竹材索道集材運(yùn)輸裝備跑車及懸索的設(shè)計(jì)與分析

雷永杰，周建波，傅萬四，馮海韻，傅 興，王凡雨，張立忠，張雨晴，廖新華

（1.國家林業(yè)和草原局 哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 木材工業(yè)研究所，北京 100091；3.北京海墾商貿(mào)發(fā)展有限公司，北京 100028；4.長沙正忠科技發(fā)展有限公司，湖南 長沙 410116）

中國竹林面積大，竹材資源豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022 年中國竹林面積高達(dá)709.92 萬hm2，但由于竹子主要分布在海拔200～1 200 m[1]，受竹林立地條件和林道建設(shè)滯后制約，將竹子從山上采伐運(yùn)輸出來十分困難。長期以來，人工砍伐竹材后，通過人力或畜力將竹材運(yùn)至山下，生產(chǎn)方式落后，勞動強(qiáng)度大、效率低[2]。為降低勞動強(qiáng)度，有人把鋼絲繩作為運(yùn)送索道來實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)竹，但運(yùn)送索道前期布置比較困難，且對懸索和跑車的使用壽命及安全要求較高[3]。當(dāng)前，中國林業(yè)索道集材領(lǐng)域跑車主要分為無動力源和自帶動力源兩大類。無動力源跑車不具備自主起吊或裝卸貨物的能力，此類索道裝卸貨物需人力或其他外力，功能單一，效率不高。自帶動力源跑車可起吊和自主裝卸貨物，但此類跑車機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大，且因蓄電池容量限制，跑車的續(xù)航能力不足，若在工作途中蓄電池電量耗盡，易導(dǎo)致運(yùn)輸過程發(fā)生貨物掉落等安全事故[4]。如何將采伐的竹材高效安全、低成本運(yùn)輸下山成為亟待解決的技術(shù)瓶頸。

本研究對竹材索道集材跑車運(yùn)輸系統(tǒng)中懸索和跑車等關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、續(xù)航能力強(qiáng)、運(yùn)輸安全性較高的自充電索道跑車，繪制了跑車三維模型，對跑車關(guān)鍵部件進(jìn)行了有限元分析，對跑車-索道運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。自充電跑車設(shè)計(jì)大幅提高跑車?yán)m(xù)航能力和安全性，為竹材運(yùn)輸下山裝備開發(fā)提供一種新的思路。

1 竹材索道集材跑車運(yùn)輸系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.1 基本參數(shù)

根據(jù)在湖南、福建等省部分竹林地理環(huán)境的航拍調(diào)研結(jié)果，以及竹材質(zhì)量和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步確定竹材索道集材跑車運(yùn)輸系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)參數(shù)：竹林垂直高度≤200 m，索道傾斜角≤35°，索道跨距200～500 m，承載索速度≤1.0 m·s-1(可調(diào))，牽引索與回空索速度≤4.0 m·s-1(可調(diào))，跑車質(zhì)量200 kg，運(yùn)輸跑車單次載質(zhì)量≤400 kg。

1.2 懸索設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代林業(yè)索道集材運(yùn)輸領(lǐng)域中，對工作索的要求為：具有可靠的靜態(tài)抗拉力和交變的動態(tài)承載力；具有良好的抗磨性，在跑車滑輪接觸、轉(zhuǎn)動、滑動、擠壓作用下不易損耗；具有適宜的彈性，易于吸收沖擊。本設(shè)計(jì)選用“6×19 股纖維芯”鋼絲繩作為承載索，根據(jù)跑車和吊運(yùn)質(zhì)量、索道傾斜角等主要設(shè)計(jì)參數(shù)初步確定承載索規(guī)格。承載索金屬截面積FMB可由下式計(jì)算[5]：

式(1)中：P為總載荷(N)；n為安全系數(shù)，對于林業(yè)索道承載索，n一般取2；l0為承載索有效長度(m)；β為索道傾斜角；f為有荷最大撓度，f=Sl0，S為有荷最大撓度系數(shù)，S一般取0.03；[σ]為承載索鋼絲有效強(qiáng)度，[σ]=0.85σb，σb為極限強(qiáng)度，σb=2 160 MPa?？傒d荷：

式(2)中：Q為跑車與吊運(yùn)質(zhì)量(kg)；a為沖擊載荷系數(shù)，查表取a=0.3。將Q=6 000N代入式(2)可得：P=7 800 N。將P=7 800 N，[σ]=1 836 MPa，最大傾斜角β=35°等參數(shù)代入式(1)得：FMB=88.96 mm2。

根據(jù)承載索金屬截面積，可計(jì)算承載索直徑(d)：

1.3 跑車設(shè)計(jì)

1.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ①行走機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是行走滑輪的選擇，行走滑輪個數(shù)和各滑輪間距大小對承載索彎曲應(yīng)力影響很大。通過應(yīng)變片試驗(yàn)測試，行走滑輪作用下承載索彎曲應(yīng)力分布[5]如圖1所示。當(dāng)跑車吊重在承載索上運(yùn)行時(shí)，行走輪正下方彎曲應(yīng)力最大，彎曲應(yīng)力隨載荷作用點(diǎn)距離變大而逐漸減小。圖1A 比圖1B 應(yīng)力分布情況更加合理，雖然彎曲應(yīng)力最大值不變，但其彎曲應(yīng)力的變化曲線較為平緩。因此，任意加大跑車行走輪的間距，對承載索的受力非常不利。為延長承載索使用壽命，應(yīng)把行走輪布置得相互靠近并使之具有相等的間距。通常行走輪縱向輪距應(yīng)為行走輪輪徑2 倍左右。本設(shè)計(jì)跑車行走輪間距取700 mm。行走輪個數(shù)(N)可由最大彎曲應(yīng)力( σw)求得[5]：

圖1 行走滑輪作用下承載索彎曲應(yīng)力Figure 1 Bending stress of bearing cable under the action of traveling pulley

式(4)中：P為總載荷(N)；σw為承載索最大彎曲應(yīng)力(N·mm-2)；Ek為承載索彈性模量(MPa)；T為承載索最大張力(N)；FMB為鋼索橫截面面積(mm2)。承載索最大張力(T)可由承載索的最大破斷拉力(TP)求得：

式(5)中：TP為承載索最大破斷拉力，TP=φS，φ為折斷系數(shù)，φ=0.82～0.90，此處取φ=0.90，S為鋼絲繩破斷拉力(N)；K為考慮沖擊系數(shù)后承載索的安全系數(shù)，取K=2.5。將TP=100 800 N 代入式(5)，得T=40 320 N，承載索最大拉應(yīng)力。由式(4)可知：拉應(yīng)力與承載索張力T成正比，而彎曲應(yīng)力與承載索最大張力T成反比，考慮到承載索總應(yīng)力不得超過承載索鋼絲繩的有效強(qiáng)度，一般規(guī)定：

（五）地緣政治局勢依然動蕩。當(dāng)前地緣政治“灰犀牛”“黑天鵝”風(fēng)險(xiǎn)并存。英歐在退歐關(guān)稅聯(lián)盟談判上的對抗性上升，意大利民粹黨派幾經(jīng)波折最終成功組閣，西班牙中右翼政府未通過不信任投票，歐洲政治不確定性已對歐元區(qū)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和歐洲一體化發(fā)展構(gòu)成挑戰(zhàn)。敘利亞內(nèi)戰(zhàn)、恐怖主義威脅熱度難減，伊核問題因美退出協(xié)議驟然升溫，美駐以使館遷館已釀巴以嚴(yán)重沖突，以色列挾美支持對伊朗關(guān)系日趨緊張，初顯緩和的朝核局勢未來走向依然成謎，突發(fā)性地緣沖突嚴(yán)重沖擊全球經(jīng)濟(jì)的風(fēng)險(xiǎn)正在不斷積聚。

本次設(shè)計(jì)取σw=0.5σi=278 MPa。將P=7 800 N，σw=278 MPa，T、Ek和FMB等參數(shù)代入式(4)得N=5.3，取N為6 個。②升降卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)。升降卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)指安裝于跑車車架底板上對稱布置的2 臺升降卷揚(yáng)機(jī)，主要包括電機(jī)、齒輪減速機(jī)構(gòu)、剎車裝置、起重索、防脫掛鉤等。通過控制卷揚(yáng)機(jī)起重索的升降實(shí)現(xiàn)林間集材和集材點(diǎn)打捆竹材的提升運(yùn)輸。根據(jù)索道集材跑車運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，跑車升降卷揚(yáng)機(jī)選用坤航起重機(jī)械有限公司生產(chǎn)的邁士頓小型升降卷揚(yáng)機(jī)。卷揚(yáng)機(jī)參數(shù)如表1。③自充電機(jī)構(gòu)。自充電機(jī)構(gòu)主要由鏈傳動裝置、發(fā)電機(jī)和蓄電池組成。跑車行走輪在承載索上轉(zhuǎn)動時(shí)，前后2 個行走輪通過與其同軸連接的鏈傳動裝置將機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)將轉(zhuǎn)換的電能傳輸至蓄電池，實(shí)現(xiàn)跑車邊工作邊充電，提高跑車的續(xù)航能力。跑車整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

表1 升降卷揚(yáng)機(jī)參數(shù)Table 1 Lifting winch parameters

圖2 跑車整體結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Overall structure diagram of sports car

1.3.2 工作原理 集材作業(yè)時(shí)，主機(jī)上的卷揚(yáng)機(jī)控制牽引索與回空索運(yùn)行，牽引跑車在承載索上移動至林間集材點(diǎn)上空，并通過控制牽引索與回空索實(shí)現(xiàn)跑車在集材點(diǎn)上空的定位。當(dāng)跑車固定于林間集材點(diǎn)上空時(shí)，用遙控器控制跑車升降卷揚(yáng)機(jī)放索，人工拽拉繩索至林間伐倒竹材處，將卡住竹材根部的卡具掛在繩索上，跑車卷揚(yáng)機(jī)收索，將竹子牽引至林間集材點(diǎn)。在集材點(diǎn)進(jìn)行竹材打捆，用遙控器控制跑車升降卷揚(yáng)機(jī)收索，提升打捆竹材至限位高度。再控制主機(jī)上的牽引索與回空索運(yùn)行，牽引跑車運(yùn)輸竹材至轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)。

2 跑車行走輪靜力學(xué)分析

2.1 材料加載與網(wǎng)格劃分

由于跑車與重物的整體質(zhì)量全部通過行走輪支撐在承載索上，行走輪受力較大。若在工作過程中失效，將造成安全事故，所以需對行走輪進(jìn)行靜力學(xué)分析[6]。行走輪采用的灰鑄鐵HT250 制作，其硬度低于鋼絲繩。HT250 力學(xué)特性如表2 所示。

表2 HT250 材料特性Table 2 HT250 material properties

利用ABAQUS 自帶的四面體網(wǎng)格法[7]對行走輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖3 為網(wǎng)格劃分圖，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為247 062 個，單元數(shù)為82 354 個。

圖3 行走輪網(wǎng)格劃分圖Figure 3 Grid division diagram of walking wheel

2.2 施加約束和載荷

行走輪工作時(shí)，圍繞承載索垂直方向轉(zhuǎn)動，因此，設(shè)置約束時(shí)，釋放X軸方向的轉(zhuǎn)動，其余方向的移動與轉(zhuǎn)動均固定。

跑車工作時(shí)，跑車與重物總載荷全部作用在行走輪軸上，行走輪軸再作用于行走輪。設(shè)行走輪軸施加的壓力均勻作用于輪孔上。6 個行走輪受總載荷為7 800 N，則作用于中心孔的均布壓力Gn：

式(7)中：P′為單個行走輪中心孔壓力(N)；D為行走輪中心孔直徑，為50 mm；h為行走輪輪寬，為60 mm。

2.3 求解

跑車行走輪在施加約束和載荷后，經(jīng)求解運(yùn)算得到行走輪等效應(yīng)力最小值為3.121×10-3MPa，最大值為11.84 MPa；等效位移最小值為0 m，最大值為1.778×10-4m。等效應(yīng)力和等效位移云圖如圖4A 和圖4B。

圖4 等效應(yīng)力云圖(A)和等效位移云圖(B)Figure 4 Equivalent stress nephogram and equivalent displacement nephogram

由圖4A 可知：行走輪的最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪中心孔圈中間處，為11.84 MPa；最小應(yīng)力出現(xiàn)在行走輪輪緣最外側(cè)，行走輪壓力沿2 側(cè)輪緣變化平穩(wěn)。由圖4B 知：行走輪的最大位移發(fā)生在外側(cè)車輪輪緣和輪中心孔圈中間處，變形量為1.778×10-4m。由于灰鑄鐵HT250 的許用應(yīng)力為250.00 MPa，遠(yuǎn)大于工作時(shí)所受的最大應(yīng)力，且行走輪最大位移量對其工作狀態(tài)影響極小，因此強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 運(yùn)輸跑車-承載索耦合振動仿真分析

3.1 承載索模型簡化

本設(shè)計(jì)中承載索鋼絲繩是由6 繩股捻繞而成，具有一定的撓度。進(jìn)行動力學(xué)分析時(shí)，需先把鋼絲繩簡化。在應(yīng)用ADAMS 研究耦合振動時(shí)，還需要對鋼絲繩進(jìn)行柔性化處理。此處選擇利用ABAQUS 軟件將簡化后的鋼絲繩模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模態(tài)處理后保存為MNF 過渡文件格式[8]，再將文件導(dǎo)入ADAMS 軟件中，獲得鋼絲繩的柔性體。

3.2 承載索垂直位移時(shí)間歷程分析

將SolidWorks 建立的跑車和模態(tài)處理后的承載索三維模型導(dǎo)入ADAMS 2020 應(yīng)用軟件，在ADAMS 中給跑車-承載索平移驅(qū)動motion 設(shè)置step 函數(shù)控制其運(yùn)行速度[9]，當(dāng)跑車速度為2 m·s-1時(shí)，step 函數(shù)為step(time, 0, 0, 2, 2)+step(time, 250, 0, 252, -2)，即前2 s 跑車速度由0 m·s-1加速到2 m·s-1，2～250 s 以2 m·s-1保持勻速運(yùn)動，接近承載索端點(diǎn)時(shí)，由2 m·s-1減速到0 m·s-1。承載索鋼絲繩長度為500 m，取250 m 處鋼絲繩為研究點(diǎn)，跑車速度設(shè)置2 和4 m·s-1，跑車總質(zhì)量取200、400、600 kg，索道傾斜角為20°，通過ADAMS 運(yùn)動仿真得到承載索的垂直位移時(shí)間歷程如圖5 所示。

圖5 不同跑車總質(zhì)量下承載索的垂直位移時(shí)間歷程Figure 5 Vertical displacement time history of the load-bearing cable under different total mass of sports cars

圖5 可以看出：隨著速度增加，跑車走完全程完成1 次竹材運(yùn)輸所需時(shí)間減少。承載索垂直位移隨跑車速度的增加而增大，且通過圖5A 與圖5B 對比發(fā)現(xiàn)：速度為2.0 m·s-1時(shí)位移變化比4.0 m·s-1時(shí)密集，此時(shí)跑車在承載索上運(yùn)行時(shí)對承載索施加的載荷頻率變化快。當(dāng)速度為4.0 m·s-1時(shí)，雖位移變化頻率比2.0 m·s-1時(shí)小很多，但此時(shí)振幅劇增，位移最大可達(dá)4.39 m，容易導(dǎo)致跑車運(yùn)輸?shù)呢浳锏袈浠虺休d索因撓度過大發(fā)生斷裂。跑車運(yùn)輸工作過程中應(yīng)盡量避免在此工況下工作。速度一定時(shí)，對比跑車在不同載荷下索道垂直位移變化發(fā)現(xiàn)，隨著跑車載荷的增加，承載索垂直位移越大。載荷一定時(shí)，隨著跑車速度增加，位移急劇增大。因此，載運(yùn)量越大，速度越快，往返運(yùn)輸竹子時(shí)間越短，效率越高，但此時(shí)跑車與承載索的位移大，可能導(dǎo)致跑車運(yùn)輸貨物掉落或索道斷裂風(fēng)險(xiǎn)，安全性較低。為保證跑車運(yùn)輸竹材安全性和高效率，需要確定跑車優(yōu)化運(yùn)輸條件。

4 基于ADAMS 的跑車運(yùn)輸仿真試驗(yàn)

跑車運(yùn)輸竹材的仿真分析結(jié)果表明：影響竹材運(yùn)輸效率和安全性的主要因素為運(yùn)輸速度和運(yùn)輸質(zhì)量。此外，索道的傾斜角對運(yùn)輸安全性也具有較大影響[10]，但因索道運(yùn)輸時(shí)索道傾斜角條件主要取決于竹林場實(shí)際山體高度，通過增大或減小山頂與山底塔架的高度對傾斜角的影響不大。若要將塔架增減到影響傾斜角的高度，將增加安裝運(yùn)輸成本，且隨著索道支撐塔架的增高，運(yùn)輸安全性將受到極大影響。因此，竹材索道集材跑車運(yùn)輸系統(tǒng)主要應(yīng)用于傾斜角為20°±4°的竹林地環(huán)境。綜合考慮實(shí)際作業(yè)過程中運(yùn)輸速度、跑車與竹材總質(zhì)量和索道傾斜角的變化對整個運(yùn)輸系統(tǒng)效率和安全性的影響，基于第3 節(jié)中ADAMS 構(gòu)建的索道跑車運(yùn)輸仿真模型，開展Box-Behnken 仿真試驗(yàn)以確定優(yōu)化參數(shù)組合[11]。

4.1 試驗(yàn)因素與評價(jià)指標(biāo)

以運(yùn)輸速度(x1)、跑車與竹材總質(zhì)量(x2)、索道傾斜角(x3)為試驗(yàn)因素，以索道最大位移(y1)和運(yùn)輸效率(y2)為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，因素水平編碼如表3 所示。因試驗(yàn)存在2 個評價(jià)指標(biāo)，且2 個指標(biāo)之間存在一定的矛盾，即安全性越高，y1應(yīng)盡可能??；而運(yùn)輸效率越高，則y2要偏大。此處采用多指標(biāo)問題處理的綜合評分法中排隊(duì)評分法，對2 個試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行綜合評分(表4)，將多指標(biāo)綜合為單指標(biāo)進(jìn)行分析[12]。

表3 試驗(yàn)因素編碼Table 3 Test factor coding

表4 試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test result

式(8)中：t為運(yùn)輸總時(shí)間(s)。

根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果，對于最大位移指標(biāo)，第8 號試驗(yàn)為0.98 m，位移量最小，賦予10 分；第7 號試驗(yàn)為4.39 m，位移量最大，賦予1 分。對于效率指標(biāo)，第7 號試驗(yàn)為4.65 kg·s-1，效率最高，賦予10 分；第8 號試驗(yàn)為0.79 kg·s-1，效率最低，賦予1 分。對其他試驗(yàn)號各指標(biāo)值的得分，根據(jù)其與該指標(biāo)優(yōu)秀值的差異按比例打分，最后對每號試驗(yàn)各指標(biāo)的分?jǐn)?shù)相加即得綜合評分。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

仿真試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。采用Design-Expert 13 對表4 數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[13]，得到評價(jià)跑車運(yùn)輸安全性與運(yùn)輸效率的綜合評分指標(biāo)(y3)關(guān)于運(yùn)輸速度(x1)、跑車與竹材總質(zhì)量(x2)和索道傾斜角(x3)二次回歸模型為：。回歸方程的方差分析如表5 所示?；貧w方程模型顯著性檢驗(yàn)F1=25.15，P＜0.001 0，表明回歸方程極為顯著，與試驗(yàn)值擬合程度好，模型合理。模型的失擬性檢驗(yàn)F2=2.82，P=0.170 8＞0.05，說明回歸方程與實(shí)際誤差所占比例很小，即試驗(yàn)誤差小。由方差分析結(jié)果可看出：各因素對跑車運(yùn)輸安全性與運(yùn)輸效率綜合影響由大到小依次為索道傾斜角、運(yùn)輸速度、跑車與竹材總質(zhì)量。

表5 綜合評分指標(biāo)(y3)方差分析Table 5 Analysis of variance of comprehensive evaluation index (y3)

4.3 響應(yīng)面分析

為探究各因素的交互 作用，利用Design-Expert 13 建立運(yùn)輸速度、跑車與竹材總質(zhì)量及索道傾斜角的交互因素對綜合評分指標(biāo)(y3)的響應(yīng)面曲線，結(jié)果如圖6 所示。由圖6A 可知：運(yùn)輸速度一定時(shí)，隨著跑車與竹材總質(zhì)量增大，y3先減小后增大，最佳運(yùn)輸總質(zhì)量為400～600 kg；總質(zhì)量一定時(shí)，y3與運(yùn)輸速度呈正相關(guān)，最佳運(yùn)輸速度為3.0～4.0 m·s-1，運(yùn)輸速度和跑車與竹材總質(zhì)量的交互作用顯著。由圖6B 可知：運(yùn)輸速度一定時(shí)，y3與傾斜角呈負(fù)相關(guān)，隨著傾斜角的增大而減小，最佳傾斜角為16.4°～20.8°；傾斜角一定時(shí)，y3與運(yùn)輸速度呈正相關(guān)，隨運(yùn)輸速度的增大而增大，最佳運(yùn)行速度為2.8～4.0 m·s-1，跑車運(yùn)輸速度與傾斜角的交互作用不顯著。由圖6C 可知，傾斜角一定時(shí)，隨著跑車與竹材總質(zhì)量增大，y3先減小后增大，最佳運(yùn)輸總質(zhì)量為420～580 kg；總質(zhì)量一定時(shí)，y3與傾斜角呈負(fù)相關(guān)，隨傾斜角的增大而減小，最佳傾斜角度為16.5°～20.4°，跑車與竹材總質(zhì)量和傾斜角的交互作用顯著。綜合各交互因素響應(yīng)曲面分析可得：當(dāng)索道傾斜角為16.5°～20.4°、運(yùn)輸速度為3.0～4.0 m·s-1、跑車與竹材總質(zhì)量為420～580 kg 時(shí)，綜合考慮的跑車運(yùn)輸安全性和運(yùn)輸效率效果較好。

圖6 交互作用對綜合評分指標(biāo)(y3)的影響Figure 6 Influence of interaction on comprehensive evaluation index (y3)

4.4 參數(shù)優(yōu)化

為明確在跑車運(yùn)輸安全性和運(yùn)輸效率綜合達(dá)到最優(yōu)情況下的最佳參數(shù)組合，以y3值最大為優(yōu)化目標(biāo)，采用Design-Expert 13 中的優(yōu)化模塊對3 種因素在約束條件下進(jìn)行求解，優(yōu)化約束條件為：

求解得最佳參數(shù)組合：運(yùn)輸速度為3.95 m·s-1，跑車與竹材總質(zhì)量為576.67 kg，索道傾斜角為17.09°，此時(shí)y3為12.31，達(dá)到最大，跑車運(yùn)輸安全性和運(yùn)輸效率綜合達(dá)到最佳。

5 結(jié)論

針對山地竹材砍伐后運(yùn)輸下山困難，成本高，現(xiàn)行簡易索式、軌道式等機(jī)械設(shè)備多由木材索式、軌道式改造而來，效果不穩(wěn)定，實(shí)用性不高，安全得不到保障等問題，提出了一種專用于山地竹材運(yùn)輸?shù)乃鞯兰淖猿潆娕苘囘\(yùn)輸系統(tǒng)。通過實(shí)地調(diào)研，確定了竹材索道集材跑車運(yùn)輸系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)參數(shù)，對懸索及跑車整體尺寸、功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對跑車關(guān)鍵受力部件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核。經(jīng)有限元靜力學(xué)分析可知：運(yùn)輸過程中跑車行走輪所受最大應(yīng)力為11.84 MPa，遠(yuǎn)小于行走輪許用應(yīng)力，最大變形量為1.778×10-4m，對跑車正常工作影響極小，強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。使用ABAQUS 和ADAMS 軟件對跑車與索道組成的系統(tǒng)進(jìn)行了振動耦合分析，探究了運(yùn)輸速度、跑車與竹材總質(zhì)量對運(yùn)輸安全性和效率的影響。當(dāng)跑車速度越快，吊運(yùn)竹材質(zhì)量越大時(shí)，效率越高，但此時(shí)安全性急劇下降，最大位移量可達(dá)4.39 m，易發(fā)生安全事故。

承載索傾斜角為16.5°～20.4°、運(yùn)輸速度為3.0～4.0 m·s-1、跑車與竹材總質(zhì)量為420～580 kg 時(shí)，跑車運(yùn)輸安全性和運(yùn)輸效率均較好；運(yùn)輸速度為3.95 m·s-1、跑車與竹材總質(zhì)量為576.67 kg、索道傾斜角為17.09°時(shí)，運(yùn)輸安全性和效率綜合達(dá)到最佳。