自装卸式原木集运机抓木机构动力学仿真

龙剑群，李耀翔

(东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

自装卸式原木集运机抓木机构动力学仿真

龙剑群，李耀翔

(东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

针对目前多数原木集运机只能完成运输作业的局限性，采用抓木机构-集运拖车集成结构以提高原木装卸效率。通过构建自装卸式原木集运机的Creo三维模型，结合多体动力学理论，借助ADAMS/View动力学分析软件对自装卸式原木集运机抓木机构作业过程进行运动学与动力学仿真。仿真结果表明，自装卸式原木集运机抓木机构运动状态平稳、无干涉现象，木材抓具抵御瞬态力水平和动力特性良好，验证了模型的可靠性与仿真分析方法的可行性。

原木集运机；抓木机构；仿真；动力学；ADAMS

原木集运机属于森林采运机械，具有集纳原木、运输原木的作用[1]。目前多数原木集运机仅具有运输功能，在原木装卸作业时通常需要借助木材装载机配合作业，木材装载机常用于林区贮木场和木材仓储保管企业的木材分类归楞与配货装车作业。当原木装车量较大时，原木集运机装卸效率即随装车量的增大而减小。为提高原木集运机装卸效率，本文采用自装卸式原木集运机抓木机构—集运拖车集成结构，见图1。

当前计算机水平迅猛发展，越来越多研发设计人员使用CAD/CAE软件对机械产品进行设计、仿真与分析，从而达到缩短研发周期、提高机械效率和节约成本的目的，利用CAD/CAE软件对于机械的关键结构设计与分析具有显著的便捷与高效[2]。本文借助Creo Parametric三维设计软件对自装卸式原木集运机抓木机构进行机械刚性结构建模，通过ADAMS/View多体动力学分析软件对模型进行刚柔转换，对抓木机构进行运动学与动力学仿真，判断仿真模型运动是否平稳，有无干涉情况，木材抓具是否具有足够的强度，从而验证模型的可靠性。

图1 自装卸式集运机三维模型

1 多体动力学原理

MSC.ADAMS采用Lagrange法[3]来构建机构动力学方程：

(1)

s.t.φ(m,t)=0

(2)

(3)

式中：Q为总动能；m为坐标阵；F为力矩阵；ρ为完整约束阵；μ为非完整约束矩阵；φ(m，t)=0为完整约束方程；θ(m,m&t)=0为非完整约束方程。

通过牛顿-拉夫森迭代法[4]可得速度方程(4)与加速度方程(5)由(2)式求解：

(4)

(5)

约束力方程(6)由带乘子的Lagrange方程求解

(6)

2 仿真过程设计

1为机座；2、6、9、10为液压缸；3为立柱；4为主动臂；5为副动臂；7为抓具回转梁；8为抓具铰接梁；11、12为原木抓具。 图2 自装卸式原木集运机抓木机构简图

抓木机构完成周期作业主要包括6道工序：①臂架伸展；②抓木对位；③抓取原木；④装车对位；⑤释放原木；⑥臂架收缩[6]。自装卸式原木集运机抓木机构仿真分析前，为了理清机械结构间的关系，需对其简化表示[5]，抓木机构简图见图2。

抓木机构各组成构件和相互关系用如下代码表示：T为自由度为1的移动副；R为自由度为1的转动副；F为固定(自由度为0)；“_”为相互间构成关系。由此得R1_3(机座为立柱使用液压马达构成转动副)，T3_4(立柱为主动臂使用液压缸构成移动副)、T4_5(主动臂为副动臂使用液压缸构成移动副)、T5_7(副动臂为抓具回转梁使用液压缸构成移动副)、R7_8(抓具回转梁为抓具铰接梁使用液压马达构成转动副)、T8_11和T8_12(抓具铰接梁为木材抓具两侧使用液压缸构成移动副)，即抓木机构构件相互形成的6个连接关系。不同作业工序下各连接副工作状态见表1。

为保证原木装卸作业的连续性，使用STEP函数[7]对抓木机构作业过程进行仿真，用STEP(m,t0，s0，t1，s1)表示，函数关系式为：

表1 不同作业工序下各连接副的工作状态

*：原木装卸过程仿真为1周期；原木径向中心面与臂架XY平面成90°角。

(7)

式中：n=s1-s0；ε=(m-t0)/(t1-t0)；m为时间变量；t0为初始时间量；t1为终了时间量；s0为t0时刻STEP函数值；s1为t1时刻STEP函数值。

3 抓木机构动力学仿真

3.1 初始设置

图3 ADAMS动力学仿真模型

图4 抓具铰接点X、Y分量位置、速度和加速度变化情况

ADAMS 2013虽支持直接输入Creo Parametric中“.ASM”文件，但直接导入不稳定且效率低[8]。综合选优最后采用“.x_t”格式转换模型导入ADAMS/View进行运动学分析。ADAMS/View须将模型进行定义与修复，因导入模型后材料等参数无量纲，且构件间无约束关系，须对其定义与修复[9-10]。抓木机构设计尺寸与实际尺寸一致，因此需将抓木机构各构件Material Type定义为“.*.steel”(“*”为模型名称“GZZZ_1208”)，即等于实际尺寸的体积与重量；径长200 mm、长5000 mm的原木模型Material Type为“.GZZZ_1208.wood”。缸筒—液压杆定义Translational Joint；主动臂—机架、主动臂—副动臂、副动臂—抓具回转梁、抓具铰接梁—抓具定义Rebolute Joint；机架—Ground定义Fixed Joint。创建原木间、原木与抓具间的Contact关系，启用Friction Force(Coulomb)。

图5 抓具铰接点X、Y分量受力变化情况

3.2 运动干涉检查

为确定原木集运机新增抓木机构在运动过程中是否发生相互干涉，需要进行机构运动干涉检查[11]。本文采用以下2种方法对自装卸式原木集运机抓木机构进行运动干涉检查：①通过Creo全局干涉检查功能判断抓木机构运动过程是否发生干涉；②通过在ADAMS/View运动仿真环境中抓木机构的运动状态判断机构是否发生干涉。其中，前者由Creo Parametric自动分析运动过程中机构任意时刻发生干涉情况与否，并在发生运动干涉时保存干涉区域相关数据以备进一步分析和改进模型，此方法对运动干涉具有定量描述；后者在ADAMS中进行运动仿真，通过观察机构的运动过程从而对机构模型的运动干涉情况给予定性的描述。经过以上2种方法测试，自装卸式原木集运机抓木机构运动过程中并未出现运动干涉现象。在ADAMS/View 2013中对抓木机构进行运动仿真，仿真过程见图3。

3.3 仿真结果分析

Simulation Control步长1000 ms，测量自装卸式原木集运机抓木机构原木抓具模型“ZHUAJU_ ZHUA0_SOLID_1”中心铰接点X和Y分量位置、速度和加速度与时间关系，测量结果见图4。

由图4可知，位置随时间变化曲线得木材抓具在0～150 s装卸周期内运动状态较为平顺，抓具中心铰接点X分量上最大瞬时速度424.09 mm·s-1，Y分量上最大瞬时速度339.93 mm·s-1。抓具铰接点X与Y分量上加速度随时间变化曲线显示其在0～16 s中波动显著，由于此过程属于木材抓具空载对位过程，加速度波动较大是为了迅速对位从而缩短抓木准备时间，因此并不会对抓木机构构成显著影响，16～150 s中抓具加速度曲线整体走势平稳。抓具铰接梁“R4_5”抓具中心铰接点X与Y分量受力与时间关系见图5。

抓木过程产生碰撞主要2个因素：原木之间产生的碰撞和原木与木材抓具之间产生碰撞。由图5可知，在0～150 s中木材抓具X、Y分量受力与时间震荡显著，其中抓具X分量最大瞬时力在34.32 s时为+9.9307×105N，抓具Y分量最大瞬时力在80.80 s时为-1.0432×106N。通过Creo Parametric软件测量木材抓具受力面积区域之和为0.27 m2，计算出在木材抓具X、Y分量上的最大瞬态力下所能承受的最大应力分别为PX≈3.678 MPa、PY≈3.864 MPa。由于木材抓具X、Y分量上产生的最大应力远小于材料许用应力，结果表明在作业周期内瞬态力波动不会对抓木机构构成影响，因此验证了模型的可靠性。

4 结论

1)通过作业周期内自装卸式装载机抓木机构木材抓具中心铰接点X、Y分量上位置、速度和加速度随时间变化曲线判断出抓木机构运动平稳；通过作业周期内自装卸式装载机抓木机构木材抓具中心铰接点X、Y分量受力随时间变化曲线判断抓木机构抓具在受到最大瞬态力下X、Y分量上的最大应力PX和PY仍然小于材料许用应力，验证了模型的可靠性。

2)通过Creo Parametric三维设计软件构建自装卸式原木集运机抓木机构模型十分便捷；借助ADAMS/View中STEP函数能够快速模拟自装卸式原木集运机抓木机构的作业过程；自装卸式原木集运机抓木机构模型结构设计优良，仿真分析方法可行，便于自装卸式原木集运机机械结构进一步优化与装卸效率的提升。

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Dynamics Simulation of Log Loader Mechanism of Self-loading and Unloading Forwarders

LONG Jian-qun，LI Yao-xiang

(CollegeofEngineeringandTechnology，NortheastForestryUniversity，Harbin150040，Heilongjiang，China)

Aiming at the limitation of most forwarders can only work for transporting logs.One concept which combining log loader mechanism with trailers has been proposed to improve the log handling efficiency of forwarders.The model of self-loading and unloading forwarders was constructed based on Creo Parametric 2.0.Dynamics simulation analysis was studied based on MSC.ADAMS 2013.The motion state and dynamic performance of log loader mechanism′s operation process was simulated by ADAMS/View.Kinematic and dynamics parameters on the time curve were drawn separately.The analysis results show that the log loader mechanism of self-loading and unloading forwarders has a state of steady motion.Log grapple has good performance in resisting the transient force and dynamic characteristics.The simulation results verify the feasibility of the model and the reliability of the simulation analysis.

forwarders；log loader mechanism；simulation；dynamics；ADAMS

2014-12-29；

2015-01-26

林业公益行业科研专项(201504508)；中央高校基本科研业务费专项(DL12EB07-2)

龙剑群(1991—)，男，江西鹰潭人，东北林业大学工程技术学院硕士研究生，从事林业机械设计与仿真研究。E-mail：j0102j@163.com。

李耀翔(1973—)，女，内蒙古包头人，东北林业大学工程技术学院副教授，博士，从事森林工程研究。E-mail：yaoxiangl@yahoo.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.04.011

S782.2；TP391.9

A

1002-7351(2015)04-0053-04