不是理想的圓柱形外表面，當(dāng)其與樹(shù)干表皮接觸時(shí)，形成的真實(shí)接觸情況介于圖4(c)和圖4(d)之間，因此其攀爬性能也介于驅(qū)動(dòng)輪為中層橡膠包層和厚層橡膠裹層之間。

(6)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為加工有大橫紋的厚層橡膠裹層時(shí)，由于此時(shí)的驅(qū)動(dòng)外層不是圓形，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)到大橫紋的凹槽處，其作用半徑變小，轉(zhuǎn)到橫紋處，其作用半徑變大，因此可以看出爬樹(shù)修枝部分攀爬樹(shù)干的過(guò)程存在一頓一頓的運(yùn)動(dòng)不連續(xù)情況。

(7)由表2可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層材料為橡膠條纏繞層、厚層橡膠裹層和加工有大橫紋的厚層橡膠裹層時(shí)，測(cè)試結(jié)束后可觀察到驅(qū)動(dòng)輪表面附著有白色的粉末狀附著物。由于以這三種材料作為外層材料時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪無(wú)明顯的打滑，驅(qū)動(dòng)輪外層材料未產(chǎn)生磨屑，又因?yàn)殍駱?shù)樹(shù)干的表皮生長(zhǎng)有薄片狀極容易脫落的白色小斑點(diǎn)，從顏色來(lái)看，可以判斷出驅(qū)動(dòng)輪的這些附著物來(lái)自生長(zhǎng)在桉樹(shù)樹(shù)干表皮的白色小斑點(diǎn)。由于這些黏附在驅(qū)動(dòng)輪外層的白色粉末狀附著物會(huì)影響到驅(qū)動(dòng)輪外層與樹(shù)皮微凸體之間的緊密貼合，為了避免附著物在驅(qū)動(dòng)輪外表面的堆積，可以在驅(qū)動(dòng)輪的外層加工沿著驅(qū)動(dòng)輪圓周方向的小條紋，在后續(xù)的試驗(yàn)中，建議采用硬度較小的厚層橡膠裹層作為驅(qū)動(dòng)輪的外層材料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

為探明驅(qū)動(dòng)輪外層材料與桉樹(shù)樹(shù)皮之間的摩擦力及其產(chǎn)生機(jī)理開(kāi)展研究，指出可用于修枝機(jī)且能夠獲得較大摩擦力的驅(qū)動(dòng)輪外層材料的選擇方向，采用試錯(cuò)法對(duì)修枝機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪粘貼或者安裝具有不同硬度和層厚的材料開(kāi)展修枝機(jī)的攀爬性能測(cè)試，結(jié)合桉樹(shù)樹(shù)皮表層的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪外層材料與桉樹(shù)樹(shù)皮的接觸情況和摩擦機(jī)理進(jìn)行了分析，得到的主要結(jié)論如下：

(1)驅(qū)動(dòng)輪外層材料硬度較大時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪外層在宏觀尺度上與桉樹(shù)樹(shù)皮僅有小面積的接觸，而且在微觀尺度上也難以緊密接觸，較小面積和不緊密的接觸，造成桉樹(shù)樹(shù)皮微凸體的剪切應(yīng)力過(guò)大進(jìn)而被破壞，使得驅(qū)動(dòng)輪打滑。打滑現(xiàn)象的出現(xiàn)，不僅會(huì)損傷桉樹(shù)樹(shù)皮，也會(huì)造成修枝機(jī)的爬樹(shù)修枝部分無(wú)法沿著樹(shù)干向上爬升。

(2)在相同的接觸力作用下，較軟的驅(qū)動(dòng)輪外層材料容易變形，不僅在宏觀尺度上與桉樹(shù)樹(shù)皮有較大面積的接觸，而且在微觀尺度上也有較為緊密的接觸，較大的面積和緊密的接觸，可以減少桉樹(shù)樹(shù)皮微凸體的剪切應(yīng)力，避免桉樹(shù)樹(shù)皮微凸體被破壞，從而可使驅(qū)動(dòng)輪獲得較大的摩擦力，即爬樹(shù)修枝部分獲得更大的攀升力，因此驅(qū)動(dòng)輪外層應(yīng)選用硬度較小而且層厚較大的材料，而驅(qū)動(dòng)輪外層材料的最佳硬度值，建議以硬度值45HA作為硬度上限來(lái)選取驅(qū)動(dòng)輪的材料。

(3)驅(qū)動(dòng)輪外層額外增加的較大防滑條紋并不能增加驅(qū)動(dòng)輪與樹(shù)干之間的摩擦力，其攀爬性能還不如表面光滑的驅(qū)動(dòng)輪，因此不推薦在驅(qū)動(dòng)輪外層額外增加較大的防滑條紋，但是由于桉樹(shù)表皮有薄片狀且容易脫落的白色小斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)會(huì)黏附在驅(qū)動(dòng)輪的外層影響驅(qū)動(dòng)輪外層與樹(shù)皮微凸體之間的緊密貼合，因?yàn)樵隍?qū)動(dòng)輪的外層加工沿著驅(qū)動(dòng)輪圓周方向的小條紋，可減少白色小斑點(diǎn)黏附在驅(qū)動(dòng)輪上造成堆積，這是否有利于增加摩擦力有待進(jìn)一步驗(yàn)證。