針對山林地區(qū)樹木生長環(huán)境和樹木的特點(diǎn)，設(shè)計了一種折疊式結(jié)構(gòu)的采伐機(jī)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(jī)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(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到主臂、副臂的應(yīng)力和位移云圖，得出主臂和副臂設(shè)計結(jié)構(gòu)都滿足設(shè)計要求的結(jié)論。

　　關(guān)鍵詞：采伐機(jī)；工作臂；機(jī)械結(jié)構(gòu)；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(zhuǎn)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(zhì)量差的問題，且對采伐工人的生命健康也產(chǎn)生影響［１－３］。因此，大型人工林作業(yè)機(jī)械化是必不可免的。采伐機(jī)能實(shí)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(xué)者對采伐機(jī)工作臂主要從結(jié)構(gòu)、算法上進(jìn)行了優(yōu)化［５］；衛(wèi)沅［６］通過最小勢能法和最小二乘法進(jìn)行仿人運(yùn)動，提高了運(yùn)動相似度；李志鵬等［７］研究串并混聯(lián)結(jié)構(gòu)的工作臂，利用ＭＴＡＬＡＢ軟件模擬工作臂的工作空間，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的參數(shù)尺寸并進(jìn)行運(yùn)動分析，得到更優(yōu)的運(yùn)動空間；王成軍等［８］研究輕量化截割臂基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論設(shè)計并聯(lián)機(jī)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，不斷提高挖進(jìn)機(jī)工作效率和安全性。現(xiàn)有的研究中多是針對農(nóng)業(yè)采摘和重工業(yè)的挖掘機(jī)，針對林業(yè)機(jī)械的工作臂研究較少。因此，本文通過分析采伐機(jī)工作臂參數(shù)、材料、結(jié)構(gòu)形式，借助ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ軟件建立工作臂三維模型，計算采伐時采伐機(jī)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(yīng)力、位移情況，驗(yàn)證采伐機(jī)工作臂結(jié)構(gòu)的可靠性。

　　１采伐機(jī)工作臂機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計

　　采伐機(jī)工作臂主要由旋轉(zhuǎn)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(diǎn)相互擺動，實(shí)現(xiàn)豎直方向運(yùn)動；伸縮臂和副臂構(gòu)成滑塊結(jié)構(gòu)，在液壓力的推動下實(shí)現(xiàn)伸縮臂的前后伸縮運(yùn)動，抓取木材。

　　１．１工作臂參數(shù)設(shè)計

　　工作臂在很大程度上直接決定著采伐機(jī)作業(yè)能力和作業(yè)范圍，本采伐機(jī)工作臂最大伸長量為８．３ｍ、回轉(zhuǎn)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(nèi)擺動。采伐機(jī)工作臂主要技術(shù)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(qiáng)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(shè)計的強(qiáng)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(jié)構(gòu)形式

　　１．３．１主臂結(jié)構(gòu)。在采伐機(jī)工作臂中，主臂是整個結(jié)構(gòu)中最主要的構(gòu)件，副臂的結(jié)構(gòu)形式取決于主臂的結(jié)構(gòu)形式。本采伐機(jī)工作臂采用整體式主臂，如圖２所示。整體式的主臂構(gòu)造簡單、緊湊、輕巧，同時成本低、運(yùn)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(jié)構(gòu)。本工作臂副臂采用伸縮形式，增加伸縮臂能擴(kuò)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(gòu)成連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動副臂運(yùn)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(diǎn)的設(shè)置對采伐機(jī)油缸的工作效率影響極為顯著。本工作臂機(jī)械結(jié)構(gòu)中有３處油缸：①主臂液壓缸，使用前傾的設(shè)計方案，當(dāng)主臂伸出達(dá)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(shè)計方案，當(dāng)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(nèi)置于伸縮臂中，根據(jù)伸縮臂伸展范圍實(shí)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(jī)工作臂工作情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(dāng)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(jī)工作臂仿真分析

　　借助ＡＮＳＹＳ軟件對工作臂承載情況進(jìn)行仿真分析。設(shè)置工作臂結(jié)構(gòu)材料為１６Ｍｎ，在ＡＮＳＹＳ仿真界面點(diǎn)擊“材料模型”，設(shè)置其彈性模量為“ＥＸ２．１ｅ１１”、泊松比“ＰＲＸＹ”為０．３、密度為７８５０。設(shè)置劃分網(wǎng)格品質(zhì)為高級，得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為２５６４５，網(wǎng)格數(shù)為１２８１９，雅可比點(diǎn)為４。

　　３．１主臂應(yīng)力和位移分析

　　通過ＡＮＳＹＳ軟件對主臂進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)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(yīng)力值為６３７ＭＰａ，位于主臂與副臂連接處，小于材料１６Ｍｎ抗拉強(qiáng)度６７５ＭＰａ，滿足強(qiáng)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(nèi)，故該設(shè)計是合理的。

　　３．２副臂應(yīng)力和位移分析

　　利用ＡＮＳＹＳ軟件對采伐機(jī)副臂進(jìn)行有限元分析，得到副臂應(yīng)力和位移云圖，如圖７、圖８所示。由圖７可知，副臂的最大應(yīng)力值為４８．５ＭＰａ，位于末端連接處，小于材料１６Ｍｎ抗拉強(qiáng)度６７５ＭＰａ，滿足強(qiáng)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。可以看出副臂整體受壓是在可承受范圍內(nèi)，故該設(shè)計是可行的。

　　４結(jié)論

　　結(jié)合采伐機(jī)工作臂作業(yè)要求，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并借助ＡＮＳＹＳ進(jìn)行仿真，得到了工作臂主臂與副臂的應(yīng)力與位移云圖，驗(yàn)證了工作臂結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。為今后同類型的林業(yè)機(jī)械設(shè)計提供了一種便捷、可靠的設(shè)計方法，對其他相似的工程機(jī)械設(shè)計也具有一定的參考價值。

　　作者:張小珍 楊迎曉