一種新型林地采育作業(yè)臂的設(shè)計與優(yōu)化

魏超,劉晉浩

摘要：針對當(dāng)前履帶式聯(lián)合采育機(jī)作業(yè)臂存在的不足，在計算機(jī)虛擬環(huán)境下，利用ＳｏｌｉｄWｏｒｋｓ進(jìn)行了一種新型作業(yè)臂的設(shè)計，并開展了基于ＣｏｓｍｏｓWｏｒｋｓ的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的新型作業(yè)臂，在保證結(jié)構(gòu)可靠性的同時，質(zhì)量達(dá)到了最優(yōu)，有效地降低了研制成本，為項目下一步的物理樣機(jī)試制打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：作業(yè)臂；設(shè)計；林地；新型；優(yōu)化

中圖分類號：Ｓ７７６．０３４文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）05－1021-04

The Design and Optimization of A New Operating Arm for Woodland Harvesting

and Tending

ＷＥＩ Ｃｈａｏ，ＬＩＵ Ｊｉｎ－ｈａｏ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Aimed at ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｍ ｏｆ ｔｒａｃｋｅｄ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ， ａ ｎｅｗ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ SｏｌｉｄWｏｒｋｓ ｉｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ CｏｓｍｏｓWｏｒｋｓ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｎｅｗ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｍ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｅｎｓｕｒｅd ｔｈｅ ｓｔｒｏｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｂｕｔ ａｌｓｏ realized the optimum ｑｕａｌｉｔｙ． Ｉｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｏｓｔｓ， ａｎｄ ｌａｉｄ ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｎｅｘｔ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｔｒｉａｌ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｍ； desigｎ； ｗｏｏｄｌａｎｄ； ｎｅｗ ｔｙｐｅ； ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

聯(lián)合采育機(jī)是一種集伐木打枝、造材、截梢、歸楞、裝車多功能于一體，適合于多種林地作業(yè)的大型林木采伐機(jī)械［１］。這種林業(yè)機(jī)械適用性非常廣，它能夠大幅度提高木材生產(chǎn)率，并為工人提供安全舒適的工作環(huán)境。其中作業(yè)臂作為聯(lián)合采育機(jī)的重要部件，決定了聯(lián)合采育機(jī)的作業(yè)范圍和作業(yè)對象標(biāo)準(zhǔn)［２］，影響著聯(lián)合采育機(jī)整機(jī)的作業(yè)性能。目前發(fā)達(dá)國家對于聯(lián)合采育機(jī)的研究與開發(fā)已經(jīng)十分成熟，并設(shè)計出一系列能夠適用于不同作業(yè)環(huán)境的作業(yè)臂，而我國在這方面的研究才剛剛起步，因而研究設(shè)計出一款高效的作業(yè)臂就成為林業(yè)機(jī)械工作者的當(dāng)務(wù)之急。

１與傳統(tǒng)作業(yè)臂的比較

從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看，聯(lián)合采育機(jī)的作業(yè)臂是一個典型的多連桿結(jié)構(gòu)，與其他連桿結(jié)構(gòu)不同的是，出于作業(yè)臂本身工作的需要，它具有很高的強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠方便快速地調(diào)整定位，以適應(yīng)多范圍的高效率作業(yè)。目前，聯(lián)合采育機(jī)特別是履帶式聯(lián)合采育機(jī)，其作業(yè)臂采用的仍然是比較簡單、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式（圖１）。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的臂只具有主臂抬升，副臂收放２個自由度，這也使得它在調(diào)整定位方面表現(xiàn)得不夠出色，生產(chǎn)效率較低。

研究設(shè)計的新型作業(yè)臂一方面繼承了傳統(tǒng)作業(yè)臂的可取之處，另一方面還具備了兩項特別的功能，這是傳統(tǒng)作業(yè)臂所無法比擬的，是國內(nèi)首創(chuàng)。

首先，新型作業(yè)臂的作業(yè)靈活性更大，作業(yè)范圍更廣。與傳統(tǒng)的作業(yè)臂的結(jié)構(gòu)形式相比，新型作業(yè)臂由３部分組成，它在保留傳統(tǒng)臂的主臂、副臂的基礎(chǔ)上，又設(shè)計加裝了一個作業(yè)小臂，其結(jié)構(gòu)形式如圖２。

新型作業(yè)臂的自由度達(dá)到了４個，較之傳統(tǒng)作業(yè)臂又增加了作業(yè)小臂的俯仰和作業(yè)小臂的伸縮２個自由度，冗余的自由度極大地提高了臂調(diào)整定位方面的性能，能夠更好地適應(yīng)多范圍的高效率作業(yè)。

此外，新型作業(yè)臂的另一特點是具有一定的輔助整機(jī)越障能力，這是傳統(tǒng)作業(yè)臂無法做到的。圖３顯示，一旦在林地遇到履帶式底盤無法逾越的障礙時，可以借助作業(yè)小臂的支撐作用將整機(jī)底盤前端抬起，實現(xiàn)一定程度的越障，從而增強整機(jī)的通過性。

２新型作業(yè)小臂的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

新型作業(yè)臂的設(shè)計思想源于對傳統(tǒng)作業(yè)臂的改良，它的主臂、副臂在結(jié)構(gòu)形式上與傳統(tǒng)作業(yè)臂基本相同，關(guān)于它們的研究設(shè)計方法已經(jīng)足夠成熟，因此，這里主要是針對作業(yè)小臂利用ＣｏｓｍｏｓＷｏｒｋｓ軟件進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化，以滿足工程要求。

有限元作為一種數(shù)值仿真技術(shù)是計算數(shù)學(xué)、力學(xué)和工程科學(xué)等領(lǐng)域最有效的計算方法，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用［３］。只要在解決實際工程問題中，求解所得的數(shù)據(jù)滿足工程需要即可［４］。與傳統(tǒng)設(shè)計試制方法相比，可以縮短研制周期，降低設(shè)計與制造的成本。而應(yīng)用ＣｏｓｍｏｓWｏｒｋｓ進(jìn)行有限元分析，更顯著的優(yōu)點在于ＣｏｓｍｏｓWｏｒｋｓ與ＳｏｌｉｄWｏｒｋｓ是無縫結(jié)合的，結(jié)構(gòu)分析時不必脫離原設(shè)計環(huán)境，避免了模型導(dǎo)入第三方軟件時常見的模型失真引起的分析結(jié)果不準(zhǔn)確的問題［５］。

２．１作業(yè)小臂的有限元分析

２．１．１有限元模型的建立作業(yè)小臂的有限元模型是在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ環(huán)境下創(chuàng)建的，除適當(dāng)?shù)睾喕松僭S特征外，基本保留了全部的機(jī)械作業(yè)特征［６］。作業(yè)小臂由１６Ｍｎ鋼板焊接而成，其基本特性參數(shù)為質(zhì)量５９６．４ ｋｇ，體積０．０７６ ｍ３。分析時作業(yè)小臂做實體處理，并忽略焊接殘余應(yīng)力，鑒于作業(yè)小臂是大體積的多面實體，采用ｓｏｌｉｄ ４５三維實體網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，單元通過８個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有３個沿著ｘｙｚ方向平移的自由度［７］，作業(yè)小臂的有限元模型如圖４。

２．１．２載荷的施加與邊界條件的處理考慮到作業(yè)小臂是通過吊耳板連接在副臂上的，為保證模型有足夠的約束保持穩(wěn)定，將吊耳板約束作固定處理；伐木工作頭是鉸接在作業(yè)小臂的伸縮臂一端，在工作時，對作業(yè)小臂來說，最惡劣的工況出現(xiàn)在作業(yè)小臂水平全伸時，這時會受到來自伐木工作頭和被伐樹木的力矩作用，因此在這端施加一個垂直于水平面向下的作用力，大小為１８ ３９６ Ｎ（力的大小是按照設(shè)計要求，通過計算中型伐木工作頭以及中徑級桉樹的重量和，在考慮動載系數(shù)后得到）。

２．１．３有限元的結(jié)果分析圖５作業(yè)小臂的應(yīng)力圖顯示，作業(yè)小臂的應(yīng)力值為２．３９６ｅ－６～９．５４６ｅ＋１ ＭＰａ，應(yīng)力與應(yīng)變反映的作用效果點相同，最大應(yīng)力也發(fā)生在作業(yè)小臂的吊耳和臂箱體的連接處，應(yīng)力值σｓ達(dá)到９５．４６ ＭＰａ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于１６Ｍｎ的屈服強度［σｓ］＝３４５ ＭＰａ，安全系數(shù)達(dá)到了３．６１。一般機(jī)械制造中安全系數(shù)在１．２～２．５［８］，大大超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

圖６作業(yè)小臂的合力位移顯示，作業(yè)小臂的位移明顯，最大位移δｙ達(dá)到了３．６５５ ｍｍ，從數(shù)值上看有些偏大，但進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)位移是線性的、彈性的，可以恢復(fù)，是由于剛度不足造成的，考慮到作業(yè)小臂在工作時相當(dāng)于一個長達(dá)１ ８００ ｍｍ跨度的懸臂梁，這樣的位移量可以接受，在設(shè)計要求允許的范圍內(nèi)。

２．２作業(yè)小臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計是指通過指定研究目標(biāo)、約束條件和設(shè)計參數(shù)等，在參數(shù)指定范圍內(nèi)求出滿足研究目標(biāo)和約束條件的最佳解決方案［９］。在分析及優(yōu)化的過程中，作業(yè)小臂可以簡化成一個懸臂梁模型，在保證模型有足夠約束的前提下，盡可能使它達(dá)到體積小、重量輕、成本最低、形狀合理，能夠最大限度地減緩局部區(qū)域的應(yīng)力集中等目標(biāo)條件。一般優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型為：

minf（X），X∈D?奐Rn，X=［x1，x2，…，xn］T（１）

ｓ．ｔgj（X）=gj（x1，x2，…，xn）≤0，j=1，2，…，mhk（X）=gk（x1，x2，…，xn）≤0，k=1，2，…，l，l＜n （２）

其中Ｄ為設(shè)計變量Ｘ在歐氏空間Ｒｎ的取值范圍，即為可行域：“ｓ．ｔ”為約束條件。優(yōu)化設(shè)計時，數(shù)學(xué)模型主要包括３個要素：設(shè)計變量Ｘ，目標(biāo)函數(shù)ｆ（Ｘ）以及約束條件：

ｇｊ（Ｘ）≤０，ｈｋ（Ｘ）≤０ （３）

對作業(yè)小臂模型優(yōu)化設(shè)計確定的３要素分別如下：

目標(biāo)函數(shù)：作業(yè)小臂質(zhì)量最小。

約束條件：強度條件σｓ，ｍａｘ≤［σ］＝３４５ ＭＰａ；剛度條件：δｙ，ｍａｘ≤［δ］＝４ ｍｍ。

設(shè)計變量：作業(yè)小臂截面Ｓ和長度Ｌ。

初步的有限元分析結(jié)果顯示，作業(yè)小臂的問題主要表現(xiàn)在作業(yè)小臂的吊耳和臂箱體的連接處的強度，伸縮臂、臂箱體的剛度。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計理論，提出如下４點優(yōu)化措施。

１）減小作業(yè)小臂的截面Ｓ和鋼板厚度，減輕作業(yè)小臂的質(zhì)量。

２）在不改變作業(yè)小臂全長Ｌ的情況下，作業(yè)小臂截面Ｓ減小后，整體剛度會降低，因此加長吊耳板，保證作業(yè)小臂有足夠的剛度。

３）考慮到吊耳板的受力，吊耳板進(jìn)行減薄處理，以減輕作業(yè)小臂的整體質(zhì)量。

４）作業(yè)小臂設(shè)計添加導(dǎo)軌，保證運動平滑的同時，進(jìn)一步提高作業(yè)小臂的剛度。

鑒于單純采用解析方法很難準(zhǔn)確得到結(jié)構(gòu)上任意一點的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，而有限元法卻相對容易實現(xiàn)［１０］。優(yōu)化時依據(jù)上述數(shù)學(xué)模型建立的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，并結(jié)合有限元分析，通過反復(fù)迭代分析最終找到一組優(yōu)化解，取得作業(yè)小臂優(yōu)化設(shè)計后的效果如圖７所示。優(yōu)化后作業(yè)小臂的基本特征參數(shù)為質(zhì)量５５４．１ ｋｇ，體積０．０７１ ｍ３，優(yōu)化后質(zhì)量減少了４２．３ ｋｇ，體積減少了０．００５ ｍ３。

對優(yōu)化后的作業(yè)小臂再次進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如下：圖８應(yīng)力圖解結(jié)果表明，作業(yè)小臂的應(yīng)力值為７．４２８ｅ－６～１．４２９ｅ＋２ ＭＰａ，最大應(yīng)力發(fā)生在作業(yè)小臂的吊耳和臂箱體的連接處，應(yīng)力值σｓ提高到１４２．９ ＭＰａ，但仍小于１６Ｍｎ的屈服強度［σｓ］＝３４５ ＭＰａ，安全系數(shù)為２．４１，說明在保證作業(yè)小臂結(jié)構(gòu)強度和安全性的同時，達(dá)到了節(jié)省材料的目的。

圖９合力位移圖表明，作業(yè)小臂的質(zhì)量下降、強度降低，對于作業(yè)小臂的整體剛度并沒有影響，作業(yè)小臂全伸時的最大線彈性位移δｙ保持在３．６２７ ｍｍ，在設(shè)計要求允許的范圍內(nèi)。

表１對作業(yè)小臂優(yōu)化前后的幾項重要參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了比較，反映了優(yōu)化前后作業(yè)小臂的變化。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計工作取得了一定的成效，作業(yè)小臂的質(zhì)量、體積都發(fā)生了比較明顯的變化，在保證承載能力的基礎(chǔ)上，節(jié)省了材料，降低了制造成本，有利于整個裝置功率的合理分配，初步達(dá)到了優(yōu)化的效果。

３小結(jié)

研究設(shè)計的適用于履帶式聯(lián)合采育機(jī)的新型作業(yè)臂，在保留了傳統(tǒng)臂高強度、高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，能夠方便快速地進(jìn)行調(diào)整定位，并實現(xiàn)惡劣地形環(huán)境下的輔助越障，因而可以適應(yīng)更大范圍的高效率林區(qū)復(fù)雜作業(yè)，這是當(dāng)前傳統(tǒng)臂所不具備的。同時，利用計算機(jī)進(jìn)行虛擬環(huán)境下新型作業(yè)臂的設(shè)計、分析與優(yōu)化，更是提高了虛擬樣機(jī)的合理性，為今后物理樣機(jī)的試制和下一步研究奠定了基礎(chǔ)。

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