林業(yè)集材用牽引式搭載裝置整體設(shè)計(jì)及其性能分析與運(yùn)動(dòng)仿真1)

孟慶凱 王立海 劉鐵男 張廣暉 謝軍明 許明賢

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所) (東北林業(yè)大學(xué))

集材機(jī)具有作業(yè)成本低、集采效率高、易操作等優(yōu)點(diǎn)，成為世界重要的集材方式之一，對(duì)林業(yè)發(fā)展具有舉足輕重的影響[1-4]。1964年，我國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的集材拖拉機(jī)(J-50)，其具有通過(guò)性能好、爬坡能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但具有笨重，對(duì)林地土壤破壞嚴(yán)重的缺陷[5-6]；后期，我國(guó)又研發(fā)了J-80、營(yíng)林352L型等多種型號(hào)的集材拖拉機(jī)[7-8]。隨著“天保工程”的實(shí)施，采伐和集材方式也不斷發(fā)生改變。文獻(xiàn)[5]、[7]介紹的環(huán)保型多功能集材機(jī)，因?yàn)槠淞己玫牧謪^(qū)通過(guò)性、爬坡能力，逐漸成為現(xiàn)在集材機(jī)的重要代表。

以J-50為代表的老式集材機(jī)，采用的車(chē)尾固定式搭載板集材，存在弊端[9]。一方面，搭載板固定安裝在集材機(jī)尾部，集材過(guò)程中車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑增大，對(duì)林地破環(huán)嚴(yán)重；另一方面，搭載板和集材機(jī)剛性連接，自由度低，若用于環(huán)保型多功能集材機(jī)，因?yàn)榄h(huán)保型多功能集材機(jī)體型小、自身質(zhì)量輕，使其容易在沿橫坡行駛過(guò)程中發(fā)生工作事故。本研究結(jié)合環(huán)保型多功能集材機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款可牽引式搭載裝置，并通過(guò)仿真，對(duì)牽引式搭載裝置進(jìn)行穩(wěn)定性分析和木材搭載分析，力求設(shè)計(jì)的牽引式搭載裝置能滿足環(huán)保型多功能集材機(jī)的集材需要。

1 牽引式搭載裝置設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)環(huán)保型多功能集材機(jī)“小而精”的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了牽引式搭載裝置。本設(shè)計(jì)主要有兩方面的突出優(yōu)勢(shì)：一方面，牽引式搭載裝置通過(guò)懸掛式牽引架和集材機(jī)連接，但是兩者在一定程度上又相互獨(dú)立，增加了集材設(shè)備的自由度，使得集材設(shè)備在行走過(guò)程中靈活，減小轉(zhuǎn)彎半徑；另一方面，牽引式搭載裝置設(shè)置了承重輪胎，與直接安裝在集材機(jī)車(chē)尾的固定搭載版相比，牽引式搭載裝置不會(huì)對(duì)集材機(jī)產(chǎn)生較大的承重負(fù)擔(dān)，并且具有更大的載重能力。設(shè)計(jì)的牽引式搭載裝置(見(jiàn)圖1)，采用雙液壓缸進(jìn)行搭載板的舉升和回落，整體采用鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)牽引架和牽引環(huán)連接在集材機(jī)尾部，牽引式搭載裝置的承重機(jī)架上安裝絞盤(pán)機(jī)，承重機(jī)架部分設(shè)置有加強(qiáng)筋，以滿足牽引式搭載裝置的集材工作需要。

1.1 裝置參數(shù)遴選

牽引式搭載裝置的設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)環(huán)保型多功能集材機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以環(huán)保型多功能集材機(jī)為參考。根據(jù)典型環(huán)保型多功能集材機(jī)的整體參數(shù)(見(jiàn)表1)，牽引式搭載裝置的寬度需小于集材機(jī)的寬度(應(yīng)小于1 600 mm)，選取1 400 mm；牽引式搭載裝置離地間隙選取800 mm。

表1 典型環(huán)保型多功能集材機(jī)的整體參數(shù)

在使用牽引式搭載裝置進(jìn)行集材過(guò)程中，牽引式搭載裝置會(huì)與地面產(chǎn)生2個(gè)夾角：1個(gè)夾角(α)是將木材拖拽到集材裝置上時(shí)的過(guò)程軌跡與地面產(chǎn)生的夾角；1個(gè)夾角(β)是木材被拖拽到搭載裝置上，牽引式搭載裝置在集材機(jī)的牽引下，拖拽著木材正常行走的過(guò)程中木材與地面產(chǎn)生的夾角[11]。根據(jù)文獻(xiàn)資料[8-9]，選擇α=25°、β=52°。根據(jù)表1，牽引式搭載裝置在集材機(jī)的牽引下，拖拽著木材正常行走時(shí)，離地間隙應(yīng)大于集材機(jī)的離地間隙(400 mm)，現(xiàn)選取為450 mm(見(jiàn)圖2)，計(jì)算搭載板的長(zhǎng)度。

A為搭載板與承重機(jī)架鉸接處旋轉(zhuǎn)軸；L1為旋轉(zhuǎn)軸到搭載板尾部長(zhǎng)度；L2為旋轉(zhuǎn)軸到搭載板前端長(zhǎng)度。

由L1×sin 25°=350 mm或L1×sin 52°=800 mm得出，旋轉(zhuǎn)軸到搭載板尾部的長(zhǎng)度L1=828 mm或1 015 mm。為了保證搭載板的靈活性和林內(nèi)通過(guò)性，選取L1=828 mm，同時(shí)為了保證搭載板能滿足將木材拖拽到牽引式搭載裝置上，即L1≥1 015 mm的要求，本設(shè)計(jì)，在搭載板上設(shè)置伸縮式加長(zhǎng)板，長(zhǎng)度為200 mm>187 mm(1 015～828 mm)，旋轉(zhuǎn)軸到搭載板前端的長(zhǎng)度(L2)考慮搭載板的平衡性及液壓缸的安裝，選取L2=800 mm，即搭載板的長(zhǎng)度L=L1+L2=1 628 mm。

1.2 液壓缸的選型

考慮布置、結(jié)構(gòu)、工藝、成本等因素，設(shè)計(jì)選用直推式單級(jí)油缸進(jìn)行舉升；根據(jù)牽引式搭載裝置的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，選用2個(gè)雙作用單活塞桿液壓缸，在牽引式搭載裝置的左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布。依據(jù)工作系統(tǒng)需要的舉升壓力，計(jì)算油缸直徑和工作行程，進(jìn)行液壓缸的選型。

液壓油缸直徑計(jì)算：依據(jù)表1，典型環(huán)保型多功能集材機(jī)趟載量最大為3 m3；新伐木材平均密度為1 019 kg/m3，取1 000 kg/m3(見(jiàn)表2)。根據(jù)趟載量、新伐木材平均密度計(jì)算得，每個(gè)液壓缸推力Fmax=15 000 N。由公式Fmax=P(πD2/4)η得D=(4Fmax/Pπη)-1/2(η為液壓系統(tǒng)的效率，取0.8；P為液壓系統(tǒng)工作壓力，取16 MPa)；經(jīng)計(jì)算，液壓缸內(nèi)徑D=38.6 mm，根據(jù)液壓缸選用原則，選D≥40 mm，活塞桿直徑選d=36 mm。

表2 新伐木材密度

液壓缸行程計(jì)算：S=Smax-S0(S為液壓缸行程；Smax為液壓缸達(dá)到最大行程時(shí)，液壓缸2個(gè)鉸接點(diǎn)之間的距離；S0為液壓缸沒(méi)有舉升時(shí)，2個(gè)鉸接點(diǎn)之間的距離)。由圖3可見(jiàn)，Smax=833 mm、S0=471 mm，經(jīng)計(jì)算S=362 mm。

圖3 液壓缸極限位置示意圖

1.3 牽引力計(jì)算

由圖4可見(jiàn)，牽引式搭載裝置能正常集材，需要集材機(jī)施加給牽引式搭載裝置牽引力(F)，F(xiàn)=Fm(牽引式搭載裝置與地面摩擦力)+Fn(原條與地面的摩擦力)。Fm、Fn計(jì)算公式[14-16]：

Fm=Nmμm±Gmsinγ=(Gm+KWg)(μmcosγ±sinγ)；

Fn=Nnμn±Gnsinγ=(1-K)Wg(μncosγ±sinγ)。

式中：γ為斜坡角度(γ=25°)；g為重力加速度(取9.8m/s2)；Gm為牽引式搭載裝置所受重力(單位為N)；Gn為原條所受重力(單位為N)；Nm為牽引式搭載裝置所受支持力(單位為N)；Nn為原條所受支持力(單位為N)；μm為牽引式搭載裝置行走的阻力系數(shù)(μm=0.08)；μn為木材的阻力系數(shù)(μn=0.4)；K為原條分配系數(shù)(K=0.23)；W為原條的質(zhì)量(單位為kg)。

已知，牽引式搭載裝置的趟載量為3 m3、木材密度為1 000 kg/m3、牽引式搭載裝置的自身質(zhì)量為300 kg，經(jīng)計(jì)算，所需牽引力最大為F=14.2 kN。

F為牽引式搭載裝置所需牽引力；Nm為牽引式搭載裝置所受支持力；Fm為牽引式搭載裝置與地面摩擦力；Gm為牽引式搭載裝置所受重力；Nn為原條所受支持力；Fn為原條與地面的摩擦力；Gn為原條所受重力；γ為斜坡角度。

1.4 鉸接點(diǎn)受力分析

牽引架和承重支架之間的連接為鉸接(見(jiàn)圖5)，為了保證工作的安全性，需要對(duì)鉸接點(diǎn)進(jìn)行受力分析。本研究分析在最大載荷時(shí)牽引架和承重支架之間的鉸接點(diǎn)受力情況，根據(jù)受力平衡對(duì)鉸接點(diǎn)取距：

Ft·L3+Gn·L4=Nt·L5；

(1)

Gn-Ft·sinφ2-Nt=Ya；

(2)

Ft·cosφ2+Fn=Xa。

(3)

式中：Ft為液壓缸的推力(取Ft=Fmax=15 000 N)；L3為搭載板與液壓缸鉸接點(diǎn)和搭載板與承重機(jī)架鉸接點(diǎn)之間的距離(取L3=310 mm)；Gn為木材重量(取Gn=30 000 N)；L4為搭載板與承重機(jī)架鉸接點(diǎn)到原條重心的水平距離(L4的取值范圍6 800～7 400 mm，為方便計(jì)算，取L4=7 000 mm)；Nt為地面作用在原條尾端的支持力；L5為搭載板與承重機(jī)架鉸接點(diǎn)到原條尾端的距離(取L5=12 000 mm)；φ2為液壓缸和斜坡的夾角；Ya為搭載板與承重機(jī)架鉸接點(diǎn)處垂直斜坡方向的分力；Fn為原條與地面的摩擦力(取Fn=17 000 N)；Xa為搭載板與承重機(jī)架鉸接點(diǎn)處沿斜坡方向的分力。

由式(1)得Nt=17 887.5 N；由式(2)、式(3)可得，當(dāng)φ2越小時(shí)，鉸接點(diǎn)受力越大，根據(jù)圖3的φ2最小為0，此時(shí)Ya=12 112.5 N、Xa=32 000 N的鉸接點(diǎn)所受的剪切合力為34 215.6 N。

搭載板采用45鋼結(jié)構(gòu)，許用擠壓應(yīng)力60 MPa；螺栓采用Q235鋼，許用擠壓應(yīng)力160 MPa、許用切應(yīng)力為180 MPa，計(jì)算得d0≥22 mm。

Ft為液壓缸的推力；φ2為液壓缸和斜坡的夾角；L3為搭載板與液壓缸鉸接點(diǎn)和搭載板與承重機(jī)架鉸接點(diǎn)之間的距離；Xa為搭載板與承重機(jī)架鉸接點(diǎn)處沿斜坡方向的分力；Ya為搭載板與承重機(jī)架鉸接點(diǎn)處垂直斜坡方向的分力；L5為搭載板與承重機(jī)架鉸接點(diǎn)到原條尾端的距離；Nt為地面作用在原條尾端的支持力；Fn為原條與地面的摩擦力；Gn為原條重量；L4為搭載板與承重機(jī)架鉸接點(diǎn)到原條重心的水平距離；φ1為斜坡的坡度角。

2 行駛穩(wěn)定性

2.1 斜坡行駛的橫向穩(wěn)定性

集材機(jī)的安全主要與集材機(jī)的橫向穩(wěn)定性有關(guān)[16]，在林區(qū)等崎嶇路面，橫向穩(wěn)定性更是保證集材機(jī)安全工作的重要原因之一，其中集材機(jī)工作中的半數(shù)以上的安全事故與集材機(jī)和集材工具側(cè)翻有關(guān)[17]，保證集材機(jī)的穩(wěn)定行駛是安全工作的前提。本研究主要分析牽引式搭載裝置在斜坡上橫向勻速行駛時(shí)的橫向穩(wěn)定性(見(jiàn)圖6)。

當(dāng)牽引式搭載裝置達(dá)到側(cè)翻的臨界點(diǎn)時(shí)，依據(jù)受力分析圖6，對(duì)O1點(diǎn)求力矩G∑cosθ(0.5a+0.5c-d)-G∑sinθ·h-N1(a+0.5c)=0、N1=[G∑cosθ(0.5a+0.5c-d)-G∑sinθ·h]/(a+0.5c)。要保證牽引式搭載裝置在斜坡橫向行駛時(shí)不發(fā)生側(cè)翻，則應(yīng)滿足N1≥0，即：G∑cosθ(0.5a+0.5c-d)-G∑sinθ·h≥0、θ≤arctan[(0.5a+0.5c-d)/h]。式中：G∑為牽引式搭載裝置的自重和所集原條在裝置上分配的重力的合重力；θ為斜坡坡度角；a為牽引式搭載裝置的輪距(a=1 000 mm)；c為牽引式搭載裝置的輪寬(c=200 mm)；d為質(zhì)心偏離對(duì)稱(chēng)面的距離(d=100 mm)；h為質(zhì)心距離地面的高度(h=900 mm)；N1為支持力。

根據(jù)θ的計(jì)算公式可知，影響牽引式搭載裝置穩(wěn)定性的主要參數(shù)有輪距、輪寬、質(zhì)心偏距、質(zhì)心高度。在實(shí)際工作工程中，輪距、輪寬是不能隨時(shí)調(diào)整的；而質(zhì)心偏距、質(zhì)心高度，可以在集材時(shí)通過(guò)裝載工藝實(shí)現(xiàn)微調(diào)。由圖7可見(jiàn)，隨著質(zhì)心高度和質(zhì)心偏距的增大，牽引式搭載裝置的穩(wěn)定性逐漸降低。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入θ的計(jì)算公式可得，牽引式搭載裝置能夠保持穩(wěn)定的最大橫向坡度角是θ=29°，大于25°，可以滿足工作需要。

圖7 橫坡行駛最大坡度角與結(jié)構(gòu)關(guān)系

2.2 橫向轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性

當(dāng)牽引式搭載裝置在斜坡上進(jìn)行勻速橫向轉(zhuǎn)彎時(shí)，為了防止側(cè)翻，需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析，求得最大行駛速度。

牽引式搭載裝置進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)彎時(shí)，所受向心力Fc=G∑v2/gR、R={[(a+c+e)2/4]+E2}-1/2、v={[gR(0.5a+0.5c-d)cosθ/h]-sinθ}-1/2。式中：e為牽引式搭載裝置的寬度(e=1 400 mm)；E為牽引環(huán)至承重輪胎的距離(E=1 500 mm)；計(jì)算得，牽引式搭載裝置的轉(zhuǎn)彎半徑為R=1 800 mm。

根據(jù)v的計(jì)算公式可知，影響轉(zhuǎn)彎速度的因素，主要有輪距、輪寬、質(zhì)心偏距、質(zhì)心高度。由圖8可見(jiàn)，隨著質(zhì)心偏距的增大，質(zhì)心高度的降低，轉(zhuǎn)彎的最大速度逐漸增大；根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算得，在θ=29°的斜坡上，牽引式搭載裝置的最大轉(zhuǎn)彎速度v=10.5 km/h。

圖8 橫坡轉(zhuǎn)彎速度與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系圖

3 有限元校核與仿真

3.1 有限元校核

將模型導(dǎo)入solid works中，利用solid works自帶的應(yīng)力分析功能，對(duì)搭載板和承重機(jī)架進(jìn)行應(yīng)力分析。

搭載板有限元校核：對(duì)搭載板進(jìn)行約束和施加載荷，在搭載板與承重機(jī)架的鉸接處、液壓缸的安裝處進(jìn)行夾具固定約束，在搭載板表面施加壓力載荷。

由圖9可見(jiàn)，對(duì)搭載板進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，單元格大小為55.7 mm，分析得到位移云圖、應(yīng)力云圖。位移云圖的最大位移為0.915 mm，應(yīng)力云圖的最大應(yīng)力為53.7 MPa，小于45鋼的屈服極限和許用擠壓應(yīng)力，說(shuō)明搭載板的設(shè)計(jì)滿足使用強(qiáng)度。

承重機(jī)架有限元校核：同樣對(duì)承重機(jī)架進(jìn)行約束和施加載荷，得到圖10所示的應(yīng)力分析云圖。由圖10可見(jiàn)，位移云圖的最大位移為1.853 mm，應(yīng)力云圖的最大應(yīng)力為56.3 MPa，小于45鋼的屈服極限和許用擠壓應(yīng)力，說(shuō)明承重機(jī)架的設(shè)計(jì)滿足使用強(qiáng)度。

3.2 舉升仿真

為了驗(yàn)證牽引式搭載裝置在滿載狀態(tài)時(shí)，液壓缸的舉升工作，用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件(ADAMS)進(jìn)行舉升仿真。設(shè)液壓缸10 s內(nèi)完成牽引式搭載裝置的搭載板從0°到52°的舉升工作，滿載狀態(tài)集材為3 000 kg(見(jiàn)圖11、圖12)。

由圖11可見(jiàn)：在牽引式搭載裝置完成舉升的過(guò)程中，活塞的運(yùn)動(dòng)可以認(rèn)為是呈線性變化；隨著舉升角的不斷變大，活塞將搭載板舉起，活塞的最大行程為280 mm，設(shè)計(jì)數(shù)值362 mm可以滿足工作需要。

由圖12可見(jiàn)：液壓缸的舉升力在舉升過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生突變，其最大推力出現(xiàn)在舉升運(yùn)動(dòng)的初始位置，符合實(shí)際工況；最大舉升力約為14 000 N，小于設(shè)計(jì)值15 000 N，證明液壓缸的型號(hào)選擇合理，可以完成舉升工作。除此之外，在8s時(shí)，舉升力減小速度加快，說(shuō)明此時(shí)所集原條在牽引式搭載裝置上已經(jīng)失衡，正處于滑落狀態(tài)，證明52°的舉升角可以完成正常的卸載工作。

圖12 液壓缸舉升力曲線

3.3 搭載運(yùn)動(dòng)仿真

根據(jù)實(shí)際搭載狀況分析可知，上坡時(shí)牽引式搭載裝置受力大，容易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)安全事故[14，19]，因此，用ADAMS軟件對(duì)牽引式搭載裝置搭載木材上坡情況進(jìn)行仿真。單根原條的質(zhì)量在200～500 kg之間，此處選為300 kg，牽引式搭載裝置的最大載荷為3 000 kg，選用這兩個(gè)搭載質(zhì)量進(jìn)行牽引式搭載裝置的上坡運(yùn)動(dòng)仿真；0～30 s內(nèi)為平地運(yùn)動(dòng)，30～40 s內(nèi)完成25°上坡運(yùn)動(dòng)，40～50 s內(nèi)為坡面運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖13)。由圖13可見(jiàn)，在上坡過(guò)程中總阻力逐漸增加，總附著力逐漸增加，牽引式搭載裝置所受的阻力出現(xiàn)了突變，但逐漸恢復(fù)，說(shuō)明牽引式搭載裝置沒(méi)有出現(xiàn)安全事故，可以完成搭載運(yùn)動(dòng)。觀察兩幅運(yùn)動(dòng)仿真圖，發(fā)現(xiàn)仿真曲線的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明牽引式搭載裝置可以完成3 000 kg的滿載運(yùn)動(dòng)。除此之外，在坡面運(yùn)動(dòng)時(shí)，牽引式搭載裝置所受的阻力，在搭載為300 kg時(shí)，相對(duì)平地運(yùn)動(dòng)減小；而滿載時(shí)，相對(duì)平地運(yùn)動(dòng)，其所受阻力增大。這種現(xiàn)象應(yīng)該與原條在搭載集材過(guò)程中的杠桿現(xiàn)象有關(guān)，需要進(jìn)一步研究。

圖13 牽引式搭載裝置搭載上坡仿真

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的適用于環(huán)保型多功能集材機(jī)的牽引式搭載裝置，提高了集材的效率和靈活性。牽引式搭載裝置具有很好的穩(wěn)定性，可以完成在橫向坡度為29°的斜坡上行駛，在橫坡上最大轉(zhuǎn)彎速度可以達(dá)到10.5 km/h；通過(guò)有限元校核和仿真，證明此設(shè)計(jì)能夠完成集材工作。該設(shè)計(jì)能基本滿足環(huán)保型多功能集材機(jī)的工作需要，可為林業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供參考。