一種新型機(jī)械式夾木器設(shè)計(jì)

黃 湛，唐龍送，沈才華，潘永靜

（廣西中源機(jī)械有限公司，廣西 柳州545007）

0 前言

近年來(lái)，為了保護(hù)森林資源，維持生態(tài)平衡，許多林區(qū)逐漸被禁止商業(yè)性砍伐，導(dǎo)致我國(guó)木材產(chǎn)量大幅度下降，難以滿足市場(chǎng)需求。在今后較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)都需要大量進(jìn)口木材來(lái)彌補(bǔ)原料的供應(yīng)不足[1]。進(jìn)口的木材主要在港口裝卸實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)，其裝卸搬運(yùn)促進(jìn)了挖掘機(jī)木材抓取屬具的研發(fā)與應(yīng)用。目前應(yīng)用于挖掘機(jī)上的木材抓取屬具從結(jié)構(gòu)上主要分為回轉(zhuǎn)式和機(jī)械式。回轉(zhuǎn)式木材抓取屬具主要由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)油缸伸縮控制張合，其可實(shí)現(xiàn)任意角度旋轉(zhuǎn)，操作靈活，抓取效率高，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，售價(jià)高，使用過(guò)程容易出現(xiàn)油缸漏油、回轉(zhuǎn)卡死等問(wèn)題，消費(fèi)者對(duì)其認(rèn)可度好壞參半。而機(jī)械式木材抓取屬具則結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格適中，穩(wěn)定性高，能夠適應(yīng)木材抓取過(guò)程中的各種惡劣工況，因此得到消費(fèi)者更多的青睞。針對(duì)市場(chǎng)需求，研發(fā)一款適用于港口原木裝卸的新型機(jī)械式夾木器。本文主要介紹適用于某品牌挖掘機(jī)的機(jī)械式夾木器設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 機(jī)械式夾木器的特殊要求

1.1 工況分析

夾木器主要用于港口原木抓取裝卸，其抓取過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況需要單根或多根抓?。粷M抓的狀態(tài)下抓取過(guò)多會(huì)有翻車(chē)的安全隱患，過(guò)少則工作效率低，因此其張開(kāi)和收緊的的極限尺寸是設(shè)計(jì)中要考慮的重要因素；同時(shí)夾木器的自重越輕，則意味著物料載荷越大，所以在滿足使用要求的前提下，需盡可能輕量化夾木器重量。

木材抓取過(guò)程中夾木器動(dòng)作要連貫順暢，在抓取時(shí)木材能夠迅速被夾緊不卡頓，卸下時(shí)木材能自然落下無(wú)停滯，因此左右爪弧形設(shè)計(jì)與聯(lián)動(dòng)方式尤為重要。

目前市場(chǎng)上的機(jī)械式夾木器在使用過(guò)程中普遍會(huì)對(duì)斗桿引起早期損壞，客戶(hù)迫切期望此問(wèn)題可得到有效解決。

1.2 設(shè)計(jì)分析

經(jīng)過(guò)以上工況的分析，夾木器設(shè)計(jì)需要符合以下要求：

（1）設(shè)計(jì)合理的開(kāi)檔極限尺寸：由于要保證制材企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)和保護(hù)森林的生態(tài)環(huán)境，原木最適宜采伐徑級(jí)為18～40 cm。為此保證單根木材抓取過(guò)程中能夠夾緊，故夾木器的抱緊開(kāi)檔需小于18 cm；目前市場(chǎng)同種規(guī)格的夾木器最大張開(kāi)尺寸在160 cm～200 cm之間，最小開(kāi)檔在15 cm～18 cm。

（2）夾木器自重：挖掘機(jī)斗桿端最大承重為1 150 kg；客戶(hù)主要抓取原木規(guī)格為φ35 cm×380 cm，單次最多同時(shí)抓3根，原木總重約為750 kg，故初步確定夾木器重量控制在400 kg內(nèi)。

（3）結(jié)構(gòu)形式：夾木器抓取木材需要左右爪同時(shí)提供張合力，但由于夾木器為機(jī)械式，只有左爪受斗桿連桿驅(qū)動(dòng)而得到張合力，因此，需設(shè)計(jì)成連桿連接形式。右爪通過(guò)連桿與左爪連接，左爪受連桿驅(qū)動(dòng)從而帶動(dòng)右爪同步運(yùn)動(dòng)，從而保證左右爪有相同的張合力。

（4）夾木器張合動(dòng)作的協(xié)調(diào)性，即左右爪在同步張合過(guò)程中，張合速度和行程在相對(duì)夾木器中心位置相差值在一定范圍內(nèi)。

（5）左右爪內(nèi)外弧形美觀，曲線流暢[2]。

2 夾木器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)定義

經(jīng)過(guò)項(xiàng)目評(píng)審，機(jī)械式夾木器目標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)械式夾木器目標(biāo)參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)方案

機(jī)械式夾木器設(shè)計(jì)思路為在性能穩(wěn)定、連接安全的基礎(chǔ)上安裝在挖掘機(jī)上保證左右爪能夠同時(shí)輸出張合力并同步聯(lián)動(dòng)地完成抓取工況。由此得出夾木器的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械式夾木器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖1 中，AB為挖掘機(jī)搖桿，BC為挖掘機(jī)連桿；CDEF為夾木器的左爪，C為左爪與連桿連接的鉸接孔，E為左爪與右爪通過(guò)連桿EG連接的鉸接孔，F(xiàn)則為左爪與支座連接的鉸接孔；GHJ為機(jī)械夾的右爪，G為右爪與左爪通過(guò)連桿EG連接的鉸接孔，H則為右爪與支座連接的鉸接孔。

工作原理：挖掘機(jī)鏟斗油缸伸縮帶動(dòng)搖桿AB繞鉸點(diǎn)A擺動(dòng)，連桿BC在搖桿AB的帶動(dòng)下驅(qū)動(dòng)左爪CDEF繞支座上鉸點(diǎn)F在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，而右爪GHJ則通過(guò)連桿EG在左爪CDEF的帶動(dòng)下繞支座上鉸點(diǎn)H反向擺動(dòng)。整個(gè)夾木器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)鏟斗油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)張合。

由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，機(jī)械式夾木器主要由支座、左右爪、連桿、銷(xiāo)軸組成。經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬分析確定機(jī)械式夾木器各關(guān)鍵鉸接孔的相對(duì)尺寸，并由目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)中的最大開(kāi)檔范圍確定左右爪的外形長(zhǎng)度尺寸，如圖2所示。GM和DK分別為左右爪外形長(zhǎng)度尺寸，GD則為夾木器張開(kāi)開(kāi)檔尺寸。

圖2 機(jī)械式夾木器關(guān)鍵尺寸放樣圖

2.2.1 支座設(shè)計(jì)

支座是機(jī)械式夾木器與挖掘機(jī)連接的關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮方面有：①安裝方式不能對(duì)挖掘機(jī)斗桿的使用壽命有影響；②保證足夠受力強(qiáng)度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

經(jīng)綜合分析得出以下兩種設(shè)計(jì)方案（見(jiàn)表2）。

表2 支座設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

從表2可以看出，單軸連接形式不可取，通過(guò)雙軸連接形式可保證夾木器與挖掘機(jī)的穩(wěn)定連接。

由圖2機(jī)械式夾木器關(guān)鍵尺寸放樣圖可知，鉸接孔A、B、M、C和裝配工藝孔相對(duì)尺寸已確定，只需對(duì)支座的外形尺寸、與斗桿的配合開(kāi)檔以及與左右爪的配合開(kāi)檔進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)即可。經(jīng)驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)的支座結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)械式夾木器支座

2.2.2 左右爪設(shè)計(jì)

左右爪是機(jī)械式夾木器的核心部件，其爪形設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)成功的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要的考慮的因素有：①左右爪內(nèi)弧形能夠保證在夾木器抓取時(shí)，木材可迅速被夾緊不卡頓；夾木器張開(kāi)時(shí)，木材能自然落下無(wú)停滯。②外形美觀，曲線流暢。

通過(guò)對(duì)木材抓取裝卸過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)客戶(hù)反饋的木材抓取屬具抓取和卸下木材時(shí)出現(xiàn)卡頓的原因?yàn)椋孩僮笥易κ站o到兩爪爪尖相切時(shí)，其兩爪尖處的圓弧角小，木材會(huì)在此處被夾緊而無(wú)法沿爪內(nèi)弧向爪根滑動(dòng)。②左右爪張到最大時(shí)，兩爪尖仍處內(nèi)勾狀態(tài)是木材不能自然落下的原因。

根據(jù)機(jī)械式夾木器關(guān)鍵尺寸放樣圖確定的鉸接孔尺寸和對(duì)木材抓取過(guò)程中存在問(wèn)題的分析，對(duì)左右爪外形尺寸、配合開(kāi)檔、爪內(nèi)弧進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，設(shè)計(jì)出左右爪如圖4、圖5所示。

圖4 左爪

圖5 右爪

2.2.3 連桿設(shè)計(jì)

連桿是機(jī)械式夾木器保證左右爪同步的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保證足夠的強(qiáng)度；由于其帶動(dòng)左右爪同步聯(lián)動(dòng)的過(guò)程中與連接銷(xiāo)軸有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故需要增加鋼套保證其耐磨性。

連桿上鉸接孔的相對(duì)尺寸在機(jī)械式夾木器關(guān)鍵尺寸放樣圖中已確定；通過(guò)受力分析和計(jì)算，對(duì)連桿的結(jié)構(gòu)和外形進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 連桿機(jī)構(gòu)

2.2.4 銷(xiāo)軸設(shè)計(jì)[3]

銷(xiāo)軸是機(jī)械式夾木器各部件連接的關(guān)鍵零件，其在工作過(guò)程中與各部件產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，除了要保證足夠的強(qiáng)度，還要設(shè)計(jì)有潤(rùn)滑脂加注孔，便于日常維護(hù)與保養(yǎng)。銷(xiāo)軸在部件上的固定一般采用螺栓連接，但在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)在銷(xiāo)軸徑向產(chǎn)生剪切力致使螺栓變形或者拉斷，對(duì)后期的使用和維護(hù)造成不必要的麻煩，故此項(xiàng)目中摒棄傳統(tǒng)的連接形式采用U型螺母塊與銷(xiāo)軸卡板配合安裝，增加徑向抗剪切力強(qiáng)度。設(shè)計(jì)出來(lái)的銷(xiāo)軸如圖7所示。

圖7 銷(xiāo)軸組件

3 使用效果

機(jī)械式夾木器經(jīng)使用測(cè)試和對(duì)客戶(hù)使用情況進(jìn)行調(diào)查表明，該夾木器性能可靠，在功能、結(jié)構(gòu)、材料、經(jīng)濟(jì)和安全方面都能夠滿足工況的要求[4]，有效解決市場(chǎng)上夾木器容易引起斗桿早期損壞的問(wèn)題，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。機(jī)械式夾木器和夾木器裝在斗桿上效果圖如圖8、圖9所示。

圖8 機(jī)械式夾木器

圖9 夾木器裝在斗桿上效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)進(jìn)口木材量的不斷提高，市場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的機(jī)械式夾木器需求也將越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)其種類(lèi)和功能要求也不斷提高。推出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、操作靈活、成本低的多系列機(jī)械式夾木器將更加受到市場(chǎng)的歡迎。同時(shí)，這也是我們下一步努力的方向。