基于Adams車載式裝卸機抓具的設計與分析

李樹森,張巖,陳素萍

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江　哈爾濱150040)

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基于Adams車載式裝卸機抓具的設計與分析

李樹森,張巖,陳素萍

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：車載式裝卸機是林業(yè)機械領(lǐng)域重要研究內(nèi)容。主要采用三維建模和虛擬樣機測試的方法對裝卸機抓具開展了動靜態(tài)特性研究，結(jié)果表明，抓具的結(jié)構(gòu)和顎爪的弧度對抓取性能有著重要的影響；同步器的長度影響液壓缸動力分配和顎爪的磨損；根據(jù)液壓缸的輸出特性推斷抓取情況。研究結(jié)果將對同類收集裝卸機械設計和研究提供參考。

關(guān)鍵詞：林業(yè)機械；液壓木材抓具；虛擬樣機；結(jié)構(gòu)設計；加載測試

提高林區(qū)剩余物的利用率，是提高木材綜合利用率的重要途徑之一。多年的采伐使得可砍伐的木材胸徑從2000年的30cm下降到現(xiàn)在不足18cm，木材胸徑變小導致現(xiàn)有的木材抓具在結(jié)構(gòu)上已不能滿足對小徑木材的抓取要求，導致集材的對象也由大徑木、原條向小徑木和枝椏材剩余物轉(zhuǎn)變。由于采伐剩余物的體積大、彎曲度大、密度小、運輸距離遠，導致收集和運輸效率低且成本高，加之中國缺乏專業(yè)從事林區(qū)剩余物撿拾和運輸設備，致使大量的剩余物遺棄在林區(qū)不能運回利用。因此，嚴重地制約了中國林區(qū)剩余物的利用[1]。

根據(jù)中國目前的森林工業(yè)木材生產(chǎn)的實際狀況，學習國外先進的林業(yè)機械設備的技術(shù)，結(jié)合中國實際情況研究，開發(fā)林區(qū)剩余物集運機，對提高中國森林經(jīng)營和撫育關(guān)鍵機械設備的研發(fā)和制造能力具有重要意義。車載式裝卸機主要收集小徑木與林區(qū)剩余物，并與打捆裝置配套使用，可以顯著地提高裝載運輸效率。

抓具是集運機設備的關(guān)鍵部件之一，主要起到吊裝和集材的作用，其性能應滿足裝卸木材要求；抓具的起升載荷包括抓取物料的重量和自身重量。根據(jù)抓具結(jié)構(gòu)不同可分為液壓式、繩索式、機械式、電動葫蘆式等[2]。本文設計的車載式裝卸機主要由汽車、臂架、抓具和集材車廂等組成。國內(nèi)目前使用的集材機械和抓具大多有自重較大、抓腔大且對小徑木抓取能力弱等特點，并且結(jié)構(gòu)復雜，耗損功率大。本文主要討論設計一種對小徑木材具有良好抓取能力并且具有結(jié)構(gòu)簡單重量輕等特點的抓具。

集材機工作對象：小徑木(13～18cm)、枝椏材、林區(qū)剩余物等。車廂在設計上采用兩種結(jié)構(gòu)，所以要求抓具對大徑(20～44cm)木材具有一定的抓取能力。

集材機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1　車載式裝卸機

1液壓木材抓具的結(jié)構(gòu)設計

1.1整體結(jié)構(gòu)設計與分析

本文設計的液壓木材抓具的原理圖如圖2所示。

圖2　抓具原理圖

抓具需結(jié)構(gòu)緊湊、動力充足。由圖2得知，抓具為6桿機構(gòu)，臥式油缸布局，兩顎爪鉸接于承重梁(4)上，液壓缸鉸接于兩顎爪頂部，機構(gòu)自由度為ω=3n-2P=1，通過控制液壓缸的伸縮即可完成抓具的開閉動作。在工況時刻液壓缸推動活塞桿，外顎爪收縮，同時與外顎爪連接的同步器推動內(nèi)顎爪連接位置，使內(nèi)爪收縮完成夾取動作。液壓缸收縮拉動活塞桿和外爪向外移動同時通過外爪連接點拉動同步器，同步器與內(nèi)爪相鉸接內(nèi)爪張開完成動作。

根據(jù)上述公式可知在主要結(jié)構(gòu)確定的情況下可以改變工作壓力、動力臂長度、阻力臂長度、液壓缸直徑等。

表1　抓具的基本參數(shù)

參考設計和結(jié)構(gòu)要求，最終推算出設計抓具的抓取力為20.08kN。

承重梁下部為鋸齒狀同時搭配顎爪弧度以便卡住木材減少其在抓具中軸向串動。在連接部分上部采用梯形箱體便于連接和提高工作強度，并且可以有效地減輕重量，降低對液壓系統(tǒng)的壓力需求[3]。

1.2顎爪的結(jié)構(gòu)設計與分析

缸體連接一側(cè)稱為內(nèi)顎爪，液壓桿推動一側(cè)稱為外顎爪。顎爪的弧度要求對木材具有一定的包容性和導向性。要求能改善木材在抓取時受力點和受力方向，便于木材在抓具內(nèi)的弧形區(qū)域內(nèi)滑動或滾動，直接地降低阻力對抓取的影響，減小阻力臂的長度。

內(nèi)外顎爪采用全新設計，對加強板位置尺寸、顎爪弧度、鉸接點結(jié)構(gòu)、顎爪截面形狀等進行了優(yōu)化。

圖3　內(nèi)顎爪的外形

內(nèi)顎爪提高液壓缸安裝位置增加動力臂，底部的“鏟型”提高顎爪對木材的“收攏”性能。

圖4　外顎爪的外形

外顎爪的設計和內(nèi)顎爪相似，設計需要保證兩顎爪在閉合時具有包容性，另外顎爪的寬度大于內(nèi)顎爪10～15mm，防止發(fā)生因受力變形而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

在設計中對顎爪的弧度進行了多種假設，經(jīng)過計算和仿真比較之后得知抓腔弧度與液壓缸輸出力成反比，各個桿件受力也隨著弧度增加而明顯下降，但弧度過于“圓滑”導致顎爪的尺寸和重量明顯上升，同時在顎爪尖端失去“鏟子”而降低對木材的收攏能力，顎爪閉合時木材與顎爪在一定時間內(nèi)處于“脫離”狀態(tài)最終導致木材脫落。

顎爪截面設計采用Γ形，相比于工字型和箱型在結(jié)構(gòu)上重量減少了43%和31%，Γ形橫截面可以增加木材抓取時的受力面積，減少木材損傷，改善因木材自重和抓具與木材接觸不良時引起受力不均而導致的變形所引起的兩顎爪相互干涉。

內(nèi)外顎爪的設計需考慮同步器位置。

1.3抓具同步器敏感程度分析

同步器的作用使得內(nèi)外顎爪能夠在張開和閉合時速度和狀態(tài)達到同步。在設計過程中同步器長度直接影響液壓缸的動力分配、兩顎爪工作的穩(wěn)定性和內(nèi)外顎爪的磨損，由于采用“外低內(nèi)高”的布局，經(jīng)模擬外顎爪對同步器的長度因素異常敏感。

若同步器長度過長則左側(cè)內(nèi)顎爪開閉速度過快，閉合效果下降。長度過短則外顎爪開閉幅度降低。

經(jīng)過反復計算和模擬，得知尺寸在540～542mm為最佳，本設計采用540mm。驗證和計算同步器的長度主要參考對象為兩顎爪在抓取時動力分配誤差。

由于液壓缸直接推動外顎爪，而內(nèi)顎爪既受到缸體的推動作用又受到同步器的調(diào)節(jié)作用，影響因素較多，所以采用F4作為基準值以便比較。

圖5　同步器的外形

圖5為同步器的外形。為了強度的需要可以增加同步器的數(shù)量，也可以對同步器進行適當?shù)膹澢耘浜献ゾ叩淖デ恍螤頪4]。

2抓具虛擬樣機測試

2.1抓具工況模擬

將SolidWorks三維模型輸入Adams軟件中進行仿真計算。

抓具要求對大徑木有一定的集材能力，并且質(zhì)量大的原木對抓具結(jié)構(gòu)要求較高[5]。設定工作壓力17MPa，液缸活塞桿內(nèi)徑80mm，最大推力約85kN。

圖6　虛擬樣機中工況模擬

圖6中抓具3在Adams軟件中定義液壓缸輸出力速度100mm/s，輸出力85kN，內(nèi)外顎爪鉸接于抓具3箱體上，同步器鉸接于兩顎爪之上，顎爪長度750mm。

模擬對象兩根最大直徑為440mm的原木，長度為4 000mm，總重量500kg。

設定摩擦木材—木材動、靜摩擦系數(shù)分別為0.3和0.4，木材—顎爪動、靜摩擦系數(shù)為0.2和0.3。

添加碰撞木材1和木材2；木材1和左側(cè)顎爪；木材2和右側(cè)顎爪；木材1和抓具3箱體；木材2抓具3箱體。

模擬條件顎爪在最大開度1 200mm處在液壓缸的推動下抓取木材1和2直至完全抓取的過程。

通過在虛擬樣機中的反復模擬得到液壓缸輸出數(shù)據(jù)、各個桿件之間的受力、木材之間的受力、抓取受力以及同步器受力圖線[6]。

2.2對仿真結(jié)果進行分析

下列各圖中橫軸表示時間，縱軸表示受力。經(jīng)公式F=p·πR2，初步計算液壓缸輸出力為85kN。并且每幅圖中都添加了液壓缸曲線作為參考。在Adams軟件中進行數(shù)據(jù)處理提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)點，并且排除0點干擾和不合理數(shù)據(jù)得到，x=[9.21,9.25,9.29,9.32,9.33,9.35,9.4,9.44，9.49,9.55,9.64,9.67];y=[470,46 770,31 082,3 581,26 029,69 418，43 833,39 155,43 696,35 692,3 337,34 085]。

圖7　液壓缸輸出F1

圖7中紅色線代表液壓缸在工作時的壓力輸出特性曲線，在時間為約9.32s時原木被兩顎爪夾持，而后圖線上升至最高點61.5kN，顎爪弧度改善抓取性能，極值點后逐漸下降。

最后將數(shù)據(jù)導入MATLAB進行曲線擬合，對結(jié)果進行篩選在其基礎上舍去X=9.21，9.25，9.29和Y=470，467 70，310 82。

圖8　液壓特性曲線擬合

計算得到液壓缸在抓具對木材夾取時的輸出力的六階多項式，Y=-9.485 2×109X6+5.413 1×1011X5-1.287 1×1013X4+1.632 2×1014X3-1.164 3×1015X2+4.429×1015X-7.109 9×1015③。

圖9　顎爪夾持力F2

圖9中細線代表木材所受夾持力極值為23.3kN，在液壓缸輸出峰值部分亦出現(xiàn)極值18.8kN，此刻抓具收攏木材初夾取的時間點。9.6s之后的小波動的增加是由于木材被抓起時受重力的影響。

圖10　外顎爪轉(zhuǎn)軸受力F3

圖11　內(nèi)顎爪轉(zhuǎn)軸受力F4

圖10～11細實線即為內(nèi)鄂爪與外鄂爪轉(zhuǎn)軸受力，通過對轉(zhuǎn)軸受力情況的觀察可以了解到當轉(zhuǎn)軸受力達到最大值，圖10～11中顎爪抓取力最大值別為115.2kN和115.9kN，兩顎爪在動力分配誤差小于1%。液壓缸輸出最大值也是木材初被抓取時刻，點接觸達到極限，最后轉(zhuǎn)軸承受力上升即為木材被完全抓取時受重力的影響。根據(jù)內(nèi)外顎爪受力圖線可以得知在受力情況上兩爪轉(zhuǎn)軸承受力相似但內(nèi)顎爪結(jié)構(gòu)緊湊故對外顎爪進行分析。

在整個結(jié)構(gòu)中同步器至關(guān)重要，采用兩根同步器并聯(lián)每根受力35.6kN。

3Simulation軟件下的加載測試

內(nèi)、外鄂爪在加工過程中還可以進行適當?shù)母淖兘孛嫘螤顏磉M一步增加桿件的剛度和減少重量。

圖12　Simulation加載下的顎爪轉(zhuǎn)軸應變云圖

圖12 Simulation加載下的顎爪轉(zhuǎn)軸應變云圖，添加自由度。根據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)對顎爪的轉(zhuǎn)軸加載討論應力和應變驗證。增加載荷模擬轉(zhuǎn)軸受力，將圖10～11中的數(shù)據(jù)導出。

加載后最大變形量6.199×10-3mm，此時承受的最大應力3.58×107N/m2。

圖13　Simulation加載下的顎爪應變云圖

圖13 Simulation對顎爪尖端和根部進行強度驗證，在抓取時顎爪尖端受力最大顎爪從尖部到根部形成懸臂梁。圖9分析得夾持力最大出現(xiàn)在顎爪抓取木材時刻，主要由液壓缸輸出力和木材本身重力組成，顎爪尖端處于靜態(tài)，抓具尖端與木材點接觸。此刻爪尖和轉(zhuǎn)軸形成懸臂梁，為滿足最苛刻的工作條件，取極值點帶入。加載后顎爪尖端形變量1.175mm，在根部承受的應力1.004×108N/m2。抓具的材料為Q345，屈服強度3.45×108N/m2，經(jīng)驗證滿足要求。同時對承載梁進行強度驗證，在Adams軟件中簡化模型，根據(jù)圖7、9、11分析，承載梁的結(jié)構(gòu)和強度主要受顎爪轉(zhuǎn)軸對承載梁的作用力和抓取時木材運動慣性力和木材重力的影響。

4結(jié)論

本文采用了三維建模和虛擬樣機的方法對車載式集材機的抓具進行了結(jié)構(gòu)的設計和分析。在分析過程中得到如下結(jié)論：

顎爪的弧度可以有效地改善抓具的抓取性能，同時弧度過大或者過小都會對抓具抓取造成阻礙。

同步器的長度對于顎爪的閉合狀態(tài)和磨損以及液壓缸動力分配有重要影響。

推導出液壓缸在抓具對木材時的輸出特性六階多項式。

通過虛擬樣機進行工況模擬，分析討論抓具在抓取狀態(tài)下木材與抓具相對狀態(tài)和力學關(guān)系。

對關(guān)鍵部件進行了強度驗證，如圖12～13，鄂爪尖端受力形變1.175mm完全符合木材抓取強度和剛度要求。

參考文獻：

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Design and Analysis of Vehicle Loader’s Timber Grab Structure based on Adams

LI Shu-sen, ZHANG Yan, CHEN Su-ping

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，P.R.China)

Abstract:Vehicle loader is an important research content in the field of forestry machinery.This study focus on the dynamic and static characteristics of the loader based on the method of 3D modeling and Adams，and the results shows that the structure and the curvature of the jaw has an important influence on grasping woods.The length of the synchronizer influences the hydraulic cylinder force distribution and the wear of the jaws，and it could deduce the grasping situation according to the output characteristic of hydraulic cylinder.This study will provide a reference for the design and further research on vehicle loader.

Key words:forestry machinery; hydraulic timber grabs; Adams; structure design; loading test

中圖分類號：S 776.32

文獻標識碼：A

文章編號：1672-8246(2016)02-0106-06

通訊作者簡介：張巖(1990-)，男，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)與林業(yè)機械研究。E-mail:zhang1412kio@163.com

第一作者簡介：李樹森(1963-)，男，教授，博士，博士生導師，主要從事農(nóng)業(yè)與林業(yè)機械、機械結(jié)構(gòu)有限元、現(xiàn)代機械設計理論與方法方面的研究。E-mail:lishusenzp@126.com

基金項目：黑龍江省自然科學基金(E201215)，東北林業(yè)大學教育教學研究課題 (DGY2014-31)。

*收稿日期：2015-12-19