李樹森 王浩 高素杰 崇維勇

摘 要：文章設計一種車載式林間枝椏材剩余物收集裝置，該裝置將收集機構(gòu)和汽車移動平臺有機結(jié)合，由車身、機械臂架、抓具和車廂組成，可以減少進入林區(qū)的車輛數(shù)，提高工作效率。文章重點介紹了對機械臂和抓具的設計計算，并利用SolidWorks和Adams進行了建模和仿真。針對枝椏材具有雜、亂、碎、蓬松等特點，設計了一種具有壓縮功能的車廂，極大的提高了收集運輸效率。

關鍵詞：林業(yè)機械；機械臂；壓縮車廂

中圖分類號：U469.6+91 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0037-03

Abstract： In this paper， a collection device for residual material of branches in a vehicle-borne forest is designed. The device organically combines the collecting mechanism with the mobile platform of an automobile， and consists of a body， a mechanical arm， a grab and a carriage， which can reduce the number of vehicles entering the forest area and improve working efficiency. This paper mainly introduces the design and calculation of the manipulator and grab， and models and simulates using SolidWorks and Adams. According to the characteristics of branch material such as miscellaneous， messy， broken， fluffy and so on， a kind of compressing carriage is designed， which greatly improves the collection and transportation efficiency.

Keywords： forestry machinery； mechanical arm； compressing compartments

1 概述

將集材機械和起重機械結(jié)合起來，組成裝卸機實現(xiàn)了集材裝卸運輸于一身的木材裝卸機械，同時向著智能化數(shù)字化發(fā)展[1]?，F(xiàn)在各個國家都意識到森林資源對生態(tài)環(huán)境的重要性，一方面在增加植樹造林的面積，同時也在提高對林區(qū)剩余物的收集使用效率實現(xiàn)林業(yè)的循環(huán)發(fā)展[2]。

目前對林木的需求量不斷增大，集材的對象也由原木、原條變?yōu)榱謪^(qū)剩余物和枝椏材，這些材料擁有著巨大的潛在經(jīng)濟價值[3]。對林區(qū)枝椏材剩余物的收集使用，可以在某些領域，如：燒柴、發(fā)電、生物質(zhì)能等領域替代木材減少對木材的消耗[4]。所以設計一款集收集、裝車和運輸一體的林業(yè)機械是具有十分重要的意義的[5]。

2 總體結(jié)構(gòu)設計

在本文中已用SolidWorks創(chuàng)建整體模型，如圖1所示。

3 抓取裝置

3.1 抓具設計方案選擇

抓具是集運機設備的關鍵部件之一，主要起到吊裝和集材的作用，其性能應滿足裝卸木材要求；抓具的起升載荷包括抓取物料的重量和自身重量[6]。國內(nèi)目前使用的集材機械和抓具具有抓腔大且對蓬松枝椏材抓取能力弱等缺點，并且結(jié)構(gòu)復雜，耗損功率大[7]。本文設計了一種對蓬松枝椏材具有良好抓取能力特點的抓具，如圖2、3所示。

3.2 抓具的力學分析

SolidWorks建立的模型導入ADAMS進行了受力分析。考慮到抓取對象在蓬松時對顎抓所施加的載荷并不大，可以忽略其外部的樹椏枝的影響，抓具在穩(wěn)定抓取到對象時，所受到的載荷主要來源于抓取對象的主干部分。因此，在做受力分析時我們可以假設抓取對象為一個圓柱形鋼體?；诖朔N假設，本文設計的抓具可以拆分為4組單一的顎抓，并且他們所受到的載荷相同。這里我們利用ADAMS對其中的一組顎抓進行受力分析，圖4中圓柱體就代表了蓬松樹椏枝的集合。

本設計的抓具部分共有4個轉(zhuǎn)動軸，包括左轉(zhuǎn)軸、右轉(zhuǎn)軸、十字連接軸、兩爪連接軸。這些軸的承載能力是抓具承載能力的重要體現(xiàn)。這里利用Adams對各軸做出了具體的受力分析。分析時添加的材料為鋼鐵，上述軸類的直徑設定為20mm，結(jié)果如圖5所示。

由以上得出的數(shù)據(jù)可知，每根軸的最大承載極限大約為15到20kN，再把最大承載能力除以一個安全系數(shù)S，便得到安全工作的受力情況。[？滓]？燮 ，F(xiàn)=？滓· D2，F(xiàn)A？燮 。其中？滓max為極限應力，D為軸的直徑，F(xiàn)A為軸的安全承載力，F(xiàn)max為軸的極限承載力。假設S取4.5，軸的安全承載力FA為3.3kN。根據(jù)安全承載力，可以選定一套合適的動力裝置。為了驗證動力裝置是否合適，可以計算出抓具尖的抓取力來作為參考。

其中FN為原動力，？茲為動力軸與左右轉(zhuǎn)軸的夾角，F(xiàn)1，F(xiàn)2分別為作用在左右連接軸上的拉力，F(xiàn)n1，F(xiàn)n2分別為作用在左右轉(zhuǎn)軸上且沿爪的垂直方向上的力，？茁為Fn1與F1的夾角，T為作用在兩抓連接軸上的轉(zhuǎn)矩，l為兩爪連接軸到左右轉(zhuǎn)軸的距離，？酌為Fn1與兩爪連接軸到左轉(zhuǎn)軸連線的夾角，L為兩爪連接軸到抓具尖的距離，F(xiàn)J1，F(xiàn)J2分別為抓具左右尖的抓緊力。

4 機械臂

下面是對自由度進行的分析（如圖6），機械臂底盤8能夠自由旋轉(zhuǎn)，帶動整個機械臂的旋轉(zhuǎn)動作；通過液壓缸7的伸縮能夠使大臂6在上下方向移動，調(diào)整機械抓具的抓取高度至合適的位置；液壓缸5的伸縮使大臂3前后移動（液壓缸3伸縮使抓具裝置前后移動），其作用均為調(diào)整機械抓具抓取范圍，當液壓缸推動活塞便可實現(xiàn)更大范圍的抓取動作。以上運動便實現(xiàn)了整個機械臂的運動，所以機構(gòu)自由度Fn=3n-2p=4。

對于4自由度的機械臂，如果用A 表示第一個連桿在基準系的位姿，A 表示第二個連桿相對于第一個連桿的位姿，依次類推，那么有T4=A A A A 。其中A=R 0 1，R=cos？琢1 cos？琢2 cos？琢3cos？茁1 cos？茁2 cos？茁3cos？酌1 cos？酌2 cos？酌3， =xyz。R表示第二個坐標與第一個坐標的旋轉(zhuǎn)關系， 表示點在坐標系中的位置。那么本設計中抓具的位姿可以用T4來描述，而T4又可以用四個矩陣的連乘來表示。根據(jù)結(jié)構(gòu)簡圖中的關系，可以分別推算A ，A ，A ，A 的值。

由這四個矩陣的連乘積即可得到表示抓具位姿的4×4的矩陣T。

5 車廂

5.1 帶有壓縮功能的收集車廂

車廂的特點在于不僅可進行收集，而且可對收集到的林間剩余物進行壓縮，車廂的體積由收集車的裝載質(zhì)量、所承載車廂底盤面積以及可進行壓縮最大程度來確定的。

5.2 工作原理

帶有壓縮功能的收集車廂的工作過程主要是壓縮裝置的運動，其工作原理如圖8所示。如圖a，初始狀態(tài)下各裝置的位置，此位置下的刮板起到了使原車箱物材流出的作用；如圖b，滑板開始下移的同時刮板隨之一起產(chǎn)生升起的運動，直到圖示位置運動停止，并且該位置下還起到了防止車廂內(nèi)原本被收集好的物材流出；如圖c，機械抓將物材放置料斗內(nèi)；如圖d，壓縮裝置的刮板降下，插入料斗內(nèi)的物料中，進行物料的破碎和初次壓縮，滑板上移使刮板緊貼料斗底部對其進行推動收集到車廂內(nèi)；如圖e，滑板和刮板回到初始位置。

6 結(jié)束語

通過對本文設計的林間剩余物收集裝置的建模與分析，直觀的展示了該裝置的工作原理與工作能力。對該裝置進行的力學分析有利于該裝置投入到實際的生產(chǎn)和應用當中。同時，對該裝置所包含的機械臂部分的運動學分析，可以為后續(xù)要實現(xiàn)的自動控制奠定基礎。最后對車廂部分的描述，合理的說明了如何最大程度的利用車廂空間來裝載壓縮的林區(qū)剩余物?？傮w來說，該裝置的可實現(xiàn)性比較高，對于提高林業(yè)收集、運輸機械的工作效率有很大的借鑒意義。

參考文獻：

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