履帶式采伐剩余物翻轉(zhuǎn)運(yùn)輸車虛擬設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真1)

馬曉波　董希斌　曲杭峰　阮加甫　王智勇

(森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

林間剩余物是指以木材生產(chǎn)為主的森林經(jīng)營(yíng)和生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的林木剩余物，包括森林采伐和造材剩余物、加工剩余物、森林撫育和間伐剩余物等。在森林生長(zhǎng)全過(guò)程中，除了樹(shù)干用于木材加工以外，其他都屬于剩余物[1]。采伐剩余物主要由兩部分組成，一是枝丫和樹(shù)頭，二是伐根。全國(guó)每年可收集的采伐剩余物產(chǎn)量巨大，這些剩余物如不有效地快速回收，不僅會(huì)造成資源的巨大浪費(fèi)，而且還極易引發(fā)森林病蟲(chóng)害和火災(zāi)。這其中枝丫所占比重最大，可利用價(jià)值也較高，對(duì)其回收利用顯得尤為重要[2]。目前國(guó)內(nèi)外用于林間作業(yè)的運(yùn)輸裝置主要有鋼絲繩式、抓鉤式、自裝式、索道式等幾種，且多用于大規(guī)模集材運(yùn)輸。對(duì)于小規(guī)模剩余物收集運(yùn)送，應(yīng)解決傳統(tǒng)運(yùn)輸裝置體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，并保證良好的通過(guò)性和靈活性，因此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易小型履帶式翻轉(zhuǎn)運(yùn)輸車具有非常重要的意義[3]。

1　運(yùn)輸車系統(tǒng)方案

1.1　虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬樣機(jī)技術(shù)是用來(lái)替代真實(shí)的物理樣機(jī)(模型)的技術(shù)。在常規(guī)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，物理樣機(jī)模型是驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想、選擇設(shè)計(jì)產(chǎn)品、測(cè)試產(chǎn)品的可制造性和輔助產(chǎn)品展示的。虛擬樣機(jī)需要具備上述功能，可以用來(lái)測(cè)試產(chǎn)品的外形和行為，并能用于進(jìn)一步的系列研究。另外，對(duì)于顏色、外形、美學(xué)、舒適性等物理樣機(jī)的特性也應(yīng)包含于虛擬樣機(jī)技術(shù)。

虛擬樣機(jī)可以理解為代替實(shí)際物理產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)數(shù)字模型，可以對(duì)產(chǎn)品的全壽命周期，如設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)等進(jìn)行分析和測(cè)試，以上過(guò)程即為虛擬樣機(jī)技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、系統(tǒng)建模技術(shù)、協(xié)同仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，模擬在真實(shí)工作環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，并根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，為物理樣機(jī)最終的設(shè)計(jì)制造提供參數(shù)依據(jù)。

UG是一款集成化的系統(tǒng)性軟件，擁有強(qiáng)大的應(yīng)用工具，可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、出圖、加工和數(shù)控等，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的一體化虛擬研發(fā)，優(yōu)化產(chǎn)品性能和提高研發(fā)效率，在虛擬樣機(jī)技術(shù)中應(yīng)用廣泛。

1.2　運(yùn)輸車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

枝丫等作為采伐剩余物的重要部分，面對(duì)山間林區(qū)復(fù)雜多變的地勢(shì)環(huán)境和道路不便，其運(yùn)輸手段和過(guò)程需要面臨一系列問(wèn)題。為保證剩余物運(yùn)輸車在盡可能大的條件下得到應(yīng)用，需具備幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)性能：

①在惡劣路面順利高效作業(yè)的能力，尤其大坡度、松軟等地面；②較強(qiáng)的通過(guò)性，克服坑洼、伐根等其他類障礙物影響；③作業(yè)范圍廣，運(yùn)輸車小巧靈活，行動(dòng)方便，作業(yè)連續(xù)性高；④運(yùn)輸效率高，在滿足縮小空間占用的情況下保證運(yùn)載量；⑤良好的經(jīng)濟(jì)性，包括運(yùn)輸車的制造成本和使用維護(hù)成本。

根據(jù)以上原則性要求，運(yùn)用UG對(duì)該剩余物運(yùn)輸車進(jìn)行結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新設(shè)計(jì)。運(yùn)輸車由駕駛室、動(dòng)力系統(tǒng)、變速傳動(dòng)系統(tǒng)、履帶式行走機(jī)構(gòu)、液壓式翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、后行走機(jī)構(gòu)等部分組成(見(jiàn)圖1)。駕駛室參考于普通輕型貨車的成熟結(jié)構(gòu)，選取的目的是保證駕駛工作人員的安全性和作業(yè)舒適度，建模時(shí)只以簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)表示出。動(dòng)力系統(tǒng)和變速傳動(dòng)系統(tǒng)為整車動(dòng)力的產(chǎn)生和傳遞提供穩(wěn)定的輸出，保障車輛工作運(yùn)行的可靠和高效。履帶式行走機(jī)構(gòu)選取為小型橡膠履帶底盤結(jié)構(gòu)，能夠在優(yōu)先輕量化的前提下大幅度提高整車動(dòng)力性和通過(guò)性[4-5]。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)式，連接前后兩分段車架，涉及到簡(jiǎn)易四桿機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)梁的機(jī)械結(jié)合，通過(guò)二者的聯(lián)合作用促使后段車架實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。運(yùn)輸車主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1　履帶式剩余物翻轉(zhuǎn)運(yùn)輸車

表1　運(yùn)輸車主要參數(shù)

運(yùn)輸車工作時(shí)，首先在林間復(fù)雜環(huán)境下停穩(wěn)后，后段車架打開(kāi)呈展開(kāi)狀態(tài)，隨之工作人員開(kāi)始裝載枝丫等剩余物，然后經(jīng)捆綁約束開(kāi)始運(yùn)輸作業(yè)。到達(dá)指定目的地卸載，后段車架在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)力的作用下最終回收，期間在履帶式行走機(jī)構(gòu)強(qiáng)大的動(dòng)力性和通過(guò)性支持下開(kāi)往下一運(yùn)輸?shù)?，?shí)現(xiàn)運(yùn)輸過(guò)程的連續(xù)性，保證作業(yè)高效進(jìn)行。

1.3　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作性能

設(shè)計(jì)履帶式剩余物翻轉(zhuǎn)運(yùn)輸車，目的就是要解決林間復(fù)雜地形條件下剩余物運(yùn)輸困難和效率偏低的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)履帶式運(yùn)輸車幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)性能的闡釋，明確了運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)理念和原則，在研究過(guò)程中利用創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

①履帶式剩余物翻轉(zhuǎn)運(yùn)輸車選取小型橡膠履帶底盤結(jié)構(gòu)，區(qū)別于其他專用運(yùn)輸車等采用的一般二類底盤，將發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱等動(dòng)力系統(tǒng)合理布置在履帶底盤上，使整車結(jié)構(gòu)緊湊運(yùn)行更靈活。其次，履帶行走機(jī)構(gòu)解決了山地大坡度或其他極端惡劣環(huán)境下的正常通行問(wèn)題，具有足夠的強(qiáng)度和剛度、結(jié)構(gòu)合理和良好的行進(jìn)及轉(zhuǎn)向功能。無(wú)論是農(nóng)林機(jī)械或是工程機(jī)械中，其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)突出，故得到了較為廣泛的應(yīng)用，是本運(yùn)輸車設(shè)計(jì)引入的意義所在[6-8]。

②液壓系統(tǒng)是構(gòu)成翻轉(zhuǎn)裝置的主要驅(qū)動(dòng)要件，液壓缸固定在前段車架上通過(guò)四桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將翻轉(zhuǎn)力傳遞給后段車架。因而此后段車架設(shè)計(jì)的較為輕便，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)化許多，解決了運(yùn)輸車在林地內(nèi)行進(jìn)作業(yè)時(shí)面臨的移動(dòng)空間相對(duì)較小的問(wèn)題。

③運(yùn)輸車后行走機(jī)構(gòu)選用技術(shù)成熟的常規(guī)后橋結(jié)構(gòu)，保證運(yùn)輸車足夠的通過(guò)性，且生產(chǎn)成本較低。同時(shí)，由于其已得到廣泛應(yīng)用，后續(xù)的維修保養(yǎng)過(guò)程可節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2　翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三維建模與工作原理

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是運(yùn)輸車在林間復(fù)雜環(huán)境尤其是運(yùn)行空間狹小和難以轉(zhuǎn)彎掉頭等情況下進(jìn)行高效作業(yè)的重要保證，承擔(dān)著后段車架展開(kāi)和翻轉(zhuǎn)的任務(wù)，使兩項(xiàng)主要?jiǎng)幼靼踩煽?，其結(jié)構(gòu)和各組成部分如圖2所示。

圖2　翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.1　翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)承擔(dān)著后段車架滿載時(shí)展開(kāi)和空載時(shí)翻轉(zhuǎn)兩項(xiàng)任務(wù)，需由各組成結(jié)構(gòu)之間相互配合共同動(dòng)作完成，包括對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)起承載作用的前段車架、驅(qū)動(dòng)液壓缸、助力臂、直推臂、翻轉(zhuǎn)支撐梁、后段車架及其相應(yīng)的后部總成。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要基于四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車后段車架的回空翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，其中固定在前段車架上的液壓缸經(jīng)取力器取力后向翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)輸出動(dòng)力，動(dòng)力經(jīng)由助力臂、直推臂逐級(jí)傳遞至翻轉(zhuǎn)支撐梁，翻轉(zhuǎn)支撐梁焊接在后段車架的前端下部，從而使后段車架隨之共同動(dòng)作。駕駛員通過(guò)操縱液壓控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)液壓缸的伸縮狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車后段車架的展開(kāi)和翻轉(zhuǎn)兩項(xiàng)動(dòng)作，滿足作業(yè)要求，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

2.2　翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作時(shí)全過(guò)程如下：①運(yùn)輸車空載行駛到林間作業(yè)區(qū)，停穩(wěn)準(zhǔn)備。②操縱液壓控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)液壓缸的活塞縮回，帶動(dòng)助力臂、直推臂運(yùn)動(dòng)牽引翻轉(zhuǎn)支撐梁回轉(zhuǎn)，后段車架呈展開(kāi)狀態(tài)。③裝載枝丫或其他采伐剩余物，完成收集整理、捆扎固定工作，保證運(yùn)載量要求。④履帶式行走機(jī)構(gòu)的應(yīng)用可有效應(yīng)對(duì)林間復(fù)雜地形地勢(shì)環(huán)境，順利通過(guò)伐根等障礙物，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行駛。⑤運(yùn)輸車到達(dá)目的地，進(jìn)行枝丫等剩余物卸載工作后，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓油泵供油，使液壓缸再次工作，活塞緩慢伸出，推動(dòng)助力臂，直推臂運(yùn)動(dòng)驅(qū)使翻轉(zhuǎn)支撐梁旋轉(zhuǎn)，完成翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，后段車架呈翻轉(zhuǎn)收合狀態(tài)。

至此，屬于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作已全部完成，呈收合狀態(tài)的后段車架充分減小了運(yùn)輸車的運(yùn)行空間，大大提升其靈活機(jī)動(dòng)性能，接下來(lái)工作人員就可以便捷前往下一目的地進(jìn)行作業(yè)，保證運(yùn)輸和生產(chǎn)效率。

3　運(yùn)輸車履帶式底盤三維建模

由于運(yùn)輸車要在林區(qū)內(nèi)頻繁往返穿行移動(dòng)，整車需靈活輕便，對(duì)機(jī)動(dòng)性能有較高的要求，能夠克服林間各種障礙物的影響。因此，運(yùn)輸車選取小型橡膠履帶式行走機(jī)構(gòu)，其噪音較低，具有較強(qiáng)的承載能力和牽引能力，林間作業(yè)時(shí)可充分發(fā)揮其高通過(guò)性能優(yōu)勢(shì)。機(jī)構(gòu)如圖3所示。

運(yùn)輸車底盤在空間布置和組成結(jié)構(gòu)上具有較高的要求，其主要尺寸參數(shù)滿足林間客觀條件，取力器、液壓油泵、液壓管路、液壓閥等(圖中均不可見(jiàn))的位置選取保證空間結(jié)構(gòu)的合理性，且為后續(xù)運(yùn)輸車高效作業(yè)創(chuàng)造條件。液壓油缸則通過(guò)油缸支座安裝在車架橫梁上為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供所需動(dòng)力[9-10]。

圖3　運(yùn)輸車履帶式底盤

4　虛擬設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

運(yùn)動(dòng)仿真是UG NX中的主要模塊，其強(qiáng)大的功能可以對(duì)復(fù)雜的三維機(jī)構(gòu)裝配零件建立一系列不同的運(yùn)動(dòng)分析方案，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉分析，跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析機(jī)構(gòu)中零件的位移、速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。分析結(jié)果有助于對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整[11]。

利用UG/Modeling的功能，分別對(duì)組成運(yùn)輸車的各零部件建立三維模型，并通過(guò)裝配命令進(jìn)行虛擬裝配。UG的裝配功能提供多種配對(duì)方式，裝配時(shí)通過(guò)選擇合適的方式將各零件按照實(shí)際情況進(jìn)行組合，消除零件之間的干涉，構(gòu)建完整的機(jī)構(gòu)模型[12-13]。

利用UG/Motion的功能，給三維實(shí)體模型的各構(gòu)件賦予相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性，包括對(duì)運(yùn)輸車全模型進(jìn)行連桿和材料屬性設(shè)置，并在各個(gè)構(gòu)件之間建立一定的聯(lián)系，把相鄰的構(gòu)件以各種運(yùn)動(dòng)副連接加以約束，構(gòu)建起完整的運(yùn)動(dòng)仿真模型。運(yùn)輸車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真中對(duì)整個(gè)可動(dòng)機(jī)構(gòu)共賦予了11組運(yùn)動(dòng)副，其中固定副1組，將機(jī)構(gòu)中的底盤同地面固定；滑動(dòng)副2組，分別是左側(cè)活塞液壓缸和右側(cè)活塞液壓缸；轉(zhuǎn)動(dòng)副8組，剩余所有桿件之間的連接，在實(shí)際中這些構(gòu)件間均為鉸鏈連接，設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)副，與真實(shí)機(jī)構(gòu)完全一致。

完成連桿與運(yùn)動(dòng)副設(shè)置，還需要對(duì)機(jī)構(gòu)添加合理的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)方案，該運(yùn)動(dòng)仿真通過(guò)2組分段函數(shù)(step函數(shù))實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。

分段函數(shù)的表達(dá)式為：

step(x,x0,h0,x1,h1)。

式中：x為自變量，可以是時(shí)間或時(shí)間的函數(shù)；x0為自變量初始值；h0為自變量x0對(duì)應(yīng)的函數(shù)值；x1為自變量結(jié)束值；h1為自變量x1對(duì)應(yīng)的函數(shù)值。

step函數(shù)方程定義

式中：α=h1-h0;Δ=(x-x0)/(x1-x0)。

step函數(shù)是可以相加的，通常情況下機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真中step函數(shù)都是運(yùn)用多個(gè)函數(shù)組合或嵌入完成的。因此，將驅(qū)動(dòng)加載與于對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，加載的組合分段函數(shù)如下：

左側(cè)液壓缸伸縮為step(t,5,0,20,200)+step(t,25,200,40,0)；

右側(cè)液壓缸伸縮為step(t,5,0,20,200)+step(t,25,200,40,0)。

上述組合分段函數(shù)中：t為自變量時(shí)間(s)。

運(yùn)輸車運(yùn)動(dòng)仿真模型已經(jīng)建立，接下來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。設(shè)置運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)間為40 s，步長(zhǎng)1 000，步長(zhǎng)設(shè)置和時(shí)間設(shè)置具有一定的比例關(guān)系，用來(lái)控制仿真動(dòng)畫(huà)精細(xì)程度，然后點(diǎn)擊“確定”，UG解算器對(duì)模型進(jìn)行檢查與解算。如果無(wú)誤則輸出仿真結(jié)果，若錯(cuò)誤則顯示信息對(duì)話框，需對(duì)模型進(jìn)行一定調(diào)試，再繼續(xù)解算。最后，根據(jù)動(dòng)畫(huà)或圖表等多種仿真結(jié)果輸出形式，可對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)輸車翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真各狀態(tài)實(shí)時(shí)效果參見(jiàn)圖4。在實(shí)際中運(yùn)動(dòng)是由2個(gè)液壓缸和1個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行的，仿真模型中設(shè)置了相應(yīng)的原動(dòng)件和跟隨的從動(dòng)件。運(yùn)輸車的狀態(tài)按照動(dòng)作時(shí)間順序可以分為初始狀態(tài)、翻轉(zhuǎn)狀態(tài)、翻轉(zhuǎn)保持、展開(kāi)狀態(tài)，最后回到初始狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)仿真全過(guò)程用時(shí)40 s，后段車架的位移、速度、加速度曲線如圖5、圖6、圖7所示。

圖4　運(yùn)輸車工作仿真效果圖

圖5　X軸后段車架位移、速度、加速度曲線

5　結(jié)束語(yǔ)

履帶式剩余物運(yùn)輸車的研究，充分考量了當(dāng)前林業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和需求，對(duì)我國(guó)林間剩余物資源的有效收集利用乃至整個(gè)行業(yè)的發(fā)展都具有一定的意義。在研究中，針對(duì)已有運(yùn)輸設(shè)備的不足方面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新，在林業(yè)機(jī)械中引入了工程機(jī)械行業(yè)的履帶底盤，擴(kuò)大了運(yùn)輸車的使用范圍，提升了環(huán)境適應(yīng)性，尤其是不良地勢(shì)地表和大坡度條件下的作業(yè)能力。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的選擇有效縮減了運(yùn)輸車整體運(yùn)行所占的空間，提升其轉(zhuǎn)彎動(dòng)作時(shí)的機(jī)動(dòng)靈活，為農(nóng)林機(jī)械的研究發(fā)展提供更多可能性。

通過(guò)UG強(qiáng)大的實(shí)體建模與虛擬裝配功能建立了履帶式翻轉(zhuǎn)運(yùn)輸車的三維實(shí)體模型，并利用UG/Motion模塊對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，有效解決了各機(jī)構(gòu)之間的約束配合以及運(yùn)動(dòng)合理性問(wèn)題?；赨G的運(yùn)輸車虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化了方案，為后續(xù)的深入研究和專業(yè)探索提供了良好基礎(chǔ)。

圖6　Y軸后段車架位移、速度、加速度曲線

本研究基于虛擬樣機(jī)技術(shù)研究履帶式采伐剩余物翻轉(zhuǎn)運(yùn)輸車，充分發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)，節(jié)省了傳統(tǒng)理論模式下大量物理樣機(jī)測(cè)試和反復(fù)設(shè)計(jì)改進(jìn)的工作，進(jìn)而提高了研發(fā)效率，顯著縮短了研發(fā)周期。

圖7　Z軸后段車架位移、速度、加速度曲線