基于层次分析法的小型多功能集材机主参数的优化选择1)

鲍震宇 王立海

(东北林业大学，哈尔滨,150040) (森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学))

基于层次分析法的小型多功能集材机主参数的优化选择1)

鲍震宇 王立海

(东北林业大学，哈尔滨,150040) (森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学))

为研究新的小型多功能集材机的主参数，运用层次分析法进行优化选择。在林区调查和采集了作业对象和作业环境的数据，然后对集材机作业进行受力分析，计算出主参数的参考值；运用层次分析法建立了层次模型和判断矩阵，从而对主参数的参考值进行优选。最后，初步选定了集材机主参数，包括牵引力36～40 kN、功率45～55 kW、速度范围1.8～42 km/h、运载量2.1～2.5 m3/次、自质量4 000～4 500 kg、额定装载量1 500～1 800 kg、最大插入力6.2～6.7 kN、推土量0.30 m3、卸载高度3.2 m。

集材机；主参数；优化选择；层次分析法

Skidder; Main parameters; Optimal selection; Analytic hierarchy process (AHP)

由于历史与现实的原因，我国森林资源情况发生了很大变化，也带来森林作业条件的变化。对于集材作业而言，这些变化体现在林木蓄积量低、出材量低、集材距离大、集材坡度大等方面[1]。

传统集材机由于自质量和体积很大，会造成林地地表土壤压实，不利于森林更新，带来水土流失等问题，而且在行驶过程中还会对立木造成损伤。此外，传统集材机价格昂贵，功能单一，已不能适应林区的生产作业要求[2]。

笔者研究一种小型多功能集材机主参数的优化选择。这种集材机具有小型化的特点，体积小，质量轻，转弯灵活。同时，这种集材机的牵引力大，能集运大径级木材，具有较好的经济效益和生态效益。在具有集材牵引的功能以外，这种小型多功能轮式集材机还兼具装载、推土等功能，实现一机多用。

1 主参数概述

本研究拟设计的多功能集材机属于小型轮式半载集材机，装载方式为前卸式装载。小型多功能轮式集材机的结构如图1所示。

1.前轮；2.车架；3.后轮；4.柴油机；5.绞集装置；6.驾驶室；7.液压缸；8.动臂；9.铲斗/抓具。

图1 小型多功能轮式集材机的结构示意图

这种小型多功能轮式集材机的底盘是由柴油机驱动的液力机械传动系统，前部为液压驱动的前端装载工作结构，后部为绞集木材的绞集装置和搭载装置，中部为驾驶室。

多功能集材机的主参数分为基本参数、装载参数和推土参数。基本参数包括外形尺寸、最小工作质量、额定功率、行驶速度、额定牵引力、运载量，装载参数包括额定装载量和卸载高度，推土参数包括最大插入力和推土量[3-4]。

选择集材机主参数的依据主要有两个，一个是集材机的作业对象，另一个是集材机的作业环境。作业对象就是伐区的木材资源，具体指立木蓄积量、立木径级、单株立木材积等，其中对主参数选择影响最重要的是原条材积。作业环境是指林地的自然因素，即地形地貌、地势、坡度、林区道路条件和特点等[5]。

2 林区调查与数据采集

林区调查和数据测量实验在黑龙江省带岭林业局东方红林场和吉林省临江林业局大西林场进行。所在伐区均为成熟林，树种为云杉、胡桃楸、曲柳等。测量实验所需的仪器有卷尺、胸径尺、测高仪等。

实验测量了林区的原条材积，其频率分布如表1所示，可知集材机的作业对象情况。由原条数据计算得到原条的平均材积为0.466 m3，平均质量为558 kg。

表1 原条材积的频率分布表

根据实验结果，小型集材机原条集材的运载量普遍在0.7 m3/次以上，而且集材中可以通过拼凑达到1.0、1.4、1.8、2.2、2.6 m3/次。

此外，实验还测量了林区现有集材道的宽度、坡度以及立木间隙，用来说明集材机的作业环境，为主参数参考值的计算和选择提供依据。

3 主参数参考值的计算

3.1 基本参数和集材参数参考值计算

多功能集材机的运载量参考值可根据林区的原条材积情况获得，其他参数的参考值需要根据受力分析进行计算。

根据林区现有集材道的宽度和立木间隙，从有利于通行和保护林木的角度出发，初步选择集材机外形尺寸的参考值为5 500 mm(长)×1 800 mm(宽)×2 700 mm(高)。

集材机的最小工作质量要保证集材机正常行使，也就是要满足不打滑的条件，即地面附着力要大于集材机牵引力[6]，由此可以得到集材机最小工作质量参考值(Gm)的计算公式：

(1)

式中：K为原条悬空系数；μw为原条在集材道上被拖拽的阻力系数；μm为拖拉机的运行阻力系数；μc为拖拉机集材的附着系数；W为木捆质量。

集材机的牵引力由受力分析确定。如图2所示，集材机牵引力为集材机的摩擦力(Fm)和原条的摩擦力(Fw)之和[7]。因此集材机牵引力(Ft)：

Ft=Fm+Fw=(Gm+KW)g(μmcosα±sinα)+Wg(1-K)(μwcosα±sinα)。

(2)

式中：α为工作坡度；g为重力加速度，此处取9.8 m/s2。

图2 集材机作业受力分析

计算集材机的功率参考值，需要从集材机的集材能力入手[8]。根据集材机的功率、牵引力和速度之间的关系，考虑机械传动效率和储备功率，集材机的额定功率为：

N=KcFtV/(3.6η)。

(3)

式中：V为集材机的行驶速度；η为集材机的传动效率；Kc为功率储备系数。

参考现有集材机的技术参数，初步设定集材机的行驶速度为2.4 km/h，牵引作业时的一档低速为1.8 km/h。具体的速度范围则需要在功率确定后进一步计算确定。集材机的最高速度出现在集材机空载运行时，此时集材机只受到机身运行阻力的作用，因此集材机的最大速度(Vmax)可以用下式计算：

Vmax=N/(KcFtmin)=N/(KcGmμmg)。

(4)

式中：Ftmin为集材机的最小牵引力，即机身的运行阻力。

3.2 装载参数参考值计算

集材机作为装载机进行装载作业时，额定装载量要符合安全要求。按照相关的国家标准、安全规定和设计要求，额定装载量(Gr)按照下式确定：

Gr=KrGm。

(5)

式中：Kr为安全系数。

此外，集材机的额定装载量还需要符合国家标准[9]。

在木材生产作业中，集材机在作装载机使用时主要进行归楞堆垛作业。因此，集材机的卸载高度(h)应该与楞堆相匹配，按照下式确定：

h=hv+Δh。

(6)

式中：hv为楞堆高度，由实验测得；Δh为安全间隙，取300～500 mm。

3.3 推土参数参考值计算

小型多功能轮式集材机的最大插入力是集材机插入料堆或者土壤时，在铲斗斗刃上产生的作用力，其值取决于牵引力，牵引力越大，插入力也越大。在平地匀速运动，不考虑空气阻力时，最大插入力(Fimax)由集材机的牵引力和集材机机身的摩擦阻力之差决定：

Fimax=Ft-Gmμmg。

(7)

同时，最大插入力和机身阻力之和不能超过地面静摩擦力，否则就会出现打滑现象。所以，铲土作业的插入力还应该满足不打滑的条件：

Fimax≤Gmg(μc-μm)。

(8)

小型多功能轮式集材机进行推土作业时，直铲将土壤石块等向前推送和进行场地平整时，集材机所完成土石方量也就是推土量[10]。推土量与推土板的规格以及土壤的状态有关。根据有关的设计要求，集材机的推土量(T)可以由下式确定：

T=BH2Kn/(2tanφ0)。

(9)

式中：B为推土板长度，一般和机身宽度相当；H为推土板高度；Kn为推土板充盈系数；φ0为土壤自然倾角。

根据林区测量获得的运载量的参考值，结合材种和木材密度，可以得到木捆质量(W)的5个参考值：1 200、1 680、2 160、2 640、3 120 kg。将木捆质量的参考值代入到数学模型中进行计算，可以得到5组主参数的参考值(见表2)。

表2 小型多功能轮式集材机主参数参考值

4 主参数的优化选择

层次分析法(AHP)是通过分析复杂问题包含的因素及其相互关系，将问题分解为不同的要素，归为不同的层次[11]。对各层要素建立判断矩阵，得到相应权重，从而得出不同方案的权重值，为优化选择提供依据。

4.1 层次分析结构模型

层次分析法在分析复杂问题时，首先从系统的层次特性出发，用一个层次结构模型来描述问题所涉及的因素及其相互间的关系。本研究层次分析的目标是选择兼具经济效益和生态效益的小型多功能集材机的主参数。其准则层可以分为性能水平、经济效益和生态效益。其中，性能水平(B1)指集材机的通过性能和作业能力，经济效益(B2)指集材机所能创造的经济效益，生态效益(B3)指集材机造成的生态影响。涉及的评价指标有牵引力、功率、运载量、额定装载量和自质量等7个指标。其他未纳入层次结构的评价指标也可以通过相关指标来体现，例如废气排放指标可以由集材机功率来体现。由此建立的层次模型如图3所示。

图3 小型多功能集材机主参数选择的层次结构

4.2 层次单排序

在确定小型多功能集材机的主参数选择层次结构模型之后，需要组织专家小组对各个指标和方案进行评价打分。专家小组的评价要立足林情、国情。一方面，集材机的各项参数应该适应于林区的自然条件和资源情况；另一方面，集材机的参数还要受到目前技术水平、生产效益、设备成本以及企业投资能力的限制。在满足技术效果基础上，还应该考虑到森林生态环境要求，特别是集材机对于土壤压实、保留木的影响。根据专家意见建立各个层次的判断矩阵，进行层次单排序，并进行一致性检验。

表3 判断矩阵A-B

注：IC为一致性指标，IC=0；IR为随机一致性指标，IR=0.52；RC为一致性比率，RC=0；Wi为权重。

表4 判断矩阵B1-C

注：IC为一致性指标，IC=0.027；IR为随机一致性指标，IR=0.52；RC为一致性比率，RC=0.051；Wi为权重。

表5 判断矩阵B2-C

注：IC为一致性指标，IC=0.004 6；IR为随机一致性指标，IR=0.52；RC为一致性比率，RC=0.008 8；Wi为权重。

B3的评价有集材机自质量和接地比压两个指标。这两个指标具有一致性，可以由集材机自质量来表征，故不需再建立判断矩阵。

4.3 层次总排序

根据以上各个层次的排序情况，建立起A-C的层次总排序。将5个方案中各组参考值分别进行标准化处理，参加方案的总排序，得到每个方案的权重得分。

表7 全体方案层次总排序

根据全体方案层次总排序的结果，方案3的层次总排序权重值最高，能很好地兼顾经济效益和生态效益，是最优方案。从具体参数看，方案3在5个方案中处于中等水平，符合小型多功能集材机主参数的选择要求。

5 结论

本研究经过实验测量、建模计算和优化选择，初步选定了小型多功能集材机的主参数为：牵引力36～40 kN、功率45～55 kW、速度范围1.8～42 km/h、运载量2.1～2.5 m3/次、自质量4 000～4 500 kg、额定装载量1 500～1 800 kg、最大插入力6.2～6.7 kN、推土量0.30 m3、外形尺寸5 500 mm(长)×1 800 mm(宽)×2 700 mm(高)、卸载高度3.2 m。

初步选定的小型多功能集材机的主参数能够适应新的森林作业条件，兼顾生态效益和经济效益，同时能实现一机多用，满足实际生产要求。

[1] 王立海,何娜.黑龙江省畜力集材发展变化及驱动力分析[J].东北林业大学学报,2010,38(2):93-95.

[2] 王立海.木材生产技术与管理[M].北京:中国财政经济出版社,2001.

[3] 张建伟,王立海.小型环境友好集材装备的研究进展[J].森林工程,2012,28(4):31-36.

[4] 潘明旭，王立海.国内林业绞盘机发展沿革及研究进展[J].森林工程,2011,27(2):44-47.

[5] 王忠.集材拖拉机的选型原则与方法[J].东北林业大学学报,1992,20(3):45-48.

[6] 苏益，葛异兰.伐区集材机牵引力和集材量的计算[J].林业机械,1987,15(1):24-28.

[7] 刘振天.集材拖拉机牵引参数[J].林业机械,1967,2(4):9-10.

[8] 潘禄，姜国学，吴玉波，等.关于集材拖拉机类型选择的探讨[J].森林工程,1996,12(1):1-4.

[9] 杨占敏.轮式装载机[M].北京:化学工业出版社,2006.

[10] 成凯.推土机与平地机[M].北京:化学工业出版社,2006.

[11] 王立海，杨学春，郝霞，等.层次分析法在集材方式选择上的应用[J].东北林业大学学报,1996,24(1):68-73.

鲍震宇，男，1989年11月生，东北林业大学工程技术学院，硕士研究生。

王立海，森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，教授。E-mail:lihaiwang@yahoo.com。

2013年9月12日。

S782.2+5

Optimal Main Parameters of A Small Multifunctional Skidder Based on AHP/Bao Zhenyu(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Wang Lihai(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microoranism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(4).-131～134

1) 林业公益性行业科研专项重大项目(201104007)。

责任编辑：戴芳天。

The experiment was conducted to study the optimal main parameters of new small multifunctional skidder by Analytic hierarchy process (AHP) with the data of operating object and environment in forest region. The mechanical analysis models were established, and the reference values of the main parameters were calculated. AHP were used to compare and analyze the reference values by constructing hierarchy and comparison matrices. After optimal selection, the main parameters of the small multifunctional skidder were initially selected, including the rated traction force of 36-40 kN, the rated power of 45-50 kW, the speed of 1.8-42 km/h, the per-trip loading weight of 2.1-2.5 m3, the skidder weight of 4 000-4 500 kg, the rated loading weight of 1 500-1 800 kg, the maximum insertion force of 6.2-6.7 kN, the bulldozing volume of 0.30 m3, and the unloading height of 3.2 m.