多功能林木采伐抓鋸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析*
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
蒲 帥，劉晉
（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）
摘要：設(shè)計一種可以同時用于采伐、抓取與鋸切樹木的多功能林木采伐抓鋸，對其作業(yè)裝置進行機構(gòu)分析，利用Pro/E建立并完善CAD模型。所設(shè)計抓鋸可張開的最大爪距為1 481. 37 mm，可抓取單樹最小樹徑為51. 52 mm。利用ANSYS Workbench 14.5對該設(shè)計在兩種工作狀態(tài)下作靜力學(xué)分析，最大應(yīng)力均小于許用 應(yīng)力值，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可靠，完全滿足實際要求。
關(guān)鍵詞：采伐；抓鋸；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元分析
中圖分類號：TP3 91.7 文獻標(biāo)識碼：A
O 引言
我國的林業(yè)機械發(fā)展緩慢，現(xiàn)有的林木采伐抓鋸作業(yè)裝置主要是抓取樹木，不兼?zhèn)滗徢袠淠镜墓δ�。本文設(shè)計的多功能林木采伐抓鋸作業(yè)裝置可以實現(xiàn)對林木的采伐、集中歸堆造材作業(yè)，可很大程度地提高作業(yè)效率，減輕操作工人的勞動強度。結(jié)構(gòu)設(shè)計對于工作裝置的運動特性起著決定性的作用，利用三維建模軟件完成虛擬模型，并對模型進行運動仿真分析，可驗證設(shè)計的結(jié)構(gòu)與尺寸是否合理，并能做進一步優(yōu)化。本文利用有限元方法對設(shè)計的抓鋸整體結(jié)構(gòu)做工作狀態(tài)的靜力學(xué)分析，以校驗整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性，
1 林木采伐抓鋸機構(gòu)分析
1.1設(shè)計要求
林木采伐抓鋸包括抓具和鏈鋸兩大部分，兩大工作裝置主要運用的機構(gòu)均是連桿機構(gòu)，由于連桿機構(gòu)的運動特性復(fù)雜，合理的設(shè)計能極大程度地改善其結(jié)構(gòu)的運動軌跡，優(yōu)化動力性能，提高設(shè)備的整體作業(yè)效率。
本文設(shè)計的抓鋸包括兩大機構(gòu)：抓具的夾抱機構(gòu)和鏈鋸的鋸切機構(gòu)。夾抱機構(gòu)要求最大張開時的抓手距離達到1 400 mm，最小抱緊時能夾抱的樹木直徑盡量小，且抓具兩抓手保持同步張開與合攏動作。鋸切機構(gòu)要求能鋸切夾抱機構(gòu)可夾抱的所有大小的樹木，且收放盡量省力高效。
1.2機構(gòu)分析
1.2.1夾抱機構(gòu)
夾抱機構(gòu)原理示意圖如圖1所示，該機構(gòu)是以四連桿機構(gòu)為基礎(chǔ)，左、右兩個固定支座A、B連接相當(dāng)于機架，但該機構(gòu)整體自由度為2，不能保證機構(gòu)運動的確定性。故在此基礎(chǔ)上，添加一根輔助桿DE，添加的約束桿使得整體機構(gòu)自由度為1。
為使兩側(cè)從動桿在液壓缸驅(qū)動下能保持同步向外或向內(nèi)轉(zhuǎn)動，輔助桿鉸接點E的設(shè)計方案如圖2所示。其中，AE=AC，DE=AB。由于AC=BD，故AE=BD，四連桿ABDE構(gòu)成反平行四邊形機構(gòu)。雖然反平行四邊形機構(gòu)兩曲柄沿相反方向轉(zhuǎn)動的角速度不等，但在小轉(zhuǎn)動角度時差距非常小，即β、≈a，可以保證夾抱機構(gòu)兩抓手運動的對稱性，始終保持同步張開與合攏。
根據(jù)夾抱機構(gòu)需要張開的最大角度和最小角度要求，確定并優(yōu)化各桿件長度和鉸接點位置，最終得到的鉸接點位置及各極限位置如圖3所示。在液壓缸伸出極限位置，即圖中位置Ⅱ處，兩側(cè)壓力角分別為67.40和68. 660，液壓缸鉸接點距離為780 mm;在液壓缸收回極限位置，即圖中位置Ⅲ處，兩側(cè)壓力角分別為51. 740和50. 540，液壓缸鉸接點距離為470 mm。在兩極限位置的任一中問位置I處，壓力角均小于其最大值，機構(gòu)傳力性能更好。夾抱機構(gòu)液壓油缸行程S1=780-470=310 mm。
1．2 2鋸切機構(gòu)
鋸切機構(gòu)原理示意圖如圖4所示。該機構(gòu)較為簡單，有3個恬動構(gòu)件、3個轉(zhuǎn)動副和1個移動副，白由度為1。
根據(jù)鋸切機構(gòu)鏈鋸收回位置和最大鋸切忙置的需求，確定并優(yōu)化鋸切機構(gòu)各鉸接點位置，如圖5所示。Ⅱ位為鏈鋸收同水平位置，此位置壓力角為60 .80，液壓缸鉸接點距離為255 mm；Ⅲ位為鏈鋸最大鋸切位置．此時鏈鋸可擺到豎直狀態(tài)，此位置壓力角為33 .790，液壓缸鉸接點距離為369 mm。在這兩極限位置的任一中間鋸切位置I處，壓力角小于60.80機構(gòu)傳力性能更好。鋸切機構(gòu)液壓油缸行程S2=369- 255=114 mm。
5林木采伐抓鋸CAD模型的建立
利用Pro/E Wildfire5.0完成抓鋸CAD模型，如圖6所示，包括抓具和鏈鋸兩大部分，通過6套螺拴對其進行連接。抓具主要包括抓具主體、兩個抓手、抓手輔助板和抓手液壓缸；鏈鋸主要包括鏈鋸殼體、液壓馬達、鏈輪、鋸鏈、導(dǎo)板和鏈鋸液壓缸。
該抓鋸的主要技術(shù)參數(shù)如圖7所示，最大張開抓1481. 37 mm，最小夾鋸直徑為Φ51. 52 mm。采伐抓鋸有限元模型的建立與分析限元模型建立
本文利用ANSYS Workbench 14. 5對抓鋸橫型作靜力學(xué)分析，以校驗設(shè)計結(jié)構(gòu)的強度。有限元模型可以通過將Pro/E中建立的CAD模型直接無縫導(dǎo)入Worknch得到，這樣可避免模型轉(zhuǎn)移過程中的失真問題。
采伐抓鋸結(jié)構(gòu)選用45鋼，其材料密度為7 .85×103kg/m3彈性模量為210 MPa，泊松比為0 3。液壓缸材料選鑄鋼ZG270~ 500，彈性模量為260 GPa，泊松比為。0.34，屈服強度為270 MPa[1]。為了使網(wǎng)格劃分質(zhì)量更高，減少扭曲和計算不收斂的錯誤，在分析時對結(jié)構(gòu)進行簡化，去掉對結(jié)果無影響的園角.倒角.孔等細小特征。該設(shè)計中，針對我國的人工林樹木主要尺寸，選擇的樹木長度為10 m，胸徑為Φ30 cm。我國木材按20％含水率計算的平均密度為629 kg／m3，極少數(shù)的樹木密度能達到1000 kg/m3。為滿足絕大多數(shù)樹木密度要求，本設(shè)計中選取樹木密度為1000 kg/m3。為減少模型網(wǎng)格數(shù)量，縮短計算時問，將樹木長度縮減為0.5m，即為實際尺寸的1/20，對應(yīng)密度設(shè)置為20 000 kg／m 3．以保證樹木重量致為706. 86 kg，這樣對分析結(jié)果無影響。
在ANSYS中，自由網(wǎng)格劃分無形狀限制，網(wǎng)格也不遵循任何模式，適合復(fù)雜形狀面和體的網(wǎng)格劃分，對于體劃分，般生成四面體單元[2]。本設(shè)計中網(wǎng)格劃分選用ANSYS自動網(wǎng)格劃分的方法，單元尺寸0.01m，劃分網(wǎng)格后得到的有限元模型如圖8所示，單元數(shù)255 112個，節(jié)點數(shù)645 809個。
3 2邊界條件和載荷
本設(shè)計中，對抓具夾抱樹木和鏈鋸鋸切樹木兩個工作狀態(tài)分別進行靜力學(xué)分析，以此檢驗整體結(jié)構(gòu)的強度。抓具和鏈鋸分別施加邊界條件和載荷，并計算其結(jié)果。
抓具夾抱狀態(tài)：抓具在采伐機上通過連接架與機械臂螺栓連接，因此可將連接架完全約束。抓具抓手在抓取樹木時，兩抓手會繞連接銷轉(zhuǎn)動，抓于輔助板繞餃接銷軸轉(zhuǎn)動，液壓油缸也會繞兩鉸接銷軸轉(zhuǎn)動。為r提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，故保留這幾處銷軸繞各自軸線的轉(zhuǎn)動自由度，對曲抓手分別施加同轉(zhuǎn)加速度慣量，大小為1 rad／s。
鏈鋸鋸切狀態(tài)：鏈鋸?fù)ㄟ^螺栓與抓具主體連接，因此將鏈鋸殼與抓具連接的而固定。保留鏈鋸導(dǎo)板繞連接銷軸的轉(zhuǎn)動自由度和液壓油缸繞兩鉸接銷軸的轉(zhuǎn)動自由度，對鏈鋸導(dǎo)板施加回轉(zhuǎn)加速度慣量，大小為0. 35 rad/s。
另外，在兩個狀態(tài)巾，肘整體施加向下的重力場，將活塞桿與缸套部分的接觸均由綁定接觸改為無摩擦接觸。：，即兩者允許滑移，不可分離。
3 3分析結(jié)果
兩個狀態(tài)分析結(jié)果分別如圖9、圖10所示。抓具夾抱狀態(tài)時，最大應(yīng)力值為131. 52 MPa，發(fā)牛在抓手液壓缸的活塞環(huán)處，原因在于夾抱機構(gòu)處于極限位置時，活塞環(huán)與缸筒底部接觸，在抓手同轉(zhuǎn)慣量作用下受力較大。液壓缸材料的屈服強度為270 MPa，取安全系數(shù)1. 5，允許最大應(yīng)力值為180 MPa。鏈鋸鋸切狀態(tài)時，最大應(yīng)力值為47.3 MPa，發(fā)生在鏈鋸液壓缸與鏈鋸殼鉸接點處。鉸接點材料45鋼的屈服極限為355 MPa，取安全系數(shù)為1.5，則允許最大應(yīng)力值為236.7 MPa。兩種狀態(tài)分析結(jié)果都符合實際情況，證明邊界條件施加正確，且最大應(yīng)力值都小于材料許用最大應(yīng)力值，證明設(shè)計結(jié)構(gòu)強度足夠，完全滿足使用要求。
4結(jié)論
本文設(shè)計了一種多功能林木采伐抓鋸，并對其夾抱機構(gòu)和鋸切機構(gòu)進行分析完善，使其運動特性更好。根據(jù)設(shè)計機構(gòu)尺寸建立抓鋸CAD模型，然后對模型進行靜力學(xué)分析。結(jié)果表明，設(shè)計結(jié)構(gòu)合理可靠，完全能夠滿足抓鋸抓取、鋸切樹木的功能及強度要求。
參考文獻：
[1]楊秀萍，曹曉邨．液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計的有限元法[J].機床與 液壓，2004 (1)：108-109.
[2]王克軍．80型輪式裝載機結(jié)構(gòu)部件性能分析[D].長春：吉林大學(xué)，2008:63.
[3]彭先勇，陸中良，李受人，等．ANSYS Workbench的液壓油缸多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011(4)：79-81．
