基于現(xiàn)代設(shè)計方法林木聯(lián)合采伐機的設(shè)計

潘海兵,劉晉浩,趙文銳,魏占國

摘要：應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法實體建模、仿真設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、并行設(shè)計、有限元法，借助Ｐｒｏ／Ｅ、ＡＤＡＭＳ、Ａｎｓｙｓ等現(xiàn)代設(shè)計方法軟件，完成了林木聯(lián)合采伐機的設(shè)計。現(xiàn)代設(shè)計方法的應(yīng)用不僅節(jié)約了成本，而且提高了林木聯(lián)合采伐機的綜合性能。

關(guān)鍵詞：林木聯(lián)合采伐機；現(xiàn)代設(shè)計方法；Ｐｒｏ／Ｅ；ＡＤＡＭＳ；Ａｎｓｙｓ

中圖分類號：Ｓ７７６．３１ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０12）05－1014-03

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｗｏｏｄ Ｈａｒｖｅｓｔｅｒ Bａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｄｅｒｎ Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｅｔｈｏｄ

ＰＡＮ Ｈａｉ－ｂｉｎｇ１，ＬＩＵ Ｊｉｎ－ｈａｏ２，ＺＨＡＯ Ｗｅｎ－ｒｕｉ３，ＷＥＩ Ｚｈａｎ－ｇｕｏ２

（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７０， Ｃｈｉｎａ；２． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８3， Ｃｈｉｎａ；３． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｍｏｄｅｒｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，

Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１３００， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： The ｍｏｄｅｒｎ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ， ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ， ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｃｅ ｄｅｓｉｇｎ， ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ， ｗｅｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ． Ｔｈｅ ｗｏｏｄ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｓｕｃｈ ａｓ Ｐｒｏ／Ｅ， ＡＤＡＭＳ， Ａｎｓｙｓ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｉｔ could ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｓａｖｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｙ the use ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｗｏｏｄ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ； ｍｏｄｅｒｎ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ； Ｐｒｏ／Ｅ； ＡＤＡＭＳ； Ａｎｓｙｓ

現(xiàn)代設(shè)計方法是應(yīng)用現(xiàn)代科學知識，考慮自然科學、社會科學、經(jīng)濟科學等諸多因素，經(jīng)過設(shè)計人員創(chuàng)造性思維、規(guī)劃和決策，制定可以用于制造的方案，從而獲得質(zhì)高、價廉、有創(chuàng)新的產(chǎn)品，它是以理論為指導，以計算機為設(shè)計手段的設(shè)計方法。它具有系統(tǒng)性、智能性、創(chuàng)新性、優(yōu)化性、動態(tài)、ＣＡＤ化等特點［１］?，F(xiàn)代設(shè)計方法包括的內(nèi)容很多，有優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、建模與仿真設(shè)計、并行設(shè)計、有限元法等。

現(xiàn)代設(shè)計方法在現(xiàn)代機械設(shè)備的設(shè)計中廣泛應(yīng)用，它能夠縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本，提高設(shè)計質(zhì)量，滿足現(xiàn)代機械設(shè)備的研制和生產(chǎn)需要［２］。林木聯(lián)合采伐機是一種集伐木、打枝、造材、截梢、歸楞、裝車多種功能于一體，適用于多種林地作業(yè)的大型林木采伐機械。在林木聯(lián)合采伐機的設(shè)計和研制過程中采用了大量的現(xiàn)代設(shè)計方法，縮短了研發(fā)時間，降低了研發(fā)成本，并且保證了設(shè)計質(zhì)量。

１林木聯(lián)合采伐機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

我國大型林業(yè)裝備的研制一直落后于發(fā)達國家，大部分技術(shù)與產(chǎn)品都停留在２０世紀七八十年代的水平，而國外聯(lián)合采伐機價格昂貴，且不適用于我國林地立地條件。為了適應(yīng)我國緩坡地帶人工林的集約化作業(yè)，林木聯(lián)合采伐機在林地中進行撫育或采伐作業(yè)時須滿足行動靈活，穿梭自如，行進過程中不能碰撞樹木等要求。因此，要求林木聯(lián)合采伐機結(jié)構(gòu)緊湊，駕駛視野開闊，底盤轉(zhuǎn)彎半徑小，具有良好的靈活性和通過性。根據(jù)我國林地立地條件以及國外先進的聯(lián)合采伐機的結(jié)構(gòu)特點，課題組設(shè)計了適合我國林業(yè)木材生產(chǎn)的林木聯(lián)合采伐機，其總體結(jié)構(gòu)如圖１。

林木聯(lián)合采伐機主要由底盤、機械臂和伐木頭三大部分組成。底盤為整機提供支撐和動力，機械臂安裝在底盤的前車架上，能夠?qū)⒎ツ绢^靈活自如地送至目標地，伐木頭則通過液壓馬達連接在機械臂前端，完成伐木、打枝、量材、造材一系列工序。

林木聯(lián)合采伐機的技術(shù)參數(shù)為：整車全長６ ７４０ ｍｍ、寬２ ８００ ｍｍ、高３ ６３９ ｍｍ（可調(diào)整）， 最大高度（帶臂行駛）４ ２００ ｍｍ，軸距３ ５２０ ｍｍ，輪距２ ２００ ｍｍ，整車重量１８ ｔ，最大行駛速度２５ ｋｍ／ｈ，最大作業(yè)距離１０ ｍ，采伐徑級２００～５００ ｍｍ。結(jié)合設(shè)計方案和技術(shù)參數(shù)，設(shè)計時在計算機中用三維設(shè)計軟件Ｐｒｏ／Ｅ構(gòu)造出了方案的實體模型（圖２）。在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，以此方案為基礎(chǔ)，各部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)在滿足技術(shù)要求時進行詳細設(shè)計。為了提高效率，各部分的結(jié)構(gòu)均采用Ｐｒｏ／Ｅ設(shè)計，多組設(shè)計人員并行進行，保持各部分接口一致，完成后進行組裝。最后將模型轉(zhuǎn)化成ＣＡＤ圖紙，供加工制造以及裝配用。

２林木聯(lián)合采伐機底盤的設(shè)計

底盤為林木聯(lián)合采伐機所有部件提供支承，為林木聯(lián)合采伐機的行駛、機械臂和伐木頭的運動提供動力。在運行過程中，底盤還吸收來自地面的不平度的激勵和伐木頭在工作過程中產(chǎn)生的振動沖擊。綜合考慮林木聯(lián)合采伐機的性能以及車架與各部位的連接因素，車架設(shè)計如圖３。它由前車架、后車架和副車架等組成，前后車架通過鉸銷連接，左右兩邊各一個油缸可使車架繞鉸銷相對偏轉(zhuǎn)±４０°。前車架直接與前橋相連，后車架則通過副車架與后橋相連，在副車架的帶動下可繞水平銷軸轉(zhuǎn)動±１１°，以適應(yīng)林地起伏的地形。機械臂則是通過連接耳板與前車架連接。

車架是底盤中的主要受力部件，根據(jù)技術(shù)要求和安裝要求在Ｐｒｏ／Ｅ中進行三維構(gòu)型后，需對車架進行動力學分析和有限元分析，保障其承載能力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。ＡＤＡＭＳ是一款目前廣泛應(yīng)用的動力學分析軟件，但ＡＤＡＭＳ的建模功能較弱，對于復雜機械的造型比較困難，而Ｐｒｏ／Ｅ的造型功能強，仿真功能相對較弱，因此可以借助Ｐｒｏ／Ｅ模型完成林木聯(lián)合采伐機虛擬樣機的設(shè)計［３］。利用Ｐｒｏ／Ｅ和ＡＤＡＭＳ之間的接口，直接將林木聯(lián)合采伐機的三維模型導入ＡＤＡＭＳ環(huán)境中，經(jīng)過適當?shù)睾喕?，在?gòu)件間加入約束，轉(zhuǎn)化為可進行動力學分析的虛擬樣機（圖４）。在ＡＤＡＭＳ中對林木聯(lián)合采伐機虛擬樣機進行動力仿真，可以得到各部分的受力情況，這為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了可靠的技術(shù)參數(shù)。通過模擬仿真，車架能夠滿足±４０°的偏轉(zhuǎn)，副車架能夠完成±１１°擺動，找出了在極限位置時各零件的干涉情況，并完善了相關(guān)零件的優(yōu)化工作。

為了保證林木聯(lián)合采伐機在工作時車架不會產(chǎn)生過大的變形而影響整機的性能，須對車架進行有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。Ａｎｓｙｓ是研究人員普遍使用的一款有限元分析軟件，但本身的造型功能相對較弱，可以利用其他軟件進行三維建模，然后轉(zhuǎn)化成可使用的模型。將車架的Ｐｒｏ／Ｅ模型導入Ａｎｓｙｓ后，賦予材料屬性，劃分網(wǎng)格，加載作用力，得到前車架應(yīng)力分布圖［４］。為了改善前車架受力情況，優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)，重新進行有限元分析，得到應(yīng)力對比圖如圖５。可見優(yōu)化后前車架應(yīng)力集中區(qū)域轉(zhuǎn)移，連接耳板處應(yīng)力得到明顯改善，符合設(shè)計要求。同樣后車架也得到了優(yōu)化。

３林木聯(lián)合采伐機機械臂的設(shè)計

機械臂是林木聯(lián)合采伐機重要的組成部分，它決定了林木聯(lián)合采伐機的作業(yè)能力和作業(yè)范圍。林木聯(lián)合采伐機機械臂設(shè)計最大伸長量為１０ ｍ，回轉(zhuǎn)角為１５０°，傾角為２０°。機械臂（圖６）從下至上主要由底座、旋轉(zhuǎn)臺、連桿、主臂、小臂和伸縮臂組成，小臂和伸縮臂合成副臂。底座與車架以鉸接形式連接，油缸可控制底座在２０°內(nèi)擺動。底座上的４個回轉(zhuǎn)油缸控制旋轉(zhuǎn)臺帶動整個機械臂可在１５０°內(nèi)回轉(zhuǎn)。各個油缸聯(lián)合動作保證機械臂在１０ ｍ扇形區(qū)域內(nèi)靈活作業(yè)。

為了驗證上述參數(shù)建造出小型樣機再進行試驗，顯然既耗時又會增加成本。利用虛擬樣機技術(shù)對機械臂進行模擬仿真，既可得到驗證結(jié)果，亦可對機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。

林木聯(lián)合采伐機進行伐木作業(yè)時，機械臂須保證伐木頭底部的軌跡為直線或接近直線。如果采用數(shù)學方法計算點的軌跡和各桿件尺寸，方程不但難解，計算量也相當大，用ＡＤＡＭＳ可以較容易解決這個問題［５，６］。根據(jù)經(jīng)驗先設(shè)計出機械臂，將Ｐｒｏ／Ｅ模型導入ＡＤＡＭＳ中，然后進行運動學分析，調(diào)整各桿件參數(shù)直至軌跡滿足要求。為了保障機械臂的工作性能，還需要對其進行有限元分析。將主臂和副臂的三維模型導入Ａｎｓｙｓ中進行有限元分析，優(yōu)化后結(jié)果與優(yōu)化前對比圖如圖７、圖８所示。經(jīng)過優(yōu)化后機械臂應(yīng)力分布大大改善。

４ 林木聯(lián)合采伐機伐木頭的設(shè)計

伐木頭是林木聯(lián)合采伐機的核心工作裝置，林木聯(lián)合采伐機所有的功能都由它來完成。作業(yè)時伐木頭須抱緊樹干，采伐樹木，根據(jù)測量的材長按規(guī)定進行造材，因此伐木頭有夾抱樹干、鋸切樹木、測量材長、打枝、造材等功能。伐木頭（圖９）通過回轉(zhuǎn)馬達與機械臂頂端相連，在重力的作用下，一般情況伐木頭保持豎直狀態(tài)，只有在造材時才會改變狀態(tài)。伐木頭主要由回轉(zhuǎn)馬達、打枝刀、測距輥、驅(qū)動輥、鏈鋸和夾抱機構(gòu)等組成。

伐木頭的自重以及伐倒木的重量均由回轉(zhuǎn)馬達承擔，因此鉸接點處必須保證足夠的強度和剛度，以及抗沖擊性能。設(shè)計時鉸接處需進行嚴格計算，根據(jù)前面在ＡＤＡＭＳ中虛擬樣機的動力學分析可以獲得鉸接點的受力，再進入Ａｎｓｙｓ對鉸接處構(gòu)件進行有限元分析，對其結(jié)構(gòu)進行校核與優(yōu)化。伐木頭的打枝刀、測距輥、驅(qū)動輥、鏈鋸和夾抱機構(gòu)在作業(yè)時需聯(lián)合完成一系列復雜的動作，因此需要對伐木頭的運動進行仿真，以保證其動作準確性。將建立完成的伐木頭Ｐｒｏ／Ｅ模型導入ＡＤＡＭＳ中，對各構(gòu)件之間的連接進行定義，模擬作業(yè)時伐木頭的一系列動作，對伐木的結(jié)構(gòu)尺寸進行分析和優(yōu)化。仿真后伐木頭各構(gòu)件受力已經(jīng)獲得，關(guān)鍵構(gòu)件如打枝刀、夾抱機構(gòu)等均需進行強度剛度校核并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

５小結(jié)

現(xiàn)代設(shè)計方法在現(xiàn)代機械設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛，不僅可以提高產(chǎn)品的科技含量，優(yōu)化產(chǎn)品的綜合性能，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，而且可以降低成本。本文將實體建模、仿真設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、并行設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法融入林木聯(lián)合采伐機的整個設(shè)計過程，充分發(fā)揮現(xiàn)代設(shè)計方法的優(yōu)點，縮短了林木聯(lián)合采伐機的研發(fā)時間，降低了成本，提高研究效率的同時也保證了質(zhì)量，提高了林木聯(lián)合采伐機的綜合性能。由于目前設(shè)計過程中對某些參數(shù)的設(shè)置進行了簡化，因此后期設(shè)計及優(yōu)化只有建立在更詳實的實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上才能獲得更高性能的林木聯(lián)合采伐機。

參考文獻：

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［６］ 沈嶸楓，劉晉浩，王典，等．聯(lián)合采伐機工作臂運動軌跡及液壓缸行程研究［Ｊ］．北京林業(yè)大學學報，２０１０，３２（２）：１５７－１６０．