小型绞盘机卷筒优化设计

　　大、中型集材拖拉机( 如J50、J80 等) 体积庞大，作业时容易刮伤幼树; 另外，在对择伐木集材时，由于伐倒木比较分散，造成大、中型集材设备每次集材量下降，故集材效率不高。因而，对于目前的采伐环境，集材拖拉机需要满足的要求是: 外廓尺寸小、重量轻、转弯半径小; 具有良好的通过性和爬坡能力、对林地及幼树幼苗的破坏较小[1-2]。这就需要对现有的小型车载式绞盘机进行改进，优化绞盘机的外形设计尺寸。本文根据林用绞盘机的卷筒设计方法，并结合先进的计算机处理分析手段，力求使林用小型绞盘机卷筒优化设计过程智能化、快速化、高效化，以提升国内小型林用绞盘机卷筒的优化设计水平[3]。

　　1 绞盘机卷筒所受的拉力设定

　　结合试验所得数据: 履带式拖拉机和轮式拖拉机集材每次拖集的原木平均数量分别为1. 6 根与1. 4 根; 每趟拖集的原木体积为0. 881 7 m3 与0. 738 8m3，在设计中考虑到集材的安全性、环境的复杂性问题，趟载量的设计值要大于1 m3。试验原始数据见表1、表2。

　　考虑到北方作业都在冬季进行，集材道已形成了冻板道，因而必须将设定的初拉力留有一定的余量，以保证将冻在冰雪中的原木拉出。集材地面坡角取拖拉机所允许最大值，即α=25°。保证拖拉机在冬季集材作业不打滑的前提下计算出绞盘机的拉力:

　　式中: Fm为集材机运行阻力; FW为集材阻力。求得FT =16. 17 kN。故初步选定设计最大每趟载量为2m3 左右，此拉力可以满足现有的冬季林区作业需求。2 绞盘机卷筒结构尺寸优化设计优化目标是建立一个绞盘机卷筒体积的目标函数，并求出其函数的最小值。优化的约束条件为卷筒的校核方程，使得出的目标函数值能够满足卷筒的安全性能、可靠性能的使用要求。

　　2. 1 优化工具选择

　　对绞盘机卷筒参数的优化设计采用Matlab 优化工具箱中的Fmincon 函数，这个函数是该程序专门用来求解非线性有约束极值优化问题的一个有效方法，可以求解线性规划、非线性规划和多目标规划等优化问题。本文采用非线性规划中的有约束极值问题进行设计参数的优化搜索，数学模型及常用的格式如式( 2) :

　　对于多层缠绕式卷筒，应解决钢丝绳的咬绳问题，以延长钢丝绳在使用过程中的寿命，简化提升机构[4]，因而要降低卷筒的自重。设计中选择卷筒的体积函数[5]为目标函数。

　　2. 2 选择设计变量

　　设计的绞盘机卷筒需要具备小型化、轻量化的特点，基于分析，设计函数中影响自重的主要因素包括: 小型绞盘机卷筒的直径D、卷筒壁厚、卷筒长度、卷筒外圈直径D1。