林木聯(lián)合采育機蜂窩結構進料輥關鍵技術與應用性能研究

曲云飛，王 典*，朱旭晨

林木聯(lián)合采育機蜂窩結構進料輥關鍵技術與應用性能研究

曲云飛1,2，王 典1,2*，朱旭晨1,2

(1. 北京林業(yè)大學工學院，北京 100083；2. 林業(yè)裝備與自動化國家林業(yè)和草原局重點實驗室，北京 100083)

針對機械化采伐作業(yè)中減少木材損傷的問題，提出一種基于輥型雙V蜂窩結構的進料輥。結合相關的數(shù)學公式，推導出了輥型雙V蜂窩結構的動態(tài)沖擊模型，并通過有限元仿真結果得到了驗證。對伐木工況低速沖擊下輥型蜂窩的力學與吸能特性、動態(tài)響應、結構穩(wěn)定性和結構效率等應用技術指標進行探究，并引入不同結構的輥型六角蜂窩進行參照對比。低速沖擊下，輥型雙V蜂窩相較于輥型六角蜂窩負泊松比效應更明顯，結構效率更高且抗沖擊性更強，結構穩(wěn)定性更好，接觸力更均勻。各輥型雙V蜂窩結構沖擊至0.3時的各應力指標均滿足1 600 kg以下樹木采伐工況需求。這為蜂窩結構進料輥的機械化應用與減少原木損傷提供了參考。

采育機；進料輥；農(nóng)林機械；樹木損傷

近些年來，以林木聯(lián)合采育機為代表的林業(yè)裝備得到了廣泛的使用。與人工采伐相比，借助林木聯(lián)合采育機的機械化采伐具有低人員勞動強度、高生產(chǎn)效率、低生產(chǎn)作業(yè)事故率低和高生態(tài)效益等優(yōu)點[1]。許多研究通過預測產(chǎn)量建模[2]、離散元建模[3]和現(xiàn)場人工觀測[4]等方法對原木與采伐相關的技術進行研究。進料輥是林木聯(lián)合采育機的主要工作部件?，F(xiàn)伐木作業(yè)中廣泛使用的為鋼制進料輥（steel feeding roller，SFR），外緣均布鋼齒。在林木聯(lián)合采育機伐木作業(yè)過程中，通過鋼齒與原木的嚙合，轉動以提供驅動動力。同時，伐木作業(yè)中存在著原木木質損傷與進料輥易過度磨損的問題[5]。采伐原木木質損傷很大程度降低了原木的利用價值與經(jīng)濟效益[6]。Sveningsson[7]評估了伐木作業(yè)中不同類型進料輥與環(huán)境溫度對木材損傷的影響關系。Connel[8]通過實地調查的方式，對機械化采伐過程中木材損傷的問題節(jié)點進行了全面分析。指出造成的木材損傷主要來自于木材驅動的物理損傷與測距損傷。造成這些損傷的主要原因是缺乏足夠的摩擦力，進料輥的接觸壓力過大。Strandgard等[9]研究了機械化采伐中原木損傷導致的桉樹樹皮產(chǎn)量降低的問題。為了保護樹皮不受到嚴重的木材損傷，進料輥的動作液壓缸壓力會降低，進而降低了林木聯(lián)合采育機的作業(yè)效率。盧杰等[10]結合Pro/Engineering軟件提出一種通過機械阻尼結構以減少木材損傷的進料輥?，F(xiàn)有的研究沒有對進料輥本身的結構進行改進，難以滿足減少原木損傷的需求。

負泊松比蜂窩結構材料則因具有在受壓縮時受壓區(qū)域出現(xiàn)局部致密化的現(xiàn)象而受到廣泛關注[11]。憑借這種獨有的物理變形特點，負泊松比蜂窩結構具有輕質、更強的韌性、更好的抗剪強度與抗沖擊吸能響應特性，從而在工程、電子與航空航天等領域廣泛應用[12-14]。作為一種重要的負泊松比微觀結構，雙箭頭負泊松比結構最早由Larsen等[15]通過拓撲優(yōu)化方法所獲得。álvarez等[16]對現(xiàn)有的幾種負泊松比蜂窩結構的力學特性進行了詳細的分析比較。結果顯示，相對于其他蜂窩結構，雙箭頭蜂窩與內(nèi)凹蜂窩結具有更大的體積與面積減縮率，更高的泊松比與等效楊氏模量。Kelvina等[17]研究了圓周蜂窩的橫向剪切和正交各向異性對模態(tài)密度的影響，并建立了相關的數(shù)學表達模型。Baranowski等[18]為了提高輕型裝甲車的強度和阻力，提出了六角蜂窩狀復合車輪。結果表明，該應用蜂窩復合材料的車輪能有效降低爆破沖擊能量并提高防護安全性。

本研究針對林木聯(lián)合采育機蜂窩結構進料輥的應用與伐木工況需求，對雙箭頭蜂窩胞元結構進行改造，提出一種新型蜂窩結構并命名為雙V附翼型蜂窩。結合現(xiàn)有的進料輥設計，提出一種基于雙V附翼型蜂窩（double V-wings honeycomb，DVWH）的林木聯(lián)合采育機進料輥，輥型雙V蜂窩結構作為進料輥的柔性蜂窩填充結構。輥型雙V蜂窩結構的動態(tài)沖擊模型可作為蜂窩設計選擇的規(guī)律與預測的參考。對伐木工況低速沖擊下輥型雙V蜂窩結構的力學與吸能特性進行探究，并引入不同胞元結構的六角蜂窩進行蜂窩進料輥應用性能參照對比。從輥型蜂窩結構的固體力學、沖擊吸能、結構變形模式、驅動系統(tǒng)受力、結構穩(wěn)定性和結構效率等方面進行關鍵技術與應用性能評估比較。

1 林木聯(lián)合采育機蜂窩結構進料輥與理論分析模型

1.1 輥型雙V蜂窩結構與胞元

雙V附翼型蜂窩胞元的附翼為蜂窩圓周型的組合提供了足夠的連接節(jié)點與連接弧度，解決了此類蜂窩的圓周型連接問題。輥型雙V蜂窩結構是蜂窩結構進料輥的主要組成部分，因此對蜂窩結構進料輥的研究主要集中輥型蜂窩結構的應用性能指標評估。選定已應用林木聯(lián)合采育機進料輥的填充蜂窩結構的參數(shù)作為輥型雙V蜂窩的初始蜂窩樣本[19]，并記做=1.0。定義為等效處理后蜂窩的寬度或厚度與初始蜂窩（1.0）的比值，記為n=l/l=t/t(0.5–2)。代表不同蜂窩下的參數(shù)，l或t表示不同蜂窩的寬度或厚度。因此，與蜂窩的胞元密度有關，即不同的蜂窩具有不同的胞元密度。如圖1 (b)所示，雙V附翼型蜂窩胞元可由以下變量進行描述，分別為：胞元跨度L、胞元寬度l、胞元附翼寬度、胞元壁厚t、胞元V型結構內(nèi)外夾角θ、θ與厚寬比?=t/l(0.5–2)。=1.0輥型雙V蜂窩胞元參數(shù)分別為θ=30°、θ=75 °、l=29 mm、l=8 mm與t=5 mm輥型雙V蜂窩可通過以下設計變量進行描述：結構層數(shù)L，層胞元數(shù)N，結構厚度，輥型雙V蜂窩半徑R輪輞半徑R與輥型雙V蜂窩填充層半徑R并且有R=R+R。受輥型雙V蜂窩的半徑，層胞元數(shù)N與等參數(shù)影響。

1.2 輥型雙V蜂窩等效關系理論模型

根據(jù)多孔材料理論（CMT），蜂窩結構的相對密度可由代表性胞元實體承載部分面積與代表性胞元總截面面積的比值確定。輥型雙V蜂窩結構相對密度推導則有：

式（1）—（3）中，S為RDWH代表性胞元實體承載部分面積，S為RDWH代表性胞元總截面面積。結合Qiao等[20]給出的彈塑性壓實應力公式（4），低速沖擊下的輥型雙V蜂窩結構的動態(tài)崩塌平臺應力有：

式中，ε為輥型蜂窩結構名義應變，ρ為蜂窩結構基體材料屬性，為低速沖擊速度。

1.3 輥型雙V蜂窩與輥型六角蜂窩有限元模型

通過控制輥型雙V蜂窩的厚寬比，建立出3個具有幾何倍數(shù)關系的輥型雙V蜂窩結構有限元模型，分別為=0.5，=1.0，=2.0蜂窩，如圖1 (a)所示。輥型雙V蜂窩結構尺寸參照LAKO 43伐木機適配鋼制進料輥。3種胞元密度輥型雙V蜂窩具有相同的R=60 mm和=110 mm，相近的R和R，不同的胞元尺寸、N和L，如表1所示。

表1 輥型雙V蜂窩結構胞元與試樣參數(shù)

圖1 (a)輥型雙V蜂窩結構有限元模型，(b) 輥型雙V蜂窩結構胞元示意圖，(c)輥型六角蜂窩有限元模型，(d) 輥型六角蜂窩結構胞元示意圖

Figure 1 (a) Finite models of RDWH, (b) Schematic of RDWH unit cell, (c) Finite model of RHH, (d) Schematic of RHH unit cell

圖2 輥型蜂窩結構沖擊加載示意圖

Figure 2 Diagrammatic sketches of roller honeycomb under dynamic impact in logging

本研究采用ANSYS/LS-DYNA對不同胞元密度下的輥型雙V蜂窩的低速沖擊特性進行顯示動力學分析。根據(jù)林木聯(lián)合采育機的工作原理，產(chǎn)生的低速沖擊主要由兩個因素引起，一是進料輥與原木夾緊的定位過程，一般速度范圍1.2 m·s-1～2 m·s-1。另一個是原木進給過程中凸出的樹結對旋轉中進料輥的沖擊阻力，沖擊速度小于1 m·s-1。兩種沖擊速度發(fā)生在伐木作業(yè)中的不同階段。選擇臨界速度2 m·s-1作為輥型蜂窩結構垂直方向的仿真速度。將輥型蜂窩結構受沖擊物體簡化為剛體沖擊板，其質量遠大于試件質量，沖擊速度控制均勻。選定典型的六角蜂窩的輥型蜂窩填充層作為輥型雙V蜂窩的蜂窩仿真對照組。輥型六角蜂窩有限元模型與胞元示意圖分別如圖1 (c)和(d)所示。輥型六角蜂窩的胞元排列形式參照的六角蜂窩輪胎結構設計[15]。輥型六角蜂窩的結構與1.0蜂窩相似，兩者具有相近的胞元大小、規(guī)則胞元數(shù)量、結構層數(shù)L與結構半徑R。輥型六角蜂窩的參數(shù)為=23.5 mm、π/33.2 mm110 mm和163 4677.159 mm3。輥型六角蜂窩的沖擊邊界條件和試樣材料基體與輥型雙V蜂窩相同。文中所述的輥型蜂窩結構是輥型雙V蜂窩與輥型六角蜂窩的合并總稱。

在試件受沖擊過程中，輥型蜂窩試件放置于剛體沖擊板的正下方。輥型蜂窩結構嵌入了固定剛體輪輞。每個輥型蜂窩試樣的節(jié)點受異面限定，結構外圈等剩余部分是自由無限制的。剛體沖擊板分別沿軸和軸正方向沖擊，沖擊速度為2 m·s-1。輥型蜂窩沖擊過程中只有壓縮變形而無旋轉等動作，加載示意圖如圖2?；诓煞_擊工況需求與材料斷裂強度考慮，設定輥型蜂窩壓縮比為單邊蜂窩結構半徑與其輥型蜂窩比值，選用0%～50%的壓縮比區(qū)段進行仿真。計算中選用聚氨酯作為輥型蜂窩結構試樣材料基體[21]，并假定基體材料采用理想彈塑性模型，材料參數(shù)為：密度ρ=950 kg·m-3，楊氏模量=1 100 MPa，泊松比0.42。假定試樣基體材料屬性不受基體速率改變影響。胞元選用Shell163單元，每個殼單元元素設定相同的長度與厚度屬性。每個胞元壁單元元素數(shù)受和θ變化而改變。對有限元數(shù)值分析中的網(wǎng)格靈敏度進行了網(wǎng)格收斂分析。當RDWH與RHH的節(jié)點數(shù)分別超過39 712和24 316時，峰值應力值可以得到收斂結果。因此，為提高仿真動力響應的精度，分別選定64 920節(jié)點和51 274個節(jié)點網(wǎng)格作為RDWH和RHH的精細網(wǎng)格。每個胞元壁面接觸方式設定為單一接觸面。動態(tài)壓縮變形過程中胞元壁之間的外面接觸設定為自接觸。忽略接觸摩擦的影響，試件與剛體接觸設定為面面接觸形式。

2 蜂窩進料輥關鍵技術和應用性能指標

2.1 輥型雙V蜂窩動態(tài)沖擊理論模型驗證

根據(jù)式（3）和（5），圖3顯示了輥型雙V蜂窩結構動態(tài)崩塌平臺應力理論計算結果與有限元仿真分析結構的比較。1.0蜂窩的σ理論值與仿真值一致性較好，在ε之后出現(xiàn)蜂窩側向壁的壓實，仿真應力出現(xiàn)陡增。0.5和2.0蜂窩的有限元仿真結果略高于與低于計算結果，可能是由于不同胞元結構層數(shù)造成的影響。0.5、1.0和2.0蜂窩的理論計算值與有限元仿真結果的最大平均誤差別分為10.1%、7.8%和20.1%?？偟膩碚f，輥型雙V蜂窩結構的理論計算值與有限元仿真結果吻合較好，輥型雙V蜂窩動態(tài)沖擊模型得到了驗證。

圖3 輥型雙V蜂窩結構動態(tài)沖擊理論模型驗證

Figure 3 Diagrammatic sketches of roller honeycomb for dynamic impact theoretical model

2.1 輥型蜂窩力學吸能比較與評估

輥型蜂窩結構的力學與吸能數(shù)值曲線如圖7所示。力學與吸能數(shù)值取自于輥型蜂窩壓縮比50%區(qū)間的最大值。輥型蜂窩壓縮位移量在32.2～65.1 mm區(qū)間內(nèi)，沖擊時間在0.019 4～0.025 6 s區(qū)間內(nèi)。其中輥型蜂窩結構應變指的是輥型蜂窩平均變形位移（沖擊板的位移）D與輥型蜂窩結構半徑R的比值，則有ε=D/R。

圖4 輥型雙V蜂窩與輥型六角蜂窩力學與吸能數(shù)值曲線

Figure 4 Mechanical and energy absorption numerical curves of roller honeycombs

輥型雙V蜂窩與輥型六角蜂窩的力學與吸能數(shù)值曲線如圖4所示。其中輥型蜂窩應力展現(xiàn)出兩個應力平臺，分別是在0～0.2左右的彈性應力平臺與0.2～0.5的應力長平臺。如圖4（a）與（b）所示。仿真數(shù)值可以看出各輥型雙V蜂窩的力學曲線變化趨勢具有一致性，證明等效關系下的輥型雙V蜂窩具有相似的力學特性。正應力曲線表示輥型蜂窩正方向沖擊承載性。切向應力曲線代表輥型蜂窩變形部分受到的總切向應力?？梢园l(fā)現(xiàn)輥型雙V蜂窩吸能量變化趨勢隨的增大而增大，2.0蜂窩吸能量數(shù)值最高。由于輥型雙V蜂窩受沖擊時的負泊松比效應，造成結構的局部應力增強，使得輥型雙V蜂窩的應力性能均高于輥型六角蜂窩，且輥型六角蜂窩吸能平臺平緩，吸能量均低于輥型雙V蜂窩。各輥型雙V蜂窩結構=0.3時的各應力指標均滿足1 600 kg以下樹木采伐工況需求。

圖5 低速沖擊下輥型蜂窩的變形模式

Figure 5 Deformation mode of roller honeycombs under low-speed impact

圖6 輥型蜂窩輪輞反力與結構接觸力變化曲線

Figure 6 The fluctuating curves of roller honeycomb for force reaction and contact force

2.2 輥型蜂窩變形模式與動態(tài)接觸響應

圖5是輥型蜂窩在=2 m·s-1低速沖擊下的變形模式。不同下的輥型雙V蜂窩輥型蜂窩變形模式較為一致，受沖擊過程中，周側胞元向中心受壓區(qū)域集聚，結構整體均有收縮，展現(xiàn)出負泊松比現(xiàn)象。當=0.1～0.2時，輥型蜂窩中心列的受壓胞元對兩側連接的胞元有拉拽行為，胞元間連接的附翼擠壓彎曲多為拉壓變形，有效分散了應力，使胞元變形分布平均。當輥型蜂窩壓縮至=0.3～0.4，中心列胞元上端壁受壓展開與板接觸，胞元間產(chǎn)生轉矩與橫向交錯，部分胞元壁下方出現(xiàn)彎曲變形，胞元變形變得復雜化且不對稱。隨著壓縮的繼續(xù)進行至=0.5，中心列胞元上端壁和附翼與剛性壓縮版近似壓實。=0.5輥型蜂窩胞元尺寸較小，胞元排列緊密密度大，結構層數(shù)較多，所以胞元變形排列整齊多為拉壓變形，剛性壓縮板接觸強度均勻。=2.0輥型蜂窩胞元彎曲變形程度大且不對稱，胞元較早進入塑性變形階段而易于壓潰。因此，胞元尺寸、胞元密度與結構層數(shù)都對輥型蜂窩沖擊變形模式產(chǎn)生影響。

輥型六角蜂窩在受沖擊時，會發(fā)生壓縮-膨脹現(xiàn)象，在水平方向上胞元有向外擴散的現(xiàn)象。因此在平臺區(qū)平緩，不會出現(xiàn)平臺應力增強現(xiàn)象。胞元胞壁隨著沖擊壓縮而逐漸接觸和疊加，壓縮應力仍變化平緩。參與變形的胞元數(shù)量少且胞元變形幅度小，進而導致應力與吸能量表現(xiàn)弱于輥型雙V蜂窩。綜上所述，造成兩蜂窩沖擊響應特性差異的原因主要是輥型雙V蜂窩胞元與層級間的負泊松比增強效應。

2.3 輥型蜂窩變形模式與動態(tài)接觸響應

輪輞反力是林木聯(lián)合采育機進料輥法蘭與液壓驅動軸受到的力，如圖6（a）。結構接觸力是蜂窩結構進料輥與原木接觸面間存在的力，可直觀反映出原木的受力情況，如圖6（b）。輥型雙V蜂窩的輪輞反力隨著的增大，輪輞反力曲線波動周期逐漸減小，幅值逐漸增大。由Karagiozova等[22-23]的蜂窩材料激波理論解釋，即輥型蜂窩受壓縮產(chǎn)生應力激波，應力激波在胞元結構層間界面多次反射，造成了輪輞反力曲線波動。而剛性壓縮板與輪輞間的產(chǎn)生的強不連續(xù)激波與胞元結構層間的簡單激波同時傳播反射，使得輪輞反力曲線周期與幅值不規(guī)則。胞元結構層數(shù)少，應力激波反射次數(shù)少且受到的減弱效應小，使得曲線波動得到放大。0.5與1.0輥型蜂窩在結構接觸力近似的情況下，輪輞反力數(shù)值在各階段均低于2.0輥型蜂窩，證明其具有優(yōu)異的結構強度與穩(wěn)定性。由于局部應力超過胞元壁與附翼的彈塑性屈曲極限，導致胞元壁出現(xiàn)坍塌連鎖效應，應力激波傳播方向改變，使得2.0輥型蜂窩結構接觸力曲線在0.4時出現(xiàn)大幅驟降與劇烈波動。輥型六角蜂窩橫向參與變形胞元少且變形關聯(lián)不密切，以至于應力激波反射次數(shù)頻率高，應力激波傳播方向固定。因此輥型六角蜂窩輪輞反力與結構接觸力曲線波動頻率高，但波動周期與幅度變化較小。隨著第一結構層的胞元進入壓實，應力激波反射行程縮短，曲線在0.35后波動周期與幅值均明顯增大。輥型六角蜂窩的輪輞反力大于輥型雙V蜂窩，而結構接觸力卻大幅小于輥型雙V蜂窩。在相同沖擊強度需求下，使用輥型六角蜂窩的進料輥比使用輥型雙V蜂窩的進料輥，需要整體匹配更高強度的法蘭與進料輥液壓驅動系統(tǒng)。

圖7 輥型蜂窩總加速度與速度響應曲線

Figure 7 The response curves of roller honeycombs for total acceleration and velocity

圖7（a），7（b）分別給出輥型蜂窩的總加速度與總速度的響應曲線。此項參數(shù)反映出各輥型蜂窩在低速沖擊下的結構穩(wěn)定性?？梢钥闯觯佇头涓C受應力激波與胞元彈塑性變形不同步的影響，加速度與速度曲線產(chǎn)生波動。輥型蜂窩總加速度與速度曲線變化受單位胞元變形行為的共同影響。0.5、1.0和2.0蜂窩總胞元數(shù)分分別為72、24和8，輥型六角蜂窩規(guī)則胞元、完整胞元（不包含外側不完整胞元）與總胞元數(shù)分別為24、36和48。0.5和1.0蜂窩單位胞元速度與加速度數(shù)值遠低于2.0蜂窩，且0.5蜂窩單胞元數(shù)值最小，結構最穩(wěn)定。因此，輥型雙V蜂窩胞元密度越大，總胞元數(shù)越多，單位胞元速度與加速度越小且趨勢平穩(wěn)，輥型雙V蜂窩結構的結構穩(wěn)定性越強。輥型六角蜂窩胞元尺寸和胞元數(shù)量與1.0蜂窩相似，但結構總加速度與速度遠遠高于輥型雙V蜂窩，曲線受應力激波的影響波動劇烈。在相同沖擊條件下，輥型雙V蜂窩的結構穩(wěn)定性遠遠高于輥型六角蜂窩。輥型六角蜂窩在實際應用中需要匹配更高強度的部件和更多的設計余量為增強結構穩(wěn)定性。

2.4 輥型蜂窩位移結構效率評價指標

輥型蜂窩位移性能效率數(shù)值結果圖如圖8。文中提出結構效率評估系數(shù)，分為位移性能效率與體積性能效率，分別表示輥型蜂窩在單位位移或者單位體積下產(chǎn)生的應力與吸能量，衡量輥型蜂窩的經(jīng)濟-性能間的平衡與效能。位移性能效率對應各性能的參數(shù)，分別記為ED-Equivalent stress（ED-E），ED-Normal stress（ED-N），ED-Shear stress（ED-S）與ED-Energy absorption (ED-W）。位移性能效率計算于50%壓縮比區(qū)間前的輥型蜂窩性能結果最大值與各壓縮位移的比值?？梢园l(fā)現(xiàn)各輥型雙V蜂窩結構位移性能效率數(shù)值接近，即相同厚寬比的輥型蜂窩在單位位移下具有近似的力學性能，進一步驗證了輥型蜂窩的等效關系。輥型雙V蜂窩位移力學效率變化趨勢隨增大而減小，吸能量隨增大而增加。相同應變下，低的蜂窩參與變形的胞元數(shù)量多，負泊松比增強效應更強，應力平臺高且長，所以應力表現(xiàn)優(yōu)異。但單個胞元的塑性變形幅度遠小于高的蜂窩，吸能平臺較低，吸能量較少。輥型六角蜂窩由于缺少負泊松比增強效應與大尺寸塑性變形胞元，單位位移下的應力與吸能量均低于各輥型雙V蜂窩。此外，結合上述的位移性能效率數(shù)值變化，可以發(fā)現(xiàn)輥型雙V蜂窩參數(shù)與位移吸能效率數(shù)值存在非線性規(guī)律。輥型六角蜂窩的壁厚較薄，其體積與0.5蜂窩較為接近并遠小于1.0和2.0蜂窩。是輥型雙V蜂窩結構的主要參數(shù)和等效關系的成立基礎變量。根據(jù)輥型雙V蜂窩結構的等效關系與理論模型，其性能指標與厚寬比有關，可以用的多項式擬合表示。由于與厚寬比直接相關，因此確定為擬合曲線的自變量，輥型雙V蜂窩結構的位移效率擬合曲線分別為ED-E、ED-N、ED-S和ED-W：

ED-E()=—0.013 7462+0.014 920—0.185 726 （10）

ED-N()=0.018 9002—0.048 350—0.173 510 （11）

ED-S()=0.009 3332—0.038 000—0.103 667 （12）

ED-W()=278 7.262—240 3.22+336 5.98 （13）

2.5 輥型蜂窩體積結構效率評價指標

位移性能效率對應各性能的參數(shù)，分別記為EV-Equivalent stress (EV-E)，EV-Normal stress (EV-N)，EV-Shear stress (EV-S)與EV-Energy absorption (EV-W)，如圖9。體積性能效率計算于50%壓縮比區(qū)間前的輥型蜂窩性能結果最大值與各輥型蜂窩體積的比值。輥型雙V蜂窩力學、吸能量分別隨的增大而減小、增大的趨勢更加明顯。而輥型六角蜂窩具有更小的體積，與輥型雙V蜂窩的體積性能效率差距縮小，并在EV-S中超過了2.0蜂窩。0.5蜂窩具有最優(yōu)異的體積力學效率，2.0具有最佳的體積吸能效率，1.0兼顧有最均衡的體積力學與吸能效率特性，而輥型六角蜂窩的體積性能效率較低。相同性能條件或質量要求下，輥型雙V蜂窩性能表現(xiàn)與經(jīng)濟性均優(yōu)于輥型六角蜂窩。為了探究等效輥型蜂窩體積效率的數(shù)學規(guī)律，得到R=1的擬合曲線EV-E、EV-N、EV-S和EV-W：

EV-E()=—0.260 6672—0.111 000+0.173 510 （14）

EV-N()=0.440 0002—1.420000+4.190 000 （15）

EV-S()=0.813 3332—3.040 000+3.806 667 （16）

EV-W()=53.573 3332—46.360 000+76.416 667（17）

圖8 輥型蜂窩位移性能效率數(shù)值結果

Figure 8 The displacement-performance efficiency of roller honeycombs

圖9 輥型蜂窩體積性能效率數(shù)值效果

Figure 9 The volume-performance efficiency of roller honeycombs

3 討論與結論

針對機械化采伐作業(yè)中減少木材損傷的問題，提出一種基于輥型雙V蜂窩結構的進料輥。結合相關的數(shù)學公式，推導出了輥型雙V蜂窩結構的動態(tài)沖擊模型，并通過有限元仿真結果得到了驗證。對伐木工況低速沖擊下輥型蜂窩的力學與吸能特性、動態(tài)響應、結構穩(wěn)定性和結構效率等應用技術指標進行探究，并引入不同結構的輥型六角蜂窩進行參照對比。根據(jù)數(shù)值計算的結果與討論，得出如下結論：

（1）提出結構效率評估系數(shù)概念，分為位移性能效率與體積性能效率，衡量輥型蜂窩的經(jīng)濟-性能間的平衡與效能。位移性能效率數(shù)值驗證相同厚寬比的輥型雙V蜂窩在單位壓縮量下具有近似的力學性能，位移效率和體積效率數(shù)值與蜂窩結構參數(shù)存在非線性規(guī)律并得到擬合表達式，以預測等效關系下輥型蜂窩的力學吸能能力。相同性能條件、位移或質量要求下，輥型雙V蜂窩性能表現(xiàn)與經(jīng)濟性均優(yōu)于輥型六角蜂窩。

（2）輥型雙V蜂窩結構得益于負泊松比增強效應，具有幾倍于輥型六角蜂窩的力學性能與能量吸收表現(xiàn)、更穩(wěn)定的力學吸能曲線、更長的彈塑性平臺和更晚的壓實區(qū)間。輥型六角蜂窩受沖擊產(chǎn)生壓縮-膨脹現(xiàn)象，胞元在水平方向上向外擴散，胞元層級間無負泊松比增強效應、胞元數(shù)量少和胞元變形幅度小，進而導致應力與吸能量表現(xiàn)弱于輥型雙V蜂窩。輥型雙V蜂窩結構受壓后產(chǎn)生的負泊松比效應，在增大接觸面積的同時，單位面積內(nèi)的壓力和動力沖擊都會減少，從而減少原木損傷。

（3）輥型蜂窩壓縮過程中的輪輞反力與結構接觸力得到了量化。根據(jù)數(shù)值趨勢，輥型蜂窩結構的輪輞反力隨著胞元密度的增大，輪輞反力曲線波動周期逐漸減小，幅值逐漸增大。受應力激波反射層面與方向的影響，隨胞元密度的減小，輥型蜂窩胞元更易出現(xiàn)坍塌連鎖效應，導致結構接觸力產(chǎn)生波動與接觸力驟降。輥型六角蜂窩輪輞反力與結構接觸力曲線波動頻率高、波動周期與幅度變化較小，且波動周期與幅值隨應變增大而變化劇增。

（4）輥型雙V蜂窩總加速度與速度響應相受單個胞元變形行為的共同影響。蜂窩胞元密度越大，胞元數(shù)越多，單位胞元速度與加速度越小且趨勢平穩(wěn)，輥型雙V蜂窩結構的結構穩(wěn)定性越強。輥型六角蜂窩結構總加速度與速度遠遠高于輥型雙V蜂窩，曲線波動劇烈。在相同沖擊條件下，輥型雙V蜂窩的結構穩(wěn)定性遠遠高于輥型六角蜂窩。

對于本研究，動態(tài)沖擊模型可以為輥型雙V蜂窩結構的結構設計、關鍵參數(shù)選擇策略和預測性能提供新思路與方法。相關的結果與討論可用于選擇符合伐木工況的最佳蜂窩結構，從而減少進料輥與原木的損傷，提高機械化伐木的生產(chǎn)效率。

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Analyses on key techniques and application performance of honeycomb feeding roller for forest combine harvester

QU Yunfei1,2, WANG Dian1,2, ZHU Xuchen1,2

(1. School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 10083;2. Key Laboratory of Forestry Equipment and Automation of State Forestry and Grassland Bureau, Beijing 100083)

Aiming at solving the problem of reducing wood damage in mechanized cutting operation, the Roller Honeycomb Feeding Roller (RHFR) was proposed. Combined with the relevant mathematical formulas, the dynamic impact model of Roller Double V-Wings Honeycomb (RDWH) was derived and verified by the finite element simulation numerical results. The mechanical and energy absorption characteristics, dynamic response, structural stability and structural efficiency of roller honeycomb under low speed impact under logging conditions were studied, and different shaped Roller Hexagonal Honeycomb (RHH) were investigated for reference. The RDWH, benefiting from the Negative Poisson's Ratio enhancement phenomenon in deformation, possessed higher structural efficiency, stronger impact resistance, better structural stability and larger contact area. When the impact of RDWH reached to0.3, all the stress indexes can meet the requirements of cutting conditions under 1 600 kg. This provided an important reference for mechanized application of honeycomb feeding roller and reducing log damage.

forest harvester; feeding roller; agricultural and forestry machinery; damage to logs

S776.3

A

1672-352X (2021)03-0496-08

10.13610/j.cnki.1672-352x.20210706.010

2021-7-7 10:35:16

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1162.S.20210706.1642.020.html

2020-10-20

國家重點研發(fā)計劃“戰(zhàn)略性國際科技創(chuàng)新合作”重點專項（2016YFE0203400）和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（2016ZCQ08）共同資助。

曲云飛，碩士研究生。E-mail：quyunfei95@bjfu.edu.cn

王 典，博士，副教授。E-mail：wangdian@bjfu.edu.cn