輕型遙控人工林集材廊道運(yùn)行穩(wěn)定性分析

輕型遙控人工林集材廊道運(yùn)行穩(wěn)定性分析

目前，我國南方快速生產(chǎn)林已進(jìn)入輪伐期，在輪伐期之前2和3a是已成熟林的輪伐期。南方林區(qū)地形復(fù)雜,伐區(qū)面積小,單株材積少且分散,使間伐集材作業(yè)十分困難。長期以來依靠手工勞動,生產(chǎn)效率低,作業(yè)成本高,導(dǎo)致經(jīng)營者對人工林間伐的積極性不高,影響后續(xù)林木的成長。為實(shí)現(xiàn)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,提高林業(yè)采伐機(jī)械化水平,降低作業(yè)成本,福建農(nóng)林大學(xué)研制了輕型遙控集材索道,在福建10余個縣、市的人工林伐區(qū)推廣應(yīng)用。生產(chǎn)實(shí)踐證明,輕型遙控索道集材省工省力,操作安全高效,生產(chǎn)效率高,生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。輕型遙控集材索道是森工行業(yè)公認(rèn)的具有高技術(shù)性能的人工林集材索道,與傳統(tǒng)的天然林集材索道相比,具有索系簡單、安裝與拆卸方便、自動化程度高等特點(diǎn),在南方人工林伐區(qū)得到廣泛應(yīng)用。輕型遙控集材索道在生產(chǎn)實(shí)踐中,常發(fā)生牽引索在絞盤機(jī)摩擦卷筒上打滑的現(xiàn)象,跑車卷筒制動失效、吊運(yùn)木材下落等問題。本研究針對輕型遙控集材索道在人工林間伐集材作業(yè)中存在的問題,分析索道在起重提升和運(yùn)行工序中的力學(xué)問題,對索道技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,提出輕型遙控集材索道安裝架設(shè)科學(xué)合理、營運(yùn)經(jīng)濟(jì)高效及安全可靠的索道線路設(shè)計方案。1收入設(shè)計及方法圖1為索道簡圖,虛線部分為不設(shè)配重索道?？梢?它在起重提升作業(yè)工序中由一條承載索和一條閉式牽引索以及一條跑車自帶的起重索及其關(guān)聯(lián)配置的帶摩擦卷筒絞盤機(jī)、遙控跑車組成Ⅲ索43型索道。在運(yùn)行工序中,跑車起重索不參加工作,又可視為Ⅱ索3型索道。這種索道為跨距小于500m的短距離臨時性集材索道。在索道牽引索設(shè)計上,若采用傳統(tǒng)的“封閉環(huán)形圈”計算理論,則需預(yù)設(shè)初張撓度系數(shù)S0,通過反復(fù)調(diào)整S0,最后使?fàn)恳鞯陌惭b拉力T0接近真值。這種索道設(shè)計繁瑣,而且S0的調(diào)整難度大。通過建立聯(lián)立方程(1),即可簡化牽引索的設(shè)計。式中:T1、T2為牽引索緊邊、松邊拉力(N);Tf1、Tf2為牽引索緊邊、松邊阻力(N);K為免滑安全系數(shù),K=1.2;e為自然對數(shù)的底;μ為鋼索在卷筒上的摩擦系數(shù),μ=0.1;θ為牽引索在摩擦卷筒上的包角,θ=5π。將閉合牽引索視為被跑車和絞盤機(jī)分割開的3條無荷懸索,用懸索拋物線理論進(jìn)行閉式牽引索設(shè)計,使?fàn)恳鞯陌惭b架設(shè)一次性完成。這種索道的特點(diǎn)是松邊不設(shè)配重,處于跑車和下支點(diǎn)一側(cè)的牽引索稱為松邊,處于跑車和上支點(diǎn)一側(cè),以及上支點(diǎn)到絞盤機(jī)的牽引索稱為緊邊。由于線路上有兩個摩擦卷筒工作,其力學(xué)條件復(fù)雜。2重點(diǎn)提升工藝中的力學(xué)分析2.1ad跨道道系統(tǒng)輕型遙控集材索道幾何模型如圖2所示。原始狀態(tài)的牽引索從圖中可以看出:由跑車D到上支點(diǎn)B的DB單跨索道;由上支點(diǎn)B到絞盤機(jī)C的BC單跨索道;由下支點(diǎn)A到跑車D的AD單跨索道。當(dāng)索道工作時,這3條索道又形成一個閉合工作系統(tǒng)。根據(jù)摩擦卷筒傳動理論,又可將AD索道稱為松邊,將DB、BC索道稱為緊邊。此時BC索道的安裝拉力T′01視為緊邊初始拉力T′1,AD索道的安裝拉力T′02視為松邊初始拉力T′2。2.2b持續(xù)開啟絞盤機(jī)時,db、bc金索在卷筒上的滑動最不利工況,出現(xiàn)在起重提升的“臨界點(diǎn)”,以及大傾角逆坡或順坡重載運(yùn)行接近上支點(diǎn)或下支點(diǎn)的工序環(huán)節(jié)中?！芭R界點(diǎn)”就是起重提升重物時,跑車上的摩擦卷筒制動的那一刻。此時,若持續(xù)開動絞盤機(jī),則將導(dǎo)致牽引索在絞盤機(jī)摩擦卷筒上打滑。起重提升“臨界點(diǎn)”的出現(xiàn),DB、BC索道的張力增加到最大,此時索道的撓度系數(shù)最小,曲線長度最小。與初張狀態(tài)的牽引索相比,緊邊有T1>T′01,S0<S′01,L1<L01。由于緊邊減少的索長通過絞盤機(jī)補(bǔ)充到松邊,于是有T2<T′02,S02>S′02,L02>L′02。公式(1)的第三列方程可轉(zhuǎn)化為牽引索免滑檢驗(yàn)條件:T2≥K·T1/eμθ(2)通過(2)式鑒定“臨界點(diǎn)”。2.3集材索“臨界”穩(wěn)定性檢驗(yàn)?zāi)橙斯ち址^(qū)集材索道水平距l(xiāng)0=350m,傾角α=10°,跑車重量P1=1500N,跑車起重增力比i=2.3,起重傳動效率η=0.9,起重沖擊荷載系數(shù)k=1.5,牽引索運(yùn)行阻力系數(shù)f0=0.01,吊運(yùn)木材重量P2=5000N,承載索規(guī)格φ(直徑)=9.3mm。計算各線路區(qū)段張力,并檢驗(yàn)不打滑條件。采用文獻(xiàn)的算法,結(jié)果列于表1。可以看出:將T1、T2代入式(2)計算得出,該集材索道“臨界點(diǎn)”出現(xiàn)在k′=0.5處。分析T1和T2的數(shù)值可以看出,起重提升拉力(緊邊拉力)T1全線變化不大,越靠下支點(diǎn)區(qū)域趨向略大,松邊拉力T2則由上支點(diǎn)向下支點(diǎn)明顯減少,到“臨界點(diǎn)”區(qū)域后急劇減少,牽引索打滑。3在重復(fù)使用的過程中分析力學(xué)3.1不同跨距和跨距試驗(yàn)由懸索理論可知,跑車接近上支點(diǎn)時升角最大,認(rèn)為是牽引索工作的最不利條件。由于牽引索拉力的劇增,跑車行輪對承載索磨損加劇,工程上規(guī)定距上支點(diǎn)一定距離為防磨段,水平距l(xiāng)0>200m的索道防磨段應(yīng)取20～30m。索道升角與承載索撓度成正比例關(guān)系,即跑車載重越大,荷重?fù)隙仍黾?跑車運(yùn)行升角成正比例增加。表2列出不同傾角,不同跨距條件下,當(dāng)設(shè)計荷重P=6500N,承載索荷重?fù)隙认禂?shù)S1=0.05,承載索規(guī)格為φ=18.5mm時,跑車接近上支點(diǎn)處的升角?？芍?1.3的計算實(shí)例中,索道升角γ≈24.7°,相對于索道傾角α=10°,約增大1.5倍,索道系統(tǒng)的工作條件最不利。3.2相關(guān)系數(shù)的tp、tr1和tq1根據(jù)輕型遙控集材索道工作原理,當(dāng)系統(tǒng)處于載重運(yùn)行時,跑車上的夾索板解除對承載索的夾持,同時跑車上的摩擦卷筒處于制動狀態(tài),牽引索的運(yùn)行即可帶動跑車沿承載索運(yùn)行。此時,由公式(1)中的第一列方程可知牽引索緊邊拉力T1,主要取決于Tf1的大小。牽引索運(yùn)行阻力Tf1由下式給出:Tf1=TP+TR1+Ta1-Tq1。(3)式中:TP為因線路升角產(chǎn)生的阻力(N);TP=P(sinγ+f0cosγ),其中f0為跑車運(yùn)行阻力系數(shù),f0=0.01;TR1為緊邊運(yùn)動阻力(N);TR1=(TP+P3)f1,其中P3為牽引索自重分力(N),f1為緊邊運(yùn)行綜合阻力系數(shù),f1=0.1;Ta1為緊邊慣性阻力(N);Ta1=0.1a(P+P3),其中a為運(yùn)動加、減速度,a=0.32m/s2;Tq1為緊邊自重分力(N),Tq1=P3。在式(3)中,TP是引起牽引索拉力變化的主要因素,而升角γ是TP的主要影響因素。在表2中,索道傾角α=10°的條件下,在跑車重載運(yùn)行接近上支點(diǎn)時,產(chǎn)生的升角γ=24.7°,為索道傾角的1.5倍。這種增量,反映到跑車摩擦卷筒上,引起外載力矩成倍增加,從而降低卷筒制動器工作的安全可靠性。我國對于類似作業(yè)的制動安全系數(shù)β規(guī)定的推薦值為β=1.75。PY-1輕型遙控跑車制動器引自7Y-1型農(nóng)林兩用運(yùn)輸車,按閩Q/LY119—79規(guī)定,其技術(shù)性能滿足荷載10000N,在坡度為12%(11°)的干硬路面上無駕駛員控制停車時間不少于10min。當(dāng)輕型遙控集材索道升角接近28%(24.7°)時,明顯超出此安全技術(shù)指標(biāo)。對于重載逆坡上行的跑車,其制動器在跑車接近上支點(diǎn)的工況下不能滿足制動要求,導(dǎo)致制動失效、吊運(yùn)木下落。3.3不同加速度條件下ta1的分值變化此工序是跑車處于不斷加速下滑運(yùn)行的過程,其特點(diǎn)是高速中的控速滑行。當(dāng)跑車接近索道最低點(diǎn)時,滑行速度趨向最大。在式(1)第一列方程中,Tf1為負(fù)值,在公式(3)中,除Tq1為正值外,其余各項(xiàng)皆為負(fù)值,其TP、TR1的絕對值變化不大;由于跑車高速(3～7m/s)下行時加速度增大,慣性力增大,導(dǎo)致Ta1的絕對值變化很大,a值范圍在0.5～1m/s2。在此條件下若突然控速,或吊運(yùn)木材中途受卡阻,對牽引索造成的沖擊振蕩,導(dǎo)致跑車卷筒的外載力矩瞬間增加,增加的力矩甚至比逆坡上行載重接近上支點(diǎn)時更大、更突然,破壞性更大。4材料走廊規(guī)劃4.1線路設(shè)計方案線路設(shè)計的前提是在對線路勘察、測量的同時,應(yīng)對整個作業(yè)區(qū)的地形、地物和吊運(yùn)資源進(jìn)行踏查,特別留意松邊線路有否安裝配重的立木和線路凈空。線路設(shè)計方案如表3所示?？芍?前二項(xiàng)是最簡單的無配重設(shè)計。但最終采用何種設(shè)計方案,要按前述的設(shè)計原則和木材吊運(yùn)要求、伐區(qū)施工難度進(jìn)行分析比較,擇其佳者。4.2配重重量g的確定有配重設(shè)置的輕型遙控集材索道如圖1中實(shí)線所示。在松邊段設(shè)置一個張緊重錘,重錘下有一定的凈空。通過重錘的升降,使松邊保持各種工況所需要的T2值,以免牽引索在絞盤機(jī)摩擦卷筒上打滑。配重重量(G)計算:T2=G/(2sin(θ/2))。(4)式中:θ為張緊索在滑車上的包角,在不打滑(松邊最小張力)條件下,θ的最大值為180°,則有:G=2T2。(5)張緊重錘滑輪的選用,由于牽引索在配重滑輪上的包角較大,為減小牽引索的彎曲應(yīng)力,滑輪直徑D應(yīng)選大些。據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),選用HD30林業(yè)滑車是適宜的,其滑輪直徑為202mm,滿足D≥(16-20)ds(式中ds為牽引索直徑,取ds=9.3～12.5mm)的要求。4.3擴(kuò)大適用范圍通過上述分析,大傾角索道設(shè)計是不利于安全生產(chǎn)的,一些索道類型為了體現(xiàn)其先進(jìn)性,只尋求索道的適應(yīng)傾角,以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,這是沒有科學(xué)依據(jù)的。例如,SJ-0.4/2輕型遙控集材索道的技術(shù)參數(shù)中適宜傾角α≤±30°,人工林集材索道生產(chǎn)實(shí)踐證明,適宜傾角下調(diào)為α≤15°較為合理。重車下行的超重、超速問題是導(dǎo)致載重運(yùn)行吊運(yùn)木材下落的主要原因。所以,對于遙控跑車集材索道還要制定禁止超重、超速運(yùn)載的規(guī)則,以利安全生產(chǎn)。5大坡度順坡道路運(yùn)動材的變形特點(diǎn)分析輕型遙控集材索道在人工林伐區(qū)生產(chǎn)實(shí)踐中常發(fā)生以下問題:靠近下支點(diǎn)區(qū)域段起重提升時出現(xiàn)牽引索在絞盤機(jī)摩擦卷筒上打滑;在大坡度逆坡集材重載運(yùn)行時,跑車接近上支點(diǎn),以