車(chē)載式林間枝椏材剩余物收集裝置的設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

李樹(shù)森 王浩 高素杰 崇維勇

摘 要：文章設(shè)計(jì)一種車(chē)載式林間枝椏材剩余物收集裝置，該裝置將收集機(jī)構(gòu)和汽車(chē)移動(dòng)平臺(tái)有機(jī)結(jié)合，由車(chē)身、機(jī)械臂架、抓具和車(chē)廂組成，可以減少進(jìn)入林區(qū)的車(chē)輛數(shù)，提高工作效率。文章重點(diǎn)介紹了對(duì)機(jī)械臂和抓具的設(shè)計(jì)計(jì)算，并利用SolidWorks和Adams進(jìn)行了建模和仿真。針對(duì)枝椏材具有雜、亂、碎、蓬松等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有壓縮功能的車(chē)廂，極大的提高了收集運(yùn)輸效率。

關(guān)鍵詞：林業(yè)機(jī)械；機(jī)械臂；壓縮車(chē)廂

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.6+91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）20-0037-03

Abstract： In this paper， a collection device for residual material of branches in a vehicle-borne forest is designed. The device organically combines the collecting mechanism with the mobile platform of an automobile， and consists of a body， a mechanical arm， a grab and a carriage， which can reduce the number of vehicles entering the forest area and improve working efficiency. This paper mainly introduces the design and calculation of the manipulator and grab， and models and simulates using SolidWorks and Adams. According to the characteristics of branch material such as miscellaneous， messy， broken， fluffy and so on， a kind of compressing carriage is designed， which greatly improves the collection and transportation efficiency.

Keywords： forestry machinery； mechanical arm； compressing compartments

1 概述

將集材機(jī)械和起重機(jī)械結(jié)合起來(lái)，組成裝卸機(jī)實(shí)現(xiàn)了集材裝卸運(yùn)輸于一身的木材裝卸機(jī)械，同時(shí)向著智能化數(shù)字化發(fā)展[1]?，F(xiàn)在各個(gè)國(guó)家都意識(shí)到森林資源對(duì)生態(tài)環(huán)境的重要性，一方面在增加植樹(shù)造林的面積，同時(shí)也在提高對(duì)林區(qū)剩余物的收集使用效率實(shí)現(xiàn)林業(yè)的循環(huán)發(fā)展[2]。

目前對(duì)林木的需求量不斷增大，集材的對(duì)象也由原木、原條變?yōu)榱謪^(qū)剩余物和枝椏材，這些材料擁有著巨大的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]。對(duì)林區(qū)枝椏材剩余物的收集使用，可以在某些領(lǐng)域，如：燒柴、發(fā)電、生物質(zhì)能等領(lǐng)域替代木材減少對(duì)木材的消耗[4]。所以設(shè)計(jì)一款集收集、裝車(chē)和運(yùn)輸一體的林業(yè)機(jī)械是具有十分重要的意義的[5]。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本文中已用SolidWorks創(chuàng)建整體模型，如圖1所示。

3 抓取裝置

3.1 抓具設(shè)計(jì)方案選擇

抓具是集運(yùn)機(jī)設(shè)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(yīng)滿(mǎn)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[6]。國(guó)內(nèi)目前使用的集材機(jī)械和抓具具有抓腔大且對(duì)蓬松枝椏材抓取能力弱等缺點(diǎn)，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗損功率大[7]。本文設(shè)計(jì)了一種對(duì)蓬松枝椏材具有良好抓取能力特點(diǎn)的抓具，如圖2、3所示。

3.2 抓具的力學(xué)分析

SolidWorks建立的模型導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行了受力分析?？紤]到抓取對(duì)象在蓬松時(shí)對(duì)顎抓所施加的載荷并不大，可以忽略其外部的樹(shù)椏枝的影響，抓具在穩(wěn)定抓取到對(duì)象時(shí)，所受到的載荷主要來(lái)源于抓取對(duì)象的主干部分。因此，在做受力分析時(shí)我們可以假設(shè)抓取對(duì)象為一個(gè)圓柱形鋼體?；诖朔N假設(shè)，本文設(shè)計(jì)的抓具可以拆分為4組單一的顎抓，并且他們所受到的載荷相同。這里我們利用ADAMS對(duì)其中的一組顎抓進(jìn)行受力分析，圖4中圓柱體就代表了蓬松樹(shù)椏枝的集合。

本設(shè)計(jì)的抓具部分共有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，包括左轉(zhuǎn)軸、右轉(zhuǎn)軸、十字連接軸、兩爪連接軸。這些軸的承載能力是抓具承載能力的重要體現(xiàn)。這里利用Adams對(duì)各軸做出了具體的受力分析。分析時(shí)添加的材料為鋼鐵，上述軸類(lèi)的直徑設(shè)定為20mm，結(jié)果如圖5所示。

由以上得出的數(shù)據(jù)可知，每根軸的最大承載極限大約為15到20kN，再把最大承載能力除以一個(gè)安全系數(shù)S，便得到安全工作的受力情況。[？滓]？燮 ，F(xiàn)=？滓· D2，F(xiàn)A？燮 。其中？滓max為極限應(yīng)力，D為軸的直徑，F(xiàn)A為軸的安全承載力，F(xiàn)max為軸的極限承載力。假設(shè)S取4.5，軸的安全承載力FA為3.3kN。根據(jù)安全承載力，可以選定一套合適的動(dòng)力裝置。為了驗(yàn)證動(dòng)力裝置是否合適，可以計(jì)算出抓具尖的抓取力來(lái)作為參考。

其中FN為原動(dòng)力，？茲為動(dòng)力軸與左右轉(zhuǎn)軸的夾角，F(xiàn)1，F(xiàn)2分別為作用在左右連接軸上的拉力，F(xiàn)n1，F(xiàn)n2分別為作用在左右轉(zhuǎn)軸上且沿爪的垂直方向上的力，？茁為Fn1與F1的夾角，T為作用在兩抓連接軸上的轉(zhuǎn)矩，l為兩爪連接軸到左右轉(zhuǎn)軸的距離，？酌為Fn1與兩爪連接軸到左轉(zhuǎn)軸連線(xiàn)的夾角，L為兩爪連接軸到抓具尖的距離，F(xiàn)J1，F(xiàn)J2分別為抓具左右尖的抓緊力。

4 機(jī)械臂

下面是對(duì)自由度進(jìn)行的分析（如圖6），機(jī)械臂底盤(pán)8能夠自由旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作；通過(guò)液壓缸7的伸縮能夠使大臂6在上下方向移動(dòng)，調(diào)整機(jī)械抓具的抓取高度至合適的位置；液壓缸5的伸縮使大臂3前后移動(dòng)（液壓缸3伸縮使抓具裝置前后移動(dòng)），其作用均為調(diào)整機(jī)械抓具抓取范圍，當(dāng)液壓缸推動(dòng)活塞便可實(shí)現(xiàn)更大范圍的抓取動(dòng)作。以上運(yùn)動(dòng)便實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，所以機(jī)構(gòu)自由度Fn=3n-2p=4。

對(duì)于4自由度的機(jī)械臂，如果用A 表示第一個(gè)連桿在基準(zhǔn)系的位姿，A 表示第二個(gè)連桿相對(duì)于第一個(gè)連桿的位姿，依次類(lèi)推，那么有T4=A A A A 。其中A=R 0 1，R=cos？琢1 cos？琢2 cos？琢3cos？茁1 cos？茁2 cos？茁3cos？酌1 cos？酌2 cos？酌3， =xyz。R表示第二個(gè)坐標(biāo)與第一個(gè)坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)關(guān)系， 表示點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置。那么本設(shè)計(jì)中抓具的位姿可以用T4來(lái)描述，而T4又可以用四個(gè)矩陣的連乘來(lái)表示。根據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中的關(guān)系，可以分別推算A ，A ，A ，A 的值。

由這四個(gè)矩陣的連乘積即可得到表示抓具位姿的4×4的矩陣T。

5 車(chē)廂

5.1 帶有壓縮功能的收集車(chē)廂

車(chē)廂的特點(diǎn)在于不僅可進(jìn)行收集，而且可對(duì)收集到的林間剩余物進(jìn)行壓縮，車(chē)廂的體積由收集車(chē)的裝載質(zhì)量、所承載車(chē)廂底盤(pán)面積以及可進(jìn)行壓縮最大程度來(lái)確定的。

5.2 工作原理

帶有壓縮功能的收集車(chē)廂的工作過(guò)程主要是壓縮裝置的運(yùn)動(dòng)，其工作原理如圖8所示。如圖a，初始狀態(tài)下各裝置的位置，此位置下的刮板起到了使原車(chē)箱物材流出的作用；如圖b，滑板開(kāi)始下移的同時(shí)刮板隨之一起產(chǎn)生升起的運(yùn)動(dòng)，直到圖示位置運(yùn)動(dòng)停止，并且該位置下還起到了防止車(chē)廂內(nèi)原本被收集好的物材流出；如圖c，機(jī)械抓將物材放置料斗內(nèi)；如圖d，壓縮裝置的刮板降下，插入料斗內(nèi)的物料中，進(jìn)行物料的破碎和初次壓縮，滑板上移使刮板緊貼料斗底部對(duì)其進(jìn)行推動(dòng)收集到車(chē)廂內(nèi)；如圖e，滑板和刮板回到初始位置。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本文設(shè)計(jì)的林間剩余物收集裝置的建模與分析，直觀(guān)的展示了該裝置的工作原理與工作能力。對(duì)該裝置進(jìn)行的力學(xué)分析有利于該裝置投入到實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用當(dāng)中。同時(shí)，對(duì)該裝置所包含的機(jī)械臂部分的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可以為后續(xù)要實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)控制奠定基礎(chǔ)。最后對(duì)車(chē)廂部分的描述，合理的說(shuō)明了如何最大程度的利用車(chē)廂空間來(lái)裝載壓縮的林區(qū)剩余物。總體來(lái)說(shuō)，該裝置的可實(shí)現(xiàn)性比較高，對(duì)于提高林業(yè)收集、運(yùn)輸機(jī)械的工作效率有很大的借鑒意義。

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