卢 鸿， 郑 贤， 韦 为

(1.广西壮族自治区国有七坡林场，广西 南宁 530225；2.广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004；3.广西制造系统与先进制造技术重点实验室，广西 南宁 530004)

为了获得无节眼、通直度高的优质木材以及增加林木产量，对桉树林木进行修枝是有效的手段之一[1-2]，修枝工作的高效完成有赖于桉树修枝机设计理论的充实和新机型的开发。国内外学者研制了不少沿着树干爬升并在爬升过程中完成枝条修剪的专用爬树修枝机器，如国内有北京林业大学和山东农业大学等单位通过引进国外技术或者自行研发设计的一类沿着树上螺旋爬升并依靠动力剪完成修枝作业的专用修枝机器[3-8]，东北林业大学设计的基于模糊控制的剪枝机器人[9]，南京林业大学设计的基于柔性刀具的爬树修枝机器人[10]，金华绿川科技有限公司设计的爬树修枝机器人[11]，山东农业大学设计的直接爬升式修枝机器人[12]等；国外有欧洲国家设计的立木整枝机——“上树猴”[13]，日本SEIREI公司设计的无线可遥控型自动立木整枝机(AB170、AB230、AB350系列)[14]，Gui等[15]设计的带有防下滑功能的新型修枝机器人，日本岐阜大学持续10多年研发的带有节能链锯驱动器的修枝机器人[16]和德国Jordan家族企业研发的advaligno PATAS[17-18]等等。以上这一类专用的爬树修枝机器，它们对通直度高林木的修枝具有一定的适应性，基本代表这一领域修枝机的发展方向，但面对桉树的修枝还存在一定的问题和较大的改善空间。从工作原理来看，这一类修枝机都是通过驱动轮或者驱动履带与树干之间的摩擦力获得爬升力，因此其修枝性能很大程度上依赖于驱动轮或者驱动履带与树干之间的摩擦力，但目前的研究很少对驱动轮或者驱动履带与树干之间的摩擦力及其产生机理开展研究，而这恰恰又是开展爬树修枝机器新机型设计或者对现有机型进行改进的关键。本研究通过对文献[19]所述的桉树修枝机使用由不同外层材料组成的驱动轮进行攀爬性能测试，结合桉树树皮的结构分析不同的驱动轮外层材料对修枝机攀爬性能的影响，初步探究修枝机驱动轮或者驱动履带与树干之间的摩擦力及其产生机理，指出可用于修枝机且能够获得较大摩擦力驱动轮外层材料的选择方向，为爬树修枝机新机型的设计或现有机型的改进提供参考。

1 试验部分

1.1 试验设备

试验所用的设备为如图1所示新设计的遥控式爬树修枝机，其总体构成如图1(a)所示，主要包括爬树修枝部分、控制器、电源线、移动电源和手持遥控器。其中，爬树修枝部分如图1(b)所示，由机架、修枝装置(主要包括活动刀片、固定刀片、活动刀片开合驱动机构、电动推杆)和攀爬装置(主要包括驱动电机、减速器、驱动轮、从动轮、驱动轮开合驱动机构、电动推杆)组成；控制器安装在上树修枝机上并与移动电源通过电源线相连；移动电源为汽油机驱动且输出电压为24 V直流电发电机，试验时使用两个12 V蓄电池串联在一起形成24 V电源；手持遥控器为操控装置，用于发送信号控制上树修枝机完成修枝作业。

图1 遥控式爬树修枝机结构示意图

1.2 主要参数

爬树修枝部分总重为9.8 kg，驱动轮直径为80 mm，用于夹紧两个驱动轮电动推杆的最大拉力为600 N，无刷电机的型号、最大电压和最大功率分别为LBP5692-1 000 kV、40 V和5 500 W，减速器的减速比为36∶1，树干的直径为100～120 mm。

1.3 试验方法

由于测试所用的遥控式爬树修枝机主要是面向通直度高的桉树等速生林木设计的，测试时以桉树作为测试对象。修枝机的爬树修枝部分在攀爬树干过程中，其攀爬性能取决于驱动轮与树干的摩擦力，而摩擦力主要与相接触的两物体之间的接触情况和接触力有关。当接触力不变时，由于作业对象(桉树)的表皮结构是自然态而无法进行调控，则爬树修枝机的攀爬性能主要取决于驱动轮外层的材料及其表面情况。考虑到爬树修枝部分在攀爬树干进行修枝作业的过程中不能损伤树皮，先选择硬度相对小且具有较好耐磨性的聚氨酯作为驱动轮的外层材料，测试时发现爬树修枝部分不能攀爬树干，继而采用硬度更小且外表面有圆形防滑小突起的薄层胶带作为驱动轮的外层材料，此时爬树修枝部分仍然不能攀爬树干，经过分析，猜测爬树修枝部分不能攀爬树干的原因可能是因为驱动轮与树干接触面积过小，为此又采用其他几种不同的材料作为爬树修枝部分驱动轮的外层材料。试验过程中先后作为驱动轮外层的材料见表1。每次采用不同外层材料的驱动轮进行试验时，通过操纵遥控器使驱动轮转速由零开始逐渐增加至最大值(666 r/min)，观察爬树修枝部分的攀爬情况，同时使用摄像机记录其攀爬过程。

表1 爬树修枝机驱动轮外层材料

2 测试结果

爬树修枝机的测试工况如图2所示，攀爬情况见表2，从图1和表2可以看出，爬树修枝机的攀爬性能以驱动轮外层为厚层橡胶裹层最好，其次是驱动轮外层为橡胶条缠绕层，接着是驱动轮外层为中层橡胶，最后是驱动轮外层为薄层胶带和外层为聚氨酯裹层。此外，驱动轮外层的防滑横纹并不能增加摩擦力从而提高上树修枝机的攀爬性能，而且驱动轮外表面的齿形也不能增加上树修枝机的攀爬性能且导致运动的不连续。

图2 爬树修枝部分攀爬性能测试

3 讨论

3.1 桉树表皮的结构分析

由摩擦学的微凸体接触典型理论[20-21]和橡胶与硬物体接触的情况[22]可知，要弄清树干表皮与驱动轮之间的摩擦力及其产生机理，首先需了解桉树树干表皮的结构，桉树树干新鲜的表皮结构如图3所示。从图3(a)中可以看出，自然状态下的桉树表皮，其表层生长有薄片状的白色小斑点，这些小斑点正是使桉树树干呈白色的主要成分，其与树皮之间的附着强度极小，用手轻轻一撮即可使其脱落，在纵向方向则可以依稀地看到呈平行分布的纹理，自然态的桉树表皮横截面示意图如图3(b)所示。将桉树表皮的白色斑点擦除，可以看到桉树表皮的结构如图3(c)所示，从图中可以看出，桉树表皮除了尺度在1×10-1mm范围内呈平行分布的纹理，还存在尺度在1×10-2mm范围内的微凸体。纵向纹理的间距和纹理的大小如图3(b)或者图3(d)所示的L1和L2，其尺度分别为1 mm和1×10-1mm。

3.2 驱动轮与桉树表皮的接触与摩擦情况

驱动轮与桉树树干表皮接触示意图如图4所示。

(1)当驱动轮外层为聚氨酯裹层时，聚氨酯裹层与桉树树干表皮之间的真实接触情况如图4(a)所示，由于聚氨酯裹层的硬度值为HA96，硬度较大，驱动轮与桉树表皮的接触，不仅在宏观尺度范围内仅有较小的接触面积，而且在中等尺度和微观尺度范围内，聚氨酯与桉树树干表皮之间相互嵌入的程度低，在桉树树干表皮上仅有少量的微凸体嵌入到聚氨酯内部，随着驱动轮的转动，嵌入到聚氨酯内部的桉树表皮上的微凸体受到剪切或黏附作用而产生摩擦力，但该摩擦力不足与跟驱动力抗衡，造成桉树表皮微凸体所受的剪切应力过大而被破坏从而形成如图2(a)所示的树皮磨损，驱动轮则在原处打滑，爬树修枝部分无法上升。

(2)当驱动轮外层为薄层胶带时，尽管橡胶层的硬度值仅为HA45，硬度较低，但是厚度较小，在相同的接触力作用下，其产生的变形较小，在宏观尺度范围内仅有较小的接触面积，并且由于其表面含有圆形的防滑小突起，在中等尺度范围内，驱动轮也不能与桉树表皮紧密接触，如图4(b)所示。当驱动轮转动时，薄层胶带的防滑小突起受到剪切或黏附作用产生摩擦力，尽管防滑小突起能很好地嵌入到树皮表层的小凹坑，但由于宏观尺度和中等尺度的接触面积小，该摩擦力仍然不能与驱动力抗衡，造成防滑小凸起受到过大的剪切应力而被破坏，从而使薄层胶带的防滑小突起被磨平，如图2(b)所示，驱动轮在原处打滑，爬树修枝部分同样无法上升。

(3)当驱动轮外层为中层橡胶包层时，由于橡胶层的硬度值为HA50，硬度小且具有较厚的包层，在相同的接触力作用下，橡胶包层能够形成较大的变形并且能较好地嵌入到桉树表皮的凹坑，尽管在微观尺度范围内能紧密接触，但由于该橡胶包层外表面含有防滑小横纹，在小横纹的凹陷处，橡胶包层和桉树表皮之间仍然存在空隙，如图4(c)所示，当驱动轮转动时，在橡胶包层和桉树表皮之间由于剪切力或黏附而形成的摩擦力可以抗衡驱动力，桉树树皮微凸体的剪切应力没有超过应力强度，从而使得爬树修枝部分能够顺利沿着树干向上爬升。

(4)当驱动轮外层为厚层橡胶裹层时，由于橡胶裹层硬度小，其硬度值仅为HA45，且层厚较大，在相同的接触力作用下，橡胶裹层可以得到更大的变形，与桉树树干表皮之间形成几乎没有空隙的接触，如图4(d)所示，此时，橡胶裹层与桉树表皮之间相互嵌入的程度最高，可提供的摩擦力最大，因而攀爬性能最优。

(5)当驱动轮外层为橡胶条缠绕层时，其硬度为50 HA，硬度较小，但橡胶缠绕层并不是理想的圆柱形外表面，当其与树干表皮接触时，形成的真实接触情况介于图4(c)和图4(d)之间，因此其攀爬性能也介于驱动轮为中层橡胶包层和厚层橡胶裹层之间。

(6)当驱动轮外层为加工有大横纹的厚层橡胶裹层时，由于此时的驱动外层不是圆形，当驱动轮转动到大横纹的凹槽处，其作用半径变小，转到横纹处，其作用半径变大，因此可以看出爬树修枝部分攀爬树干的过程存在一顿一顿的运动不连续情况。

(7)由表2可知，当驱动轮外层材料为橡胶条缠绕层、厚层橡胶裹层和加工有大横纹的厚层橡胶裹层时，测试结束后可观察到驱动轮表面附着有白色的粉末状附着物。由于以这三种材料作为外层材料时，驱动轮无明显的打滑，驱动轮外层材料未产生磨屑，又因为桉树树干的表皮生长有薄片状极容易脱落的白色小斑点，从颜色来看，可以判断出驱动轮的这些附着物来自生长在桉树树干表皮的白色小斑点。由于这些黏附在驱动轮外层的白色粉末状附着物会影响到驱动轮外层与树皮微凸体之间的紧密贴合，为了避免附着物在驱动轮外表面的堆积，可以在驱动轮的外层加工沿着驱动轮圆周方向的小条纹，在后续的试验中，建议采用硬度较小的厚层橡胶裹层作为驱动轮的外层材料进行试验验证。

4 结论

为探明驱动轮外层材料与桉树树皮之间的摩擦力及其产生机理开展研究，指出可用于修枝机且能够获得较大摩擦力的驱动轮外层材料的选择方向，采用试错法对修枝机的驱动轮粘贴或者安装具有不同硬度和层厚的材料开展修枝机的攀爬性能测试，结合桉树树皮表层的结构特征，对驱动轮外层材料与桉树树皮的接触情况和摩擦机理进行了分析，得到的主要结论如下：

(1)驱动轮外层材料硬度较大时，驱动轮外层在宏观尺度上与桉树树皮仅有小面积的接触，而且在微观尺度上也难以紧密接触，较小面积和不紧密的接触，造成桉树树皮微凸体的剪切应力过大进而被破坏，使得驱动轮打滑。打滑现象的出现，不仅会损伤桉树树皮，也会造成修枝机的爬树修枝部分无法沿着树干向上爬升。

(2)在相同的接触力作用下，较软的驱动轮外层材料容易变形，不仅在宏观尺度上与桉树树皮有较大面积的接触，而且在微观尺度上也有较为紧密的接触，较大的面积和紧密的接触，可以减少桉树树皮微凸体的剪切应力，避免桉树树皮微凸体被破坏，从而可使驱动轮获得较大的摩擦力，即爬树修枝部分获得更大的攀升力，因此驱动轮外层应选用硬度较小而且层厚较大的材料，而驱动轮外层材料的最佳硬度值，建议以硬度值45HA作为硬度上限来选取驱动轮的材料。

(3)驱动轮外层额外增加的较大防滑条纹并不能增加驱动轮与树干之间的摩擦力，其攀爬性能还不如表面光滑的驱动轮，因此不推荐在驱动轮外层额外增加较大的防滑条纹，但是由于桉树表皮有薄片状且容易脱落的白色小斑点，这些斑点会黏附在驱动轮的外层影响驱动轮外层与树皮微凸体之间的紧密贴合，因为在驱动轮的外层加工沿着驱动轮圆周方向的小条纹，可减少白色小斑点黏附在驱动轮上造成堆积，这是否有利于增加摩擦力有待进一步验证。