林業(yè)起重機(jī)工作臂起重仿真與優(yōu)化

沈嶸楓 張小珍 林煜川 董濤 李成舟 李愚愚

摘 要：為解決林業(yè)起重機(jī)工作臂不適應(yīng)林業(yè)資源作業(yè)環(huán)境的需求，研究一款新式直臂式林業(yè)起重機(jī)工作臂，建立相應(yīng)變幅機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行敏感度分析;運(yùn)用ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件模擬6種工況，獲取并分析相應(yīng)曲線;優(yōu)化變幅機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)，使油缸受力減小，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后第一變幅油缸受力最大值從709 294 N降至263 494 N，減少幅度為63.9%，第二變幅油缸受力最大值從324 889 N降至102 865 N，減少幅度為68.3%。最終得出工作臂運(yùn)動(dòng)變化曲線與受力情況，可為林業(yè)起重機(jī)工作臂變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供一定理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：林業(yè)起重機(jī);工作臂;變幅機(jī)構(gòu);模擬仿真;機(jī)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：S776.34??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006-8023（2022）03-0070-07

Simulation and Optimization of Working Arm of Forestry Crane

SHEN Rongfeng1， ZHANG Xiaozhen2， LIN Yuchuan1， DONG Tong1， LI Chengzhou1， LI Yuyu1

（1.College of Transportation and Civil Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China; 2.School of Traffic Engineering， Fuzhou Polytechnic， Fuzhou 350108， China）

Abstract：In order to solve the problem that the working arm of forestry crane cant meet the demand of forestry machinery in forestry production， the working arm of a new straight arm forestry crane was designed. The mathematical model of the corresponding luffing mechanism was established and its sensitivity was analyzed. ADAMS kinematics simulation software was used to simulate six working conditions， and the corresponding curves were obtained and analyzed. The hinge points of the luffing mechanism were optimized to reduce the force of the cylinder and optimize the structure. The results show that after optimization， the maximum force of the first luffing cylinder decreases from 709 294 n to 263 494 n， a decrease of 63.9%， and the maximum force of the second luffing cylinder decreases from 324 889 Nto 102 865 N， a decrease of 68.3%. Finally， the movement curve and force condition of the working arm were obtained， which can provide a theoretical basis for the design and optimization of the luffing mechanism of the forestry crane.

Keywords：Forestry crane; working arm; luffing mechanism; simulation; structural optimization

0 引言

林業(yè)既是一項(xiàng)重要的公益事業(yè)，又是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)[1]。不僅承擔(dān)著生產(chǎn)生態(tài)產(chǎn)品、維護(hù)生態(tài)安全的重要職責(zé)，而且承擔(dān)著生產(chǎn)物質(zhì)產(chǎn)品、保障林產(chǎn)品供給的重要使命，其產(chǎn)品不僅滿足人們?nèi)粘Ｋ?，?duì)化工、材料、能源和冶金等重工業(yè)亦不可或缺[2]。林業(yè)轉(zhuǎn)運(yùn)和搬運(yùn)工作是林業(yè)資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要一環(huán)，21世紀(jì)以后，隨著勞動(dòng)力供給需求不斷發(fā)生改變，人力資源成本逐年增長(zhǎng)，而傳統(tǒng)的林業(yè)資源開(kāi)發(fā)方式多依靠人力，存在效率差、成本高等問(wèn)題[3]。為降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升生產(chǎn)效率，提高林業(yè)產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化程度，林業(yè)起重機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[4]。林業(yè)起重機(jī)是對(duì)采伐原木進(jìn)行收集、分類(lèi)、裝卸和運(yùn)輸?shù)纫幌盗泄ぷ鞯囊豢顚?zhuān)用隨車(chē)起重機(jī)[5]，其關(guān)鍵部件——工作臂因安裝方式和使用方式與一般隨車(chē)起重機(jī)十分類(lèi)似，集成起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)林區(qū)集材與裝運(yùn)作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化[6]。但林業(yè)起重機(jī)需在顛簸崎嶇的山林中作業(yè)，且需抓取大小不一、長(zhǎng)條形原木，傳統(tǒng)工作臂的靈活性受到制約，工作效率不高，甚至因承載量過(guò)大和振動(dòng)造成結(jié)構(gòu)斷裂，因此，需進(jìn)一步設(shè)計(jì)工作臂變幅機(jī)構(gòu)、優(yōu)化臂架長(zhǎng)度和角度，從而改變集材作業(yè)工作幅度[7]，保證遠(yuǎn)距離內(nèi)集材與裝運(yùn)，并實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移[8]。

在起重機(jī)工作臂研究上，王曉明等[9]基于矩陣分析法建立工作臂矢量運(yùn)動(dòng)方程，運(yùn)用ADAMS對(duì)綠化修剪車(chē)的工作裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。程迎松等[10]基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)錨網(wǎng)支護(hù)裝置變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真得出零部件運(yùn)動(dòng)變化曲線，為錨網(wǎng)支護(hù)裝置變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供了一定理論依據(jù)。作為林業(yè)起重機(jī)的關(guān)鍵部件之一，工作臂連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響起重機(jī)的工作性能[11-12]，減少變幅油缸受力、降低變幅油缸工作幅度、提高工作臂起重力矩和最大工作幅度是設(shè)計(jì)優(yōu)化林業(yè)起重機(jī)工作臂的重點(diǎn)[13-14]。本研究首先根據(jù)林業(yè)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)建立實(shí)體模型和動(dòng)力學(xué)模型，分析工作臂第一、第二變幅油缸受力，得出受力和第一、第二變幅油缸與內(nèi)臂角度的關(guān)系;然后采用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真軟件，分析和驗(yàn)證第一、第二變幅油缸與內(nèi)臂工況，得出變幅油缸受力、最大工作行程與不同工況的關(guān)系，提出變幅油缸優(yōu)化;最后通過(guò)鉸點(diǎn)位置調(diào)整角度，優(yōu)化變幅油缸位置，得出最佳工作臂結(jié)構(gòu)方案。本研究結(jié)果可為林業(yè)起重機(jī)工作臂變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供一定理論依據(jù)。A726C7DC-F445-46F8-B03B-74453D2779ED

1 變幅機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型建立

林業(yè)起重機(jī)集材與裝運(yùn)作業(yè)流程如下：工作臂升/降→抓具打開(kāi)（取貨）→工作臂升/降（貨物位移）→回轉(zhuǎn)到合適位置→工作臂升/降→抓具打開(kāi)（卸貨）→還原。本研究應(yīng)用新式直臂式林業(yè)起重機(jī)的工作臂結(jié)構(gòu)形式，建立林業(yè)直臂式起重機(jī)的工作臂及鉸點(diǎn)位置，如圖 1所示，其具體參數(shù)見(jiàn)表1。工作臂變幅機(jī)構(gòu)是林業(yè)起重機(jī)的重要工作機(jī)構(gòu)，其作用主要是改變集材作業(yè)工作幅度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離內(nèi)集材與裝運(yùn)作業(yè)。通過(guò)改變吊鉤（或抓斗）中心至工作臂回轉(zhuǎn)中心軸線的水平距離，改變工作臂幅度，以適應(yīng)不同工況條件下的集材與裝運(yùn)作業(yè)[15]。

根據(jù)新式直臂式林業(yè)起重機(jī)的工作臂及鉸點(diǎn)位置，在僅考慮2個(gè)變幅油缸運(yùn)動(dòng)的情況下，建立簡(jiǎn)易數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

對(duì)原點(diǎn)取力矩，可得

FAC·R1=（G1lOG1+G2（lOG+lGG2cos（∠1+∠2））+

G3（lOG+lGJcos（∠1+∠2）））·cos∠1。 （1）

式中：FAC為連桿AC拉力;R1為G到O距離;lOG、lOG1、lOG2、lGJ、lGG2為連桿長(zhǎng)度。

根據(jù)海倫公式（p為半周長(zhǎng)）

S=p（p-a）（p-b）（p-c）。 （2）

式中：a、b、c為連桿長(zhǎng)度。

可得，第一變幅油缸作用力臂

R1=2 p（p-lAO）（p-lOB）（p-lAB）lAB。（3）

式中：FAB為連桿AB拉力;lAO、lOB、lAB、lOG、lOG1、lOG2、lGJ、lGG2為分別是連桿長(zhǎng)度。

第一變幅油缸推力

FAB=（G1lOG1+G2（lOG+lGG2cos（∠1+∠2））+G3（lOG+lGJcos（∠1+∠2）））·cos∠12 p（p-lAO）（p-lOB）（p-lAB）lAB 。（4）

式中：FAB、FHG為連桿AB、HG拉力;∠DHE、∠GHX為分別是各連桿夾角。

第二變幅油缸推力

FHD=FHGcos∠DHEsin∠DHEgsin∠GHX+cos∠GHX。 ?（5）

連桿GE拉力

FGE=（G2lHG2+G3lHJ）cos∠2R2

=（G2lHG2+G3lHJ）cos∠22p（p-lEH）（p-lEG）（p-lHG）lEG 。

（6）

2 林業(yè)起重機(jī)工作臂仿真與測(cè)試

利用Solidworks軟件建立工作臂三維實(shí)體模型，導(dǎo)入零件幾何模型應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化模型可提供新的基于仿真的設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)[16]。參數(shù)化建模為工作臂創(chuàng)建三維模型，虛擬樣機(jī)模型自動(dòng)生成新的數(shù)據(jù)和模型，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可得到不同參數(shù)值下的虛擬樣機(jī)性能，參數(shù)化分析有利于了解各設(shè)計(jì)變量對(duì)樣機(jī)性能的影響[17]。

2.1 內(nèi)臂與第一變幅油缸仿真分析

伸縮臂展開(kāi)后固定不動(dòng)，只允許變幅油缸工作，對(duì)第一變幅油缸伸縮運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。油缸伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)臂、外臂、伸縮臂一起繞著轉(zhuǎn)臺(tái)和支撐臂鉸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，為使仿真模擬更加真實(shí)可靠，設(shè)置內(nèi)臂與水平向右?jiàn)A角為-15°、15°和-20°，分別模擬3種工況下的運(yùn)動(dòng)情況，如圖3所示。

設(shè)置仿真時(shí)間30 s，第一變幅油缸的驅(qū)動(dòng)值為step（time，0，0，10，100）+step（time，10，100，20，100）+step（time，20，100，30，-1 800），第二變幅油缸和伸縮油缸不設(shè)置驅(qū)動(dòng)，限制運(yùn)動(dòng)角度范圍為-15°～60°。對(duì)3種工況進(jìn)行行程、受力仿真分析，如圖4所示，由圖4可知，最大工作行程均在10.1 m左右，最大起重量設(shè)置為1 010 kg，各油缸受力基本相同，最大受力為709 294 N。

2.2 外臂與第二變幅油缸仿真分析

在第一變幅油缸不同工作狀態(tài)下，固定伸縮油缸，約束伸縮臂運(yùn)動(dòng)，對(duì)第二變幅油缸伸縮運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。設(shè)置內(nèi)臂與水平向右?jiàn)A角為-15°、0°和45°，分別模擬3種工況下的運(yùn)動(dòng)情況，如圖5所示。

對(duì)3種工況進(jìn)行行程、受力仿真分析，如圖6所示。由圖6可知，工況4、5伸縮臂末端最大工作行程為8 000 mm，工況6最大工作行程為35 000 mm。工況4、5油缸受力相似，逐步增大，而工況6油缸受力逐漸減小，第二變幅油缸受力最大值為324 889 N。

通過(guò)外臂和第一、第二變幅油缸伸縮分析可知，第一變幅油缸工作行程越大，受力越大，當(dāng)工作行程最大時(shí)，其受力也最大。運(yùn)動(dòng)平行于地面時(shí)，第二變幅油缸受力最大，此時(shí)林業(yè)起重機(jī)工作臂工作范圍最廣、起升質(zhì)量最輕。根據(jù)各工況油缸行程、受力分析，起升阻力同樣最讓其難以工作，需對(duì)變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 變幅機(jī)構(gòu)參數(shù)化建模

為降低第一變幅油缸最大工作行程時(shí)的受力和第二變幅油缸平行于地面時(shí)的受力，改變變幅油缸位置工況姿態(tài)，即改變工作臂各鉸點(diǎn)位置布置方案，實(shí)現(xiàn)變幅油缸優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，根據(jù)林業(yè)起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)的分析，其整體性能與鉸鏈位置布局緊密相關(guān)，進(jìn)行鉸鏈點(diǎn)優(yōu)化分析需要重新對(duì)參數(shù)點(diǎn)建立起重機(jī)參數(shù)模型，對(duì)起重機(jī)各鉸接點(diǎn)編號(hào)。將A—H各鉸接點(diǎn)做X、Y向坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)化命名、賦值，并指定賦值區(qū)域。在Ground上創(chuàng)建8個(gè)幾何點(diǎn)，并按照先后順序命名為POINT A—POINT H。幾何點(diǎn)創(chuàng)建完成后，采用DV_01_XA—DV_16_YA共16個(gè)參數(shù)化變量替代A—H各鉸接點(diǎn)做X、Y向坐標(biāo)，建立參數(shù)化分析模型。

3.2 運(yùn)動(dòng)工況分析

林業(yè)起重機(jī)工作臂通過(guò)工作油缸伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器，在對(duì)應(yīng)的模型中，新式直臂式林業(yè)起重機(jī)工作臂可通過(guò)起重機(jī)第一變幅油缸和第二變幅油缸隨驅(qū)動(dòng)屈伸值變化得到不同（x，y，z）、不同情境下各缸的受力情況。為了更全面研究不同工況、不同位置下油缸的受力情況，將分析3個(gè)階段，在30 s內(nèi)完成仿真，各階段用時(shí)10 s：設(shè)定第一變幅油缸在本階段收縮，回到變幅初始位置，第二變幅油缸在本階段伸張，到達(dá)變幅最大極限位置;設(shè)定第一變幅油缸在本階段鎖定在變幅初始位置，第二變幅油缸在本階段收縮，逐漸回到初始位置;設(shè)定第二變幅油缸在本階段鎖定在變幅初始位置，第二變幅油缸在本階段伸張，逐漸到達(dá)變幅最大極限位置。A726C7DC-F445-46F8-B03B-74453D2779ED

3.3 變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

不同設(shè)計(jì)變量對(duì)林業(yè)起重機(jī)工作臂整體性能的影響區(qū)別較大，設(shè)計(jì)變量對(duì)整機(jī)性能的影響程度通過(guò)敏感度衡量。變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，每次僅能考慮DV_01_XA—DV_16_YA共16個(gè)變量中某一單一設(shè)計(jì)變量對(duì)整機(jī)性能的影響，分別對(duì)變量進(jìn)行解析調(diào)查，油缸的敏感度結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，DV_01_XA、DV_03_XB、DV_05_XC和DV_11_XF對(duì)第一油缸受力影響比較明顯，DV_10_YE、DV_11_XF、DV_13_XG和DV_14_YG對(duì)第二油缸受力影響比較明顯。

3.4 鉸接點(diǎn)敏感度優(yōu)化分析

根據(jù)分析結(jié)果，以第一變幅油缸受力為目標(biāo)，對(duì)DV_01_XA、DV_03_XB、DV_05_XC和DV_11_XF變量進(jìn)行敏感度優(yōu)化分析，結(jié)果見(jiàn)表3;以第二變幅油缸受力為目標(biāo)，對(duì)DV_10_YE、DV_11_XF、DV_13_XG和DV_14_YG變量進(jìn)行敏感度優(yōu)化分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

3.5 受力優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后變幅油缸受力曲線如圖7所示，其中JONT_3表示第一油缸隨時(shí)間的響應(yīng)情況， JONT_4表示第二油缸隨時(shí)間的響應(yīng)情況。優(yōu)化后第一變幅油缸受力最大值從709 29 4N降至263 494 N，減少幅度為63.9%，第二變幅油缸受力最大值從324 889 N降至102 865 N，減少幅度為68.3%。

4 結(jié)論與討論

本研究運(yùn)用ADAMS軟件，通過(guò)模型建立與仿真，較為清晰得出變幅機(jī)構(gòu)的工況和受力，建立相應(yīng)的鉸點(diǎn)，以敏感度分析優(yōu)化鉸點(diǎn)位置，優(yōu)化后第一變幅油缸受力最大值從709 294 N降至263 494 N，減少幅度為63.9%;第二變幅油缸受力最大值從324 889 N降至102 865 N，減少幅度為68.3%。機(jī)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)一步完善了工作臂研發(fā)，最終得出工作臂運(yùn)動(dòng)變化曲線，可為林業(yè)起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供一定理論依據(jù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用能夠使生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門(mén)降低對(duì)物理樣機(jī)的依賴，對(duì)縮短工作臂設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本、提高集材與裝運(yùn)作業(yè)效率、節(jié)約林業(yè)生產(chǎn)成本具有重要意義，對(duì)于林區(qū)作業(yè)機(jī)械化應(yīng)用也具有重要意義。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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