龍劍群，李耀翔

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

自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真

龍劍群，李耀翔

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

針對目前多數(shù)原木集運(yùn)機(jī)只能完成運(yùn)輸作業(yè)的局限性，采用抓木機(jī)構(gòu)-集運(yùn)拖車集成結(jié)構(gòu)以提高原木裝卸效率。通過構(gòu)建自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)的Creo三維模型，結(jié)合多體動力學(xué)理論，借助ADAMS/View動力學(xué)分析軟件對自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)作業(yè)過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明，自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)平穩(wěn)、無干涉現(xiàn)象，木材抓具抵御瞬態(tài)力水平和動力特性良好，驗證了模型的可靠性與仿真分析方法的可行性。

原木集運(yùn)機(jī)；抓木機(jī)構(gòu)；仿真；動力學(xué)；ADAMS

原木集運(yùn)機(jī)屬于森林采運(yùn)機(jī)械，具有集納原木、運(yùn)輸原木的作用[1]。目前多數(shù)原木集運(yùn)機(jī)僅具有運(yùn)輸功能，在原木裝卸作業(yè)時通常需要借助木材裝載機(jī)配合作業(yè)，木材裝載機(jī)常用于林區(qū)貯木場和木材倉儲保管企業(yè)的木材分類歸楞與配貨裝車作業(yè)。當(dāng)原木裝車量較大時，原木集運(yùn)機(jī)裝卸效率即隨裝車量的增大而減小。為提高原木集運(yùn)機(jī)裝卸效率，本文采用自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)—集運(yùn)拖車集成結(jié)構(gòu)，見圖1。

當(dāng)前計算機(jī)水平迅猛發(fā)展，越來越多研發(fā)設(shè)計人員使用CAD/CAE軟件對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計、仿真與分析，從而達(dá)到縮短研發(fā)周期、提高機(jī)械效率和節(jié)約成本的目的，利用CAD/CAE軟件對于機(jī)械的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析具有顯著的便捷與高效[2]。本文借助Creo Parametric三維設(shè)計軟件對自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械剛性結(jié)構(gòu)建模，通過ADAMS/View多體動力學(xué)分析軟件對模型進(jìn)行剛?cè)徂D(zhuǎn)換，對抓木機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)仿真，判斷仿真模型運(yùn)動是否平穩(wěn)，有無干涉情況，木材抓具是否具有足夠的強(qiáng)度，從而驗證模型的可靠性。

圖1 自裝卸式集運(yùn)機(jī)三維模型

1 多體動力學(xué)原理

MSC.ADAMS采用Lagrange法[3]來構(gòu)建機(jī)構(gòu)動力學(xué)方程：

(1)

s.t.φ(m,t)=0

(2)

(3)

式中：Q為總動能；m為坐標(biāo)陣；F為力矩陣；ρ為完整約束陣；μ為非完整約束矩陣；φ(m，t)=0為完整約束方程；θ(m,m&t)=0為非完整約束方程。

通過牛頓-拉夫森迭代法[4]可得速度方程(4)與加速度方程(5)由(2)式求解：

(4)

(5)

約束力方程(6)由帶乘子的Lagrange方程求解

(6)

2 仿真過程設(shè)計

1為機(jī)座；2、6、9、10為液壓缸；3為立柱；4為主動臂；5為副動臂；7為抓具回轉(zhuǎn)梁；8為抓具鉸接梁；11、12為原木抓具。 圖2 自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)簡圖

抓木機(jī)構(gòu)完成周期作業(yè)主要包括6道工序：①臂架伸展；②抓木對位；③抓取原木；④裝車對位；⑤釋放原木；⑥臂架收縮[6]。自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)仿真分析前，為了理清機(jī)械結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，需對其簡化表示[5]，抓木機(jī)構(gòu)簡圖見圖2。

抓木機(jī)構(gòu)各組成構(gòu)件和相互關(guān)系用如下代碼表示：T為自由度為1的移動副；R為自由度為1的轉(zhuǎn)動副；F為固定(自由度為0)；“_”為相互間構(gòu)成關(guān)系。由此得R1_3(機(jī)座為立柱使用液壓馬達(dá)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副)，T3_4(立柱為主動臂使用液壓缸構(gòu)成移動副)、T4_5(主動臂為副動臂使用液壓缸構(gòu)成移動副)、T5_7(副動臂為抓具回轉(zhuǎn)梁使用液壓缸構(gòu)成移動副)、R7_8(抓具回轉(zhuǎn)梁為抓具鉸接梁使用液壓馬達(dá)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副)、T8_11和T8_12(抓具鉸接梁為木材抓具兩側(cè)使用液壓缸構(gòu)成移動副)，即抓木機(jī)構(gòu)構(gòu)件相互形成的6個連接關(guān)系。不同作業(yè)工序下各連接副工作狀態(tài)見表1。

為保證原木裝卸作業(yè)的連續(xù)性，使用STEP函數(shù)[7]對抓木機(jī)構(gòu)作業(yè)過程進(jìn)行仿真，用STEP(m,t0，s0，t1，s1)表示，函數(shù)關(guān)系式為：

表1 不同作業(yè)工序下各連接副的工作狀態(tài)

*：原木裝卸過程仿真為1周期；原木徑向中心面與臂架XY平面成90°角。

(7)

式中：n=s1-s0；ε=(m-t0)/(t1-t0)；m為時間變量；t0為初始時間量；t1為終了時間量；s0為t0時刻STEP函數(shù)值；s1為t1時刻STEP函數(shù)值。

3 抓木機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真

3.1 初始設(shè)置

圖3 ADAMS動力學(xué)仿真模型

圖4 抓具鉸接點X、Y分量位置、速度和加速度變化情況

ADAMS 2013雖支持直接輸入Creo Parametric中“.ASM”文件，但直接導(dǎo)入不穩(wěn)定且效率低[8]。綜合選優(yōu)最后采用“.x_t”格式轉(zhuǎn)換模型導(dǎo)入ADAMS/View進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。ADAMS/View須將模型進(jìn)行定義與修復(fù)，因?qū)肽Ｐ秃蟛牧系葏?shù)無量綱，且構(gòu)件間無約束關(guān)系，須對其定義與修復(fù)[9-10]。抓木機(jī)構(gòu)設(shè)計尺寸與實際尺寸一致，因此需將抓木機(jī)構(gòu)各構(gòu)件Material Type定義為“.*.steel”(“*”為模型名稱“GZZZ_1208”)，即等于實際尺寸的體積與重量；徑長200 mm、長5000 mm的原木模型Material Type為“.GZZZ_1208.wood”。缸筒—液壓桿定義Translational Joint；主動臂—機(jī)架、主動臂—副動臂、副動臂—抓具回轉(zhuǎn)梁、抓具鉸接梁—抓具定義Rebolute Joint；機(jī)架—Ground定義Fixed Joint。創(chuàng)建原木間、原木與抓具間的Contact關(guān)系，啟用Friction Force(Coulomb)。

圖5 抓具鉸接點X、Y分量受力變化情況

3.2 運(yùn)動干涉檢查

為確定原木集運(yùn)機(jī)新增抓木機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中是否發(fā)生相互干涉，需要進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動干涉檢查[11]。本文采用以下2種方法對自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動干涉檢查：①通過Creo全局干涉檢查功能判斷抓木機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程是否發(fā)生干涉；②通過在ADAMS/View運(yùn)動仿真環(huán)境中抓木機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)判斷機(jī)構(gòu)是否發(fā)生干涉。其中，前者由Creo Parametric自動分析運(yùn)動過程中機(jī)構(gòu)任意時刻發(fā)生干涉情況與否，并在發(fā)生運(yùn)動干涉時保存干涉區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)以備進(jìn)一步分析和改進(jìn)模型，此方法對運(yùn)動干涉具有定量描述；后者在ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動仿真，通過觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程從而對機(jī)構(gòu)模型的運(yùn)動干涉情況給予定性的描述。經(jīng)過以上2種方法測試，自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中并未出現(xiàn)運(yùn)動干涉現(xiàn)象。在ADAMS/View 2013中對抓木機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，仿真過程見圖3。

3.3 仿真結(jié)果分析

Simulation Control步長1000 ms，測量自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)原木抓具模型“ZHUAJU_ ZHUA0_SOLID_1”中心鉸接點X和Y分量位置、速度和加速度與時間關(guān)系，測量結(jié)果見圖4。

由圖4可知，位置隨時間變化曲線得木材抓具在0～150 s裝卸周期內(nèi)運(yùn)動狀態(tài)較為平順，抓具中心鉸接點X分量上最大瞬時速度424.09 mm·s-1，Y分量上最大瞬時速度339.93 mm·s-1。抓具鉸接點X與Y分量上加速度隨時間變化曲線顯示其在0～16 s中波動顯著，由于此過程屬于木材抓具空載對位過程，加速度波動較大是為了迅速對位從而縮短抓木準(zhǔn)備時間，因此并不會對抓木機(jī)構(gòu)構(gòu)成顯著影響，16～150 s中抓具加速度曲線整體走勢平穩(wěn)。抓具鉸接梁“R4_5”抓具中心鉸接點X與Y分量受力與時間關(guān)系見圖5。

抓木過程產(chǎn)生碰撞主要2個因素：原木之間產(chǎn)生的碰撞和原木與木材抓具之間產(chǎn)生碰撞。由圖5可知，在0～150 s中木材抓具X、Y分量受力與時間震蕩顯著，其中抓具X分量最大瞬時力在34.32 s時為+9.9307×105N，抓具Y分量最大瞬時力在80.80 s時為-1.0432×106N。通過Creo Parametric軟件測量木材抓具受力面積區(qū)域之和為0.27 m2，計算出在木材抓具X、Y分量上的最大瞬態(tài)力下所能承受的最大應(yīng)力分別為PX≈3.678 MPa、PY≈3.864 MPa。由于木材抓具X、Y分量上產(chǎn)生的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力，結(jié)果表明在作業(yè)周期內(nèi)瞬態(tài)力波動不會對抓木機(jī)構(gòu)構(gòu)成影響，因此驗證了模型的可靠性。

4 結(jié)論

1)通過作業(yè)周期內(nèi)自裝卸式裝載機(jī)抓木機(jī)構(gòu)木材抓具中心鉸接點X、Y分量上位置、速度和加速度隨時間變化曲線判斷出抓木機(jī)構(gòu)運(yùn)動平穩(wěn)；通過作業(yè)周期內(nèi)自裝卸式裝載機(jī)抓木機(jī)構(gòu)木材抓具中心鉸接點X、Y分量受力隨時間變化曲線判斷抓木機(jī)構(gòu)抓具在受到最大瞬態(tài)力下X、Y分量上的最大應(yīng)力PX和PY仍然小于材料許用應(yīng)力，驗證了模型的可靠性。

2)通過Creo Parametric三維設(shè)計軟件構(gòu)建自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)模型十分便捷；借助ADAMS/View中STEP函數(shù)能夠快速模擬自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)的作業(yè)過程；自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)抓木機(jī)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)良，仿真分析方法可行，便于自裝卸式原木集運(yùn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化與裝卸效率的提升。

[1]鮑際平，劉晉浩，魏占國，等.世界采運(yùn)機(jī)械的采伐方式及發(fā)展進(jìn)程[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，48(8)：2004-2006.

[2]沈嶸楓，周成軍，周新年，等.YP2.0-A遙控跑車虛擬樣機(jī)設(shè)計與仿真[J].福建林業(yè)科技，2014，41(2)：67-69，89.

[3]陳兵，黃華，顧亮.基于多體動力學(xué)理論的履帶車輛懸掛特性仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2005，17(10)：238-241，256.

[4]李山山，宋正河，陳越洋，等.農(nóng)業(yè)機(jī)械底盤機(jī)械式變速箱虛擬裝配[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012，43(S1)：318-322.

[5]鮑震宇，王立海.基于層次分析法的小型多功能集材機(jī)主參數(shù)的優(yōu)化選擇[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，42(4)：131-134.

[6]郭世懷，黃青青，丁小康，等.基于聯(lián)合仿真的林業(yè)采育作業(yè)模擬系統(tǒng)研究[J].森林工程，2014，30(5)：74-78，161.

[7]鄭端生，沈嶸楓，周新年，等.YP2.0-A型遙控跑車減速機(jī)構(gòu)仿真及優(yōu)化[J].福建林業(yè)科技，2013，40(1)：81-84，102.

[8]葛安華，陶鵬，李權(quán)章.基于ADAMS的采伐聯(lián)合機(jī)臂系運(yùn)動學(xué)仿真分析[J].森林工程，2012，28(2)：33-37.

[9]張昌明.基于ADAMS剃齒刀齒面嚙合動力學(xué)分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2013(2)：86-88.

[10]王景欣，范忠誠，史濟(jì)彥.木材抓具抓取速度的實驗研究[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，1992，20(5)：61-65.

[11]李耀翔，龍劍群.基于Creo的木材裝載機(jī)三維建模與工作裝置運(yùn)動仿真[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(15)：4693-4695.

Dynamics Simulation of Log Loader Mechanism of Self-loading and Unloading Forwarders

LONG Jian-qun，LI Yao-xiang

(CollegeofEngineeringandTechnology，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，Heilongjiang，China)

Aiming at the limitation of most forwarders can only work for transporting logs.One concept which combining log loader mechanism with trailers has been proposed to improve the log handling efficiency of forwarders.The model of self-loading and unloading forwarders was constructed based on Creo Parametric 2.0.Dynamics simulation analysis was studied based on MSC.ADAMS 2013.The motion state and dynamic performance of log loader mechanism′s operation process was simulated by ADAMS/View.Kinematic and dynamics parameters on the time curve were drawn separately.The analysis results show that the log loader mechanism of self-loading and unloading forwarders has a state of steady motion.Log grapple has good performance in resisting the transient force and dynamic characteristics.The simulation results verify the feasibility of the model and the reliability of the simulation analysis.

forwarders；log loader mechanism；simulation；dynamics；ADAMS

2014-12-29；

2015-01-26

林業(yè)公益行業(yè)科研專項(201504508)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(DL12EB07-2)

龍劍群(1991—)，男，江西鷹潭人，東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院碩士研究生，從事林業(yè)機(jī)械設(shè)計與仿真研究。E-mail：j0102j@163.com。

李耀翔(1973—)，女，內(nèi)蒙古包頭人，東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院副教授，博士，從事森林工程研究。E-mail：yaoxiangl@yahoo.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.04.011

S782.2；TP391.9

A

1002-7351(2015)04-0053-04