李樹(shù)森,張巖,陳素萍

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江　哈爾濱150040)

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基于Adams車(chē)載式裝卸機(jī)抓具的設(shè)計(jì)與分析

李樹(shù)森,張巖,陳素萍

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：車(chē)載式裝卸機(jī)是林業(yè)機(jī)械領(lǐng)域重要研究?jī)?nèi)容。主要采用三維建模和虛擬樣機(jī)測(cè)試的方法對(duì)裝卸機(jī)抓具開(kāi)展了動(dòng)靜態(tài)特性研究，結(jié)果表明，抓具的結(jié)構(gòu)和顎爪的弧度對(duì)抓取性能有著重要的影響；同步器的長(zhǎng)度影響液壓缸動(dòng)力分配和顎爪的磨損；根據(jù)液壓缸的輸出特性推斷抓取情況。研究結(jié)果將對(duì)同類(lèi)收集裝卸機(jī)械設(shè)計(jì)和研究提供參考。

關(guān)鍵詞：林業(yè)機(jī)械；液壓木材抓具；虛擬樣機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；加載測(cè)試

提高林區(qū)剩余物的利用率，是提高木材綜合利用率的重要途徑之一。多年的采伐使得可砍伐的木材胸徑從2000年的30cm下降到現(xiàn)在不足18cm，木材胸徑變小導(dǎo)致現(xiàn)有的木材抓具在結(jié)構(gòu)上已不能滿(mǎn)足對(duì)小徑木材的抓取要求，導(dǎo)致集材的對(duì)象也由大徑木、原條向小徑木和枝椏材剩余物轉(zhuǎn)變。由于采伐剩余物的體積大、彎曲度大、密度小、運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致收集和運(yùn)輸效率低且成本高，加之中國(guó)缺乏專(zhuān)業(yè)從事林區(qū)剩余物撿拾和運(yùn)輸設(shè)備，致使大量的剩余物遺棄在林區(qū)不能運(yùn)回利用。因此，嚴(yán)重地制約了中國(guó)林區(qū)剩余物的利用[1]。

根據(jù)中國(guó)目前的森林工業(yè)木材生產(chǎn)的實(shí)際狀況，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的林業(yè)機(jī)械設(shè)備的技術(shù)，結(jié)合中國(guó)實(shí)際情況研究，開(kāi)發(fā)林區(qū)剩余物集運(yùn)機(jī)，對(duì)提高中國(guó)森林經(jīng)營(yíng)和撫育關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備的研發(fā)和制造能力具有重要意義。車(chē)載式裝卸機(jī)主要收集小徑木與林區(qū)剩余物，并與打捆裝置配套使用，可以顯著地提高裝載運(yùn)輸效率。

抓具是集運(yùn)機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，主要起到吊裝和集材的作用，其性能應(yīng)滿(mǎn)足裝卸木材要求；抓具的起升載荷包括抓取物料的重量和自身重量。根據(jù)抓具結(jié)構(gòu)不同可分為液壓式、繩索式、機(jī)械式、電動(dòng)葫蘆式等[2]。本文設(shè)計(jì)的車(chē)載式裝卸機(jī)主要由汽車(chē)、臂架、抓具和集材車(chē)廂等組成。國(guó)內(nèi)目前使用的集材機(jī)械和抓具大多有自重較大、抓腔大且對(duì)小徑木抓取能力弱等特點(diǎn)，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗損功率大。本文主要討論設(shè)計(jì)一種對(duì)小徑木材具有良好抓取能力并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕等特點(diǎn)的抓具。

集材機(jī)工作對(duì)象：小徑木(13～18cm)、枝椏材、林區(qū)剩余物等。車(chē)廂在設(shè)計(jì)上采用兩種結(jié)構(gòu)，所以要求抓具對(duì)大徑(20～44cm)木材具有一定的抓取能力。

集材機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　車(chē)載式裝卸機(jī)

1液壓木材抓具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

本文設(shè)計(jì)的液壓木材抓具的原理圖如圖2所示。

圖2　抓具原理圖

抓具需結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)力充足。由圖2得知，抓具為6桿機(jī)構(gòu)，臥式油缸布局，兩顎爪鉸接于承重梁(4)上，液壓缸鉸接于兩顎爪頂部，機(jī)構(gòu)自由度為ω=3n-2P=1，通過(guò)控制液壓缸的伸縮即可完成抓具的開(kāi)閉動(dòng)作。在工況時(shí)刻液壓缸推動(dòng)活塞桿，外顎爪收縮，同時(shí)與外顎爪連接的同步器推動(dòng)內(nèi)顎爪連接位置，使內(nèi)爪收縮完成夾取動(dòng)作。液壓缸收縮拉動(dòng)活塞桿和外爪向外移動(dòng)同時(shí)通過(guò)外爪連接點(diǎn)拉動(dòng)同步器，同步器與內(nèi)爪相鉸接內(nèi)爪張開(kāi)完成動(dòng)作。

根據(jù)上述公式可知在主要結(jié)構(gòu)確定的情況下可以改變工作壓力、動(dòng)力臂長(zhǎng)度、阻力臂長(zhǎng)度、液壓缸直徑等。

表1　抓具的基本參數(shù)

參考設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)要求，最終推算出設(shè)計(jì)抓具的抓取力為20.08kN。

承重梁下部為鋸齒狀同時(shí)搭配顎爪弧度以便卡住木材減少其在抓具中軸向串動(dòng)。在連接部分上部采用梯形箱體便于連接和提高工作強(qiáng)度，并且可以有效地減輕重量，降低對(duì)液壓系統(tǒng)的壓力需求[3]。

1.2顎爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

缸體連接一側(cè)稱(chēng)為內(nèi)顎爪，液壓桿推動(dòng)一側(cè)稱(chēng)為外顎爪。顎爪的弧度要求對(duì)木材具有一定的包容性和導(dǎo)向性。要求能改善木材在抓取時(shí)受力點(diǎn)和受力方向，便于木材在抓具內(nèi)的弧形區(qū)域內(nèi)滑動(dòng)或滾動(dòng)，直接地降低阻力對(duì)抓取的影響，減小阻力臂的長(zhǎng)度。

內(nèi)外顎爪采用全新設(shè)計(jì)，對(duì)加強(qiáng)板位置尺寸、顎爪弧度、鉸接點(diǎn)結(jié)構(gòu)、顎爪截面形狀等進(jìn)行了優(yōu)化。

圖3　內(nèi)顎爪的外形

內(nèi)顎爪提高液壓缸安裝位置增加動(dòng)力臂，底部的“鏟型”提高顎爪對(duì)木材的“收攏”性能。

圖4　外顎爪的外形

外顎爪的設(shè)計(jì)和內(nèi)顎爪相似，設(shè)計(jì)需要保證兩顎爪在閉合時(shí)具有包容性，另外顎爪的寬度大于內(nèi)顎爪10～15mm，防止發(fā)生因受力變形而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

在設(shè)計(jì)中對(duì)顎爪的弧度進(jìn)行了多種假設(shè)，經(jīng)過(guò)計(jì)算和仿真比較之后得知抓腔弧度與液壓缸輸出力成反比，各個(gè)桿件受力也隨著弧度增加而明顯下降，但弧度過(guò)于“圓滑”導(dǎo)致顎爪的尺寸和重量明顯上升，同時(shí)在顎爪尖端失去“鏟子”而降低對(duì)木材的收攏能力，顎爪閉合時(shí)木材與顎爪在一定時(shí)間內(nèi)處于“脫離”狀態(tài)最終導(dǎo)致木材脫落。

顎爪截面設(shè)計(jì)采用Γ形，相比于工字型和箱型在結(jié)構(gòu)上重量減少了43%和31%，Γ形橫截面可以增加木材抓取時(shí)的受力面積，減少木材損傷，改善因木材自重和抓具與木材接觸不良時(shí)引起受力不均而導(dǎo)致的變形所引起的兩顎爪相互干涉。

內(nèi)外顎爪的設(shè)計(jì)需考慮同步器位置。

1.3抓具同步器敏感程度分析

同步器的作用使得內(nèi)外顎爪能夠在張開(kāi)和閉合時(shí)速度和狀態(tài)達(dá)到同步。在設(shè)計(jì)過(guò)程中同步器長(zhǎng)度直接影響液壓缸的動(dòng)力分配、兩顎爪工作的穩(wěn)定性和內(nèi)外顎爪的磨損，由于采用“外低內(nèi)高”的布局，經(jīng)模擬外顎爪對(duì)同步器的長(zhǎng)度因素異常敏感。

若同步器長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)則左側(cè)內(nèi)顎爪開(kāi)閉速度過(guò)快，閉合效果下降。長(zhǎng)度過(guò)短則外顎爪開(kāi)閉幅度降低。

經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和模擬，得知尺寸在540～542mm為最佳，本設(shè)計(jì)采用540mm。驗(yàn)證和計(jì)算同步器的長(zhǎng)度主要參考對(duì)象為兩顎爪在抓取時(shí)動(dòng)力分配誤差。

由于液壓缸直接推動(dòng)外顎爪，而內(nèi)顎爪既受到缸體的推動(dòng)作用又受到同步器的調(diào)節(jié)作用，影響因素較多，所以采用F4作為基準(zhǔn)值以便比較。

圖5　同步器的外形

圖5為同步器的外形。為了強(qiáng)度的需要可以增加同步器的數(shù)量，也可以對(duì)同步器進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹澢耘浜献ゾ叩淖デ恍螤頪4]。

2抓具虛擬樣機(jī)測(cè)試

2.1抓具工況模擬

將SolidWorks三維模型輸入Adams軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算。

抓具要求對(duì)大徑木有一定的集材能力，并且質(zhì)量大的原木對(duì)抓具結(jié)構(gòu)要求較高[5]。設(shè)定工作壓力17MPa，液缸活塞桿內(nèi)徑80mm，最大推力約85kN。

圖6　虛擬樣機(jī)中工況模擬

圖6中抓具3在Adams軟件中定義液壓缸輸出力速度100mm/s，輸出力85kN，內(nèi)外顎爪鉸接于抓具3箱體上，同步器鉸接于兩顎爪之上，顎爪長(zhǎng)度750mm。

模擬對(duì)象兩根最大直徑為440mm的原木，長(zhǎng)度為4 000mm，總重量500kg。

設(shè)定摩擦木材—木材動(dòng)、靜摩擦系數(shù)分別為0.3和0.4，木材—顎爪動(dòng)、靜摩擦系數(shù)為0.2和0.3。

添加碰撞木材1和木材2；木材1和左側(cè)顎爪；木材2和右側(cè)顎爪；木材1和抓具3箱體；木材2抓具3箱體。

模擬條件顎爪在最大開(kāi)度1 200mm處在液壓缸的推動(dòng)下抓取木材1和2直至完全抓取的過(guò)程。

通過(guò)在虛擬樣機(jī)中的反復(fù)模擬得到液壓缸輸出數(shù)據(jù)、各個(gè)桿件之間的受力、木材之間的受力、抓取受力以及同步器受力圖線[6]。

2.2對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析

下列各圖中橫軸表示時(shí)間，縱軸表示受力。經(jīng)公式F=p·πR2，初步計(jì)算液壓缸輸出力為85kN。并且每幅圖中都添加了液壓缸曲線作為參考。在Adams軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，并且排除0點(diǎn)干擾和不合理數(shù)據(jù)得到，x=[9.21,9.25,9.29,9.32,9.33,9.35,9.4,9.44，9.49,9.55,9.64,9.67];y=[470,46 770,31 082,3 581,26 029,69 418，43 833,39 155,43 696,35 692,3 337,34 085]。

圖7　液壓缸輸出F1

圖7中紅色線代表液壓缸在工作時(shí)的壓力輸出特性曲線，在時(shí)間為約9.32s時(shí)原木被兩顎爪夾持，而后圖線上升至最高點(diǎn)61.5kN，顎爪弧度改善抓取性能，極值點(diǎn)后逐漸下降。

最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行曲線擬合，對(duì)結(jié)果進(jìn)行篩選在其基礎(chǔ)上舍去X=9.21，9.25，9.29和Y=470，467 70，310 82。

圖8　液壓特性曲線擬合

計(jì)算得到液壓缸在抓具對(duì)木材夾取時(shí)的輸出力的六階多項(xiàng)式，Y=-9.485 2×109X6+5.413 1×1011X5-1.287 1×1013X4+1.632 2×1014X3-1.164 3×1015X2+4.429×1015X-7.109 9×1015③。

圖9　顎爪夾持力F2

圖9中細(xì)線代表木材所受夾持力極值為23.3kN，在液壓缸輸出峰值部分亦出現(xiàn)極值18.8kN，此刻抓具收攏木材初夾取的時(shí)間點(diǎn)。9.6s之后的小波動(dòng)的增加是由于木材被抓起時(shí)受重力的影響。

圖10　外顎爪轉(zhuǎn)軸受力F3

圖11　內(nèi)顎爪轉(zhuǎn)軸受力F4

圖10～11細(xì)實(shí)線即為內(nèi)鄂爪與外鄂爪轉(zhuǎn)軸受力，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)軸受力情況的觀察可以了解到當(dāng)轉(zhuǎn)軸受力達(dá)到最大值，圖10～11中顎爪抓取力最大值別為115.2kN和115.9kN，兩顎爪在動(dòng)力分配誤差小于1%。液壓缸輸出最大值也是木材初被抓取時(shí)刻，點(diǎn)接觸達(dá)到極限，最后轉(zhuǎn)軸承受力上升即為木材被完全抓取時(shí)受重力的影響。根據(jù)內(nèi)外顎爪受力圖線可以得知在受力情況上兩爪轉(zhuǎn)軸承受力相似但內(nèi)顎爪結(jié)構(gòu)緊湊故對(duì)外顎爪進(jìn)行分析。

在整個(gè)結(jié)構(gòu)中同步器至關(guān)重要，采用兩根同步器并聯(lián)每根受力35.6kN。

3Simulation軟件下的加載測(cè)試

內(nèi)、外鄂爪在加工過(guò)程中還可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖兘孛嫘螤顏?lái)進(jìn)一步增加桿件的剛度和減少重量。

圖12　Simulation加載下的顎爪轉(zhuǎn)軸應(yīng)變?cè)茍D

圖12 Simulation加載下的顎爪轉(zhuǎn)軸應(yīng)變?cè)茍D，添加自由度。根據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)對(duì)顎爪的轉(zhuǎn)軸加載討論應(yīng)力和應(yīng)變驗(yàn)證。增加載荷模擬轉(zhuǎn)軸受力，將圖10～11中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

加載后最大變形量6.199×10-3mm，此時(shí)承受的最大應(yīng)力3.58×107N/m2。

圖13　Simulation加載下的顎爪應(yīng)變?cè)茍D

圖13 Simulation對(duì)顎爪尖端和根部進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，在抓取時(shí)顎爪尖端受力最大顎爪從尖部到根部形成懸臂梁。圖9分析得夾持力最大出現(xiàn)在顎爪抓取木材時(shí)刻，主要由液壓缸輸出力和木材本身重力組成，顎爪尖端處于靜態(tài)，抓具尖端與木材點(diǎn)接觸。此刻爪尖和轉(zhuǎn)軸形成懸臂梁，為滿(mǎn)足最苛刻的工作條件，取極值點(diǎn)帶入。加載后顎爪尖端形變量1.175mm，在根部承受的應(yīng)力1.004×108N/m2。抓具的材料為Q345，屈服強(qiáng)度3.45×108N/m2，經(jīng)驗(yàn)證滿(mǎn)足要求。同時(shí)對(duì)承載梁進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，在Adams軟件中簡(jiǎn)化模型，根據(jù)圖7、9、11分析，承載梁的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度主要受顎爪轉(zhuǎn)軸對(duì)承載梁的作用力和抓取時(shí)木材運(yùn)動(dòng)慣性力和木材重力的影響。

4結(jié)論

本文采用了三維建模和虛擬樣機(jī)的方法對(duì)車(chē)載式集材機(jī)的抓具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析。在分析過(guò)程中得到如下結(jié)論：

顎爪的弧度可以有效地改善抓具的抓取性能，同時(shí)弧度過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)對(duì)抓具抓取造成阻礙。

同步器的長(zhǎng)度對(duì)于顎爪的閉合狀態(tài)和磨損以及液壓缸動(dòng)力分配有重要影響。

推導(dǎo)出液壓缸在抓具對(duì)木材時(shí)的輸出特性六階多項(xiàng)式。

通過(guò)虛擬樣機(jī)進(jìn)行工況模擬，分析討論抓具在抓取狀態(tài)下木材與抓具相對(duì)狀態(tài)和力學(xué)關(guān)系。

對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了強(qiáng)度驗(yàn)證，如圖12～13，鄂爪尖端受力形變1.175mm完全符合木材抓取強(qiáng)度和剛度要求。

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Design and Analysis of Vehicle Loader’s Timber Grab Structure based on Adams

LI Shu-sen, ZHANG Yan, CHEN Su-ping

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，P.R.China)

Abstract:Vehicle loader is an important research content in the field of forestry machinery.This study focus on the dynamic and static characteristics of the loader based on the method of 3D modeling and Adams，and the results shows that the structure and the curvature of the jaw has an important influence on grasping woods.The length of the synchronizer influences the hydraulic cylinder force distribution and the wear of the jaws，and it could deduce the grasping situation according to the output characteristic of hydraulic cylinder.This study will provide a reference for the design and further research on vehicle loader.

Key words:forestry machinery; hydraulic timber grabs; Adams; structure design; loading test

中圖分類(lèi)號(hào)：S 776.32

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-8246(2016)02-0106-06

通訊作者簡(jiǎn)介：張巖(1990-)，男，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)與林業(yè)機(jī)械研究。E-mail:zhang1412kio@163.com

第一作者簡(jiǎn)介：李樹(shù)森(1963-)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)與林業(yè)機(jī)械、機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元、現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法方面的研究。E-mail:lishusenzp@126.com

基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金(E201215)，東北林業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究課題 (DGY2014-31)。

*收稿日期：2015-12-19