林木联合采育机采育作业机头中的进料辊，是将底盘液压能量转换成带动伐倒木在机头内动作的关键部件。进料辊外圈附带的刚齿，用于提供伐倒木在机头内的驱动力。但是，在作业过程中，进料辊表面的钢齿会使伐倒木表皮和木质纤维受到一些损伤，影响伐倒木的利用价值，因此，林木采育作业机头进料辊的钢齿导致伐倒木本身木质纤维受到损伤的问题，亟待解决。

针对此类问题，国内外进行了一些研究。卢杰等[1]基于Pro/ENGINEER，设计了一款弧形齿凹型表面结构的伐木头进料辊，以解决传统进料辊进料不稳的特点，但是没有进行试验验证。孙大乐等[2]以实例分析了摩擦系数对支承辊次表层接触疲劳损伤的影响。在大量使用林业采育装备的欧美国家，如芬兰林业研究所，曾使用6种不同齿形的进料辊进行了伐倒木进料损伤实验，测定了不同齿形进料棍对伐倒木和原条的损伤深度[3]。Strandgard M et al.[4]通过现场调研、电话调研等多种方法，针对机械化采育过程中，木材本身受到的损伤做出了全面细致的分析，指出主要的机械采育损伤是表层损伤和造材损伤，产生损伤的主要原因是进料辊压力过大，以及采育机操作人员的技术不熟练。但以上的分析都没有对进料辊本身的情况进行研究，没有考虑对进料辊结构的改进。

拉涨材料，也称为负泊松比(NPR)材料。当其受到单轴拉伸时会产生侧向膨胀现象，与传统的正泊松比材料相比，这种独特的“拉胀”行为，使它具有更强的力学性能，比如弹性模量、抗压强度和抗冲击性等，有关拉涨材料的应用已引起广泛关注[5-12]。基于凹形机构的力学特点，现有研究提出了不同形状的NPR蜂窝结构，并通过多种力学分析方法研究了不同冲击速度、密度和结构参数下的力学性能和能量吸收机理[13-20]。在工程应用方面，Wang et al.[21]提出了一种应用于悬挂式减震器的圆柱形NPR结构，将传统的冲击缓冲器和NPR的震动缓冲器组合成麦弗逊、双横臂和多连杆悬架的虚拟样机，进行单轮行程虚拟测试，研究了NPR振动缓冲器对悬架机械性能和车辆平顺性的影响。张伟等[22]提出了一种具有负泊松比效应的汽车前纵梁吸能盒结构，并建立了该结构胞元发生弹性屈曲和塑性塌陷时的临界应力公式，研究了胞元几何参数与平台应力的关系，通过对胞元平台区的失效模式和平台应力的分析，研究了此结构在失效时的力学性能。国内外已有很多关于将NPR蜂窝结构应用于辊型驱动结构的研究，例如一些蜂巢式非充气轮胎的研究[23-25]。

图1伐倒木损伤类型

本研究提出了一种基于NPR结构的林木联合采育机进料辊，如图2所示。可以看出，在进料辊外圈与进料辊轮毂之间填充一种双V附翼型NPR蜂窝结构，进料辊齿通过焊接、铆接、粘结等方式固定于该结构附翼上，附翼的长度和进料辊齿的直径相近。进料辊蒙皮是具备柔性与韧性等材料。当进料辊某个齿与伐倒木接触时，处于固定该齿的附翼相邻两边的胞元，能够满足受力压缩时，其与力垂直方向同时收缩，进料辊圆周工作面曲率降低，与伐倒木接触时的齿数增多，致使更多压缩后的胞元受力，进而增大进料辊圆周工作面与伐倒木之间的接触面积，减小进料辊齿对采伐原木的损伤。

本研究评估进料辊在采用双V附翼型NPR结构后的力学性能。对进料辊整体分析时，各胞元之间的相互作用不便于分析，为简化分析，以单个胞元为研究对象，分析单个胞元的各项结构参数与力学性能的关系，并寻找最优参数组合。进料辊的工作过程可分为定位原木和带动原木在机头内加速启动或减速停止两个过程。其中，在定位原木时，进料辊只受到原木对进料辊的垂直压力，在加速启动或减速停止时，进料辊除受到原木对进料辊的垂直压力之外，进料辊齿还受到原木运动方向的阻力。因此，对该结构单个胞元的力学分析应分为受到Y方向的垂直压力分析和受到X方向的运动阻力分析。

通过分析双V附翼型NPR蜂窝结构特点，基于位移法建立该结构Y方向和X方向面内弹性常数的理论模型，并构建蜂窝胞元厚度(t)、胞元上夹角(θ2)、胞元下夹角(θ1)与胞元半宽(l)等不同结构参数的实体模型，制备该结构胞元试验构件。通过有限元仿真和试验研究了其面内弹性常数和不同结构参数之间的关系，并模拟LAKO 43HD作业机头工作时所受的垂直压力，确定了能有效减小树木损伤的进料辊压缩量的参数值。对进料辊采用双V附翼型NPR蜂窝结构时选取各项参数值具有一定的指导意义。

文章来源：《森林工程》 网址: http://www.slgcbjb.cn/qikandaodu/2021/0501/357.html