采伐機(jī)工作臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析*

張小珍，楊迎曉

(1.福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 福州 350108;2.廈門(mén)大學(xué)嘉庚學(xué)院 , 福建 漳州 363105)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)林業(yè)的需求越來(lái)越大，并且對(duì)森林的采伐逐漸向人工林轉(zhuǎn)移，而現(xiàn)在已經(jīng)是人工林的成熟階段，僅靠傳統(tǒng)的采伐手段出現(xiàn)了效率低、質(zhì)量差的問(wèn)題，且對(duì)采伐工人的生命健康也產(chǎn)生影響[1-3]。因此，大型人工林作業(yè)機(jī)械化是必不可免的。采伐機(jī)能實(shí)現(xiàn)采伐、去枝、去皮和橫截樹(shù)桿的功能，比人工作業(yè)效率高十幾倍[4]。

現(xiàn)很多學(xué)者對(duì)采伐機(jī)工作臂主要從結(jié)構(gòu)、算法上進(jìn)行了優(yōu)化[5]；衛(wèi)沅[6]通過(guò)最小勢(shì)能法和最小二乘法進(jìn)行仿人運(yùn)動(dòng)，提高了運(yùn)動(dòng)相似度；李志鵬等[7]研究串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)的工作臂，利用MTALAB軟件模擬工作臂的工作空間，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的參數(shù)尺寸并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得到更優(yōu)的運(yùn)動(dòng)空間；王成軍等[8]研究輕量化截割臂基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不斷提高挖進(jìn)機(jī)工作效率和安全性?，F(xiàn)有的研究中多是針對(duì)農(nóng)業(yè)采摘和重工業(yè)的挖掘機(jī)，針對(duì)林業(yè)機(jī)械的工作臂研究較少。因此，本文通過(guò)分析采伐機(jī)工作臂參數(shù)、材料、結(jié)構(gòu)形式，借助SolidWorks軟件建立工作臂三維模型，計(jì)算采伐時(shí)采伐機(jī)工作臂伸出最長(zhǎng)時(shí)主臂、副臂和伸縮臂的彎矩，借助ANSYS軟件仿真分析主臂和副臂的應(yīng)力、位移情況，驗(yàn)證采伐機(jī)工作臂結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 采伐機(jī)工作臂機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

采伐機(jī)工作臂主要由旋轉(zhuǎn)底座、安裝板、主臂液壓缸、主臂、連桿、副臂液壓缸、副臂、伸縮臂等組成，如圖1所示。主臂、副臂和連桿相互鉸接，并在液壓力的作用下繞著鉸接點(diǎn)相互擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)豎直方向運(yùn)動(dòng)；伸縮臂和副臂構(gòu)成滑塊結(jié)構(gòu)，在液壓力的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)伸縮臂的前后伸縮運(yùn)動(dòng)，抓取木材。

圖1 采伐機(jī)工作臂機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型

1.1 工作臂參數(shù)設(shè)計(jì)

工作臂在很大程度上直接決定著采伐機(jī)作業(yè)能力和作業(yè)范圍，本采伐機(jī)工作臂最大伸長(zhǎng)量為8.3 m、回轉(zhuǎn)角度為150°、傾角為20°，安裝板和車(chē)架以鉸接方式接連，油缸可控制底座在不大于30°范圍內(nèi)擺動(dòng)。采伐機(jī)工作臂主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 采伐機(jī)工作臂主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作臂的材料

工作臂材料選用高強(qiáng)度耐磨鋼16Mn，主臂和安裝板上的加固板使用NM360鋼材，與普通鋼材相比，NM360的耐磨性能更好，保證其設(shè)計(jì)的強(qiáng)度以適用于不同的工況。兩種材料的性能參數(shù)如表2所示。

表2 兩種材料的性能參數(shù)

1.3 工作臂結(jié)構(gòu)形式

1.3.1 主臂結(jié)構(gòu)

在采伐機(jī)工作臂中，主臂是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最主要的構(gòu)件，副臂的結(jié)構(gòu)形式取決于主臂的結(jié)構(gòu)形式。本采伐機(jī)工作臂采用整體式主臂，如圖2所示。整體式的主臂構(gòu)造簡(jiǎn)單、緊湊、輕巧，同時(shí)成本低、運(yùn)動(dòng)力矩更大，具有通用性和高利用率，比較適合工序較少的工作環(huán)境。

圖2 整體式主臂結(jié)構(gòu)

1.3.2 副臂結(jié)構(gòu)

本工作臂副臂采用伸縮形式，增加伸縮臂能擴(kuò)大采伐范圍，并靈活控制采伐范圍。

1.3.3 主、副臂連接方式

主臂和副臂連接采用連桿傳動(dòng)方式，主臂通過(guò)連桿與副臂構(gòu)成連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)副臂運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 主、副臂連接方式

1.3.4 液壓缸的布置

液壓缸的布置和節(jié)點(diǎn)的設(shè)置對(duì)采伐機(jī)油缸的工作效率影響極為顯著。本工作臂機(jī)械結(jié)構(gòu)中有3處油缸：①主臂液壓缸，使用前傾的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)主臂伸出達(dá)到極值的時(shí)候，保持整體像右上方傾斜的狀態(tài)；②副臂液壓缸，使用后傾的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)液壓缸全伸出的時(shí)候，主臂被拉伸到極限距離時(shí)液壓缸將保持向后傾斜的狀態(tài)；③伸縮桿液壓缸內(nèi)置于伸縮臂中，根據(jù)伸縮臂伸展范圍實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸縮情況。

2 工作臂承載時(shí)的最不利狀態(tài)受力分析

通過(guò)對(duì)采伐機(jī)工作臂工作情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主、副臂之間角度最大且伸縮臂伸出長(zhǎng)度最大時(shí)工作臂的受力狀態(tài)是最不利情況。當(dāng)每段工作臂均處于水平延伸狀態(tài)時(shí)，由于每個(gè)圓柱體支撐著每段臂，因此該狀態(tài)下工作臂可看作是可變橫截面的懸臂梁，此時(shí)其所受載荷如圖4所示。其中，M1、M2、M3為各段工作臂所受彎矩；G1、G2、G3為各段工作臂自重，G1=10 000 N、G2=7 500 N、G3=1 760 N；G4為工作臂末端承載重量，包括抓具自重及原木重量,G4=26 744.6 N。

圖4 工作臂受力分析

工作時(shí)各段工作臂所受的彎矩為：

M1=G1×0.5L1+G2(L1+0.5L2)+
G3(L1+L2+0.5L3)+G4(L1+L2+L3)

.

(1)

M2=G2×0.5L2+G3(L2+0.5L3)+G4(L2+L3).

(2)

M3=G3×0.5L3+G4×L3.

(3)

將數(shù)值代入式(1)～式(3)計(jì)算得：M1=295 874 N·m，M2=128 987 N·m，M3=38 674 N·m。

3 采伐機(jī)工作臂仿真分析

借助ANSYS軟件對(duì)工作臂承載情況進(jìn)行仿真分析。設(shè)置工作臂結(jié)構(gòu)材料為16Mn，在A(yíng)NSYS仿真界面點(diǎn)擊“材料模型”，設(shè)置其彈性模量為“EX2.1e11”、泊松比“PRXY”為0.3、密度為7 850。設(shè)置劃分網(wǎng)格品質(zhì)為高級(jí)，得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為25 645，網(wǎng)格數(shù)為12 819，雅可比點(diǎn)為4。

3.1 主臂應(yīng)力和位移分析

通過(guò)ANSYS軟件對(duì)主臂進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖5、圖6所示。

圖5 主臂應(yīng)力云圖

圖6 主臂位移云圖

由圖5可知，主臂的最大應(yīng)力值為637 MPa,位于主臂與副臂連接處，小于材料16Mn抗拉強(qiáng)度675 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。由圖6可知，主臂最大位移為0.007 205 mm，位于與副臂鉸接處。得出主臂整體受壓在可承受范圍內(nèi)，故該設(shè)計(jì)是合理的。

3.2 副臂應(yīng)力和位移分析

利用ANSYS軟件對(duì)采伐機(jī)副臂進(jìn)行有限元分析，得到副臂應(yīng)力和位移云圖，如圖7、圖8所示。

圖7 副臂應(yīng)力云圖

由圖7可知，副臂的最大應(yīng)力值為48.5 MPa,位于末端連接處，小于材料16Mn抗拉強(qiáng)度675 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。由圖8可知，主臂最大位移為0.000 314 mm，位于與末端鉸接處?？梢钥闯龈北壅w受壓是在可承受范圍內(nèi)，故該設(shè)計(jì)是可行的。

圖8 副臂位移云圖

4 結(jié)論

結(jié)合采伐機(jī)工作臂作業(yè)要求，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并借助ANSYS進(jìn)行仿真，得到了工作臂主臂與副臂的應(yīng)力與位移云圖，驗(yàn)證了工作臂結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為今后同類(lèi)型的林業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)提供了一種便捷、可靠的設(shè)計(jì)方法，對(duì)其他相似的工程機(jī)械設(shè)計(jì)也具有一定的參考價(jià)值。