張小珍

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，漳州 363105）

0 引言

我國人工林廣闊，現(xiàn)很多人工林樹木處于開采階段，但在采伐過程是艱巨的，在傳統(tǒng)采伐中使用人力借助鋸子采伐樹木，花費大量人力、物力和時間，甚至還有生命危險[1～4]?，F(xiàn)借助采伐機，能聯(lián)合采伐、打枝、搬運等一體的機械，大大提高工作效益，福建三明引入采伐機采伐效率提高了50倍以上[5]。因采伐機工作環(huán)境惡劣，路況復(fù)雜，極容易產(chǎn)生振動導(dǎo)致采伐機車架破裂，因此需要研究采伐機車架的可靠性，對其進(jìn)行靜力學(xué)[6～9]。文獻(xiàn)[10]研究玉米收獲機的車架振動和優(yōu)化，通過測試田間振動和模態(tài)分析方法去優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)。在文獻(xiàn)[11]研究運輸機車架結(jié)構(gòu)，通過分析發(fā)動機振動和借助ANSYS軟件分析車架結(jié)構(gòu)并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。文獻(xiàn)[12]對玉米收獲機車架疲勞壽命的研究，通過ANSYS軟件分析車架最大模態(tài)變形位置下分析其靜應(yīng)力，進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。文獻(xiàn)[13]對半掛牽引車車架進(jìn)行研究，借助ANSYS軟件建立車架有限元模型分析靜力學(xué)、動態(tài)特性，對有限元結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析?；旌蟿恿Σ煞C車架也存在斷裂可能，所以借助HyperWorks軟件對采伐機車架進(jìn)行靜力學(xué)和動力學(xué)分析，避免強度破壞和共振情況。

1 混合動力采伐機車架幾何模型的建立

表1 車架材料參數(shù)值

混合動力采伐機車架設(shè)計長度為10100mm，寬度為880mm，選擇材料為B510L，材料屬性如表1所示。用SolidWorks軟件建立三維模型，如圖1所示。采伐機是混合動力采伐機，前車架安裝工作裝置、柴油發(fā)電機組及電機、液壓油箱、駕駛室、后車架安裝電池、電機、燃油箱。

圖1 鉸接式混合動力采伐機車架的三維模型

2 混合動力采伐機車架評價準(zhǔn)則

1）混合動力采伐機車架強度分析

混合動力采伐機車架的強度指標(biāo)主要包含兩個，一個是混合動力采伐機車架的靜態(tài)強度，另一個就是混合動力采伐機車架的疲勞強度?；旌蟿恿Σ煞C車架的靜態(tài)強度是指混合動力采伐機在行駛的過程中會受到來自店面各種各樣的載荷，在對混合動力采伐機車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，必須要以最大載荷進(jìn)行分析，車架必須滿足一定的強度。

2）混合動力采伐機車架剛度分析

評價車架性能好壞的一項重要指標(biāo)就是車架的剛度，車架的剛度又分彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，扭轉(zhuǎn)剛度可以作為判斷這個變形程度El的值。

式中：F為集中載荷；L為軸距；x為支點到測量點的距離；a為支點到加載點的距離；y為撓度?；旌蟿恿Σ煞C在高低不平的路面上行駛產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)度用GL來表示。

式中：L為軸距；T為扭矩；θ為軸間相對扭轉(zhuǎn)角。

3 有限元分析

3.1 垂直工況

垂直彎曲是混合動力采伐機最常見的工況，一般情況下，車速越快，車架就會越容易產(chǎn)生彎曲變形，垂直彎曲工況主要是計算混合動力采伐機車架在滿載貨物的情況下，對四輪著地時的強度進(jìn)行分析，主要就是模擬混合動力采伐機在平坦路面上行駛時產(chǎn)生的堆成的垂直動載荷。車架載荷包括工作裝置，柴油發(fā)電機組、駕駛室、液壓油箱、燃油箱、電池和電機。根據(jù)各個部件的裝配方式可以把它分為節(jié)點載荷，施加在布置梁的節(jié)點上，對各個節(jié)點約束。車架所承受的載荷都是上面的不加所構(gòu)成，車架的各部件的安裝方法如圖2所示，各部件的質(zhì)量和各總成之心在車架坐標(biāo)中的位置如表2所示，各點施加的載荷的位置如圖3所示。根據(jù)HyperWorks仿真，車架應(yīng)力分布云圖如圖4所示，在滿載貨物的位移云圖，如圖5所示。

圖2 車架的載荷分布圖

表2 車架載荷分布

圖3 各載荷施加位置

圖4 車架應(yīng)力分布云圖

圖5 車架位移云圖

根據(jù)仿真結(jié)果，結(jié)合等效應(yīng)力可以看出等效應(yīng)力最大值166.4MPa，最大的變形出現(xiàn)在前車架的支撐的連接處，車架多數(shù)部位處于30MPa，通過車架的位移云圖可以看出，在車架的頭部、鉸接處和尾部，車架的變形小，變形最大地方出現(xiàn)車架尾部。

3.2 扭轉(zhuǎn)工況

扭轉(zhuǎn)工況主要就是車架受到非垂直方向上的力，比如側(cè)面的力，從而引起車架的變形，在扭轉(zhuǎn)工況下，混合動力采伐機車架的應(yīng)力圖如圖6所示，位移云圖如圖7所示。

圖6 扭轉(zhuǎn)工車架況下應(yīng)力圖

圖7 扭轉(zhuǎn)工況下車架位移云圖

扭轉(zhuǎn)工況下，載荷的處理與垂直彎曲處理的方式大體上差不多，扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力是259.7MPa，車架在通過崎嶇不平的路面上會發(fā)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)工況，因此靜扭轉(zhuǎn)實驗可以看出車架的實際強度。因為車架是采用的是鉸接式車架，后車架跟前車架采用的是鉸接的形式，所以在承受相同力的情況下，扭轉(zhuǎn)要比邊梁式的小，所以扭轉(zhuǎn)變形小也是鉸接式車架優(yōu)勢。

4 采伐機車架優(yōu)化分析

4.1 優(yōu)化設(shè)計的理論基礎(chǔ)

設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件是優(yōu)化設(shè)計的三個主要方面。

1）優(yōu)化目標(biāo)

優(yōu)化設(shè)計結(jié)果可以用下面的式子來表示：

約束條件：

式中：

X=x1,x2,…,xn為設(shè)計變量；

f（x）為目標(biāo)函數(shù)；

L為下限；U為上限。

2）設(shè)計變量

采伐機車架主要是有前車架、鉸接機構(gòu)和后車架組成的，前車架主要是由兩個橫梁和兩個縱梁組成，后車架主要是由兩個橫梁、三個縱梁和一些零部件組成。在做優(yōu)化設(shè)計時，橫梁和縱梁厚度預(yù)估值是10mm，設(shè)計的上下變量是2mm，設(shè)計變量數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：t0為尺寸優(yōu)化前后設(shè)計變量的厚度尺寸，mm；

式中：ti為尺寸優(yōu)化后各設(shè)計變量厚度尺寸，mm。

4.2 采伐機車架優(yōu)化模型分析

車架的各個部件可以按照優(yōu)化的結(jié)果，來調(diào)整尺寸，我們在保證車架質(zhì)量的情況下竟可能多的降低采伐機車架的厚度，具體方案如表3所示。

表3 車架尺寸優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后的垂直工況下，采伐機車應(yīng)力圖如圖8所示，位移云圖如圖9所示。優(yōu)化過采伐機車架在扭轉(zhuǎn)工況下，扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力如圖10所示，位移云圖如圖11所示。

圖8 采伐機車架應(yīng)力圖

圖9 采伐機車架位移云圖

圖10 扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力圖

從表中可以看出，不同橫梁和縱梁的尺寸都有進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的車架無論在垂直工況下，還是在扭轉(zhuǎn)工況下，采伐機車架的應(yīng)力和位移都有不同程度的減小，但是應(yīng)力和位移大小都相應(yīng)的減小了，優(yōu)化后車架的質(zhì)量1201kg，車架的尺寸減少了167kg，質(zhì)量減少了12.2%，優(yōu)化效果還是比較好的。

圖11 扭轉(zhuǎn)工況下位移云圖

5 結(jié)論

1）提出混合動力采伐機車架結(jié)構(gòu)形式。長度為10100mm，寬度為880mm，選擇的材料為B510L，并用SolidWorks軟件建立三維模型。

2）提出了混合動力采伐機車架評價準(zhǔn)則。以最大載荷進(jìn)行分析，車架必須滿足一定的強度，分析車架分彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度判斷車架的整體剛度。

3）建立混合動力采伐機車架有限元模型并進(jìn)行靜力學(xué)分析。通過HyperWorks軟件建立混合動力采伐機進(jìn)行有限元分析，根據(jù)各部分承載的重量施加約束和載荷，分析垂直和扭轉(zhuǎn)工況下車架強度。

4）優(yōu)化混合動力采伐機車架結(jié)構(gòu)。建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、變量和設(shè)計變量，驗證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)強度，得到優(yōu)化后模型強度得到提高，并且總體質(zhì)量降低了12.2%。