(中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

隨著社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，林業(yè)戰(zhàn)略由采伐轉(zhuǎn)型為營(yíng)林護(hù)林，林區(qū)作業(yè)車(chē)輛的研究依然是林區(qū)機(jī)械領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1]。目前我國(guó)林業(yè)設(shè)備功能單一、體積較大、活動(dòng)區(qū)域有限。本文研究的林區(qū)作業(yè)平臺(tái)小巧靈活，適應(yīng)林區(qū)濃密復(fù)雜的工作環(huán)境，可在林地保護(hù)、林區(qū)建設(shè)、果園、人工園林景觀等的農(nóng)林建設(shè)上發(fā)揮重大作用。作業(yè)平臺(tái)獨(dú)特的臂架結(jié)構(gòu)決定了它性能的優(yōu)越性，主要利用臂架的回轉(zhuǎn)、變幅、伸縮、夾取等功能達(dá)到作業(yè)需求。實(shí)際作業(yè)時(shí)，利用夾具夾取各種物料，包括木材、木料、防護(hù)架、護(hù)欄等，實(shí)現(xiàn)物料的裝卸和搬運(yùn)。

工作裝置是林區(qū)作業(yè)平臺(tái)最主要的承載結(jié)構(gòu)件，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整機(jī)的性能，因此，必須保證它的強(qiáng)度和剛度。本文采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)工作裝置危險(xiǎn)區(qū)域的截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，這對(duì)整機(jī)臂架設(shè)計(jì)，在節(jié)省材料，提高品質(zhì)，開(kāi)發(fā)安全、實(shí)用的作業(yè)平臺(tái)方面具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

林區(qū)作業(yè)平臺(tái)主要由履帶底盤(pán)、回轉(zhuǎn)裝置、升降臂、伸縮臂、夾具等組成，其整機(jī)結(jié)構(gòu)總成如圖1。

圖1 作業(yè)平臺(tái)整機(jī)結(jié)構(gòu)總成

臂架結(jié)構(gòu)總成如圖2所示。工作時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)1和履帶底盤(pán)通過(guò)回轉(zhuǎn)裝置連接起來(lái)，整個(gè)臂架可實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)。升降油缸2推動(dòng)主連桿3升降運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)組成的升降臂4完成升降運(yùn)動(dòng)，升降臂4的運(yùn)動(dòng)角度0°～60°；變幅油缸6實(shí)現(xiàn)伸縮臂8的俯仰運(yùn)動(dòng)，伸縮臂8的運(yùn)動(dòng)角度0°～60°；伸縮油缸7實(shí)現(xiàn)伸縮臂8的伸縮運(yùn)動(dòng)，伸縮臂的最大行程為500 mm；擺臂油缸9推動(dòng)飛臂連桿11實(shí)現(xiàn)飛臂10和夾具俯仰運(yùn)動(dòng)，飛臂和夾具的上下運(yùn)動(dòng)角度-100°～0°；夾具可通過(guò)夾具油缸12實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)，夾具左右擺動(dòng)±46°；夾具左鉗14固定，夾緊油缸15推動(dòng)夾具右鉗16夾取物料，接頭部分可實(shí)現(xiàn)夾具的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，便于夾取物料。

圖2 臂架結(jié)構(gòu)總成

林區(qū)作業(yè)平臺(tái)在不同工況下，工作裝置所受載荷不同，其危險(xiǎn)截面和應(yīng)力集中部位也有差異，飛臂的俯仰運(yùn)動(dòng)在-100°到0°之間，夾具的左右擺動(dòng)為±46°，根據(jù)工作裝置的結(jié)構(gòu)受力特性，選擇所有工作狀態(tài)中工作裝置相對(duì)危險(xiǎn)的兩種工況進(jìn)行分析，即整個(gè)工作裝置在向下偏轉(zhuǎn)30°時(shí)的工況和夾具油缸伸出至最大行程時(shí)的工況。

工況一：飛臂變幅為-30°，夾具油缸伸出至水平，工作載荷250 kg；

工況二：飛臂水平，夾具油缸伸出至最大行程，即向左偏轉(zhuǎn)46°，工作載荷250 kg。

2 工作裝置靜力分析

2.1 有限元分析前處理

(1)定義材料

工作裝置的零部件有飛臂、飛臂連桿、接頭、夾具及液壓油缸。幾種零部件的材料選用常用的低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345、45鋼。飛臂、飛臂連桿和夾具選用Q345，液壓油缸選用45鋼。材料屬性參數(shù)如表1 。表1

材料參數(shù)

(2)載荷和約束

工作裝置在危險(xiǎn)工況時(shí)受到的載荷有起吊重物的重力、本身具有的重力、自然界的風(fēng)載荷等，風(fēng)載荷作用于臂架的側(cè)面，此處可忽略，其他載荷添加在實(shí)際所在的位置處，具體如下：

在飛臂左端施加固定約束；在液壓缸與飛臂、飛臂與接頭、液壓缸與夾具等鉸接處添加遠(yuǎn)端位移約束，根據(jù)實(shí)際工況限制不同方向的自由度。將工作裝置的自重G添加在分析模型上，方向沿Y軸負(fù)方向；在夾具末端添加最大工作載荷Q=2500 N，方向沿Y軸負(fù)方向；兩種工況所設(shè)置的約束條件相同。

2.2 靜力分析結(jié)果

對(duì)工作裝置進(jìn)行有限元分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到工作裝置在兩種危險(xiǎn)工況下的等效應(yīng)力圖和變形圖，如圖3-圖6。

圖3 工況一等效應(yīng)力云圖

圖4 工況一變形圖

圖5 工況二等效應(yīng)力云圖

圖6 工況二變形圖

根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，取安全系數(shù)1.9，計(jì)算得材料的許用應(yīng)力為181 MPa。從等效應(yīng)力云圖和變形圖的結(jié)果可以看出，兩種工況的最大應(yīng)力都在接頭處，最大應(yīng)力值分別為146.25 MPa和178.66 MPa。小于材料的許用應(yīng)力181 MPa；最大變形發(fā)生在夾具的端部，最大變形量分別為2.34 mm和2.47 mm，在臂架長(zhǎng)度的千分之一內(nèi)。分析結(jié)果表明，兩種工況的最大應(yīng)力值、最大變形值都小于材料的許用應(yīng)力和變形。因此，工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本滿足作業(yè)安全要求，但是在工況二時(shí)，應(yīng)力分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力值比較接近材料的許用應(yīng)力值，在實(shí)際作業(yè)中，有發(fā)生斷裂的可能性，為了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，還需要對(duì)接頭進(jìn)行優(yōu)化和加強(qiáng)處理，減小危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中。

3 工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 接頭參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)以上分析的兩種工況應(yīng)力和變形圖可以看出，除了接頭處的應(yīng)力值較大外，其余部分的應(yīng)力都比較小，對(duì)接頭進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，將接頭截面尺寸作為參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，r1表示X方向軸的最大外徑，r2表示Y方向套筒的最大外徑，此處都用半徑表示，單位為mm。如圖7所示。

圖7 接頭截面參數(shù)

在DOE中，將r1、r2作為輸入?yún)?shù)，在工況二的有限元分析結(jié)果中，將最大變形和最大應(yīng)力作為輸出參數(shù)。進(jìn)行分析時(shí)，輸入r1、r2的上下限值，如表2所示。接著更新參數(shù)化分析，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成若干組設(shè)計(jì)值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析后的9組結(jié)果如表3所示。由結(jié)果可見(jiàn)，最大變形在2.11～2.47 mm之間，第5組變形量最小，第6、7組變形量最大；最大應(yīng)力在142～179 MPa之間，第4組最大應(yīng)力值最小，第6、7組最大應(yīng)力值最大。9組數(shù)據(jù)結(jié)果均小于許用變形應(yīng)力值，滿足設(shè)計(jì)剛度強(qiáng)度要求。說(shuō)明r1、r2的上下限值符合設(shè)計(jì)要求，但9組數(shù)據(jù)并不是最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，因此需要進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表2 輸入?yún)?shù)上下限值

表3 9組設(shè)計(jì)點(diǎn)輸入輸出值

3.2 多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化

在Optimization中設(shè)置P14、P13的設(shè)計(jì)目標(biāo)為Minimize，選擇遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，更新后得到三組候選點(diǎn)，如圖8所示。Candidate Point 1最大應(yīng)力值最大，最大變形量最小，而Candidate Point 2的最大應(yīng)力值最小，且最大應(yīng)力值、最大變形量相對(duì)于優(yōu)化前都有所改善。因此，這里選取Candidate Point 2作為最終優(yōu)化點(diǎn)。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，r1=23.738 mm，圓整到24 mm，r2=25.655 mm，圓整到26 mm，將圓整后的數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)計(jì)點(diǎn)更新進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算得最大變形2.66 mm，最大應(yīng)力139.2 MPa，最大應(yīng)力降低了22.09%。

圖8 三組候選優(yōu)化點(diǎn)

3.3 臂架截面整體性能優(yōu)化

在r1、r2優(yōu)化的基礎(chǔ)上，取最終優(yōu)化值r1=24 mm、r2=26 mm計(jì)算出最大變形2.66 mm，最大應(yīng)力139.2 MPa，結(jié)合前文兩種工況的等效應(yīng)力和變形圖可以看出，工作裝置中除接頭處應(yīng)力較大外，其余零件的應(yīng)力都很小，即飛臂的應(yīng)力值較小。因此，可以對(duì)林區(qū)作業(yè)平臺(tái)的飛臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)飛臂截面板材的厚度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到減重的目的。輕量化設(shè)計(jì)的目的就是在節(jié)省材料的同時(shí)還要滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度剛度要求。

優(yōu)化時(shí)將飛臂的左右截面a1厚度設(shè)置在3～6 mm之間，上下截面a2厚度設(shè)置在2～5 mm之間，選取最小值a1=3 mm，a2=2 mm進(jìn)行分析，如圖9所示。設(shè)置材料許用應(yīng)力181 MPa，此時(shí)，Max所指區(qū)域?yàn)閼?yīng)力較大處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在左右截面上，在這個(gè)板厚情況下，飛臂有實(shí)效的風(fēng)險(xiǎn)。同理，在a1=4 mm，a2=3 mm時(shí)分析飛臂的最大應(yīng)力為169.03 MPa，滿足要求。可見(jiàn)，a1的臨界值3～4 mm，a2的臨界值2～3 mm。因此，在飛臂不失效的情況下，將飛臂的左右截面a1厚度由6 mm減少到4 mm，上下截面a2厚度由5 mm減少到3 mm，優(yōu)化完模型后再對(duì)工況二進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力和變形如圖10、圖11。

圖9 a1、a2最小值時(shí)飛臂的等效應(yīng)力云圖

圖10 優(yōu)化后工況二等效應(yīng)力云圖

圖11 優(yōu)化后工況二變形圖

工作裝置整體性能優(yōu)化后各項(xiàng)參數(shù)如表4所示，優(yōu)化后工作裝置的最大應(yīng)力減少了22.06%，總質(zhì)量減少了10.26%，優(yōu)化后工作裝置的應(yīng)力分布更均勻，剛度符合要求，也節(jié)省了材料，達(dá)到了減重的目的。

表4 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用Inventor、ANSYS等軟件對(duì)林區(qū)作業(yè)平臺(tái)的工作裝置進(jìn)行建模和分析，得出兩種危險(xiǎn)工況下的最大應(yīng)力和變形情況。分析結(jié)果表明：工作裝置在危險(xiǎn)工況下均滿足強(qiáng)度和剛度的要求。此外，對(duì)應(yīng)力最大位置即接頭進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)優(yōu)化，分析得到最優(yōu)截面尺寸；接著，用多目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化更新得到了最佳候選點(diǎn)的數(shù)值，確定了最終的設(shè)計(jì)參數(shù)，最后，對(duì)飛臂截面進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)本文的優(yōu)化，林區(qū)作業(yè)平臺(tái)兩種危險(xiǎn)工況的最大應(yīng)力、總重量都有所減小，因此證明了此設(shè)計(jì)優(yōu)化符合實(shí)際工作要求。