基于Adams车载式装卸机抓具的设计与分析

李树森,张岩,陈素萍

(东北林业大学 机电工程学院，黑龙江　哈尔滨150040)



基于Adams车载式装卸机抓具的设计与分析

李树森,张岩,陈素萍

(东北林业大学 机电工程学院，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：车载式装卸机是林业机械领域重要研究内容。主要采用三维建模和虚拟样机测试的方法对装卸机抓具开展了动静态特性研究，结果表明，抓具的结构和颚爪的弧度对抓取性能有着重要的影响；同步器的长度影响液压缸动力分配和颚爪的磨损；根据液压缸的输出特性推断抓取情况。研究结果将对同类收集装卸机械设计和研究提供参考。

关键词：林业机械；液压木材抓具；虚拟样机；结构设计；加载测试

提高林区剩余物的利用率，是提高木材综合利用率的重要途径之一。多年的采伐使得可砍伐的木材胸径从2000年的30cm下降到现在不足18cm，木材胸径变小导致现有的木材抓具在结构上已不能满足对小径木材的抓取要求，导致集材的对象也由大径木、原条向小径木和枝桠材剩余物转变。由于采伐剩余物的体积大、弯曲度大、密度小、运输距离远，导致收集和运输效率低且成本高，加之中国缺乏专业从事林区剩余物捡拾和运输设备，致使大量的剩余物遗弃在林区不能运回利用。因此，严重地制约了中国林区剩余物的利用[1]。

根据中国目前的森林工业木材生产的实际状况，学习国外先进的林业机械设备的技术，结合中国实际情况研究，开发林区剩余物集运机，对提高中国森林经营和抚育关键机械设备的研发和制造能力具有重要意义。车载式装卸机主要收集小径木与林区剩余物，并与打捆装置配套使用，可以显著地提高装载运输效率。

抓具是集运机设备的关键部件之一，主要起到吊装和集材的作用，其性能应满足装卸木材要求；抓具的起升载荷包括抓取物料的重量和自身重量。根据抓具结构不同可分为液压式、绳索式、机械式、电动葫芦式等[2]。本文设计的车载式装卸机主要由汽车、臂架、抓具和集材车厢等组成。国内目前使用的集材机械和抓具大多有自重较大、抓腔大且对小径木抓取能力弱等特点，并且结构复杂，耗损功率大。本文主要讨论设计一种对小径木材具有良好抓取能力并且具有结构简单重量轻等特点的抓具。

集材机工作对象：小径木(13～18cm)、枝桠材、林区剩余物等。车厢在设计上采用两种结构，所以要求抓具对大径(20～44cm)木材具有一定的抓取能力。

集材机结构简图如图1所示。

图1　车载式装卸机

1液压木材抓具的结构设计

1.1整体结构设计与分析

本文设计的液压木材抓具的原理图如图2所示。

图2　抓具原理图

抓具需结构紧凑、动力充足。由图2得知，抓具为6杆机构，卧式油缸布局，两颚爪铰接于承重梁(4)上，液压缸铰接于两颚爪顶部，机构自由度为ω=3n-2P=1，通过控制液压缸的伸缩即可完成抓具的开闭动作。在工况时刻液压缸推动活塞杆，外颚爪收缩，同时与外颚爪连接的同步器推动内颚爪连接位置，使内爪收缩完成夹取动作。液压缸收缩拉动活塞杆和外爪向外移动同时通过外爪连接点拉动同步器，同步器与内爪相铰接内爪张开完成动作。

根据上述公式可知在主要结构确定的情况下可以改变工作压力、动力臂长度、阻力臂长度、液压缸直径等。

表1　抓具的基本参数

参考设计和结构要求，最终推算出设计抓具的抓取力为20.08kN。

承重梁下部为锯齿状同时搭配颚爪弧度以便卡住木材减少其在抓具中轴向串动。在连接部分上部采用梯形箱体便于连接和提高工作强度，并且可以有效地减轻重量，降低对液压系统的压力需求[3]。

1.2颚爪的结构设计与分析

缸体连接一侧称为内颚爪，液压杆推动一侧称为外颚爪。颚爪的弧度要求对木材具有一定的包容性和导向性。要求能改善木材在抓取时受力点和受力方向，便于木材在抓具内的弧形区域内滑动或滚动，直接地降低阻力对抓取的影响，减小阻力臂的长度。

内外颚爪采用全新设计，对加强板位置尺寸、颚爪弧度、铰接点结构、颚爪截面形状等进行了优化。

图3　内颚爪的外形

内颚爪提高液压缸安装位置增加动力臂，底部的“铲型”提高颚爪对木材的“收拢”性能。

图4　外颚爪的外形

外颚爪的设计和内颚爪相似，设计需要保证两颚爪在闭合时具有包容性，另外颚爪的宽度大于内颚爪10～15mm，防止发生因受力变形而产生干涉现象。

在设计中对颚爪的弧度进行了多种假设，经过计算和仿真比较之后得知抓腔弧度与液压缸输出力成反比，各个杆件受力也随着弧度增加而明显下降，但弧度过于“圆滑”导致颚爪的尺寸和重量明显上升，同时在颚爪尖端失去“铲子”而降低对木材的收拢能力，颚爪闭合时木材与颚爪在一定时间内处于“脱离”状态最终导致木材脱落。

颚爪截面设计采用Γ形，相比于工字型和箱型在结构上重量减少了43%和31%，Γ形横截面可以增加木材抓取时的受力面积，减少木材损伤，改善因木材自重和抓具与木材接触不良时引起受力不均而导致的变形所引起的两颚爪相互干涉。

内外颚爪的设计需考虑同步器位置。

1.3抓具同步器敏感程度分析

同步器的作用使得内外颚爪能够在张开和闭合时速度和状态达到同步。在设计过程中同步器长度直接影响液压缸的动力分配、两颚爪工作的稳定性和内外颚爪的磨损，由于采用“外低内高”的布局，经模拟外颚爪对同步器的长度因素异常敏感。

若同步器长度过长则左侧内颚爪开闭速度过快，闭合效果下降。长度过短则外颚爪开闭幅度降低。

经过反复计算和模拟，得知尺寸在540～542mm为最佳，本设计采用540mm。验证和计算同步器的长度主要参考对象为两颚爪在抓取时动力分配误差。

由于液压缸直接推动外颚爪，而内颚爪既受到缸体的推动作用又受到同步器的调节作用，影响因素较多，所以采用F4作为基准值以便比较。

图5　同步器的外形

图5为同步器的外形。为了强度的需要可以增加同步器的数量，也可以对同步器进行适当的弯曲以配合抓具的抓腔形状[4]。

2抓具虚拟样机测试

2.1抓具工况模拟

将SolidWorks三维模型输入Adams软件中进行仿真计算。

抓具要求对大径木有一定的集材能力，并且质量大的原木对抓具结构要求较高[5]。设定工作压力17MPa，液缸活塞杆内径80mm，最大推力约85kN。

图6　虚拟样机中工况模拟

图6中抓具3在Adams软件中定义液压缸输出力速度100mm/s，输出力85kN，内外颚爪铰接于抓具3箱体上，同步器铰接于两颚爪之上，颚爪长度750mm。

模拟对象两根最大直径为440mm的原木，长度为4 000mm，总重量500kg。

设定摩擦木材—木材动、静摩擦系数分别为0.3和0.4，木材—颚爪动、静摩擦系数为0.2和0.3。

添加碰撞木材1和木材2；木材1和左侧颚爪；木材2和右侧颚爪；木材1和抓具3箱体；木材2抓具3箱体。

模拟条件颚爪在最大开度1 200mm处在液压缸的推动下抓取木材1和2直至完全抓取的过程。

通过在虚拟样机中的反复模拟得到液压缸输出数据、各个杆件之间的受力、木材之间的受力、抓取受力以及同步器受力图线[6]。

2.2对仿真结果进行分析

下列各图中横轴表示时间，纵轴表示受力。经公式F=p·πR2，初步计算液压缸输出力为85kN。并且每幅图中都添加了液压缸曲线作为参考。在Adams软件中进行数据处理提取关键数据点，并且排除0点干扰和不合理数据得到，x=[9.21,9.25,9.29,9.32,9.33,9.35,9.4,9.44，9.49,9.55,9.64,9.67];y=[470,46 770,31 082,3 581,26 029,69 418，43 833,39 155,43 696,35 692,3 337,34 085]。

图7　液压缸输出F1

图7中红色线代表液压缸在工作时的压力输出特性曲线，在时间为约9.32s时原木被两颚爪夹持，而后图线上升至最高点61.5kN，颚爪弧度改善抓取性能，极值点后逐渐下降。

最后将数据导入MATLAB进行曲线拟合，对结果进行筛选在其基础上舍去X=9.21，9.25，9.29和Y=470，467 70，310 82。

图8　液压特性曲线拟合

计算得到液压缸在抓具对木材夹取时的输出力的六阶多项式，Y=-9.485 2×109X6+5.413 1×1011X5-1.287 1×1013X4+1.632 2×1014X3-1.164 3×1015X2+4.429×1015X-7.109 9×1015③。

图9　颚爪夹持力F2

图9中细线代表木材所受夹持力极值为23.3kN，在液压缸输出峰值部分亦出现极值18.8kN，此刻抓具收拢木材初夹取的时间点。9.6s之后的小波动的增加是由于木材被抓起时受重力的影响。

图10　外颚爪转轴受力F3

图11　内颚爪转轴受力F4

图10～11细实线即为内鄂爪与外鄂爪转轴受力，通过对转轴受力情况的观察可以了解到当转轴受力达到最大值，图10～11中颚爪抓取力最大值别为115.2kN和115.9kN，两颚爪在动力分配误差小于1%。液压缸输出最大值也是木材初被抓取时刻，点接触达到极限，最后转轴承受力上升即为木材被完全抓取时受重力的影响。根据内外颚爪受力图线可以得知在受力情况上两爪转轴承受力相似但内颚爪结构紧凑故对外颚爪进行分析。

在整个结构中同步器至关重要，采用两根同步器并联每根受力35.6kN。

3Simulation软件下的加载测试

内、外鄂爪在加工过程中还可以进行适当的改变截面形状来进一步增加杆件的刚度和减少重量。

图12　Simulation加载下的颚爪转轴应变云图

图12 Simulation加载下的颚爪转轴应变云图，添加自由度。根据仿真得到的数据对颚爪的转轴加载讨论应力和应变验证。增加载荷模拟转轴受力，将图10～11中的数据导出。

加载后最大变形量6.199×10-3mm，此时承受的最大应力3.58×107N/m2。

图13　Simulation加载下的颚爪应变云图

图13 Simulation对颚爪尖端和根部进行强度验证，在抓取时颚爪尖端受力最大颚爪从尖部到根部形成悬臂梁。图9分析得夹持力最大出现在颚爪抓取木材时刻，主要由液压缸输出力和木材本身重力组成，颚爪尖端处于静态，抓具尖端与木材点接触。此刻爪尖和转轴形成悬臂梁，为满足最苛刻的工作条件，取极值点带入。加载后颚爪尖端形变量1.175mm，在根部承受的应力1.004×108N/m2。抓具的材料为Q345，屈服强度3.45×108N/m2，经验证满足要求。同时对承载梁进行强度验证，在Adams软件中简化模型，根据图7、9、11分析，承载梁的结构和强度主要受颚爪转轴对承载梁的作用力和抓取时木材运动惯性力和木材重力的影响。

4结论

本文采用了三维建模和虚拟样机的方法对车载式集材机的抓具进行了结构的设计和分析。在分析过程中得到如下结论：

颚爪的弧度可以有效地改善抓具的抓取性能，同时弧度过大或者过小都会对抓具抓取造成阻碍。

同步器的长度对于颚爪的闭合状态和磨损以及液压缸动力分配有重要影响。

推导出液压缸在抓具对木材时的输出特性六阶多项式。

通过虚拟样机进行工况模拟，分析讨论抓具在抓取状态下木材与抓具相对状态和力学关系。

对关键部件进行了强度验证，如图12～13，鄂爪尖端受力形变1.175mm完全符合木材抓取强度和刚度要求。

参考文献：

[1]孟梦,胡光辉,韩明跃,等.思茅松林采伐迹地清理及其采伐剩余物的利用[J].西部林业科学,2009,38(3):106-109.

[2]王忠行,王景欣.国内外木材抓具应用的基本情况及其发展[J].森林采运科学,1989(4):39-48.

[3]张伟.木材抓具的系列化研究[D].哈尔滨：东北林业大学,1989.

[4]王喜亮,王多绪,李树森.木材抓具抓取阻力及性能的研究[J].东北林业大学学报,1991(2):76-82.

[5]曹文钢,陈应航,曾金越.随车吊变幅机构动力学仿真与优化[J].机械研究与应用,2014(2):58-60.

[6]唐鹏,石成江,刘占民,等.基于ADAMS的管道检测机器人动力学分析及仿真[J].机械设计与制造,2012(7):150-152.

Design and Analysis of Vehicle Loader’s Timber Grab Structure based on Adams

LI Shu-sen, ZHANG Yan, CHEN Su-ping

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，P.R.China)

Abstract:Vehicle loader is an important research content in the field of forestry machinery.This study focus on the dynamic and static characteristics of the loader based on the method of 3D modeling and Adams，and the results shows that the structure and the curvature of the jaw has an important influence on grasping woods.The length of the synchronizer influences the hydraulic cylinder force distribution and the wear of the jaws，and it could deduce the grasping situation according to the output characteristic of hydraulic cylinder.This study will provide a reference for the design and further research on vehicle loader.

Key words:forestry machinery; hydraulic timber grabs; Adams; structure design; loading test

中图分类号：S 776.32

文献标识码：A

文章编号：1672-8246(2016)02-0106-06

通讯作者简介：张岩(1990-)，男，硕士研究生，主要从事农业与林业机械研究。E-mail:zhang1412kio@163.com

第一作者简介：李树森(1963-)，男，教授，博士，博士生导师，主要从事农业与林业机械、机械结构有限元、现代机械设计理论与方法方面的研究。E-mail:lishusenzp@126.com

基金项目：黑龙江省自然科学基金(E201215)，东北林业大学教育教学研究课题 (DGY2014-31)。

*收稿日期：2015-12-19