張小珍，楊迎曉

(1.福州職業(yè)技術學院,福建 福州 350108;2.廈門大學嘉庚學院 , 福建 漳州 363105)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，我國對林業(yè)的需求越來越大，并且對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)量差的問題，且對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)機械化是必不可免的。采伐機能實現(xiàn)采伐、去枝、去皮和橫截樹桿的功能，比人工作業(yè)效率高十幾倍[4]。

現(xiàn)很多學者對采伐機工作臂主要從結(jié)構(gòu)、算法上進行了優(yōu)化[5]；衛(wèi)沅[6]通過最小勢能法和最小二乘法進行仿人運動，提高了運動相似度；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)尺寸并進行運動分析，得到更優(yōu)的運動空間；王成軍等[8]研究輕量化截割臂基于拓撲結(jié)構(gòu)理論設計并聯(lián)機構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，不斷提高挖進機工作效率和安全性?，F(xiàn)有的研究中多是針對農(nóng)業(yè)采摘和重工業(yè)的挖掘機，針對林業(yè)機械的工作臂研究較少。因此，本文通過分析采伐機工作臂參數(shù)、材料、結(jié)構(gòu)形式，借助SolidWorks軟件建立工作臂三維模型，計算采伐時采伐機工作臂伸出最長時主臂、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力、位移情況，驗證采伐機工作臂結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 采伐機工作臂機械結(jié)構(gòu)的設計

采伐機工作臂主要由旋轉(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相互擺動，實現(xiàn)豎直方向運動；伸縮臂和副臂構(gòu)成滑塊結(jié)構(gòu)，在液壓力的推動下實現(xiàn)伸縮臂的前后伸縮運動，抓取木材。

圖1 采伐機工作臂機械結(jié)構(gòu)三維模型

1.1 工作臂參數(shù)設計

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

表1 采伐機工作臂主要技術參數(shù)

1.2 工作臂的材料

工作臂材料選用高強度耐磨鋼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，保證其設計的強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)

在采伐機工作臂中，主臂是整個結(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)造簡單、緊湊、輕巧，同時成本低、運動力矩更大，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方式，主臂通過連桿與副臂構(gòu)成連桿機構(gòu)驅(qū)動副臂運動，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)點的設置對采伐機油缸的工作效率影響極為顯著。本工作臂機械結(jié)構(gòu)中有3處油缸：①主臂液壓缸，使用前傾的設計方案，當主臂伸出達到極值的時候，保持整體像右上方傾斜的狀態(tài)；②副臂液壓缸，使用后傾的設計方案，當液壓缸全伸出的時候，主臂被拉伸到極限距離時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)伸縮臂伸展范圍實現(xiàn)液壓缸的伸縮情況。

2 工作臂承載時的最不利狀態(tài)受力分析

通過對采伐機工作臂工作情況進行分析發(fā)現(xiàn)，當主、副臂之間角度最大且伸縮臂伸出長度最大時工作臂的受力狀態(tài)是最不利情況。當每段工作臂均處于水平延伸狀態(tài)時，由于每個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)計算得：M1=295 874 N·m，M2=128 987 N·m，M3=38 674 N·m。

3 采伐機工作臂仿真分析

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

3.1 主臂應力和位移分析

通過ANSYS軟件對主臂進行有限元分析，得到應力云圖和位移云圖，如圖5、圖6所示。

圖5 主臂應力云圖

圖6 主臂位移云圖

由圖5可知，主臂的最大應力值為637 MPa,位于主臂與副臂連接處，小于材料16Mn抗拉強度675 MPa，滿足強度要求。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)，故該設計是合理的。

3.2 副臂應力和位移分析

利用ANSYS軟件對采伐機副臂進行有限元分析，得到副臂應力和位移云圖，如圖7、圖8所示。

圖7 副臂應力云圖

由圖7可知，副臂的最大應力值為48.5 MPa,位于末端連接處，小于材料16Mn抗拉強度675 MPa，滿足強度要求。由圖8可知，主臂最大位移為0.000 314 mm，位于與末端鉸接處。可以看出副臂整體受壓是在可承受范圍內(nèi)，故該設計是可行的。

圖8 副臂位移云圖

4 結(jié)論

結(jié)合采伐機工作臂作業(yè)要求，對其結(jié)構(gòu)進行了設計，并借助ANSYS進行仿真，得到了工作臂主臂與副臂的應力與位移云圖，驗證了工作臂結(jié)構(gòu)滿足設計要求。為今后同類型的林業(yè)機械設計提供了一種便捷、可靠的設計方法，對其他相似的工程機械設計也具有一定的參考價值。