集材绞盘机新型摩擦卷筒试验与仿真分析

2016-10-26吴传宇周成军周新年张正雄张火明

福建农林大学学报（自然科学版） 2016年5期

关键词：环槽牵引力卷筒

吴传宇, 周成军, 周新年, 张正雄, 张火明, 林　敏

(1.福建农林大学交通与土木工程学院，福建福州 350002；2.福建省漳平五一国有林场，福建漳平 364400)

集材绞盘机新型摩擦卷筒试验与仿真分析

吴传宇1, 周成军1, 周新年1, 张正雄1, 张火明2, 林敏2

(1.福建农林大学交通与土木工程学院，福建福州 350002；2.福建省漳平五一国有林场，福建漳平 364400)

针对传统摩擦卷筒牵引力较小的缺点，进行力学和仿真分析及模型试验研究，结果表明：将集材绞盘机牵引卷筒设计成带V型环槽的摩擦卷筒，可以显著提高当量摩擦系数和集材牵引力，从而取代缠绕卷筒，大大减小卷筒结构尺寸，实现绞盘机轻型化；摩擦卷筒牵引力的大小与V型环槽的楔角成反比.通过二次拟合建立摩擦卷筒V型槽楔角与牵引力关系的经验公式.

绞盘机; 摩擦卷筒; V型环槽; 模型试验; 摩擦系数

由于架空索道集材具有适应性强、对地表破坏作用小、有利于环境保护等诸多优点，长期以来在我国南方山地林区采伐作业中成为一种重要的集材方式[1,2].绞盘机作为架空索道集材系统的动力装置，其性能对索道集材的经济、生态和社会效益具有重要影响.传统的绞盘机普遍采用缠绕卷筒结构，受卷筒容绳量的影响，其体积庞大、笨重，使得其在现有人工林采伐生产中的推广应用受到很大限制，难以充分发挥索道集材的优势[3,4].因此，如何解决绞盘机结构的轻型化，促进架空索道在人工林采伐生产中的应用，是当前林业生产装备研究中迫切需要解决的一个重要课题[5].

绞盘机的卷筒结构主要有2种类型，即缠绕卷筒和摩擦卷筒.由于摩擦卷筒是依靠卷筒表面和绳缆的摩擦力来实现对绳缆的带动，理论上不存在容绳量的问题.与缠绕卷筒相比，其体积可做得更小(卷筒体积可减小一半以上)，结构更加紧凑.但如何保证摩擦卷筒具有足够的摩擦牵引力，满足索道集材的动力需求，则是摩擦卷筒优化设计中需要解决的重要问题.本研究通过对常用绞盘机摩擦卷筒结构的受力分析，以及对影响摩擦卷筒摩擦力(牵引力)大小的V型环槽的主要结构参数进行仿真及模型试验与分析，确定最佳参数，建立相应的摩擦卷筒牵引力计算公式，完善V型环槽摩擦卷筒牵引力的计算方法，为绞盘机的卷筒结构优化设计计算提供依据[6].

1　卷筒摩擦牵引力的影响因素

摩擦卷筒可分为单槽曲面摩擦卷筒和多环槽摩擦卷筒.传统上多采用单槽曲面摩擦卷筒，其结构简单，可在单槽里缠绕0.5～6圈.多环槽摩擦卷筒可以显著降低卷筒与绳缆的磨损，但制造过程相对复杂[7,8].

1.1影响摩擦牵引力的主要因素

影响摩擦卷筒牵引力的因素较多，主要包括材料摩擦系数、缠绕包角、摩擦副结构设计、负载工作情况等[7].摩擦卷筒牵引力的常用公式[8]为：

F1=F2eμα

(1)

式中,F1表示紧边拉力，即牵引力；F2表示松边拉力；μ表示摩擦系数；α表示缠绕包角.

从式(1)可以看出，当松边拉力、绳缆缠绕包角和摩擦系数等参数中任一参数发生改变，牵引力均会随之改变.

增大松边拉力可以提高牵引力，但会使整个摩擦卷筒系统受到的拉力增大，导致整体结构强度相应提高.同样，加大包角虽然可以提高牵引力，但会使摩擦卷筒的厚度增加，从而使其质量增大.故这2种方法均不是最佳选择，而提高摩擦卷筒牵引力的最好办法是提高摩擦系数.

提高摩擦系数的方法通常有2种：一种是选择摩擦系数高的摩擦副；另一种是通过改进结构提高其当量摩擦系数.由于摩擦系数高的摩擦副材料(如橡胶)磨损较大，使用寿命较短，所以提高当量摩擦系数是提高摩擦卷筒牵引力的最佳途径[9].

1.2提高摩擦卷筒牵引力的方法

可通过增大摩擦卷筒当量摩擦系数来提高摩擦卷筒牵引力，为此，将摩擦卷筒设计成窄V型的轮槽，如图1所示[10-13].由此可得当量摩擦系数表达式如下：

(2)

则摩擦牵引力为：

F=2μN=μνQ

(3)

图1　V型槽摩擦卷筒截面Fig.1　Cross-section of V-shaped friction roll

式中，Q表示钢丝绳承受的径向压力；N表示钢丝绳承受的轮槽施加的正压力；F表示钢丝绳摩擦牵引力；θ表示轮槽楔角；μν表示当量摩擦系数.

从式(3)可知，摩擦牵引力与当量摩擦系数成正比.从式(2)可知，当摩擦系数μ一定时，当量摩擦系数μv与轮槽楔角成反比.

设摩擦系数μ=0.12，当θ从10°增大到180°时，其当量摩擦系数μv从0.58下降到0.12，减小约79.3%.由此可见， V型槽楔角对摩擦卷筒的当量摩擦系数的影响很大，设计时可以通过合理减小V型槽楔角达到增大摩擦卷筒摩擦牵引力的目的.

2　卷筒轮槽的仿真分析

2.1有限元模型

卷筒为圆盘结构，根据其结构及受力对称的特点，可取垂直于轴线的截面建立分析模型，材料选45#钢，弹性模量206 MPa，泊松比0.3.如图2所示.在ANSYS13.0中，选用PLANE182平面单元进行网格划分.在卷筒与钢丝接触的位置建立接触对，其中TARGE170是目标单元，覆盖在卷筒内表面；CONTA174是接触单元，覆盖在钢丝绳外表面[14].

2.2约束与载荷

根据卷筒截面的受力特征，为方便施加载荷，在轮槽模型底面施加载荷N1，钢丝绳模型x、y、z三向定位，轮槽模型侧面y向定位.载荷和轮槽楔角等的变化如图3所示.

图2　有限元模型

图3　有限元分析参数与分析值

2.3仿真结果分析

图4　仿真摩擦应力云图Fig.4　Stress diagram of friction roll

从图4可知，摩擦力只产生于钢丝绳与卷筒轮槽的接触点.如图3所示，最大摩擦力与轮槽楔角及外加载荷N1有关.在相同的载荷下，随着轮槽楔角的增大，其最大摩擦力逐渐减小；且载荷越大，楔角的影响越显著.在保持楔角不变的前提下，随着外加载荷N1的增大，其最大摩擦力也随之增大.仿真结果与式(2)、式(3)的变化趋势一致.

3　新型摩擦卷筒结构模型试验

3.1试验装置

采用模型试验方法进行研究，卷筒与钢丝绳摩擦副的摩擦系数为0.23.由式(3)可知，V型槽楔角越小，当量摩擦系数越大.当材料摩擦系数为0.23时，其摩擦角等于15°.若楔角太小(θ<30°)，则会导致钢丝绳与卷筒的径向角度小于摩擦角(图1)，使得钢丝绳与摩擦卷筒不能自然分离，加剧磨损[15].由图3可知，当楔角大于60°时，当量摩擦系数随楔角的变化趋于平缓.故试验中选取楔角为30°～60°，每档相差10°.

制作了缩小比例的V型环槽摩擦卷筒模型装置(图5)，由卷筒模型(45号钢)、钢丝绳(直径3 mm)、松边砝码和拉力计组成.如卷筒模型轴向剖面图，卷筒模型为直径40 mm的圆柱体，在其表面平行分布4条截面楔角分别为30°、40°、50°、60°的V型环槽和1条平底环槽(楔角θ=180°).试验加载采用砝码，砝码重为3～8 N，每个砝码相差1 N.采用艾德堡HP-1K型拉力计对牵引力进行测量.

图5　V型槽摩擦卷筒试验模型

3.2试验方法

试验时钢丝绳串过卷筒模型的1条环槽，一端固定砝码，另一端与拉力计连接.逆时针转动卷筒模型，分别记录不同楔角下拉力计所测量的紧边拉力.先做平底 (θ=180°) 环槽摩擦卷筒试验，再做非平底(θ<180°) V型环槽摩擦卷筒试验.在θ=50°、松边拉力为7 N的条件下测得的紧边拉力试验值如图6所示，试验时拉力成跳跃式变化，但在一定范围内总趋势平稳.由于传感器滞后，第1次记录值为0，故第2次开始记录，以累计大于100次记录值的平均值作为试验值，试验结果见表1.

图6　楔角为50°时紧边拉力试验值

1)F1′表示紧边拉力试验值；F1″表示紧边拉力计算值.

4　结果与分析

4.1牵引力与V型环槽摩擦卷筒楔角的关系

从表1中可以看出，传统平底环槽摩擦卷筒的紧边拉力均小于其他楔角(θ=30°～60°)时的紧边拉力，与θ=30°时的紧边拉力相差14.2倍，说明非平底V型环槽摩擦卷筒结构的牵引力增大效果明显.

在相同荷载下(如荷载=8 N)，紧边拉力随着V型环槽楔角的增大而减小，θ=60°时的紧边拉力与θ=30°环槽时的紧边拉力相差5.1倍.这主要是由于随着楔角的增大，钢丝绳与摩擦卷筒V型环槽的楔形效应减小，摩擦力下降，从而导致牵引力下降.

4.2V型环槽摩擦卷筒的牵引力公式

如表1所示，只有当θ=180°时牵引力试验值与计算值相近，在其他情况下两者相差较大.说明用于V带(橡胶皮带)的牵引力计算公式[式(1)]不适合钢丝绳V型轮槽的牵引力计算.主要原因在于钢丝绳为多股钢丝拧绕而成的绳体，故其摩擦副接触对的接触过程都与V带不同.因此，需要建立一个适合于钢丝绳V型环槽摩擦卷筒牵引力的计算公式.

以30°楔角为例，将试验结果绘于直角坐标上，得到散点图(图7).从图7可以看出试验数据分布接近指数函数.以指数函数分布进行拟合，得到拟合曲线(图8).其曲线方程表达式为：

(4)

图7　30°楔角试验值散点拟合图

图8　楔角系数散点拟合

表2不同楔角试验值的回归函数
Table 2Regression function of test values at various wedge angles

V型槽楔角/(°)30405060回归函数F122.84e0.35x11.84e0.33x7.4e0.34x4.78e0.40x

指数函数的相关系数R2=0.95，说明指数函数与试验数据的相关性好，所以选取指数函数作为回归函数.同理，可以得到θ=40°～60°的回归函数(表2).从表2可以看出回归函数的指数较接近，故取其平均值0.36x作为回归函数的指数[16].

从表2可看出，指数函数的回归系数随着楔角的增大逐渐减小，为找出其变化规律，以各个系数为变量绘出散点图(图8)，散点分布较接近幂函数，故以幂函数进行拟合，得到回归函数为：

Y=23.86X-1.11R2=0.99

(5)

式中,X为楔角角度，Y为指数函数系数.

综合式(4)和式(5)，得到V型槽摩擦卷筒的紧边拉力回归公式为

(6)

4.3回归方程的精度检验

表3　紧边拉力试验值与计算值1)Table 3　Experimental and theoretical results of tight side tension

1)F2表示松边拉力.

图9　摩擦力的变化趋势Fig.9　Comparisons on theoretical, stimulated and test values of friction at various wedge angles

为验证回归方程(式6)的显著性，再次进行验证试验，试验结果及计算值见表3.从表3可以得出，拟合方程计算值与验证试验值误差均小于7%，完全可以满足设计精度要求，故可以作为V型环槽摩擦卷筒设计的参考公式.

图9为归纳公式、试验及仿真分析的摩擦力趋势图.其中Ansys仿真分析时得出最大摩擦力与有限元模型相关.为方便观察3种摩擦力的变化规律，通过将理论计算值与试验值的对比，将仿真值等比例缩小25倍.从图9可见，归纳公式、试验及仿真分析的摩擦力值随轮槽楔角变化的趋势一致，可见归纳公式合理，符合实际.

5　小结

将绞盘机牵引卷筒设计成V型环槽摩擦卷筒，通过理论分析、仿真分析和模型试验，结果表明采用V型环槽摩擦卷筒，可以显著地增加其当量摩擦系数，提高牵引力.用摩擦卷筒代替缠绕卷筒可减小绞盘机的总体尺寸.

当量摩擦系数和牵引力的增大与V型槽楔角大小有关，当V型槽楔角从90°下降到10°时，其当量摩擦系数成指数次方增加.通过二次拟合建立了V型环槽摩擦卷筒牵引力计算经验公式，经过检验，该公式的计算值与试验值误差小于7%，完全可以满足设计精度的要求.

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(责任编辑:叶济蓉)

校园景色:

Design and simulation analysis on a new friction drum of forest yarder

WU Chuanyu1, ZHOU Chengjun1, ZHOU Xinnian1, ZHANG Zhengxiong1, ZHANG Huoming2, LIN Min2

(1.College of Transportation and Civil Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China;2.Zhangping Wuyi State-Owned Forestry Farm in Fujian Province, Zhangping, Fujian 364400, China)

To solve the problem of traditional yarder that is low in traction, a V-shaped groove was modified to friction roll based on mechanical analysis, and followed by simulation test to optimize the parameters for best performance. Result indicated the V-shaped groove increased the equivalent friction coefficient and traction of friction roll significantly. Traction was inversely proportional to the angle of V-shaped wedge, based on which an empirical equation between them was established according to quadratic fitting method. In conclusion, with smaller volume and lighter, weight V-shaped groove is likely to be an excellent alternative to traditional twined roll.

yard; friction reel; V-ring groove; model test; friction coefficient