可移动装配式林业索道支架受力分析
工程索道作为林业集材的重要手段之一，有其显著的优点,索道运输能量消耗小，生产效率高,其架空在支架上，不需要开挖集材便道，环保性好[1-2]。索道支架是承载索的承载装置，是索道系统的基础。传统林业集材索道通常选择伐区中合适的活立木作为支架，或者搭建桁架式钢支架，两种支架都存在一定的局限性[3-5]。活立木支架需要在索道起点或终点所在的集材线路上，不仅需要选择胸径50cm以上深根系树木，而且可作为支架的立木无法利用索道集材；桁架式钢支架，架设与拆卸不方便，成本较高[6]。因此，设计一种方便移动的支架，可以简化林业索道的安装架设。1不同索道支架的受力分析1.1传统索道支架受力分析
为扩大索道适应范围，设计移动式支架，同时为保证有足够的支撑高度，采用支架托索装置承托承载索结构[8]。从图3中可以看出托索结构的支架主要承受压应力，故采用圆管作为支架的基本结构较经济合理。图3托索端力学分析Fig.3Mechanicalanalysisofcablepulley图选项1.2.1托索滑轮分析
支架托索装置可以采用托索滑轮，也可以是托索鞍座。采用托索滑轮[图3(a)]，承载索与滑轮接触为滚动摩擦，承载索可以在滑轮上自由移动，支架所承受的外力为向下的压力，压力为：${F_y}={F_1}{ m{sin}}{ heta_1}+{F_2};{ m{sin}}{ heta_2}$(1)
因为滑轮对承载索滚动摩擦力很小，F1=F2${F_y}={F_1}left({{ m{sin}}{ heta_1}+{ m{sin}}{ heta_2}} ight)$(2)$F_{x}=F_{1}left(cos heta_{1}-cos heta_{2} ight)$(3)
式中：F1为承载索工作端拉力(N)；F2为承载索固定端拉力(N)；Fx为水平方向合力(N)；Fy为竖直方向压力(N)；θ1为F1与水平线夹角(弧度)；θ2为F2与水平线夹角(弧度)。
这种支架结构受力状况较好，但承载索在滑轮处的挠度较大，承载索使用寿命短。1.2.2托索鞍座分析
托索装置采用托索鞍座[图3(b)、图3(c)]，可以增大承载索挠度，增加了承载索和托索装置的接触面积，可以延长承载索的使用寿命。但此时支架就不只承受压力，而且还承受了承载索与鞍座之间的横向摩擦力。
式中：μ为摩擦系数0.12；a为钢丝绳包角，取0.42弧度，F3为绷索产生的拉力(N)。
当Fcr1=Fcr2时整根支架受力最均衡，计算得l1=0.59L。
式中：Fcr1为下半段临界压力；Fcr2为上半段临界压力；I为惯性矩；E为弹性模量；L为总长；l1为下半段长度。2仿真分析
从仿真分析中可以得出，在0.59L处增加一个铰链约束，支架稳定性最好，最大变形最小，临界载荷最大，是下支点固定，上支点自由端的30倍。仿真变形云图如图5所示。同样模型通过公式(8)、(9)计算出最大的临界压力，结果记录于表2。临界压力变化趋势相近，分段模型仿真结果大于计算结果。图5综合变形云图Fig.5Totaldeformation图选项3试验分析
设计承载1000kg，支架间距离200m，两支架安装坡度11°。计算得主索拉力为80kN，支架受压力30kN，支架高度5m。根据相似试验原理，取管材规格为直径75mm厚3mm管。由于分段支架临界载荷接近，为制造与运输方便，按图6模型比例为0.5L的分段设计。把设计支架用的管材参数带入得：${I_s}=4.4{{ m{e}}^{-7}}$
式中：Fcr为计算支架所受压力(N)；Fcrs为实例支架临界压力(N)；Fcrm为模型支架临界压力(N)；Is为实例支架惯性矩；Im为模型支架惯性矩；N为安全系数；Ls为实际杆件长度(m)；Lm为模型长度(m)；惯性矩与杆件长度平方的比值$frac{{{I_{ m{s}}}L_{ m{m}}^{ m{2}}}}{{{I_{ m{m}}}L_{ m{s}}^{ m{2}}}}$为相似准则。
安全系数N大于4，经实际验证方案可行，如图7所示。图7应用实例Fig.7Applicationinstance图选项5讨论与结论
通过理论计算、仿真分析以及试验验证，可初步得到以下结论：在支架中增加绷索固定后，可以有效消除水平方向拉力对支架的作用，消除支架弯矩，绷索固定抗压能力提高3倍以上；采用分段式支架，增加多组绷索固定，可减小单段杆件的长度及杆件的柔度，从而提高支架的工作能力；当分段处位于杆件的0.59L处时，效果最好，抗压能力是没有分段时的1.7倍；分段支架单根杆件长度与重量减小，便于运输转移，对推广小型索道有着很好的促进作用。
由于本研究仅针对特定的支架结构形式进行试验分析，对于不同的支架结构形式(包括材料、固定方式、支架高度，绷索固定形式、索鞍形式等)，其性能会有较大的差异，因此为了更好地满足索道集材的需要，今后应对不同的支架结构形式进行深入的分析研究，从而得到可供生产选择应用的性能最佳的系列支架结构形式。