盧 杰，楊鐵濱，邸向輝

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

森林撫育經(jīng)營(yíng)是提高森林質(zhì)量、增加森林資源的根本措施，其主要措施是在未成熟的森林中定期伐除部分林木，通過(guò)撫育伐還可以獲得一部分木材[1]。聯(lián)合伐木機(jī)在山地中進(jìn)行撫育伐，顯示出無(wú)法比擬的先進(jìn)性。針對(duì)目前北美等林業(yè)大國(guó)人工林區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，加快研制高效的聯(lián)合伐木機(jī)伐木頭有一定的重要性[2]。聯(lián)合伐木機(jī)伐木頭的重要工作裝置之一是進(jìn)料輥，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響作業(yè)效率。

現(xiàn)有的聯(lián)合伐木機(jī)伐木頭進(jìn)料輥由于圓周工作面為直齒表面結(jié)構(gòu)，并且沒有減振緩沖零件而導(dǎo)致進(jìn)料不穩(wěn)定。為了解決進(jìn)料輥的上述缺點(diǎn)，本文在Pro/ENGINEER虛擬環(huán)境中進(jìn)行進(jìn)料輥設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，然后改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)，減少進(jìn)料輥開發(fā)費(fèi)用和設(shè)計(jì)周期，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的進(jìn)料輥成品[3]。

1 原理與設(shè)計(jì)

Pro/ENGINEER是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，同時(shí)是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)功能[4]。

進(jìn)料輥虛擬樣機(jī)構(gòu)建流程：在Pro/ENGINEER環(huán)境中建立零部件，然后部件組裝，再裝配成進(jìn)料輥的三維實(shí)體模型，最后添加適當(dāng)?shù)募s束和驅(qū)動(dòng)，使其成為虛擬樣機(jī)，如圖1所示。

圖1 進(jìn)料輥虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)流程圖

1.1 零部件的建立

進(jìn)料輥主要由輥軸本體、齒輪輥套、壓縮彈簧、圓環(huán)固定片組成。

(1)輥軸本體。它是連接齒輪輥套和液壓馬達(dá)輸出端的關(guān)鍵零件。在輥軸本體中心軸向陣列的6個(gè)連接孔與液壓馬達(dá)輸出端相連接。在圓周上軸向陣列6個(gè)凹形槽A，每個(gè)凹形槽A內(nèi)設(shè)兩個(gè)彈簧定位孔。其兩端面各軸向陣列6個(gè)螺孔，如圖2所示。

(2)壓縮彈簧。它是設(shè)在彈簧定位孔的減振緩沖零件。建模時(shí)，其外徑與彈簧定位孔的直徑相等，設(shè)定好其自由長(zhǎng)度，如圖3所示。

圖2 進(jìn)料輥輥軸本體

圖3 進(jìn)料輥壓縮彈簧

(3)齒輪輥套。它是直接與伐倒木表面接觸的零件。其設(shè)計(jì)的好壞對(duì)作業(yè)效率有著主要影響。其圓周內(nèi)側(cè)軸向陣列的6個(gè)定位凸臺(tái)與輥軸本體的凹形槽A相對(duì)應(yīng)，并且定位凸臺(tái)中開設(shè)凹形槽B。齒輪輥套的圓周工作面采用弧形齒凹形表面結(jié)構(gòu)，其主要特征：一個(gè)弧形齒齒頂所對(duì)應(yīng)的圓周半徑大小。為了保證采伐作業(yè)高效性，在確定其圓周工作面的結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)林區(qū)的樹木胸徑范圍確定一個(gè)弧形齒齒頂所對(duì)應(yīng)的圓周半徑，進(jìn)而確定齒輪輥套的型號(hào)，如圖4所示。

(4)圓環(huán)固定片。它是通過(guò)墊片、螺釘固定在輥軸本體上的零件。建模時(shí)，選擇適合內(nèi)外半徑，保證輥軸本體和齒輪輥套不發(fā)生相對(duì)軸向位移，如圖5所示。

圖4 進(jìn)料輥齒輪輥套

圖5 進(jìn)料輥圓環(huán)固定片

1.2 具體技術(shù)方案

凹形槽A內(nèi)的彈簧定位孔設(shè)有壓縮彈簧，齒輪輥套內(nèi)壁對(duì)應(yīng)凹形槽A圓周陣列有定位凸臺(tái)，定位凸臺(tái)兩側(cè)的徑向平面與凹形槽A兩側(cè)的徑向平面相對(duì)應(yīng)，定位凸臺(tái)中間設(shè)有寬度與壓縮彈簧外徑等長(zhǎng)的凹形槽B，壓縮彈簧兩端分別與彈簧定位孔底面和凹形槽B底面相抵觸，以利于減少進(jìn)給伐倒木時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，提高進(jìn)料穩(wěn)定性[5]。

齒輪輥套的圓周工作面采用弧形齒凹形表面結(jié)構(gòu)，以利于增大圓周工作面與伐倒木的接觸面積，提高夾抱穩(wěn)定性。

凹形槽A、定位凸臺(tái)的數(shù)量各大于6。

兩個(gè)圓環(huán)固定片通過(guò)墊片和螺釘固定在輥軸本體的兩端，使輥軸本體和齒輪軸套不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)軸向位移。

1.3 虛擬樣機(jī)的裝配

裝配就是將加工好的成千上萬(wàn)個(gè)零件按一定的順序和技術(shù)連接到一起，成為一部完整的機(jī)械產(chǎn)品，并且可靠地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的功能。因此裝配是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。

根據(jù)從內(nèi)到外的原則，依次裝配輥軸本體、壓縮彈簧、齒輪輥套、圓環(huán)固定片、墊片、螺釘。值得注意的是，在裝配體中創(chuàng)建撓性約束是為了確保具有撓性的元件(壓縮彈簧)能夠適應(yīng)不同或不斷變化的要求。在設(shè)置這類約束時(shí)，需要設(shè)置元件或組件尺寸、特性和公差等參數(shù)。

新建裝配文件，向裝配文件中增加元件完成進(jìn)料輥的裝配，進(jìn)料輥虛擬樣機(jī)模型如圖6所示。

等裝配好后，可以利用Pro/ENGINEER分解視圖的功能，對(duì)進(jìn)料輥虛擬樣機(jī)的各個(gè)元件從裝配中分解出來(lái)，形成分解圖(爆炸圖)。在進(jìn)行分解時(shí)，Pro/ENGINEER系統(tǒng)將根據(jù)先前的各個(gè)零件的約束條件將進(jìn)料輥虛擬樣機(jī)形成自動(dòng)爆炸圖[7]。由于自動(dòng)爆炸視圖不一定能準(zhǔn)確清楚表達(dá)各個(gè)零件的相對(duì)位置，故需要自定義爆炸圖[8]。通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)、視圖平面、復(fù)制位置、隨子項(xiàng)移動(dòng)，可以把分解視圖的各個(gè)元件調(diào)整到合適的位置，從而清晰地表現(xiàn)出各元件的相對(duì)方位，形成最終爆炸圖，如圖7所示。

圖6 進(jìn)料輥裝配示意圖

圖7 進(jìn)料輥爆炸圖

2 進(jìn)料輥運(yùn)動(dòng)仿真

Pro/ENGINEER中有一個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊，可對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真[9]?，F(xiàn)對(duì)一個(gè)弧形齒齒頂所對(duì)應(yīng)的圓周半徑為200 mm的進(jìn)料輥在伐木頭一個(gè)采伐作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真[10]。在仿真過(guò)程中，對(duì)伐木頭進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留進(jìn)料輥相應(yīng)的液壓馬達(dá)、液壓缸和伐木頭主要尺寸，以便于能清楚分析進(jìn)料輥運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程：當(dāng)各個(gè)零部件通過(guò)裝配模塊組裝成一個(gè)只顯示進(jìn)料輥和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)裝置的伐木頭后，就可以在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析模塊中根據(jù)設(shè)計(jì)意圖定義機(jī)構(gòu)中的連接、設(shè)置伺服馬達(dá)。通過(guò)液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)料輥的擺動(dòng)，通過(guò)液壓馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)料輥的旋轉(zhuǎn)。然后運(yùn)行機(jī)構(gòu)分析，觀察機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)軌跡和各零件之間的相互運(yùn)動(dòng)，以檢驗(yàn)進(jìn)料輥的干涉情況。此外，在該模塊中還可以進(jìn)行各種測(cè)量工作[11]。

本設(shè)計(jì)中進(jìn)料輥的作業(yè)過(guò)程共15s，其中7～12s是進(jìn)料輥進(jìn)給伐倒木的時(shí)間范圍。添加的8個(gè)伺服馬達(dá)中，液壓馬達(dá)1、液壓馬達(dá)2是驅(qū)動(dòng)進(jìn)料輥旋轉(zhuǎn)的伺服馬達(dá)，其余是驅(qū)動(dòng)進(jìn)料輥擺動(dòng)的伺服馬達(dá)。每個(gè)伺服馬達(dá)的作業(yè)時(shí)間范圍見表1。

表1 伺服馬達(dá)作業(yè)時(shí)間范圍

通過(guò)多次運(yùn)動(dòng)仿真，在定義的坐標(biāo)軸上，確定活塞合理的運(yùn)動(dòng)范圍為-39～-67 mm，如圖8所示。

圖8 活塞位置仿真數(shù)據(jù)

在進(jìn)料輥仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，得出進(jìn)料輥上A點(diǎn)的速度、加速度仿真數(shù)據(jù)，如圖9和圖10所示，以及進(jìn)料輥上A、B的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖11所示。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析后，創(chuàng)建代表全部運(yùn)動(dòng)的多面實(shí)體運(yùn)動(dòng)包絡(luò)模型，如圖12所示。從圖12中可以觀察得出，兩個(gè)進(jìn)料輥在采伐作業(yè)過(guò)程中無(wú)碰撞。測(cè)得多面實(shí)體運(yùn)動(dòng)包絡(luò)模型最大長(zhǎng)度1 308 mm，最大寬度645 mm，最大高度706 mm，掌握作業(yè)空間范圍，有利于降低對(duì)非作業(yè)對(duì)象的損傷度。

圖9 進(jìn)料輥上A點(diǎn)速度仿真數(shù)據(jù)

圖10 進(jìn)料輥上A點(diǎn)加速度仿真數(shù)據(jù)

圖11 進(jìn)料輥上A、B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖12 伐木頭運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)伐木頭進(jìn)料輥的設(shè)計(jì)要求，確定進(jìn)料輥的齒輪輥套的圓周工作面采用弧形齒凹形表面結(jié)構(gòu)，在齒輪輥套和輥軸本體之間設(shè)有壓縮彈簧。進(jìn)料輥?zhàn)鳂I(yè)總時(shí)間范圍是0～15 s，進(jìn)給時(shí)間范圍是7～12 s。多面實(shí)體運(yùn)動(dòng)包絡(luò)模型最大長(zhǎng)度1 308 mm，最大寬度645 mm，最大高度706 mm，兩個(gè)進(jìn)料輥在采伐作業(yè)過(guò)程中無(wú)碰撞。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的進(jìn)料輥滿足要求。

伐木頭進(jìn)料輥的設(shè)計(jì)研究，為下一步的有限元應(yīng)力分析做好準(zhǔn)備，也為實(shí)際樣機(jī)生產(chǎn)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。同時(shí)，縮短了進(jìn)料輥的研制周期，降低了設(shè)計(jì)成本，對(duì)現(xiàn)代森工裝備的研發(fā)具有一定的參考意義。

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