多功能轮式集材机关键参数优选与作业装置设计及试验研究

摘要

伐区作业是木材生产的首要阶段，其作业质量好坏，直接影响木材生产的森林生态效益和社会经济效益。而集材作业是伐区作业各工序中劳动消耗最大、对环境破坏最严重的工序。可以说集材作业是木材生产最关键工序之一。随着人们对森林生态效益的重视和国有森工企业木材产量的下降，传统的大型集材拖拉机（如J-50、J-80）已不适用于当今作业地点分散、坡度大、林木稀疏、公顷集材量和单株立木出材量均较低的林区作业条件，同时畜力集材与林区生产实际之间的矛盾日趋严重。因此，急需探索新型的更适合林区生产实际的灵活、环保的多功能集材机械。
　　本文致力于研究这样一种适合林区生产实际且对林区生态环境破坏小的高效低耗的生态型多功能集材机。这种集材机集木材绞集、装卸、清障和修简易路等多功能于一体，具有外形尺寸小，转弯灵活，爬坡能力强等特点，不用修建集材道，可在林间穿行，能很好的保护幼树，对地表土壤破坏小，有很好的生态效益。同时，可以提高生产效率，降低生产成本，有较好的经济效益。此外，在非集材作业期还可用于采伐迹地的清理、整地、营林等多项作业，真正实现一机多用。
　　首先，本文介绍了集材机械的发展，阐述了传统集材机存在的问题，对多功能轮式集材机的关键参数作了分类概述，确定了多功能轮式集材机关键参数选择原则。依据黑龙江省和吉林省森林工业综合统计资料汇编，并结合东北林区实际调查情况，采用多目标优化方法建立关键参数优化设计数学模型，对所选取的关键参数进行优化，确定其最佳组合，并制定技术指标和设计方案。其次，按照优选的关键参数进行改装样机的选型及多功能作业装置的设计加工及安装。包括原木抓具、绞盘机和搭载板的设计加工及安装。然后采用多体系统动力学仿真软件ADAMS对装车和集材两种工况进行仿真，分析出这两种工况最易发生倾翻的临界角度，同时完成倾翻报警装置的设计及编程。在动力学分析过程中，发现如果对原有的集材装置添加阻尼和铰接，有减小集材作业中侧翻的可能。随后在吉林森工集团临江林业局大西林场进行的集材、装车以及清障作业等试验。对多功能集材机集材作业成本进行了估算，分析了多功能集材机集材作业对土壤紧实度、对土壤呼吸、对土壤理化性质的影响以及对保留木的损伤情况。最后，把各项实测的指标进行综合分析，并与以前研究的小型履带式集材机、小型轮式集材机以及传统的J-50集材机进行对比，针对于试验中发现的问题提出意见和建议。
　　本文研究结果归纳如下:
　　(1)通过实地调查获取关键参数选取的基本数据，然后依据理论模型计算多功能轮式集材机的关键参数。在此基础上，采用多目标优化方法建立关键参数优化设计数学模型，对所选取的关键参数进行优化，确定本文所研究多功能轮式集材机关键参数的最佳组合。
　　(2)确定了木材抓具、绞盘机、搭载板的结构参数及性能参数，完成了木材抓具、绞盘机、搭载板的结构设计及强度校核，并对液压系统进行了相应的改造。
　　(3)利用多体系统动力学仿真软件ADAMS对多功能轮式集材机的装车作业和集材作业稳定性进行仿真分析，得出装车作业前倾危险角度为21°，集材作业侧倾危险角度为19.5°。并完成了倾翻报警装置的硬件设计及编程。
　　(4)通过对多功能轮式集材机的生产试验，定量分析了集材装载机的集材与装车效率和集材与装车生产率。平均集材效率与装车效率分别为7m3·h-1和16.45 m3·h-1，集材生产率与装车生产率分别为29.62 m3/台班和56.2 m3/台班。本次试验的数据表明所研究的多功能集材机能够较好地适应东北林区复杂多变的木材生产作业条件，集材与装车生产率较高，对土壤理化性质及土壤呼吸影响不是很严重，且对保留木损伤率较低，能够满足林区作业要求并能够较好的保护森林环境。
　　(5)把多功能轮式集材机与小型轮式和履带集材机以及传统的J-50集材机进行了集材作业对比分析。结果表明，多功能轮式集材机、小型轮式和履带集材机的集材效率均随集材距离和集材时间的增加而降低。随着趟载量的增加，集材效率的变化不明显;与J-50集材拖拉机相比，多功能集材机在集材地点分散、待集木材少、趟载量较小的情况下，更适合当前东北林区集材作业，对保留木损伤更小，能够有效保护森林生态环境。
　　(6)针对集材装置存在的不足，进行了改进和仿真，并进行对比。把原来设计的集材装置与车体刚性连接改为铰接，从扭矩对比图来看，铰接方式的扭矩T2明显比刚性连接方式的扭矩T1增大变缓，改进后的铰接方式，使发生滑移危险的几率减少18.5％，使发生侧倾危险的几率减少19.2％。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究的目的和意义

1．2 课题来源

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 研究内容

1．5 研究技术路线

2 多功能轮式集材机选型

2．1 多功能轮式集材机选型的原则与方法

2．1．1 关键参数概述

2．1．2 关键参数选择原则

2．1．3 关键参数选择方法

2．2 多功能轮式集材机关键参数的选取

2．2．1 基于调查数据的关键参数选取

2．2．2 基于理论计算的关键参数选取

2．3 多功能轮式集材机关键参数的优化

2．3．1 多功能轮式集材机关键参数优化模型的目标函数

2．3．2 多功能轮式集材机关键参数优化模型的设计变量

2．3．3 多功能轮式集材机关键参数优化模型的约束条件

2．3．4 多功能轮式集材机关键参数优化模型的优化策略及方法

2．3．5 多功能轮式集材机关键参数的优化结果

2．4 改造样机的选择

2．5 本章小结

3 多功能轮式集材机作业装置的结构设计及校核

3．1 木材抓具的设计及校核

3．1．1 木材抓具设计

3．1．2 木材抓具强度校核

3．2 液压绞盘机的选型及校核

3．2．1 液压绞盘机外形尺寸的初选

3．2．2 钢丝绳的选择

3．2．3 卷筒参数的计算

3．2．4 液压马达的选型

3．2．5 液压绞盘机型号的确定

3．2．6 液压绞盘机卷筒强度校核

3．3 搭载板的设计及校核

3．3．1 搭载板的设计要求

3．3．2 搭载板结构参数设计

3．3．3 搭载板强度校核

3．4 作业装置液压原理

3．5 本章小结

4 多功能轮式集材机作业稳定性仿真及倾翻报警装置设计

4．1 多功能轮式集材机作业稳定性仿真及分析

4．1．1 ADAMS多体动力学解算理论

4．1．2 实体三维建模

4．1．3 仿真与分析

4．2 倾翻报警装置的设计及功能说明

4．2．1 倾翻报警装置基本功能

4．2．2 倾翻报警装置的硬件组成

4．2．3 倾翻报警装置硬件功能和原理

4．2．4 编写程序

4．3 本章小结

5 多功能轮式集材机生产效率试验

5．1 试验样地概况

5．2 集材效率试验及分析

5．2．1 研究方法

5．2．2 结果分析

5．2．3 结语

5．3 原木装车效率试验及分析

5．3．1 研究方法

5．3．2 结果分析

5．3．3 结语

5．4 集材作业成本分析

5．5 伐区清障试验

5．6 本章小结

6 多功能轮式集材机集材作业对土壤理化性质影响及保留木损伤分析

6．1 集材作业对土壤紧实度的影响

6．1．1 研究方法

6．1．2 结果分析

6．1．3 结语

6．2 集材作业对土壤理化性质的影响

6．2．1 研究方法

6．2．2 结果分析

6．2．3 结语

6．3 集材作业对林地土壤呼吸的影响

6．3．1 研究方法

6．3．2 结果分析

6．3．3 结语

6．4 集材作业对保留木损伤分析

6．4．1 保留木损伤调查

6．4．2 损伤保留木布局

6．4．3 保留木损伤形式

6．4．4 保留木损伤率

6．5 本章小结

7 多功能轮式集材机与其他集材机对比分析及结构改进

7．1 多功能轮式集材机与小型轮式及小型履带集材机对比分析

7．1．1 技术参数对比

7．1．2 集材效率比较

7．2 多功能轮式集材机与J-50集材机对比分析

7．2．1 集材效率对比分析

7．2．2 对保留木损伤的对比分析

7．3 多功能轮式集材机集材装置的结构改进及仿真

7．3．1 多功能轮式集材机集材装置的改进

7．3．2 集材装置改进后的仿真分析

7．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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