全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % & % 年 # 月
林 业 科 学
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3456，$ % & %
以手扶拖拉机为主机的 7’#8$ 绞盘机研制
罗才英
（福建农林大学交通学院 9 福州 #:%%%$）
摘 9 要：9 论述手扶拖拉机改制绞盘机的技术关键，对绞盘机进行总体动力学分析，提出真实反映绞盘机功率的计
算法，即按最不利工作条件计算起重提升功率和重车上行功率，择其大者并有一定过载能力的计算方法，以此作为
7’#8$ 绞盘机主机———手扶拖拉机选型的依据。介绍 7’#8$ 绞盘机整机构造、工作原理及其主要技术参数，并进行
性能分析，阐述其在生产中的应用。实践证明：7’#8$ 绞盘机具有合理的功率匹配、优越的性能、人性化的操作，在
木材采运、路桥和水利电力工程等领域得到广泛应用。
关键词：9 绞盘机；技术关键；动力学分析；技术参数；应用分析
中图分类号：’;;"2 %$9 9 9 文献标识码：-9 9 9 文章编号：&%%& < ;!==（$%&%）%# < %&$$ < %"
收稿日期：$%%> < %# < #&。
基金项目：福建省自然科学基金计划资助项目（ ’%;:%%%#），福建省科技厅重点科学基金资助项目（$%%;+%%%$）。
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K@BHD K4I 4B41AOEM6 - PEGD0M J05 H41H?14G@BC L0KE5I 0J K@BHD K4I L50L0IEM6 -HH05M@BC G0 GDE K05IG K05F@BC H0BM@G@0B，GDE
D0@IG L0KE5 4BM GDE 104M ?L L0KE5 KE5E H41H?14GEM，GDE 145CE5 L0KE5 K@GHD D4M MEJ@B@GE 0NE5 104M@BC H4L4H@GA QEGKEEB GK0
L0KE5I K4I IE1EHGEM6 ,DE 145CE5 L0KE5 K4I ?IEM G0 QE C@IG G0 IE1EHG GDE P4@BJ54PE 0J 7’#8$ K@BHD6 ,DE H0BIG@G?G@0B，K05F@BC
L5@BH@L1E 4BM P4@B GEHDB@H41 L454PEGE5I 0J 7’#8$ K@BHD KE5E @BG50M?HEM6 RE5J05P4BHE 0J 7’#8$ K@BHD K4I 4B41AOEM6 ,DE
4LL1@H4G@0B 0J 7’#8$ K@BHD @B L50M?HG@0B K4I ESL0?BMEM6 R54HG@HE L50NEI GD4G 7’#8$ K@BHD D4I 4MN4BG4CEI 0J 10C@H41 L0KE5
P4GHD@BC，ESHE11EBG LE5J05P4BHE 4BM D?P4B@GA P4B@L?14G@0B6 7’#8$ K@BHD @I 4LL1@EM K@ME1A @B P4BA M@IH@L1@BEI，I?HD 4I
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9 9 绞盘机是工程索道的主要设备，在它的驱动下，
工程索道完成对荷载沿缆索方向的水平和垂直位移
输送。这种位移输送，不受地形条件的限制，跨河流
越沟谷；不受荷重条件的限制，从物料吊装到人员
载运；比起常规的物流运输，它具有投资少、效率高
和安全可靠的特点。因此，广泛应用于林业、矿业、
客运和各种土建工程的无支架施工作业。
$% 世纪初一些发达国家就提出农用拖拉机一
机多用的问题（施特雷尔克，&>=;），我国机械工业
部也提出“提高农用拖拉机利用率”的发展方向，尔
后出现多种以手扶拖拉机为主机改制的绞盘机，应
用于林业、矿山、路桥和水利电力工程，并取得一定
效益（冯建祥，&>>;；四川省林科所轻型索道组，
&>=#；广东木材运输公司，&>;=；刘勤等，&>>#）。
但是，由于手扶拖拉机单轴结构的特殊性，同时，由
于应用于缆索起重运输机作业的绞盘机的特殊性，
在设计理论和应用技术上多有不完善之处。现结合
7’#8$ 型绞盘机设计，对上述问题进行研讨。
&9 技术关键
AB AC 一机两用与性能要求
一机两用的含义是指，改制成的绞盘机技术性
能满足 .T U , &$=> < $%%" 的要求，是一台真正意义
上的绞盘机，但这种改制在结构上变动不能太大，当
需要作为拖拉机使用时，能较快恢复成原机。对于
单轴结构手扶拖拉机而言，确实是一个技术难题，国
内外有关手扶拖拉机改制绞盘机的实例已经证明了
这点。
本设计在分析研究手扶拖拉机传动系统结构和
工作原理的基础上，利用其左、右半轴的特殊传动结
! 第 " 期 罗才英：以手扶拖拉机为主机的 #$"%& 绞盘机研制
构，分别向绞盘机的缠绕卷筒和摩擦卷筒传递动力，
从而解决这一技术难题，即左半轴驱动下卷筒传动
齿轮及与下卷筒传动齿轮常啮合的上卷筒传动齿
轮；右半轴直接驱动摩擦卷筒。一台高性能绞盘机
（三卷筒绞盘机）的基本结构就形成了，而对于原机
（手扶拖拉机）构造上却没有大的改变，易于复原。
!" #$ 速度与经济速比
林业索道和缆索起重运输机作业工艺为起重提
升、重车运行、空车回空和空钩落钩 ’ 个工作环节过
程。理论研究表明，为了发挥最大驱动功率，应尽可
能实现全程动力平衡，回空速度与起重速度之比应
为 () *，即为最佳经济速比（东北林业大学，+,-*）。
由于手扶拖拉机倒档速度过低（仅为 .) ,, /·0 1 +），
这也是以前同类改制机效率不高的原因之一，本设
计通过对!倒档齿和倒档双联齿的改造，使倒档速
度达 ") &* /· 0 1 +，与起重速度 .) * /· 0 1 +之比恰
为最佳经济速比。
!" %$ 缠绕卷筒
23 4 5 +*&+ 1 +,,, 规定卷筒中层钢索牵引力为
额定牵引力；卷筒的容绳量、几何尺寸与牵引索安
全运行、卷筒有效工作长度、牵引索排列、整机尺寸、
整机质量有很大关联。综合大量调查研究（罗才英
等，&..+），本设计卷筒工作长度为 **. //，容绳量
为 !+&) * // 6 7.. /，使整机达到轻型化的目的。
!" &$ 摩擦卷筒
缠绕卷筒的固有缺点为：工作长度受容绳量限
制；绞盘机安装地点可选择性差；随着卷筒运转，
钢索位于绕绳不同层次，导致牵引力、牵引速度不断
变化，驱动机功率不断变化，无法实现全程动力平
衡。而摩擦卷筒的运用克服了上述缺点。理论上索
道可以无限伸长，绞盘机可以在任何方便地点安装；
大部分线路（索道中段）上的牵引力、牵引速度恒
定，驱动机功率恒定。但是，与摩擦传动伴生的牵引
索磨损问题一直难以解决。因此，#$"%& 绞盘机的摩
擦卷筒采用双环槽结构加导向轮的传动方式，可以
有效地减小牵引索的磨损。
!" ’$ 人性化操作
缆索起重机作业过程是由多工作环节组成，各
工作环节的衔接需要一定的待机时间。由于手扶拖
拉机手摇起动费力且不安全，机手往往采用不熄火
停机怠速空转的待机方法，导致燃油消耗增加。此
外，手扶拖拉机的排气管较短、距离机手较近，耳旁
噪声高达 +.. 89；由于绞盘机是定位运转，所排废
气不能有效散发，也影响机手的健康。#$"%& 绞盘机
采用轮式拖拉机的电起动方式，既能免除费力的手
摇起动，又可实现熄火待机，节约燃油。排气管采用
新型的汽车排气柔性管，使废气沿机外地表排出，有
效控制噪声在 -* 89 以下，废气也得到稀释，有利于
机手的健康，实现人性化操作。
&! #$"%& 绞盘机总体动力学分析
缆索起重运输机是由承载索、牵引索、跑车和绞
盘机组成的机械系统。由于作业目的和地形条件的
不同，工程上形成多种索系及其配置，形成不同的工
作环节。因此，其总体动力学特性与单轴拖拉机有
所不同。绞盘机的动力学特性十分复杂，现仅以典
型的缆机增力式索道为例进行分析，见图 +。
图 +! #$"%& 绞盘机总体受力
:;<= +! $>?@AB CD DCEA? CD #$"%& F;GAB
#" !$ 起重拉力 !(（)）
起重拉力的计算公式如下：
!H "
# $ +
#% $ +
#% &’( $ ) " "( $ )。 （+）
式中：( 为重物（含吊钩、游动滑车和部分起重索）
引起的重力（I）；) 为吊钩落地的最小重力（I），
) J *+ +, K -，其中 *+ J &（增力倍率），+ 为钢索单位
长度重力（I·/ 1 +），, 为地面至吊钩高程（/），- 为
非松弛状态起重索张力（I）；# 为滑轮总阻力系数，#
J +) .&（滚动轴承）；% 为有效绳数，% J &；’ 为线路
滑轮数，’ J "；" 为滑轮省力系数（查 " 值表，" J
.) *"）。
单个游动滑车起重倍率是建立在起重索对其包
角 +-.L条件下的，随着重物提升，包角减小，起重倍
率降低，起重索拉力增大；随着起重过程起重索越
接近外层，起重速度越大，绞盘机所耗功率增大。
#" #$ 起重提升功率 "（*+）
起重提升功率的计算公式如下：
. "
（!H & #-#）/
+ ...$
。 （&）
"&+
林 业 科 学 !" 卷 #
式中：!$ 为卷筒中层钢索最不利条件下的起重拉力
（%）；!"& 为卷筒自身转动阻力（%）：!"& ’ !(
#
$
%，
其中 !( 为轴摩擦系数，!( ’ )* ))+ , )* )()，$ 为卷
筒底槽直径（--），# 为轴径（--），% 为卷筒重力
（%）；" 为起重索运行速度（-· . / (）；# 为效率系
数，取 # ’ )* 0) , )* 0+。
!" #$ 牵引索紧边张力 !%（&）
牵引索紧边张力的计算公式如下：
!( & !) ’ !( ’ !1( ’ !$( ’ ! 2(。 （3）
式中：!) 为引索安装拉力（%），!) ’
)*)
0+)
，其中 +) 为
无荷中挠系数，*) 为跨距（-）；!( 为由线路坡度及
荷重产生的拉力（%），!( ’ (（ .45$ 6 ,) 78.$），其中 $
为跑车运行最大升角，,) 为载重跑车运行阻力系数，
取 ,) ’ )* )(，( ’ (( 6 (9，(( 为有效荷重（%），(9 为
跑车重力（%）；:25$ ’ :25% 6
*) / 9-
9.-
)
78.%
6 (
*( )) ，其
中 % 为弦倾角；- 为跑车至上支架距离（-）；.- 为
承重点承载索水平拉力（%），.- ’
)*)
0/)
［( 6 (9（0 6
09）（ 1( / 1
9
(）］
(
9，其中 0 为荷重比，0 ’ (
)*2
，*2为承载
索曲线长（-），*2 ’
*)
78.%
；1 为荷重所在位置系数，
1( ’
-
*)
；!1( 为牵引索运行综合阻力（ %），!1( ’
（!( 6 3(）,(，其 中 3( 为 紧 边 索 重（ %），3( ’
)*) .;7%；,( 为牵引索运行综合阻力系数，取 ,( ’
)* )"；!$(为牵引索自重分力（%），!$( ’ )*) :25%；!2(
为牵引索运行惯性阻力（%），! 2( ’ )* (4(（( 6 3(），
其中 4( 为加（减）速度，取4( ’ ( -·.
/ 9。
!" ’$ 牵引索松边张力 !!（&）
牵引索松边张力的计算公式如下：
!9 & !) 5 !19 ’ !$9 5 !29。 （!）
式中：!$9 ’ !$(，其余意义与紧边相同。!19 ’ 39 ,9，
其中，取 39 ’ 3(，,9 ’ )* (9。 ! 29 ’ )* (4939，
取49 ’ ( -·.
/ 9。
!" ($ 重车运行功率 "（)*）
重车运行功率的计算公式如下：
6 &
［（!( 5 !9）’ &"2&］"
( )))#
。 （+）
式中：&"2& 为摩擦卷筒自身转动阻力（ %），&"2& ’
(
9
（!( 6 !9）3 ,3 6 !
#9
$9
%9，其中 ,3 为摩擦卷筒阻力系
数，取 ,3 ’ )* )"；#9 为摩擦卷筒轮轴直径（--）；$9
为绳槽直径（--）；%9 为摩擦卷筒重力（%）。
!" +$ 免滑条件
钢索在摩擦卷筒上不打滑条件由欧拉公式
确定：
!9 &
!( 5 !9
;!’ 5 (
1。 （"）
式中：; 为自然对数底，; ’ 9* <(0；! 为钢索与卷筒
摩擦系数，由润滑至干燥取 ! ’ )* ( , )* 3；’ 为钢索
在摩擦卷筒上的缠绕包角（ =2>）；1 为免滑安全系
数，1 ’ (* 9。
因卷筒上牵引索产生的力矩导致绞盘机头上
仰，其力学机制见有关理论（翁家昌，(?0)）。
必须指出，由于起重索在卷筒的缠绕层次变化，
在起重提升过程中，起重索的运行速度也相应变化；
由于跑车运行升角是由负变正，越接近上支架升角
越大，故而牵引索所受的力也变大，导致跑车运行速
度变慢。
3# 功率选择与计算
确立绞盘机功率的原则是：在最不利工况（跑
车接近上支点时，升角最大工况）下，分别计算起重
提升功率和重载运行功率，两者中取数值大者，同时
留有一定的过载功率。
以典型缆索起重运输机为例：已知索道跨距 *)
’ ")) -，弦倾角 % ’ (9@，承载索安装挠度系数 +) ’
)* )9+，防磨段 - ’ 3) -，承载索直径为 9"* + --，起
重索、牵引索直径为(9* + --，设计载荷 (+ ))) %，
吊钩及部分起重索 0)) %，跑车 0)) %。
经计算，起重提升牵引力 !$ ’ < 0行牵引力 ! ’ ? !?9 %，根据功率选择原则，计算出跑
车运行功率 % ’ ()* ! AB，以此选择常通 / (+ 型手
扶拖拉机（额定功率 ((* 3 AB）作为 &C3D9 绞盘机的
主机。
!# 构造及工作原理
&C3D9 绞盘机，由主机、工作卷筒和爬犁式底架
以及操纵机构组成，见图 9。9 个缠绕卷筒均采用锥
盘式离合器和外带式制动器。摩擦卷筒为双环槽式
内置内涨蹄式制动器。动力经以下路线传递：左驱
动半轴&主动齿轮&双联齿轮&锥形离合器&起重
卷筒；双联齿轮&从动大齿轮&锥形离合器&回空
卷筒；右驱动半轴&摩擦卷筒。
操纵左、右离合拉手 (0，(<，可以切断或接合发
动机 ? 至右、左驱动半轴的动力，左离合拉手 (0 接
合（此时右离合拉手 (< 置分离），摩擦卷筒 (9 单独
!9(
林 业 科 学 !" 卷 #
" # 分析比较
我国以手扶拖拉机为主机改制的绞盘机见表 $
（罗才英等，%&&$），表中 $，%，’ 均为简单的“拖拉机
(卷筒”形式，!，)，" 为轮式或履带式小集材绞盘
机。*，+ 则为技术性能类似传统绞盘机的机型，但
,-’.&/ + 照搬手扶拖拉机的变速系，未考虑生产工艺
中全程动力平衡及经济速比，技术指标落后，其传动
结构不甚合理；整机布置上，发动机与操作位相邻，
振动及噪声干扰大，功率偏小，对各种作业要求的适
应能力较小，研制后未见有推广应用报导。,-’.$/ )
在上述方面比前 * 种机型有提高，但存在功率偏小
及未实现操作人性化的问题。,-’.% 则吸取我国手
扶拖拉机改制绞盘机及工程实践的经验，在典型索
道绞盘机总体动力学分析的基础上，进行主机及功
率选型，真实反映工程实践所需动力，并充分考虑：
一机多用、速度和经济速比、卷筒容绳量、新型摩擦
传动及人性化操作等技术关键。
*# 生产应用
,-’.% 绞盘机经数年完善，技术成熟。现有 $&
余台在闽赣 % 省应用，范围涉及顺坡和逆坡集运材
及楞场装车、水电大坝建材吊装、导流管逆坡铺设、
高速路大桥吊装、景区建材逆坡双跨吊运和受限地
段过河吊运等（陈勇，%&&&；简本华，%&&’；周新年，
%&&+）。表 % 为其中几个典型应用实例（示图略去
绞盘机及工作索系布置）。在我国木材采运技术基
本上回到手工作业状态，传统绞盘机被淘汰的大背
景下，,-’.% 绞盘机不仅在木材采运上得到应用，在
国民经济其它领域也得到认同。工程实践证明：
,-’.% 绞盘机具有结构紧凑、通用性好、操作人性化、
节能和价廉等优点；与传统绞盘机相比，其整机结
构和工作性能均得到优化。
表 !" #$% & ! 绞盘机应用实例及分析
’()* !" +,,-. /0(1,-/ (23 (2(-.454 67 #$%8! 952:;
示图 01234156 应用分析 7889:543:;1 4149<2:2
京福高速南平土地洋大桥吊装，单车混凝土 % 3，总吊量 $/ % 万 3。比塔吊效率提
高 &/ % 倍，成本降低 $&=。>:?3 ;1 @418:1A BCD:<41A EF:DA6 ;1 G6:H:1A.ICJK;C
L;3;FM4<，645K 9:?3:1A 5;15F636 M6:AK3 :2 % 3，3;349 9:?3:1A M6:AK3 4F6 $/ % N $&! 3O
P??:5:615< :2 :L8F;Q6D &/ % 3:L62 41D 5;23 :2 F6DC56D $&= 3K41 3K43 ;? 3;M6F 5F416O
福建莆田市壁院水电站 !+&& LL N " &&& LL N R L 导流管逆坡铺设，单车载量
$ 3，总吊装量 %&& 3，人工或其他机械无法吊装，效益显著。G:89413，SC3:41 5:3<，ICH:41 SF;Q:156，DC5T :2 C8K:99 94:D，645K 9:?3:1A M6:AK3 :2 $ 3，
3;349 9:?3:1A M6:AK3 :2 %&& 3，K41D M;FT 41D ;3K6F L45K:16 541 1;3 9:?3 ;1，E616?:3 :2
;EQ:;C2O
福建南平王台采育场 R 号林班原木顺坡集材、装车，单车载量 % L’，总吊装量
’"& L’。比手工作业效率提高 % 倍，成本降低 %"=。U;L84F3L613 R，V41A34:
?;F623F< 5C33:1A 41D 89413:1A ?4FL :1 @418:1A 5:3<，ICH:41 SF;Q:156，645K 9:?3:1A Q;9CL6
:2 % L’ 41D 3;349 9:?3:1A Q;9CL6 :2 ’"& L’ MK61 5964F 9;A 4F6 D;M1K:99 2T:DD6D 41D
9;4D6D 3FC5TO P??:5:615< :2 :L8F;Q6D % 3:L62 41D 5;23 :2 F6DC56D %"= 3K41 3K43 ;? K41D
M;FTO
福建三明市莘口水电站大坝建筑材料及安装电机吊装，单车载量 $/ ) W %/ ) 3，总
吊装量 $/ + 万 3，工效比塔吊或人工提高 $/ ) 倍，成本降低 ’&=。X:1T;C K8;M6F 89413，-41L:1A 5:3<，ICH:41 SF;Q:156，:1 9:?3:1A ;1 5;123FC53:;149 L436F:492 ;?
D4L 41D 2633:1A 69653F:5 L45K:16，645K 9:?3:1A M6:AK3 :2 $/ ) W %/ ) 3，3;349 9:?3:1A M6:AK3
:2 $/ + N $&! 3，M;FT 6??:5:615< :2 :L8F;Q6D $/ ) 3:L62 41D 5;23 :2 F6DC56D ’&= 3K41 343
;? 3;M6F 5F416 ;F K41D M;FTO
江西省瑞昌市青山林场 + 号林班，杉木原条逆坡集材，单车载量 $ L’，总集材量
$)& L’。工效比手工提高 %/ ) 倍，成本降低 ’&=，为该省首次应用机械逆坡集
材。U;L84F3L613 +，Y:1A2K41 ?;F623 ?4FL，ZC:5K41A 5:3<，,:41A[:，645K 9:?3:1A Q;9CL6
:2 $ L’ 41D 3;349 9:?3:1A Q;9CL6 :2 $)& L’ MK61 ?:F 5964F 9;A 4F6 C8K:99 2T:DD6D，M;FT
6??:5:615< :2 :L8F;Q6D %/ ) 3:L62 41D 5;23 :2 F6DC56D ’&= 3K41 3K43 ;? K41D M;FTO BK:2
L63K;D :2 3K6 ?:F23 C8K:99 2T:DD:1A E< L45K:16 :1 ,:41A[: SF;Q:156O
"%$
! 第 " 期 罗才英：以手扶拖拉机为主机的 #$"%& 绞盘机研制
参 考 文 献
施特雷尔克’ () *+,-) 林业机械学 ) 北京：中国林业出版社，*-.
/ *-+)
冯建祥 ) *++-) #$"%*0 1 绞盘机的研制 ) 福建林学院学报，*-（ 2）：
"." / "..)
四川省林科所轻型索道组 ) *+,") 轻型索道工艺及设备研制初报 )
四川林业科技，（*）：12 / 1.)
广东木材运输公司 ) *+-,) 改制简易绞盘机 ) 森工科技通讯 )
刘 ! 勤，黄晓山，刘易善 ) *++") 自行式双卷筒小集中轻型绞盘机的
研究 ) 林业科学，&+（.）：1*1 / 1&3)
东北林业大学 ) *+,1) 林业索道 ) 北京：中国林业出版社，,& / ,2)
罗才英，周新年，冯建祥，等 ) &33*) 以手扶拖拉机为原型机的集材
绞盘机系列研究 ) 林业机械与木工设备，&+（"）：*2 / *.)
翁家昌 ) *+,3) 手扶拖拉机构造理论与设计 ) 北京：机械工业出版
社，&3" / &31)
陈 ! 勇 ) &333) 三明市莘口水电站吊装工程技术方案选优 ) 森林工
程，*.（2）：*2 / *.)
简本华 ) &33") 人工林逆坡集材技术试验研究 ) 福建林学院学报，&"
（*）：&* / &2)
周新年 ) &33,) 工程索道与柔性吊桥———理论 设计 案例 ) 北京：人
民交通出版社，1- / -,)
（责任编辑 ! 石红青）
-&*