多功能林木采伐抓锯的结构设计与有限元分析

蒲 帅，刘晋浩

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

多功能林木采伐抓锯的结构设计与有限元分析

蒲 帅，刘晋浩

(北京林业大学 工学院，北京 100083)

设计一种可以同时用于采伐、抓取与锯切树木的多功能林木采伐抓锯，对其作业装置进行机构分析，利用Pro/E建立并完善CAD模型。所设计抓锯可张开的最大爪距为1 481.37 mm，可抓取单树最小树径为51.52 mm。利用ANSYS Workbench 14.5对该设计在两种工作状态下作静力学分析，最大应力均小于许用应力值，结果表明结构设计合理可靠，完全满足实际要求。

采伐；抓锯；结构设计；有限元分析

0 引言

我国的林业机械发展缓慢，现有的林木采伐抓锯作业装置主要是抓取树木，不兼备锯切树木的功能。本文设计的多功能林木采伐抓锯作业装置可以实现对林木的采伐、集中归堆造材作业，可很大程度地提高作业效率，减轻操作工人的劳动强度。结构设计对于工作装置的运动特性起着决定性的作用，利用三维建模软件完成虚拟模型，并对模型进行运动仿真分析，可验证设计的结构与尺寸是否合理，并能做进一步优化。本文利用有限元方法对设计的抓锯整体结构做工作状态的静力学分析，以校验整体结构设计的可靠性。

1 林木采伐抓锯机构分析

1.1 设计要求

林木采伐抓锯包括抓具和链锯两大部分，两大工作装置主要运用的机构均是连杆机构，由于连杆机构的运动特性复杂，合理的设计能极大程度地改善其结构的运动轨迹，优化动力性能，提高设备的整体作业效率。

本文设计的抓锯包括两大机构：抓具的夹抱机构和链锯的锯切机构。夹抱机构要求最大张开时的抓手距离达到1 400 mm，最小抱紧时能夹抱的树木直径尽量小，且抓具两抓手保持同步张开与合拢动作。锯切机构要求能锯切夹抱机构可夹抱的所有大小的树木，且收放尽量省力高效。

1.2 机构分析

1.2.1 夹抱机构

夹抱机构原理示意图如图1所示，该机构是以四连杆机构为基础，左、右两个固定支座A、B连接相当于机架，但该机构整体自由度为2，不能保证机构运动的确定性。故在此基础上，添加一根辅助杆DE，添加的约束杆使得整体机构自由度为1。

为使两侧从动杆在液压缸驱动下能保持同步向外或向内转动，辅助杆铰接点E的设计方案如图2所示。其中，AE=AC，DE=AB。由于AC=BD，故AE=BD，四连杆ABDE构成反平行四边形机构。虽然反平行四边形机构两曲柄沿相反方向转动的角速度不等，但在小转动角度时差距非常小，即β≈α，可以保证夹抱机构两抓手运动的对称性，始终保持同步张开与合拢。

1-原动件；2-从动件

图2 夹抱机构铰接点设计

根据夹抱机构需要张开的最大角度和最小角度要求，确定并优化各杆件长度和铰接点位置，最终得到的铰接点位置及各极限位置如图3所示。在液压缸伸出极限位置，即图中位置Ⅱ处，两侧压力角分别为67.4°和68.66°，液压缸铰接点距离为780 mm；在液压缸收回极限位置，即图中位置Ⅲ处，两侧压力角分别为51.74°和50.54°，液压缸铰接点距离为470 mm。在两极限位置的任一中间位置Ⅰ处，压力角均小于其最大值，机构传力性能更好。夹抱机构液压油缸行程S1=780-470=310 mm。

图3 夹抱机构极限位置

1.2.2 锯切机构

锯切机构原理示意图如图4所示。该机构较为简单，有3个活动构件、3个转动副和1个移动副，自由度为1。

根据锯切机构链锯收回位置和最大锯切位置的需求，确定并优化锯切机构各铰接点位置，如图5所示。Ⅱ位为链锯收回水平位置，此位置压力角为60.8°，液压缸铰接点距离为255 mm；Ⅲ位为链锯最大锯切位置，此时链锯可摆到竖直状态，此位置压力角为33.79°，液压缸铰接点距离为369 mm。在这两极限位置的任一中间锯切位置Ⅰ处，压力角小于60.8°，机构传力性能更好。锯切机构液压油缸行程S2=369-255=114 mm。

1-原动件；2-从动件

图4 锯切机构原理示意图 图5 锯切机构极限位置

2 林木采伐抓锯CAD模型的建立

利用Pro/E Wildfire 5.0完成抓锯CAD模型，如图6所示，包括抓具和链锯两大部分，通过6套螺栓对其进行连接。抓具主要包括抓具主体、两个抓手、抓手辅助板和抓手液压缸；链锯主要包括链锯壳体、液压马达、链轮、锯链、导板和链锯液压缸。

图6 多功能采伐抓锯CAD模型

该抓锯的主要技术参数如图7所示，最大张开抓手距为1481.37 mm，最小夹锯直径为Φ51.52 mm。

3 林木采伐抓锯有限元模型的建立与分析

3.1 有限元模型建立

本文利用ANSYS Workbench 14.5对抓锯模型作静力学分析，以校验设计结构的强度。有限元模型可以通过将Pro/E中建立的CAD模型直接无缝导入Workbench得到，这样可避免模型转移过程中的失真问题。

采伐抓锯结构选用45钢，其材料密度为7.85×103kg/m3，弹性模量为210 MPa，泊松比为0.3。液压缸材料选铸钢ZG270～500，弹性模量为260 GPa，泊松比为0.34，屈服强度为270 MPa[1]。为了使网格划分质量更高，减少扭曲和计算不收敛的错误，在分析时对结构进行简化，去掉对结果无影响的圆角、倒角、孔等细小特征。该设计中，针对我国的人工林树木主要尺寸，选择的树木长度为10 m，胸径为Φ30 cm。我国木材按20%含水率计算的平均密度为629 kg/m3，极少数的树木密度能达到1 000 kg/m3。为满足绝大多数树木密度要求，本设计中选取树木密度为1 000 kg/m3。为减少模型网格数量，缩短计算时间，将树木长度缩减为0.5 m，即为实际尺寸的1/20，对应密度设置为20 000 kg/m3，以保证树木重量一致为706.86 kg，这样对分析结果无影响。

在ANSYS中，自由网格划分无形状限制，网格也不遵循任何模式，适合复杂形状面和体的网格划分，对于体划分，一般生成四面体单元[2]。本设计中网格划分选用ANSYS自动网格划分的方法，单元尺寸0.01 m，划分网格后得到的有限元模型如图8所示，单元数255 112个，节点数645 809个。

图7 抓锯主要技术参数

3.2 边界条件和载荷

本设计中，对抓具夹抱树木和链锯锯切树木两个工作状态分别进行静力学分析，以此检验整体结构的强度。抓具和链锯分别施加边界条件和载荷，并计算其结果。

抓具夹抱状态：抓具在采伐机上通过连接架与机械臂螺栓连接，因此可将连接架完全约束。抓具抓手在抓取树木时，两抓手会绕连接销转动，抓手辅助板绕铰接销轴转动，液压油缸也会绕两铰接销轴转动。为了提高仿真结果的准确性，故保留这几处销轴绕各自轴线的转动自由度，对两抓手分别施加回转加速度惯量，大小为1 rad/s。

链锯锯切状态：链锯通过螺栓与抓具主体连接，因此将链锯壳与抓具连接的面固定。保留链锯导板绕连接销轴的转动自由度和液压油缸绕两铰接销轴的转动自由度，对链锯导板施加回转加速度惯量，大小为0.35 rad/s。

另外，在两个状态中，对整体施加向下的重力场，将活塞杆与缸套部分的接触均由绑定接触改为无摩擦接触[3]，即两者允许滑移，不可分离。

3.3 分析结果

两个状态分析结果分别如图9、图10所示。抓具夹抱状态时，最大应力值为131.52 MPa，发生在抓手液压缸的活塞环处，原因在于夹抱机构处于极限位置时，活塞环与缸筒底部接触，在抓手回转惯量作用下受力较大。液压缸材料的屈服强度为270 MPa，取安全系数1.5，允许最大应力值为180 MPa。链锯锯切状态时，最大应力值为47.3 MPa，发生在链锯液压缸与链锯壳铰接点处。铰接点材料45钢的屈服极限为355 MPa，取安全系数为1.5，则允许最大应力值为236.7 MPa。两种状态分析结果都符合实际情况，证明边界条件施加正确，且最大应力值都小于材料许用最大应力值，证明设计结构强度足够，完全满足使用要求。

图8 有限元模型 图9 抓具夹抱状态应力结果 图10 链锯锯切状态应力结果

4 结论

本文设计了一种多功能林木采伐抓锯，并对其夹抱机构和锯切机构进行分析完善，使其运动特性更好。根据设计机构尺寸建立抓锯CAD模型，然后对模型进行静力学分析。结果表明，设计结构合理可靠，完全能够满足抓锯抓取、锯切树木的功能及强度要求。

[1] 杨秀萍，曹晓邨.液压缸结构设计的有限元法[J].机床与液压，2004(1)：108-109.

[2] 王克军.80型轮式装载机结构部件性能分析[D].长春：吉林大学，2008：63.

[3] 彭先勇，陆中良，李受人，等.ANSYS Workbench的液压油缸多目标优化设计[J].湖北工业大学学报，2011(4)：79-81.

Structure Design and Finite Element Analysis for Multifunctional Forest Felling Grab

PU Shuai, LIU Jin-hao

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

A kind of multifunctional forest felling grab can be used for cutting, grabbing and sawing the trees is designed, the structure of the work devices of the grab is analyzed, and the CAD model of the grab is set up by using Pro/E. Designed grab can open to 1481.37 mm, can grab a tree of minimum diameter of 51.52 mm. Statics analysis is made in the two kinds of work states by using ANSYS Workbench 14.5, the analysis results show the maximum stress of the grab is less than the allowable stress value, the design is reasonable and reliable, fully meets the actual requirements.

felling; grab; structure design; finite element analysis

1672- 6413(2015)06- 0048- 03

国家林业局引进国际先进林业科学技术项目(2011-4-02)

2015- 08- 17；

2015- 10- 27

蒲帅(1991-)，男，四川绵阳人，在读硕士研究生，研究方向为林业装备自动化及其智能化。

TP391.7

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