全 文 ：第 49 卷 第 10 期
2 0 1 3 年 10 月
林 业 科 学
SCIENTIA SILVAE SINICAE
Vol. 49，No. 10
Oct．，2 0 1 3
doi:10．11707 / j．1001-7488．20131021
收稿日期: 2012 － 11 － 29; 修回日期: 2013 － 04 － 18。
基金项目: 福建农林大学林业工程学科博士后流动站合作课题; 国家自然科学基金资助项目(30972359) ; 国家本科“工程索道”精品课
程资助项目(教高函［2010］J14 号) ; 福建省高校产学重大资助项目(2010H6003)。
* 周新年为通讯作者。
集材索道遥控跑车及其液压系统设计*
沈嵘枫 周成军 周新年
(福建农林大学 福州 350002)
摘 要: YP2. 0 -A 集材索道遥控跑车是在 YP2. 5 -A 集材索道遥控跑车的基础上进行改进设计的，具有利用液压制
动取代半自动跑车在索道线路中的止动器、可在索道沿线任意点停留、自动起落钩的优越性。通过对 YP2. 0 -A 遥控
跑车主要技术参数及其工作原理进行系统分析，重点对液压系统进行改进设计，提高液压系统的灵敏性、安全性和
可靠性能，实现索道集材运行的自动化和精确控制。通过对 13 条不同集运量的索道作原始纪录和成本统计分析
处理，得出索道集材成本为 110 ～ 130 元·m － 3。该遥控集材索道非常适合人工林集材作业，具有良好的生态效益、
经济效益和社会效益。
关键词: 遥控跑车; 液压; 液压系统
中图分类号: U18 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 7488(2013)10 － 0135 － 05
Design of Skidding Ropeway Remote Control Carriage and Hydraulic System
Shen Rongfeng Zhou Chengjun Zhou Xinnian
(Fujian Agriculture and Forestry University Fuzhou 350002)
Abstract: YP2. 0 -A is designed on the basis of YP2. 5 -A skidding ropeway remote control carriage，which has the
superiority that can substitute the stopper of semi-automatic carriage in the line of cableway by using hydraulic braking and
can stop at any position of the cableway，and the hook of the carriage can move up and down automatically． Based on the
analysis of main parameters，performance and working principle of the YP2. 0 -A carriage，the hydraulic system has been
designed． The new system enhances the performance of sensitivity，security and reliability of the hydraulic system，and
achieving the automation and precision control of skidding operation． Through statistical analysis and the original record of
13 different capacity of skylines，the cost of skyline is 110 － 130 yuan·m － 3 ． The carriage possesses a very good ecological
benefits，economic and social benefits．
Key words: carriages; hydraulic; hydraulic system
随着新技术的发展，索道有了新的应用范围
(如应用于吊装较大重物的架空索道吊装法)，近年
来以其具有的突出优势，在特殊地形地质条件下采
用常规施工方法难以施工的林业集运材、水利水电、
公路桥梁、土建及其他工程施工中得到了广泛应用
(周新年等，2010a; 2010b)。液压系统作为遥控跑
车的控制系统，对跑车的性能起着关键性作用。跑
车通过遥控系统控制液压传动操作的握索机构，使
跑车可在索道沿线任意点停留、自动落钩进行集运
材生产作业(冯建祥等，1991)，属高性能全自动跑
车(景林，2000)。液压传动控制是工业中用到的一
种控制方式，在美国、日本、挪威、奥地利等国家已将
液压技术应用到遥控跑车设计中(Mapelli et al．，
2009; 刘宏，1984)，各种形式的遥控跑车已相继问
世，在生产中发挥了很大的作用。
1 总体结构与工作原理
1. 1 遥控跑车总体结构
遥控跑车主要由行走机构、起升机构、减速机
构、制动机构、握索机构、液压传动系统及无线电遥
控设备等组成(周新年，2012a)，见图 1。各部件采
用模块化设计，便于拆装检查、维修和索道安装
架设。
1. 2 遥控跑车液压系统
遥控跑车液压系统包括动力装置(液压泵)、执
行装置(液压缸)、控制装置(液压阀)、辅助装置以
林 业 科 学 49 卷
图 1 YP2. 0 -A 跑车原理
Fig． 1 The schematic of YP2. 0 -A remote carriages
1．前后墙板 Front and rear wall; 2．轴承 Bearing; 3．行走轮 Running wheel; 4．连接杆 Link; 5．前后壁板 Anterior and
posterior frame plate; 6．起重卷筒 Lifting roll; 7．刹车带 Brake band; 8．摩擦卷筒 Friction roll; 9．挡圈 Ring; 10．轴承
Bearing; 11．端盖 Cover; 12．螺栓 Bolt; 13．定轴轮系 Ordinary gear train; 14． 传动机构 Transmission; 15． 拨叉 Fork;
16．电磁阀 Solenoid valve; 17．蓄电池 Battery; 18． Slide gear; 19．轴承 Bearing; 20．棘轮机构 Ratchet mechanism; 21．
平键 Flat key; 22．起动电机 Starter motor; 23．滤网 Filter; 24．油泵 Pump; 25．油箱 Tank; 26．溢流阀 Relief valve; 27．
单向阀 Check valve; 28．面位弹簧 Surface spring; 29．握索块 Cable grip block; 30．夹索块 Clip rope block; 31．行程开
关 Limit switch; 32．握索夹紧块 Holding rope grip block; 33．握索油缸 Holding rope cylinder; 34．刹车凸轮 Brake cam;
35．限位螺母 Limit nut; 36．制动弹簧 Brake spring; 37．小轮 Smaller sheave; 38．刹车油缸 Brake cylinder; 39．油管 Oil
tube; 40．球状电磁阀 Spherical valve; 41．弹簧式蓄能器 Spring-loaded accumulator; 42．棘轮机构 Ratchet mechanism;
43．传动齿轮 Transmission gear; 44．发电机 Generator; 45．导线 Wire; 46．电流开关 Switch; 47．中间继电器 Relay．
及工作介质 5 大部分。相对于 YP2. 5 -A 遥控跑车，
YP2. 0 -A 集材索道遥控跑车改进了液压系统与遥控
系统，将数字通信技术和高性能集成电路应用到遥
控液压控制技术中，使得遥控液压控制系统的性能
更加完善，并提高了系统的可靠性(沈嵘枫，2010a;
2012)。YP2. 0 -A 遥控跑车遥控系统由电源、单片机、
信号发射器、接收器、驱动电路构成。当信号接收器
收到信号发射器发出的信号后，对信号进行处理，然
后将信号传给单片机，单片机根据该信号对外部的
充放油控制电路进行控制 (邬伟奇，2004; 张晖，
2009; 石晶晶等，2008)。
1. 3 遥控跑车工作原理
遥控跑车由绞盘机牵引上行到达集材地点，由
捆木工操纵无线点发射机发出一个闭合指令，跑车
上的接收机按指令自动释放蓄能器中的压力油，压
力油经液压油路传至 3 个工作油缸，握索油缸推动
握索夹紧板握紧承载索，跑车停止运行。同时，制动
油缸顶开制动弹簧，使摩擦卷筒的制动蹄松开，循环
牵引索继续向上移动，带动摩擦卷筒转动，压力油迅
速升至工作压力，这时握索夹紧板将牢牢握紧承
载索。
2 跑车液压系统设计
2. 1 载荷分析
根据 YP2. 0 -A 遥控跑车设计参数，索长 L =
500 m、索道倾角 α = 30 °、循环牵引索单位长度重
力 q = 2. 1 N·m － 1、无荷中挠系数 S0 = 0. 03、设计荷
重 Q2 = 20 000 N、水平分拉力 H = 180. 16 kN。根据
悬索理论，下滑时最大升角 γmax应该小于 30°，上行
时大于 30° (东北林学院，1985 )。最大升角参照
《林业索道》(东北林学院，1985): 1) 跑车向高支点
运行的最大升角计算公式，2) 跑车向低支点运行
的升角计算公式，最大升角 γmax = 35. 63°。受力分
析如图 2 所示。
1) 握索油缸
由图 2 可知，荷重的下滑力 Z 为:
Z = Qsinγ － μQcosγ。 (1)
式中: μ 为摩擦系数，取 μ = 0. 007。
又 Q 为设计荷载、跑车质量(400 kg)与钢丝绳
自重之和:
Q = 20 000 + 4 000 + 500 × 2. 1 /2 = 24 525 N，
(2)
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第 10 期 沈嵘枫等: 集材索道遥控跑车及其液压系统设计
图 2 行走轮受力
Fig． 2 The force of the running wheel
1．承载索 Skyline; 2．行走轮 Running wheel．
可求得，Z = 24 525 × sin35. 63° － 0. 007 × 24 525 ×
cos35. 63° = 14 147 N。
从而有，
F握 = ζZ = 1. 1 × 14 147 = 15 562 N。
式中: ζ 为安全系数，取 ζ = 1. 1。
由上式可知，握索力 F握 = 15 562 N，安全系
数K = 1. 5。
F握 = F握 × K = 15 562 × 1. 5 = 23 343 N。(3)
握 索 正 压 力: P正 =
F握
2 f
= 23 343
2 × 0 ． 12
=
97 262 ． 5 N。
式中: f 为摩擦系数，青铜握索块与钢索的摩擦系数
f 取 0. 12。
2) 制动油缸
制动油缸制动力:
F制 = KP = 1 ． 5 × 2 000 = 3 000 N。 (4)
式中:P 为弹簧制动力，P = 2 000 N。
2. 2 工况分析
跑车的设计起吊质量 2 t。
1) 工作负载 F
握索油缸工作负载: F = P正 = 97 262. 5 N。
制动油缸工作负载: F = F制 = 3 000 N。
2) 液压缸在一个工作循环中的负载变化范围
见表 1。液压缸的机械效率取 ηm = 0. 9。
2. 3 液压缸设计
握索油缸和制动油缸设计参数与计算公式基本
相同，设计参数见表 2。
各液压缸的流量 Q1，Q2 计算公式 Q:
Q = AV
η cv
。 (5)
式中: η cv 为液压缸的容积效率，取 η cv = 0. 96; A为
液压缸面积，A = π4
D2。
制动油缸中 D1 = 25 mm，工作时间为 1 s 完成
一个工作行程，故 V1 = 0. 03 m·s
－ 1，制动油缸流量:
Q1 =
π
4
D1
2V1
η cv
=
π
4
× 0 ． 0252 × 0 ． 03
0 ． 96
=
1 ． 53 × 10 －5 m3·s －1 = 0 ． 9 L·min －1。 (6)
握索油缸中 D2 = 80 mm，工作时间为 1 s 完成
一个工作行程，故 V2 = 0. 025 m·s
－ 1，握索油缸流量:
Q2 =
π
4
D2
2V2
η cv
=
π
4
× 0 ． 082 × 0 ． 025
1
0 ． 96
=
13 × 10 －5 m3·s －1 = 7. 8 L·min －1。(7)
工作总流量 Q: Q = Q1 + Q2 = 8. 7 L·min
－1 。
表 1 一个工作循环中的负载变化范围
Tab． 1 The range of load variation in a work cycle
液压缸名称
Name of
the hydraulic
cylinder
工况
Conditions
荷载
Load F /N
推力
Thrust
F /ηm /N
制动油缸
Brake
cylinder
进油 Inlet 0 ～ 3 000 0 ～ 3 333
保压 Pressure
maintaining
3 000 3 333
卸油 Oil
discharge
3 000 ～ 0 3 333 ～ 0
握索油缸
Grip cable
cylinder
进油 Inlet 0 ～ 104 271 0 ～ 115 857
保压 Pressure
maintaining
104 271 115 857
卸油 Oil
discharge
104 271 ～ 0 115 857 ～ 0
表 2 油缸设计参数
Tab． 2 Cylinder design parameters
设计参数
Design parameters
计算公式
The formula
液压缸
Hydraulic cylinder
制动油缸
Brake
cylinder
握索油缸
Grip cable
cylinder
受力 Force /N F = KP 3 000 104 271
缸筒内径
The inner diameter
of the cylinder /mm
D = 4F
π槡P 25 80
活塞杆直径
Piston rod
diameter /mm
d = 1
5
～( )13 D 10 20
缸筒壁厚
The thickness
of the cylinder /mm
δ≥ Ψ
pyD
2．3［σ］－ P
+ c 5 15
缸筒外径
The outside diameter
of the cylinder /mm
D外 = D + 2δ 35 110
工作行程
The stroke /mm
l 70 30
最小导向长度
Minimum guide
length /mm
H ≥ L20
+ D
2 20 45
活塞宽度
Piston width /mm
B = 0. 6 D 15 48
缸体内部长度
The interior length
of the cylinder /mm
L = B + l 85 78
2. 4 液压元件的选择
主要液压元件技术参数见表 3。
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林 业 科 学 49 卷
表 3 跑车液压系统中控制阀和部分辅助元件技术参数
Tab． 3 The parameters of the control valve and auxiliary components in the carriage hydraulic system
序号
No．
元件名称
Component name
流量
Flow /(L·min － 1 )
型号
Model
规格
Specifications
1 柱塞液压泵 Piston pump 10 10MCY14-1B 31. 5 MPa
2 单向阀 Check valve 30 DF-B10K3
10 通径，35 MPa
Size 10，35 MPa
3
D 型直动式溢流阀
Model D directly operated relief valve
16 DT-02-H-22
1 /4通径，35 MPa
Size 1 /4，35 MPa
4 油箱 Oil tank 容积 4 L Volume 4 L
5 球状电磁阀
Solenoid valves
23QDF
10 通径，31. 5 MPa
Size 10，31. 5 MPa
6 蓄能器 Accumulator NXQ1-L0. 63 /31. 5LH
15 通径，31. 5 MPa
Size 15，31. 5 MPa
2. 5 液压控制仿真
握索系统由蓄能器提供压力油，当蓄能器的压
力低于设定值时，充液阀为其充液，保证其有充足的
压力来松开握索块; 当蓄能器的压力达到设定值
时，充液阀的压力油流向回油油路(沈嵘枫，2010b;
向琴等，2012; 赵东升，2013)。设握索块的质量为
5 kg，跑车的质量为 400 kg，握索时间为 2 s。
AMESim 中构建蓄能器回路模型，对握索机构的动
态特性进行仿真分析(图 3)。
图 3 握索块液压控制仿真
Fig． 3 The hydraulic simulation of holding rope block
根据仿真结果可以看出: 在握索油缸工作时，
握索块的受力能够保持在 5 000 N，握索块的移动速
度在 1 s 达到稳定状态。液压系统满足设计要求。
与 YP2. 5 -A 集材索道遥控跑车对比，YP2. 0 -A 的
主要元器均采用标准元器件，在提高液压系统密封
性的同时，蓄能器提供的液压油油压由 24 MPa 提高
到 30 MPa，提高了握索机构的初始握索力。机构改
由液压控制夹紧爪与夹紧块 2 个保障体系组成，控
制系统采用电动液压来实现。改变液压控制阀输出
流量的大小和方向，进而改变液握索块的行程速度
大小和方向，实现遥控跑车在索道沿线任意点停留。
液压系统提高了遥控跑车的运行效率、速度稳定性。
3 应用条件
在遥控跑车的推广应用中，有 13 条不同集运量
的索道做原始纪录和成本分析，经统计分析处理，得
出成本为 110 ～ 130 元·m － 3。
索道集材过程分为落钩、起钩、运载、落钩、起钩
和回空 6 个工作环节 (周新年，2008)。集材作业
时，接收机安装在跑车上，绞盘机上装有讯号接收装
置(李亮，2011; 谭宝成，2001)。捆木工和卸材工
根据各工作环节，通过发射机发射遥控信息，控制液
压阀动作来完成跑车动作。
JS-2. 0-BL 遥控集材索道采用 YP2. 0 -A 遥控跑
车，配以 JSX2-2. 0 绞盘机以及Ⅲ43 索系。与传统
集材方式相比，该遥控集材索道的地形适应性强，索
系简单，仅 1 条循环牵引索便能实现索道沿线任意
点的自动起落钩，进行原木、原条或伐倒木的全悬空
或半悬空、顺坡或逆坡集材作业和装车作业。
YP2. 0 -A遥控跑车运行速度 2 ～ 5 m·s
－ 1，载重量达 2
t，台班产量达 45 ～ 60 m3，集距 100 ～ 500 m，与人力
集材相比，单位木材生产成本降低 33%，工效提高
98% ; 与板车集材相比，单位木材生产成本降低
36%，工效提高 56%。出材量越大，遥控索道的经
济效益越大，工效也越高。该索道生产工艺仅由
3 ～ 5人完成: 1 ～ 2 人捆挂，1 ～ 2 人卸材，1 人开
机。所有工作环节均通过发射机指令(握索、卸荷)
和机手操纵绞盘机(正、反、停)共同实现(跑车和绞
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第 10 期 沈嵘枫等: 集材索道遥控跑车及其液压系统设计
盘机上均安装有信号接收装置)。因此，该遥控集
材索道非常适合人工林集材作业，具有良好的生态
效益、经济效益和社会效益。
4 结论
在系统分析 YP2. 0 -A 遥控跑车主要技术参数、
结构及其工作原理的基础上，对液压系统进行设计，
包括液压缸、液压泵、蓄能器等，通过合理选择液压
元件，提高了液压系统的灵敏性、安全性和可靠性，
实现索道集材运行的自动化和精确控制，确保遥控
索道生产安全和联合作业。实践证明，索道采用
YP2. 0 -A 遥控跑车具有在任意点进行横向或顺坡、逆
坡集材的功能，操控技术先进; 有利于提高生产效
率，降低生产成本; 有利于保护生态环境，改善劳动
条件。考虑“一机多用”的原则，新型遥控跑车还可
研制应用于一些采用常规施工方法难以施工的水利
水电、公路桥梁和土建施工中。随着资源利用转型
和生态保护意识增强，林区和矿区生产应用的新型
遥控跑车配套自走式遥控绞盘机，是新型索道未来
的发 展 趋 势 (周 新 年 等， 2008; 2010; 2012a;
2012b)。
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