一种新型林地采育作业臂的设计与优化

魏超,刘晋浩

摘要：针对当前履带式联合采育机作业臂存在的不足，在计算机虚拟环境下，利用ＳｏｌｉｄWｏｒｋｓ进行了一种新型作业臂的设计，并开展了基于ＣｏｓｍｏｓWｏｒｋｓ的有限元分析与结构优化，优化后的新型作业臂，在保证结构可靠性的同时，质量达到了最优，有效地降低了研制成本，为项目下一步的物理样机试制打下了基础。

关键词：作业臂；设计；林地；新型；优化

中图分类号：Ｓ７７６．０３４文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）05－1021-04

The Design and Optimization of A New Operating Arm for Woodland Harvesting

and Tending

ＷＥＩ Ｃｈａｏ，ＬＩＵ Ｊｉｎ－ｈａｏ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Aimed at ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｍ ｏｆ ｔｒａｃｋｅｄ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ， ａ ｎｅｗ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ SｏｌｉｄWｏｒｋｓ ｉｎ ｖｉｒｔｕａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｌｓｏ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ CｏｓｍｏｓWｏｒｋｓ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｎｅｗ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｍ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｅｎｓｕｒｅd ｔｈｅ ｓｔｒｏｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｂｕｔ ａｌｓｏ realized the optimum ｑｕａｌｉｔｙ． Ｉｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｏｓｔｓ， ａｎｄ ｌａｉｄ ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｎｅｘｔ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｔｒｉａｌ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｒｍ； desigｎ； ｗｏｏｄｌａｎｄ； ｎｅｗ ｔｙｐｅ； ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

联合采育机是一种集伐木打枝、造材、截梢、归楞、装车多功能于一体，适合于多种林地作业的大型林木采伐机械［１］。这种林业机械适用性非常广，它能够大幅度提高木材生产率，并为工人提供安全舒适的工作环境。其中作业臂作为联合采育机的重要部件，决定了联合采育机的作业范围和作业对象标准［２］，影响着联合采育机整机的作业性能。目前发达国家对于联合采育机的研究与开发已经十分成熟，并设计出一系列能够适用于不同作业环境的作业臂，而我国在这方面的研究才刚刚起步，因而研究设计出一款高效的作业臂就成为林业机械工作者的当务之急。

１与传统作业臂的比较

从机构学的角度来看，联合采育机的作业臂是一个典型的多连杆结构，与其他连杆结构不同的是，出于作业臂本身工作的需要，它具有很高的强度和结构稳定性，能够方便快速地调整定位，以适应多范围的高效率作业。目前，联合采育机特别是履带式联合采育机，其作业臂采用的仍然是比较简单、传统的结构形式（图１）。

传统结构形式的臂只具有主臂抬升，副臂收放２个自由度，这也使得它在调整定位方面表现得不够出色，生产效率较低。

研究设计的新型作业臂一方面继承了传统作业臂的可取之处，另一方面还具备了两项特别的功能，这是传统作业臂所无法比拟的，是国内首创。

首先，新型作业臂的作业灵活性更大，作业范围更广。与传统的作业臂的结构形式相比，新型作业臂由３部分组成，它在保留传统臂的主臂、副臂的基础上，又设计加装了一个作业小臂，其结构形式如图２。

新型作业臂的自由度达到了４个，较之传统作业臂又增加了作业小臂的俯仰和作业小臂的伸缩２个自由度，冗余的自由度极大地提高了臂调整定位方面的性能，能够更好地适应多范围的高效率作业。

此外，新型作业臂的另一特点是具有一定的辅助整机越障能力，这是传统作业臂无法做到的。图３显示，一旦在林地遇到履带式底盘无法逾越的障碍时，可以借助作业小臂的支撑作用将整机底盘前端抬起，实现一定程度的越障，从而增强整机的通过性。

２新型作业小臂的有限元分析与结构优化

新型作业臂的设计思想源于对传统作业臂的改良，它的主臂、副臂在结构形式上与传统作业臂基本相同，关于它们的研究设计方法已经足够成熟，因此，这里主要是针对作业小臂利用ＣｏｓｍｏｓＷｏｒｋｓ软件进行有限元分析与优化，以满足工程要求。

有限元作为一种数值仿真技术是计算数学、力学和工程科学等领域最有效的计算方法，在机械产品设计和开发中有着广泛的应用［３］。只要在解决实际工程问题中，求解所得的数据满足工程需要即可［４］。与传统设计试制方法相比，可以缩短研制周期，降低设计与制造的成本。而应用ＣｏｓｍｏｓWｏｒｋｓ进行有限元分析，更显著的优点在于ＣｏｓｍｏｓWｏｒｋｓ与ＳｏｌｉｄWｏｒｋｓ是无缝结合的，结构分析时不必脱离原设计环境，避免了模型导入第三方软件时常见的模型失真引起的分析结果不准确的问题［５］。

２．１作业小臂的有限元分析

２．１．１有限元模型的建立作业小臂的有限元模型是在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ环境下创建的，除适当地简化了少许特征外，基本保留了全部的机械作业特征［６］。作业小臂由１６Ｍｎ钢板焊接而成，其基本特性参数为质量５９６．４ ｋｇ，体积０．０７６ ｍ３。分析时作业小臂做实体处理，并忽略焊接残余应力，鉴于作业小臂是大体积的多面实体，采用ｓｏｌｉｄ ４５三维实体网格单元进行划分，单元通过８个节点来定义，每个节点有３个沿着ｘｙｚ方向平移的自由度［７］，作业小臂的有限元模型如图４。

２．１．２载荷的施加与边界条件的处理考虑到作业小臂是通过吊耳板连接在副臂上的，为保证模型有足够的约束保持稳定，将吊耳板约束作固定处理；伐木工作头是铰接在作业小臂的伸缩臂一端，在工作时，对作业小臂来说，最恶劣的工况出现在作业小臂水平全伸时，这时会受到来自伐木工作头和被伐树木的力矩作用，因此在这端施加一个垂直于水平面向下的作用力，大小为１８ ３９６ Ｎ（力的大小是按照设计要求，通过计算中型伐木工作头以及中径级桉树的重量和，在考虑动载系数后得到）。

２．１．３有限元的结果分析图５作业小臂的应力图显示，作业小臂的应力值为２．３９６ｅ－６～９．５４６ｅ＋１ ＭＰａ，应力与应变反映的作用效果点相同，最大应力也发生在作业小臂的吊耳和臂箱体的连接处，应力值σｓ达到９５．４６ ＭＰａ，远远小于１６Ｍｎ的屈服强度［σｓ］＝３４５ ＭＰａ，安全系数达到了３．６１。一般机械制造中安全系数在１．２～２．５［８］，大大超过设计标准。

图６作业小臂的合力位移显示，作业小臂的位移明显，最大位移δｙ达到了３．６５５ ｍｍ，从数值上看有些偏大，但进一步分析发现位移是线性的、弹性的，可以恢复，是由于刚度不足造成的，考虑到作业小臂在工作时相当于一个长达１ ８００ ｍｍ跨度的悬臂梁，这样的位移量可以接受，在设计要求允许的范围内。

２．２作业小臂的结构优化

优化设计是指通过指定研究目标、约束条件和设计参数等，在参数指定范围内求出满足研究目标和约束条件的最佳解决方案［９］。在分析及优化的过程中，作业小臂可以简化成一个悬臂梁模型，在保证模型有足够约束的前提下，尽可能使它达到体积小、重量轻、成本最低、形状合理，能够最大限度地减缓局部区域的应力集中等目标条件。一般优化设计的数学模型为：

minf（X），X∈D?奂Rn，X=［x1，x2，…，xn］T（１）

ｓ．ｔgj（X）=gj（x1，x2，…，xn）≤0，j=1，2，…，mhk（X）=gk（x1，x2，…，xn）≤0，k=1，2，…，l，l＜n （２）

其中Ｄ为设计变量Ｘ在欧氏空间Ｒｎ的取值范围，即为可行域：“ｓ．ｔ”为约束条件。优化设计时，数学模型主要包括３个要素：设计变量Ｘ，目标函数ｆ（Ｘ）以及约束条件：

ｇｊ（Ｘ）≤０，ｈｋ（Ｘ）≤０ （３）

对作业小臂模型优化设计确定的３要素分别如下：

目标函数：作业小臂质量最小。

约束条件：强度条件σｓ，ｍａｘ≤［σ］＝３４５ ＭＰａ；刚度条件：δｙ，ｍａｘ≤［δ］＝４ ｍｍ。

设计变量：作业小臂截面Ｓ和长度Ｌ。

初步的有限元分析结果显示，作业小臂的问题主要表现在作业小臂的吊耳和臂箱体的连接处的强度，伸缩臂、臂箱体的刚度。根据优化设计理论，提出如下４点优化措施。

１）减小作业小臂的截面Ｓ和钢板厚度，减轻作业小臂的质量。

２）在不改变作业小臂全长Ｌ的情况下，作业小臂截面Ｓ减小后，整体刚度会降低，因此加长吊耳板，保证作业小臂有足够的刚度。

３）考虑到吊耳板的受力，吊耳板进行减薄处理，以减轻作业小臂的整体质量。

４）作业小臂设计添加导轨，保证运动平滑的同时，进一步提高作业小臂的刚度。

鉴于单纯采用解析方法很难准确得到结构上任意一点的应力、应变和位移，而有限元法却相对容易实现［１０］。优化时依据上述数学模型建立的优化设计目标，并结合有限元分析，通过反复迭代分析最终找到一组优化解，取得作业小臂优化设计后的效果如图７所示。优化后作业小臂的基本特征参数为质量５５４．１ ｋｇ，体积０．０７１ ｍ３，优化后质量减少了４２．３ ｋｇ，体积减少了０．００５ ｍ３。

对优化后的作业小臂再次进行有限元分析，结果如下：图８应力图解结果表明，作业小臂的应力值为７．４２８ｅ－６～１．４２９ｅ＋２ ＭＰａ，最大应力发生在作业小臂的吊耳和臂箱体的连接处，应力值σｓ提高到１４２．９ ＭＰａ，但仍小于１６Ｍｎ的屈服强度［σｓ］＝３４５ ＭＰａ，安全系数为２．４１，说明在保证作业小臂结构强度和安全性的同时，达到了节省材料的目的。

图９合力位移图表明，作业小臂的质量下降、强度降低，对于作业小臂的整体刚度并没有影响，作业小臂全伸时的最大线弹性位移δｙ保持在３．６２７ ｍｍ，在设计要求允许的范围内。

表１对作业小臂优化前后的几项重要参数指标进行了比较，反映了优化前后作业小臂的变化。结果表明，优化设计工作取得了一定的成效，作业小臂的质量、体积都发生了比较明显的变化，在保证承载能力的基础上，节省了材料，降低了制造成本，有利于整个装置功率的合理分配，初步达到了优化的效果。

３小结

研究设计的适用于履带式联合采育机的新型作业臂，在保留了传统臂高强度、高结构稳定性的基础上，能够方便快速地进行调整定位，并实现恶劣地形环境下的辅助越障，因而可以适应更大范围的高效率林区复杂作业，这是当前传统臂所不具备的。同时，利用计算机进行虚拟环境下新型作业臂的设计、分析与优化，更是提高了虚拟样机的合理性，为今后物理样机的试制和下一步研究奠定了基础。

参考文献：

［１］ 马龙滨．森林采伐机械与工具［Ｍ］．北京：中国林业出版社，１９９１．

［２］ 林海明． 伐木作业机具综合评价与择优［Ｊ］． 森林工程， ２００５， ２１（１）：１２－１４．

［３］ 蒋红旗，王繁生．起重机吊臂结构有限元模态分析［Ｊ］．农业机械学报，２００６，３７（３）：２０－２２．

［４］ 张万山．挖掘机工作装置的有限元分析［Ｄ］．阜新：辽宁工程技术大学，２００７．

［５］ 黄跃飞，徐广红．基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件对机构进行运动分析的图解方法［Ｊ］．江西理工大学学报，２００７，２８（２）：１４－１６．

［６］ 魏占国，刘晋浩．基于SｏｌｉｄWｏｒｋｓ与有限元理论联合采伐机机械臂的设计方法［Ｊ］．东北林业大学学报，２０１０，３８（８）：１２－１４．

［７］ 曾成奇．起重机伸缩臂结构优化设计及有限元分析［Ｄ］． 太原：太原科技大学，２０１０．

［８］ 刘鸿文．材料力学Ｉ ［Ｍ］． 北京：高等教育出版社，２００４．

［９］ 王新辉，于丹，杨克非，等． 基于Ｐｒｏ／ＭＥＣＨＡＮＩＣＡ导轨梁的有限元分析及优化设计［Ｊ］．机械工程师，２０１１（３）：９９－１０１．

［１０］ 王勖成．有限单元法［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３．