林业可持续发展是我国发展的基本国策之一，目前正面临结构性调整。不采伐天然林，人工林采伐由过去的大面积皆伐向小规模择伐发展。采伐过程中必须保护生态环境，减少水土流失^[1]。这对伐区集材提出了更高的要求。传统的集材方式有拖拉机或农用车集材、手板车集材、土滑道集材、人力担筒集材、索道集材。前3种对土壤理化性能影响较大，会造成较大的水土流失，生态多样性恢复困难^[2-3]。人力担筒集材劳动强度大，生产率低已基本淘汰。索道集材方式可以有效降低环境破坏，但传统的索道集材系统，设备笨重，一次性成本高，不适应小规模、分散采伐的要求^[3]，山区农业生产资料运输也面临同样的问题^[4-5]。因此，工程索道设备轻量化就成为索道集材得以推广的关键。

1 绞盘机轻量化设计

为从根本上改进工程索道装备轻型化，必须重新设计一款轻型绞盘机。闭式循环索系所对应的以摩擦卷筒为牵引卷筒的绞盘机，由于卷筒没有容绳量的问题，重量轻，是绞盘机轻量化的有效途径之一。其主要问题是摩擦卷筒要有足够的摩擦牵引力，转移运输时拆装、组合方便^[6-7]。

1.1 设计要求

由于人工林树木相对较小，林木胸径约20 cm，平均单株重量200 kg，90%的单株重量小于1 000 kg(漳平国有五一林场16 a生产统计结果)。少量重材可分段运输。故绞盘机设计基本参数为：单次集运重量1 000 kg，牵引速度0.6~6 m·s^-1，集运距离500 m，弦倾角α < 15°。根据索道设计规范计算出最大牵引力需5.8 kN^[8]。

1.2 设计思想

为达到环保、高效，满足物料运输规模小、分布广的要求，绞盘机需体积小、重量轻，安装、转移方便，成本低。由此，动力选择享受政府补贴、在农村广泛应用的微耕机。绞盘机各个卷筒分别设计成独立组件，卷筒组件可以与动力主机实现快速拆装：拆下行走轮，装上卷筒组件为绞盘机；拆下卷筒组件，装回行走轮返回微耕机工作状态，达到一机多用。

1.3 摩擦卷筒设计

新型绞盘机要达到环境友好，就必须在满足使用要求的前提下，结构简单，重量轻。用摩擦卷筒代替缠绕卷筒作为主牵引卷筒，由于其没有大容绳量的缠绕卷筒，重量轻。新型绞盘机配合GS₃改进型索道索系，所需要的跑车结构简单，符合小规模集运小巧灵活的要求。新型绞盘机的主要难点就在于摩擦卷筒作为主卷筒，需要有足够的摩擦牵引力。

如果按传统的单槽摩擦卷筒设计，具体各圈钢丝绳的拉力如表 1所示。从表 1可得出入绳端牵引力，而且得缠绕6圈钢丝绳。这种摩擦卷筒，6圈钢丝绳相邻之间钢丝绳有接触，工作时相互有滑动磨损，且钢丝绳有横向滑移，影响钢丝绳的使用寿命^[9]。每圈所能提供的牵引力相差大，第6圈产生的牵引力是第1圈的43.28倍，松边端钢丝绳的牵引能力没有充分发挥。

为克服传统摩擦卷筒的不足，把摩擦卷筒设计成组合截面摩擦卷筒，卷筒截面如图 1。卷筒轮槽由底部开槽的圆弧轮槽组成，这种轮槽的当量摩擦系数与其楔角θ₁有关^[10]。具体推导过程如下：

$ N = \int_{{\theta _0}}^{{\theta _1}} {\frac{{Q/2}}{{\cos {\theta _0}-\cos {\theta _1}}} \cdot \frac{1}{{\sin \theta }}} {\rm{d}}\theta $

(1)

经整理后得：

$ N = \frac{\theta }{{2\left( {\cos {\theta _0}- \cos {\theta _1}} \right)}}\left[{\ln \left( {\tan {\theta _1}} \right)-\ln \left( {\tan {\theta _0}} \right)} \right] $

(2)

同时，摩擦力为：

$ F = 2\mu N = \mu \frac{{\ln \left( {\tan {\theta _1}} \right)-\ln \left( {\tan {\theta _0}} \right)}}{{\cos {\theta _0}-\cos {\theta _1}}}Q = {\mu _v}Q $

(3)

所以：

$ {\mu _v} = \mu \frac{{\ln \left( {\tan {\theta _1}} \right)-\ln \left( {\tan {\theta _0}} \right)}}{{\cos {\theta _0}-\cos {\theta _1}}} $

(4)

$ F = {T_0}\left( {{{\rm{e}}^{{\mu _v}a}}-1} \right) $

(5)

式中：N表示正压力(N)；Q表示施加在钢丝绳上沿卷筒径向的压力(N)；θ表示圆弧角(°)；θ₀表示圆弧起始角(°)；θ₁表示圆弧终止角(°)；F表示牵引力(N)；μ表示摩擦系数；μ_v表示当量摩擦系数；T₀表示松边拉力；a表示包角(°)。

从公式(5)中可以得出，如果摩擦系数一致，靠近松边端的钢丝绳包角较小，产生的牵引力较小。而靠近紧边端的钢丝绳包角大，产生的牵引力大，而且成指数增加，各圈钢丝绳所受的拉力相差较大。而由公式(4)可知，不同的θ₁可以得到不同的当量摩擦系数。如可以适当提高松边槽的当量摩擦系数，可适当提高松边端轮槽产生的牵引力，提高松边端轮槽的牵引能力。

为此，将摩擦卷筒轮槽设计成不同截面槽形，如图 2所示。通过改变环槽的开槽角度θ₁，得到具有不同当量摩擦系数的摩擦卷筒轮槽，根据公式(5)，结合绞盘机设计牵引力5.80 kN，设计为3槽摩擦卷筒，各槽的设计基本参数如表 2。这时松边端所需的松边拉力只要35.0 N，轮槽条数和所需松边拉力为传统平底轮槽的0.50和0.58倍，效果明显。松边牵引力与紧边牵引力之差比传统摩擦卷筒的小40%。

1.4 不同楔角摩擦卷筒仿真分析

根据理论分析结果，设计变截面摩擦卷筒仿真模型，模型如图 3所示，轮槽截面如图 1所示。模型材料选择45号钢，摩擦卷筒模型用二次四面体，钢丝绳模型用二次六面体，具体几何参数如表 3所示。在钢丝绳松边端施加80 N，紧边端固定，摩擦卷筒施加200 r·min^-1转速。仿真值以其到达稳态后一个周期内的算数平均值处理，仿真结果记录于表 3中。可以看出仿真结果与理论分析的趋势一致，楔角θ₁越小摩擦力越大。

1.5 摩擦卷筒参数设计

根据理论分析和仿真分析的结果，把摩擦卷筒设计成3槽变截面摩擦卷筒，卷筒直径316 mm，卷筒槽形如图 2所示，楔角如表 3所示，轮槽圆弧直径10 mm。

1.6 缠绕卷筒参数优化设计

基于摩擦卷筒有足够的牵引力下，索系的牵引与回空都可由摩擦卷筒驱动循环索完成，故缠绕卷筒数量和尺寸都可以优化删减，绞盘机只需1个缠绕卷筒完成起重作业。设承载索净空高度小于100 m，根据缠绕卷筒的设计规范，缠绕卷筒直径D=160 mm，卷筒长度C=200 mm，端板高度A=72 mm。与容绳量500 m(D=160 mm，C=300 mm，A=140 mm)，牵引、回空共两个卷筒相比，卷筒体积、数量都减少了，缠绕卷筒模块总体重量减少70%。

2 样机试验 2.1 样机结构

样机如图 4所示，动力采用农村普遍使用的微耕机(WF-3TG5.5SQ)，在其左右行走轮处安装摩擦卷筒组件和小缠绕卷筒组件。主要部分重量：缠绕卷筒53 kg，摩擦卷筒43 kg，主机102 kg(总计198 kg)。轻型模块化绞盘机重量比相同功率绞盘机JS-0.8/2(420 kg)重量减小52.86%，单个组件重量更小；除动力外制造成本3 800元是JS-0.8/2制造成本的40%；有一个缠绕卷筒，卷筒组成更丰富，可适应更多的索系类型。样机在绞盘机与动力原型机之间的转换只需两人、30 min，安装、转移方便，适用于小规模伐区集材，各种农业作物种植、收获物料集运需要。

2.2 牵引力与起重力试验

摩擦卷筒牵引力试验, 钢丝绳(直径10 mm)通过两个转向滑轮，依次串过摩擦卷筒的3条轮槽。在摩擦卷筒当量摩擦系数较大的轮槽出绳端(松边端)施加80 N松边拉力，当量摩擦系数较小槽处的钢丝绳出绳端(紧边端)与树桩牢靠固定，在紧边端串联拉力计(艾德堡HP-20K)，启动发动机，逐渐加大油门直到钢丝绳与卷筒打滑。测得紧边拉力4 870 N。

缠绕卷筒起重力试验, 钢丝绳(直径10 mm)与牢靠树桩固定，模拟重物端。在其中串联拉力计，样机缠绕卷筒钢丝绳通过1个动滑轮与重物模拟端连接，启动发动机，逐渐加大油门，直到输出轮安全销切断。测得起重拉力8 700 N。样机牵引力、起重力可以满足使用要求。

2.3 生产性试验

根据1.1的要求计算1 000 kg木材所需牵引力大于样机拉力，所以在跑车上加设1个动滑轮。生产性试验索道索系如图 5所示，上下支点弦长134 m，索道弦倾角12°，主索扰度取0.05。试验牵引力最大的逆坡集材运行情况。跑车为简易跑车(跑车重量32 kg)，跑车中间和下方各有两个滑轮，起重索通过定滑轮与捆木钩连接。牵引索通过摩擦卷筒与跑车动滑轮形成一个闭式索系，摩擦卷筒逆时针旋转时逆坡集材，顺时针旋转时回空。小缠绕卷筒收绳时起重，放绳时卸材。当木捆重量为1 050 kg时，试验结果如表 4。当集材距离为120 m时，据测算，台班产量20~30 m³，是人工集材的1.5~2倍，可节约成本20%~30%。

3 小结

本设计轻型模块化绞盘机，由一个变截面摩擦卷筒组件和一个小容绳量的起重卷筒组件及主机组成。绞盘机牵引力可达4 000 N，起重拉力7 000 N，可满足单次运送物料1 t规模的要求。整个绞盘机重量198 kg，为同等牵引力传统绞盘机(如JS-0.8/2)的47%。绞盘机各个部件为快速组装设计，安装转移方便，特别适应中小型物料规模，集运地点分散的农村山区农作物物料运输作业和小规模伐区集材作业。当拆下卷筒组件，恢复成微耕机又可用作农业生产作业，实现一机多用。