盧 鴻， 鄭 賢， 韋 為

(1.廣西壯族自治區(qū)國(guó)有七坡林場(chǎng)，廣西 南寧 530225；2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；3.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

為了獲得無節(jié)眼、通直度高的優(yōu)質(zhì)木材以及增加林木產(chǎn)量，對(duì)桉樹林木進(jìn)行修枝是有效的手段之一[1-2]，修枝工作的高效完成有賴于桉樹修枝機(jī)設(shè)計(jì)理論的充實(shí)和新機(jī)型的開發(fā)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研制了不少沿著樹干爬升并在爬升過程中完成枝條修剪的專用爬樹修枝機(jī)器，如國(guó)內(nèi)有北京林業(yè)大學(xué)和山東農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位通過引進(jìn)國(guó)外技術(shù)或者自行研發(fā)設(shè)計(jì)的一類沿著樹上螺旋爬升并依靠動(dòng)力剪完成修枝作業(yè)的專用修枝機(jī)器[3-8]，東北林業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的基于模糊控制的剪枝機(jī)器人[9]，南京林業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的基于柔性刀具的爬樹修枝機(jī)器人[10]，金華綠川科技有限公司設(shè)計(jì)的爬樹修枝機(jī)器人[11]，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的直接爬升式修枝機(jī)器人[12]等；國(guó)外有歐洲國(guó)家設(shè)計(jì)的立木整枝機(jī)——“上樹猴”[13]，日本SEIREI公司設(shè)計(jì)的無線可遙控型自動(dòng)立木整枝機(jī)(AB170、AB230、AB350系列)[14]，Gui等[15]設(shè)計(jì)的帶有防下滑功能的新型修枝機(jī)器人，日本岐阜大學(xué)持續(xù)10多年研發(fā)的帶有節(jié)能鏈鋸驅(qū)動(dòng)器的修枝機(jī)器人[16]和德國(guó)Jordan家族企業(yè)研發(fā)的advaligno PATAS[17-18]等等。以上這一類專用的爬樹修枝機(jī)器，它們對(duì)通直度高林木的修枝具有一定的適應(yīng)性，基本代表這一領(lǐng)域修枝機(jī)的發(fā)展方向，但面對(duì)桉樹的修枝還存在一定的問題和較大的改善空間。從工作原理來看，這一類修枝機(jī)都是通過驅(qū)動(dòng)輪或者驅(qū)動(dòng)履帶與樹干之間的摩擦力獲得爬升力，因此其修枝性能很大程度上依賴于驅(qū)動(dòng)輪或者驅(qū)動(dòng)履帶與樹干之間的摩擦力，但目前的研究很少對(duì)驅(qū)動(dòng)輪或者驅(qū)動(dòng)履帶與樹干之間的摩擦力及其產(chǎn)生機(jī)理開展研究，而這恰恰又是開展爬樹修枝機(jī)器新機(jī)型設(shè)計(jì)或者對(duì)現(xiàn)有機(jī)型進(jìn)行改進(jìn)的關(guān)鍵。本研究通過對(duì)文獻(xiàn)[19]所述的桉樹修枝機(jī)使用由不同外層材料組成的驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行攀爬性能測(cè)試，結(jié)合桉樹樹皮的結(jié)構(gòu)分析不同的驅(qū)動(dòng)輪外層材料對(duì)修枝機(jī)攀爬性能的影響，初步探究修枝機(jī)驅(qū)動(dòng)輪或者驅(qū)動(dòng)履帶與樹干之間的摩擦力及其產(chǎn)生機(jī)理，指出可用于修枝機(jī)且能夠獲得較大摩擦力驅(qū)動(dòng)輪外層材料的選擇方向，為爬樹修枝機(jī)新機(jī)型的設(shè)計(jì)或現(xiàn)有機(jī)型的改進(jìn)提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的設(shè)備為如圖1所示新設(shè)計(jì)的遙控式爬樹修枝機(jī)，其總體構(gòu)成如圖1(a)所示，主要包括爬樹修枝部分、控制器、電源線、移動(dòng)電源和手持遙控器。其中，爬樹修枝部分如圖1(b)所示，由機(jī)架、修枝裝置(主要包括活動(dòng)刀片、固定刀片、活動(dòng)刀片開合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)推桿)和攀爬裝置(主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)輪開合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)推桿)組成；控制器安裝在上樹修枝機(jī)上并與移動(dòng)電源通過電源線相連；移動(dòng)電源為汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)且輸出電壓為24 V直流電發(fā)電機(jī)，試驗(yàn)時(shí)使用兩個(gè)12 V蓄電池串聯(lián)在一起形成24 V電源；手持遙控器為操控裝置，用于發(fā)送信號(hào)控制上樹修枝機(jī)完成修枝作業(yè)。

圖1 遙控式爬樹修枝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 主要參數(shù)

爬樹修枝部分總重為9.8 kg，驅(qū)動(dòng)輪直徑為80 mm，用于夾緊兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪電動(dòng)推桿的最大拉力為600 N，無刷電機(jī)的型號(hào)、最大電壓和最大功率分別為L(zhǎng)BP5692-1 000 kV、40 V和5 500 W，減速器的減速比為36∶1，樹干的直徑為100～120 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

由于測(cè)試所用的遙控式爬樹修枝機(jī)主要是面向通直度高的桉樹等速生林木設(shè)計(jì)的，測(cè)試時(shí)以桉樹作為測(cè)試對(duì)象。修枝機(jī)的爬樹修枝部分在攀爬樹干過程中，其攀爬性能取決于驅(qū)動(dòng)輪與樹干的摩擦力，而摩擦力主要與相接觸的兩物體之間的接觸情況和接觸力有關(guān)。當(dāng)接觸力不變時(shí)，由于作業(yè)對(duì)象(桉樹)的表皮結(jié)構(gòu)是自然態(tài)而無法進(jìn)行調(diào)控，則爬樹修枝機(jī)的攀爬性能主要取決于驅(qū)動(dòng)輪外層的材料及其表面情況?？紤]到爬樹修枝部分在攀爬樹干進(jìn)行修枝作業(yè)的過程中不能損傷樹皮，先選擇硬度相對(duì)小且具有較好耐磨性的聚氨酯作為驅(qū)動(dòng)輪的外層材料，測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)爬樹修枝部分不能攀爬樹干，繼而采用硬度更小且外表面有圓形防滑小突起的薄層膠帶作為驅(qū)動(dòng)輪的外層材料，此時(shí)爬樹修枝部分仍然不能攀爬樹干，經(jīng)過分析，猜測(cè)爬樹修枝部分不能攀爬樹干的原因可能是因?yàn)轵?qū)動(dòng)輪與樹干接觸面積過小，為此又采用其他幾種不同的材料作為爬樹修枝部分驅(qū)動(dòng)輪的外層材料。試驗(yàn)過程中先后作為驅(qū)動(dòng)輪外層的材料見表1。每次采用不同外層材料的驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，通過操縱遙控器使驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速由零開始逐漸增加至最大值(666 r/min)，觀察爬樹修枝部分的攀爬情況，同時(shí)使用攝像機(jī)記錄其攀爬過程。

表1 爬樹修枝機(jī)驅(qū)動(dòng)輪外層材料

2 測(cè)試結(jié)果

爬樹修枝機(jī)的測(cè)試工況如圖2所示，攀爬情況見表2，從圖1和表2可以看出，爬樹修枝機(jī)的攀爬性能以驅(qū)動(dòng)輪外層為厚層橡膠裹層最好，其次是驅(qū)動(dòng)輪外層為橡膠條纏繞層，接著是驅(qū)動(dòng)輪外層為中層橡膠，最后是驅(qū)動(dòng)輪外層為薄層膠帶和外層為聚氨酯裹層。此外，驅(qū)動(dòng)輪外層的防滑橫紋并不能增加摩擦力從而提高上樹修枝機(jī)的攀爬性能，而且驅(qū)動(dòng)輪外表面的齒形也不能增加上樹修枝機(jī)的攀爬性能且導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)的不連續(xù)。

圖2 爬樹修枝部分攀爬性能測(cè)試

3 討論

3.1 桉樹表皮的結(jié)構(gòu)分析

由摩擦學(xué)的微凸體接觸典型理論[20-21]和橡膠與硬物體接觸的情況[22]可知，要弄清樹干表皮與驅(qū)動(dòng)輪之間的摩擦力及其產(chǎn)生機(jī)理，首先需了解桉樹樹干表皮的結(jié)構(gòu)，桉樹樹干新鮮的表皮結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，自然狀態(tài)下的桉樹表皮，其表層生長(zhǎng)有薄片狀的白色小斑點(diǎn)，這些小斑點(diǎn)正是使桉樹樹干呈白色的主要成分，其與樹皮之間的附著強(qiáng)度極小，用手輕輕一撮即可使其脫落，在縱向方向則可以依稀地看到呈平行分布的紋理，自然態(tài)的桉樹表皮橫截面示意圖如圖3(b)所示。將桉樹表皮的白色斑點(diǎn)擦除，可以看到桉樹表皮的結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示，從圖中可以看出，桉樹表皮除了尺度在1×10-1mm范圍內(nèi)呈平行分布的紋理，還存在尺度在1×10-2mm范圍內(nèi)的微凸體?？v向紋理的間距和紋理的大小如圖3(b)或者圖3(d)所示的L1和L2，其尺度分別為1 mm和1×10-1mm。

3.2 驅(qū)動(dòng)輪與桉樹表皮的接觸與摩擦情況

驅(qū)動(dòng)輪與桉樹樹干表皮接觸示意圖如圖4所示。

(1)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為聚氨酯裹層時(shí)，聚氨酯裹層與桉樹樹干表皮之間的真實(shí)接觸情況如圖4(a)所示，由于聚氨酯裹層的硬度值為HA96，硬度較大，驅(qū)動(dòng)輪與桉樹表皮的接觸，不僅在宏觀尺度范圍內(nèi)僅有較小的接觸面積，而且在中等尺度和微觀尺度范圍內(nèi)，聚氨酯與桉樹樹干表皮之間相互嵌入的程度低，在桉樹樹干表皮上僅有少量的微凸體嵌入到聚氨酯內(nèi)部，隨著驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，嵌入到聚氨酯內(nèi)部的桉樹表皮上的微凸體受到剪切或黏附作用而產(chǎn)生摩擦力，但該摩擦力不足與跟驅(qū)動(dòng)力抗衡，造成桉樹表皮微凸體所受的剪切應(yīng)力過大而被破壞從而形成如圖2(a)所示的樹皮磨損，驅(qū)動(dòng)輪則在原處打滑，爬樹修枝部分無法上升。

(2)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為薄層膠帶時(shí)，盡管橡膠層的硬度值僅為HA45，硬度較低，但是厚度較小，在相同的接觸力作用下，其產(chǎn)生的變形較小，在宏觀尺度范圍內(nèi)僅有較小的接觸面積，并且由于其表面含有圓形的防滑小突起，在中等尺度范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)輪也不能與桉樹表皮緊密接觸，如圖4(b)所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，薄層膠帶的防滑小突起受到剪切或黏附作用產(chǎn)生摩擦力，盡管防滑小突起能很好地嵌入到樹皮表層的小凹坑，但由于宏觀尺度和中等尺度的接觸面積小，該摩擦力仍然不能與驅(qū)動(dòng)力抗衡，造成防滑小凸起受到過大的剪切應(yīng)力而被破壞，從而使薄層膠帶的防滑小突起被磨平，如圖2(b)所示，驅(qū)動(dòng)輪在原處打滑，爬樹修枝部分同樣無法上升。

(3)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為中層橡膠包層時(shí)，由于橡膠層的硬度值為HA50，硬度小且具有較厚的包層，在相同的接觸力作用下，橡膠包層能夠形成較大的變形并且能較好地嵌入到桉樹表皮的凹坑，盡管在微觀尺度范圍內(nèi)能緊密接觸，但由于該橡膠包層外表面含有防滑小橫紋，在小橫紋的凹陷處，橡膠包層和桉樹表皮之間仍然存在空隙，如圖4(c)所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在橡膠包層和桉樹表皮之間由于剪切力或黏附而形成的摩擦力可以抗衡驅(qū)動(dòng)力，桉樹樹皮微凸體的剪切應(yīng)力沒有超過應(yīng)力強(qiáng)度，從而使得爬樹修枝部分能夠順利沿著樹干向上爬升。

(4)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為厚層橡膠裹層時(shí)，由于橡膠裹層硬度小，其硬度值僅為HA45，且層厚較大，在相同的接觸力作用下，橡膠裹層可以得到更大的變形，與桉樹樹干表皮之間形成幾乎沒有空隙的接觸，如圖4(d)所示，此時(shí)，橡膠裹層與桉樹表皮之間相互嵌入的程度最高，可提供的摩擦力最大，因而攀爬性能最優(yōu)。

(5)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為橡膠條纏繞層時(shí)，其硬度為50 HA，硬度較小，但橡膠纏繞層并不是理想的圓柱形外表面，當(dāng)其與樹干表皮接觸時(shí)，形成的真實(shí)接觸情況介于圖4(c)和圖4(d)之間，因此其攀爬性能也介于驅(qū)動(dòng)輪為中層橡膠包層和厚層橡膠裹層之間。

(6)當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層為加工有大橫紋的厚層橡膠裹層時(shí)，由于此時(shí)的驅(qū)動(dòng)外層不是圓形，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)到大橫紋的凹槽處，其作用半徑變小，轉(zhuǎn)到橫紋處，其作用半徑變大，因此可以看出爬樹修枝部分攀爬樹干的過程存在一頓一頓的運(yùn)動(dòng)不連續(xù)情況。

(7)由表2可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪外層材料為橡膠條纏繞層、厚層橡膠裹層和加工有大橫紋的厚層橡膠裹層時(shí)，測(cè)試結(jié)束后可觀察到驅(qū)動(dòng)輪表面附著有白色的粉末狀附著物。由于以這三種材料作為外層材料時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪無明顯的打滑，驅(qū)動(dòng)輪外層材料未產(chǎn)生磨屑，又因?yàn)殍駱錁涓傻谋砥どL(zhǎng)有薄片狀極容易脫落的白色小斑點(diǎn)，從顏色來看，可以判斷出驅(qū)動(dòng)輪的這些附著物來自生長(zhǎng)在桉樹樹干表皮的白色小斑點(diǎn)。由于這些黏附在驅(qū)動(dòng)輪外層的白色粉末狀附著物會(huì)影響到驅(qū)動(dòng)輪外層與樹皮微凸體之間的緊密貼合，為了避免附著物在驅(qū)動(dòng)輪外表面的堆積，可以在驅(qū)動(dòng)輪的外層加工沿著驅(qū)動(dòng)輪圓周方向的小條紋，在后續(xù)的試驗(yàn)中，建議采用硬度較小的厚層橡膠裹層作為驅(qū)動(dòng)輪的外層材料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

為探明驅(qū)動(dòng)輪外層材料與桉樹樹皮之間的摩擦力及其產(chǎn)生機(jī)理開展研究，指出可用于修枝機(jī)且能夠獲得較大摩擦力的驅(qū)動(dòng)輪外層材料的選擇方向，采用試錯(cuò)法對(duì)修枝機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪粘貼或者安裝具有不同硬度和層厚的材料開展修枝機(jī)的攀爬性能測(cè)試，結(jié)合桉樹樹皮表層的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪外層材料與桉樹樹皮的接觸情況和摩擦機(jī)理進(jìn)行了分析，得到的主要結(jié)論如下：

(1)驅(qū)動(dòng)輪外層材料硬度較大時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪外層在宏觀尺度上與桉樹樹皮僅有小面積的接觸，而且在微觀尺度上也難以緊密接觸，較小面積和不緊密的接觸，造成桉樹樹皮微凸體的剪切應(yīng)力過大進(jìn)而被破壞，使得驅(qū)動(dòng)輪打滑。打滑現(xiàn)象的出現(xiàn)，不僅會(huì)損傷桉樹樹皮，也會(huì)造成修枝機(jī)的爬樹修枝部分無法沿著樹干向上爬升。

(2)在相同的接觸力作用下，較軟的驅(qū)動(dòng)輪外層材料容易變形，不僅在宏觀尺度上與桉樹樹皮有較大面積的接觸，而且在微觀尺度上也有較為緊密的接觸，較大的面積和緊密的接觸，可以減少桉樹樹皮微凸體的剪切應(yīng)力，避免桉樹樹皮微凸體被破壞，從而可使驅(qū)動(dòng)輪獲得較大的摩擦力，即爬樹修枝部分獲得更大的攀升力，因此驅(qū)動(dòng)輪外層應(yīng)選用硬度較小而且層厚較大的材料，而驅(qū)動(dòng)輪外層材料的最佳硬度值，建議以硬度值45HA作為硬度上限來選取驅(qū)動(dòng)輪的材料。

(3)驅(qū)動(dòng)輪外層額外增加的較大防滑條紋并不能增加驅(qū)動(dòng)輪與樹干之間的摩擦力，其攀爬性能還不如表面光滑的驅(qū)動(dòng)輪，因此不推薦在驅(qū)動(dòng)輪外層額外增加較大的防滑條紋，但是由于桉樹表皮有薄片狀且容易脫落的白色小斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)會(huì)黏附在驅(qū)動(dòng)輪的外層影響驅(qū)動(dòng)輪外層與樹皮微凸體之間的緊密貼合，因?yàn)樵隍?qū)動(dòng)輪的外層加工沿著驅(qū)動(dòng)輪圓周方向的小條紋，可減少白色小斑點(diǎn)黏附在驅(qū)動(dòng)輪上造成堆積，這是否有利于增加摩擦力有待進(jìn)一步驗(yàn)證。