绞盘关键参数：牵引辅助绞盘平坦地形中辅助技术
文 | 咸鱼永不放盐
编辑 | 咸鱼永不放盐
«——【·前言·】——»
随着降水模式的改变，出现了高度强降雨的时期，同时冬季的霜冻期变得更短、不够强烈，对机械的通行能力产生了负面影响。这时可以通过先进设备，如改进轮胎、履带或轮胎充气管理，就能在敏感地点启用全机械化收获作业。
这种改进和创新技术降低了在这些区域进行采伐时轮辙和土壤位移，但因为机器的尺寸、重量和行驶属性会发生变化，导致林间装运活动中出现新的挑战。
本论文的目的是在平坦敏感地点上，比较具有和没有牵引力辅助的前行者车辆的第一现场体验，量化轮胎打滑、车辙和土壤位移方面的差异。
«——【·牵引辅助技术·】——»
牵引辅助技术可以改善行驶时的牵引力，使车轮打滑率降低，减少不必要的土壤扰动。最初开发这项技术的想法是将其与基于轮的机械搭配在平坦地形上使用，在低承载力的土壤上协助机器进行行驶活动。
这种技术可以更好的利用绞盘辅助技术将地面采收系统推入陡峭地形的优势，并用其取代成本昂贵的缆索运输操作和手工操作。
这导致术语“绞盘辅助”和“牵引辅助”已经与其他术语交替使用，比如“拴绳”或“电缆辅助”。然而“牵引辅助”仅授权支持在倾斜地形上机器完全稳定而不需要辅助的机器。
密集的林业机械交通还会对土壤的物理、微生物和功能特性产生负面影响，降低林地生产力，面对这种情况下可以在陡峭地形和平坦地形上使用辅助绞盘提高牵引力，这样有助于土壤保护工作。
特别是在平坦的敏感区域，由于不同的土壤物理特性和高湿度导致可通行性受到限制，牵引力辅助地面设备具有减少伐木作业引起的土壤破坏的高潜力。
可惜如今在平坦地形中定量评估牵引力辅助设备的效果的经验研究还比较缺乏，这在操作规划方面存在知识空白，可以确定牵引力辅助技术与传统操作设置相比的潜在优势具有普遍的意义。
«——【·实验设计·】——»
此次研究在德国西部的莱茵兰-普法尔茨州赫尔梅斯凯尔镇附近进行，选定了一个实验场地，位于Thiergarten林区，海拔620米的挪威云杉树林中。
这个地方的土壤类型是酸性棕壤，含沙量为36 ± 3％，粘土质地为28 ± 8％，并带有枯枝落叶类腐殖土。尽管位于山区，但该地点由一个广阔的高原组成，受当地水文条件的强烈影响。
这导致土壤湿润且易受影响，无法使用地面采伐机械保持永久通行权。由于在研究进行之前的异常低降水期，出现了意外的有利条件。
机器操作的路径平均含水量为27％，范围在25％至28％之间。实验前一晚，整个地区被薄薄的一层雪覆盖，但是腐殖质和矿物质土壤并没有冻结。
这个实验采用标准的Rottne F10b向前式装卸机进行，配备了一个集成的辅助绞盘系统Herzog Synchronwinde HSW 9。
绞盘位于日志槽后部，具有250米、15毫米直径钢丝绳的卷筒容量，绞盘在绞盘计时器模式下提供手动转向，同时行驶中结合连续拉力调节，在内侧层的最大拉力为100千牛。
Rottne F10b 8轮向前式装卸机安装了710 / 40 x 22.5 Nokian Nordman Forest轮胎，没有安装链条或架轨。轮胎平均气压为0.4 MPa，平均花纹深度为25毫米。装有5.2吨原木的向前式装卸机被加载，大约是其有效载荷的50％，因此总质量为21.5吨。这个载荷在整个实验中保持恒定。
对于实验，我们选取了一条之前用过并标记的机器作业道路作为研究对象。货车通过这条机器作业道路进行六次行驶，平均行驶速度为0.35米每秒。
在机器作业道路内，设置了六个测试地块，每块长2.0米，宽4.0米。前三个地块在没有牵引辅助的情况下通过，剩下的三个地块则在有牵引辅助的情况下通过，形成两个处理组。
在研究现场的示意图，标出了测试区域的位置，显示了正向运输车行驶方向，车辆穿过这些区域共六次 ，轮胎打滑在整个机器行驶轨迹长度上进行了测量，牵引力 (T) 在牵引辅助部分进行了测量，车辙过程 (RP)，操作前后的土壤容重 ，以及垂直和水平追踪移动在这些区域内进行了测量。
为了测量整个机器运作轨迹，使用了两个KÜBLER公司的SENDIX 5000增量式旋转编码器传感器，包括来自SEATEC公司的软件，以测量正向运输机的轮速和行驶速度。
一个传感器安装在前转向架第二个轮子上，另一个安装在机器前部以捕捉行驶速度。实验期间的测量速率设置为15 Hz。使用这两种速度按照公式计算轮胎的打滑率。
安装的增量旋转编码器传感器，用于测量轮速，安装在前部车架轴的第二个车轮上，以及用于捕获行驶速度的机器前部。
在有辅助牵引的区域，使用一个柔性的张力力量测量工具记录了绞盘上的拉力，此工具由一根载荷吊环、模拟数字放大器、微型无风扇电脑、GPS设备、坚固的笔记本电脑和两个电池组成。
由于准确的时间戳是将张力力量数据与轮胎打滑数据合并所必需的，因此电脑时钟与附加的GPS设备进行了同步。
每次机器通过后，都用激光扫描系统在每个测量地块上捕获了机器挤压的效果。扫描仪由电动步进电机驱动，沿着支架移动并记录测量地块的横截面。
根据扫描仪的位置，定制的软件解决方案随后将测量值转换为数字高程模型。为避免由于松散的材料而引起的不准确性，仅提取了两个车辙的中央部分的值2 x 0.3 m x 2.0 m，并进行平均与上一次测量的差异提供了车辙形成过程。
为了确保在每个地块上，扫描仪始终具有相同的高度，使用固定三脚架来保持支架的位置不变。尽管激光扫描能够提供每次通过后道路变形的详细信息，但很难确定地表以下的水平土壤位移。
在两个三脚架上移动的陆地激光扫描系统的设置，用于在每次通过后扫描表面，以及机器操作道路上轨迹的加工数字地形模型示例。
此系统由一台可以在轨道上移动的激光扫描仪组成，用于对试验区域表面进行扫描，每次通过后，系统都会停止在三脚架上，进行数据记录和存储。
使用这个系统可以制作一个机器操作路径的数字地形模型，从而可以更好地了解和分析场地条件。
通过使用颗粒状铝示踪剂，按照这种方法，定量测定了地表以下的土壤位移，在每个样地上，按照横向参考梁的位置，在100毫米的表面深度和200毫米的间距上放置了连续编号的示踪剂，并在木桩上进行平整。
在最后一次机器通行后，示踪剂被挖掘出来。通过参考平整梁的标尺，确定了它们的移动情况，并通过lateral movement dY和vertical movement dZ来计算欧几里得距离。
另外在每个地块上采取了左右车轮轨迹上的两个土壤样品，使用100立方厘米样品环，在第一次和最后一次机器通行之前，以及测定标准程序下的散装密度分析，在矿物质土壤0.10米深处测定了操作前和操作后的土壤散装密度。
为了估算操作前的土壤散装密度，在每个地块前0.50米处取样，得到BD1；操作后的土壤散装密度是通过在地块内取样来确定的，得到BD2。
在每个点的矿物土壤中测量了体积含水量，使用含湿度计的 ThetaProbe 和 HH2 土壤湿度计，查出深度为 0.10 m。
«——【·数据分析·】——»
数据使用R核心团队分析，并使用Rstudio，对于WS和T，使用每秒平均值，这仅对牵引辅助部分使用线性模型lm估算WS和T之间的相关性。通过不相等方差检验，比较Winch处理之间的参数WS，RP，SC和eucl。
为了评估进行的田间试验的整体土壤压实性，SC被针对零进行测试。平均值以均值±标准差的形式给出，所有统计分析的显著性水平均设为α = 0.05。
如果没有绞盘的情况下，机器操作路段的第一段的平均轮胎打滑率为5.3 ± 10.9％，而使用牵引辅助技术覆盖的距离上所有通行次数的WS显著较低，为0.37 ± 10.19％。
负值表示绞盘由于过度牵引助力而将原木运输机拉过地面，导致负的打滑率，在测量中，总共有40％的数值为负值。
其中x为具体值，μ为平均值，σ为标准偏差，这种缩放显示了两个参数之间的交互作用。拉力较大导致轮胎打滑较小，反之亦然。
除了第一次测试，第一半的测试路程内的拉力都高于平均值，导致了低的打滑情况。在第二半测试路程中，由于T的降低，WS增加。
此次实验区域内的初始基体密度为0 .74 Mg m−3，并在测试区域之间变化了13％，铝示踪剂的运动微不足道，侧向平均值为−0.83±5.52毫米，沿垂直轴方向为9.1±14.7毫米。
将两个方向的运动转换为欧几里得距离，导致平均位移为14±12毫米。在与机器操作道路相邻的矩形方向上无法检测到任何位移，发生的垂直土壤位移导致机器通过后平均车辙深度增加4.6±6.8毫米，范围从−8.3毫米到25毫米。
这导致在没有牵引辅助的机器操作道路段内进行六次通过后车辙深度为24±5毫米，在机器工作牵引辅助的区段内为31±8毫米。
此次研究说明，机器操作道路上的行车既没有增加土壤体积密度，也没有引起土壤压实度的不同。铝示踪剂的运动一般不符合预期方向，牵引辅助技术的使用对示踪剂的运动没有影响。测量的RP在不同方案之间没有差异。
«——【·总结·】——»
牵引辅助技术似乎在更不利的条件下减少机器对土壤的影响具有很大潜力。如果在平坦地形上对敏感区进行试验时，牵引辅助技术发挥相对较高的张力力度显著降低了车轮打滑，但是在更广泛范围内缓解土壤影响的效果尚未得到证实。
这次田间试验中应用牵引辅助技术效果有限，原因可能是因为随机选择用于试验的货车的有效载荷能力达到的只有50%；
还有就是机器作业道路在之前的操作中已经得到了预压实，并且操作条件良好，如土壤水分较低；实的粗根网状结构固定了最上面的矿质土壤。