采伐機工作臂機械結構設計探究
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摘要：針對山林地區(qū)樹木生長環(huán)境和樹木的特點，設計了一種折疊式結構的采伐機工作臂。確定了工作臂的主要參數(shù)、主臂和安裝板材料、主臂和副臂連接方式，建立了采伐機工作臂三維模型。根據(jù)主副臂之間角度最大且伸縮臂伸出長度最大最不利承載時工作臂的受力情況，求得主臂、副臂和伸縮臂彎矩；借助ANSYS軟件對工作臂的承載情況進行試驗驗證，得到主臂、副臂的應力和位移云圖，得出主臂和副臂設計結構都滿足設計要求的結論。
關鍵詞：采伐機；工作臂；機械結構；仿真分析
0引言
隨著社會的發(fā)展，我國對林業(yè)的需求越來越大，并且對森林的采伐逐漸向人工林轉移，而現(xiàn)在已經(jīng)是人工林的成熟階段，僅靠傳統(tǒng)的采伐手段出現(xiàn)了效率低、質量差的問題，且對采伐工人的生命健康也產生影響［1－3］。因此，大型人工林作業(yè)機械化是必不可免的。采伐機能實現(xiàn)采伐、去枝、去皮和橫截樹桿的功能，比人工作業(yè)效率高十幾倍［4］。現(xiàn)很多學者對采伐機工作臂主要從結構、算法上進行了優(yōu)化［5］；衛(wèi)沅［6］通過最小勢能法和最小二乘法進行仿人運動，提高了運動相似度；李志鵬等［7］研究串并混聯(lián)結構的工作臂，利用MTALAB軟件模擬工作臂的工作空間，優(yōu)化結構的參數(shù)尺寸并進行運動分析，得到更優(yōu)的運動空間；王成軍等［8］研究輕量化截割臂基于拓撲結構理論設計并聯(lián)機構，優(yōu)化結構設計，不斷提高挖進機工作效率和安全性?，F(xiàn)有的研究中多是針對農業(yè)采摘和重工業(yè)的挖掘機，針對林業(yè)機械的工作臂研究較少。因此，本文通過分析采伐機工作臂參數(shù)、材料、結構形式，借助SolidWorks軟件建立工作臂三維模型，計算采伐時采伐機工作臂伸出最長時主臂、副臂和伸縮臂的彎矩，借助ANSYS軟件仿真分析主臂和副臂的應力、位移情況，驗證采伐機工作臂結構的可靠性。
1采伐機工作臂機械結構的設計
采伐機工作臂主要由旋轉底座、安裝板、主臂液壓缸、主臂、連桿、副臂液壓缸、副臂、伸縮臂等組成，如圖1所示。主臂、副臂和連桿相互鉸接，并在液壓力的作用下繞著鉸接點相互擺動，實現(xiàn)豎直方向運動；伸縮臂和副臂構成滑塊結構，在液壓力的推動下實現(xiàn)伸縮臂的前后伸縮運動，抓取木材。
1．1工作臂參數(shù)設計
工作臂在很大程度上直接決定著采伐機作業(yè)能力和作業(yè)范圍，本采伐機工作臂最大伸長量為8．3m、回轉角度為150°、傾角為20°，安裝板和車架以鉸接方式接連，油缸可控制底座在不大于30°范圍內擺動。采伐機工作臂主要技術參數(shù)如表1所示。
1．2工作臂的材料
工作臂材料選用高強度耐磨鋼16Mn，主臂和安裝板上的加固板使用NM360鋼材，與普通鋼材相比，NM360的耐磨性能更好，保證其設計的強度以適用于不同的工況。兩種材料的性能參數(shù)如表2所示。
1．3工作臂結構形式
1．3．1主臂結構。在采伐機工作臂中，主臂是整個結構中最主要的構件，副臂的結構形式取決于主臂的結構形式。本采伐機工作臂采用整體式主臂，如圖2所示。整體式的主臂構造簡單、緊湊、輕巧，同時成本低、運動力矩更大，具有通用性和高利用率，比較適合工序較少的工作環(huán)境。1．3．2副臂結構。本工作臂副臂采用伸縮形式，增加伸縮臂能擴大采伐范圍，并靈活控制采伐范圍。1．3．3主、副臂連接方式。主臂和副臂連接采用連桿傳動方式，主臂通過連桿與副臂構成連桿機構驅動副臂運動，如圖3所示。1．3．4液壓缸的布置。液壓缸的布置和節(jié)點的設置對采伐機油缸的工作效率影響極為顯著。本工作臂機械結構中有3處油缸：①主臂液壓缸，使用前傾的設計方案，當主臂伸出達到極值的時候，保持整體像右上方傾斜的狀態(tài)；②副臂液壓缸，使用后傾的設計方案，當液壓缸全伸出的時候，主臂被拉伸到極限距離時液壓缸將保持向后傾斜的狀態(tài)；③伸縮桿液壓缸內置于伸縮臂中，根據(jù)伸縮臂伸展范圍實現(xiàn)液壓缸的伸縮情況。
2工作臂承載時的最不利狀態(tài)受力分析
通過對采伐機工作臂工作情況進行分析發(fā)現(xiàn)，當主、副臂之間角度最大且伸縮臂伸出長度最大時工作臂的受力狀態(tài)是最不利情況。當每段工作臂均處于水平延伸狀態(tài)時，由于每個圓柱體支撐著每段臂，因此該狀態(tài)下工作臂可看作是可變橫截面的懸臂梁，此時其所受載荷如圖4所示。其中，M1、M2、M3為各段工作臂所受彎矩；G1、G2、G3為各段工作臂自重，G1＝10000N、G2＝7500N、G3＝1760N；G4為工作臂末端承載重量，包括抓具自重及原木重量，G4＝26744．6N。工作時各段工作臂所受的彎矩為：將數(shù)值代入式（1）～式（3）計算得：M1＝295874N·m，M2＝128987N·m，M3＝38674N·m。
3采伐機工作臂仿真分析
借助ANSYS軟件對工作臂承載情況進行仿真分析。設置工作臂結構材料為16Mn，在ANSYS仿真界面點擊“材料模型”，設置其彈性模量為“EX2．1e11”、泊松比“PRXY”為0．3、密度為7850。設置劃分網(wǎng)格品質為高級，得到節(jié)點數(shù)為25645，網(wǎng)格數(shù)為12819，雅可比點為4。
3．1主臂應力和位移分析
通過ANSYS軟件對主臂進行有限元分析，得到應力云圖和位移云圖，如圖5、圖6所示。由圖5可知，主臂的最大應力值為637MPa，位于主臂與副臂連接處，小于材料16Mn抗拉強度675MPa，滿足強度要求。由圖6可知，主臂最大位移為0．007205mm，位于與副臂鉸接處。得出主臂整體受壓在可承受范圍內，故該設計是合理的。
3．2副臂應力和位移分析
利用ANSYS軟件對采伐機副臂進行有限元分析，得到副臂應力和位移云圖，如圖7、圖8所示。由圖7可知，副臂的最大應力值為48．5MPa，位于末端連接處，小于材料16Mn抗拉強度675MPa，滿足強度要求。由圖8可知，主臂最大位移為0．000314mm，位于與末端鉸接處?？梢钥闯龈北壅w受壓是在可承受范圍內，故該設計是可行的。
4結論
結合采伐機工作臂作業(yè)要求，對其結構進行了設計，并借助ANSYS進行仿真，得到了工作臂主臂與副臂的應力與位移云圖，驗證了工作臂結構滿足設計要求。為今后同類型的林業(yè)機械設計提供了一種便捷、可靠的設計方法，對其他相似的工程機械設計也具有一定的參考價值。
作者:張小珍 楊迎曉 單位:福州職業(yè)技術學院廈門 大學嘉庚學院