车载式林间枝桠材剩余物收集装置的设计及动力学和运动学分析

李树森 王浩 高素杰 崇维勇

摘 要：文章设计一种车载式林间枝桠材剩余物收集装置，该装置将收集机构和汽车移动平台有机结合，由车身、机械臂架、抓具和车厢组成，可以减少进入林区的车辆数，提高工作效率。文章重点介绍了对机械臂和抓具的设计计算，并利用SolidWorks和Adams进行了建模和仿真。针对枝桠材具有杂、乱、碎、蓬松等特点，设计了一种具有压缩功能的车厢，极大的提高了收集运输效率。

关键词：林业机械；机械臂；压缩车厢

中图分类号：U469.6+91 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0037-03

Abstract： In this paper， a collection device for residual material of branches in a vehicle-borne forest is designed. The device organically combines the collecting mechanism with the mobile platform of an automobile， and consists of a body， a mechanical arm， a grab and a carriage， which can reduce the number of vehicles entering the forest area and improve working efficiency. This paper mainly introduces the design and calculation of the manipulator and grab， and models and simulates using SolidWorks and Adams. According to the characteristics of branch material such as miscellaneous， messy， broken， fluffy and so on， a kind of compressing carriage is designed， which greatly improves the collection and transportation efficiency.

Keywords： forestry machinery； mechanical arm； compressing compartments

1 概述

将集材机械和起重机械结合起来，组成装卸机实现了集材装卸运输于一身的木材装卸机械，同时向着智能化数字化发展[1]。现在各个国家都意识到森林资源对生态环境的重要性，一方面在增加植树造林的面积，同时也在提高对林区剩余物的收集使用效率实现林业的循环发展[2]。

目前对林木的需求量不断增大，集材的对象也由原木、原条变为林区剩余物和枝桠材，这些材料拥有着巨大的潜在经济价值[3]。对林区枝桠材剩余物的收集使用，可以在某些领域，如：烧柴、发电、生物质能等领域替代木材减少对木材的消耗[4]。所以设计一款集收集、装车和运输一体的林业机械是具有十分重要的意义的[5]。

2 总体结构设计

在本文中已用SolidWorks创建整体模型，如图1所示。

3 抓取装置

3.1 抓具设计方案选择

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[6]。国内目前使用的集材机械和抓具具有抓腔大且对蓬松枝桠材抓取能力弱等缺点，并且结构复杂，耗损功率大[7]。本文设计了一种对蓬松枝桠材具有良好抓取能力特点的抓具，如图2、3所示。

3.2 抓具的力学分析

SolidWorks建立的模型导入ADAMS进行了受力分析。考虑到抓取对象在蓬松时对颚抓所施加的载荷并不大，可以忽略其外部的树桠枝的影响，抓具在稳定抓取到对象时，所受到的载荷主要来源于抓取对象的主干部分。因此，在做受力分析时我们可以假设抓取对象为一个圆柱形钢体。基于此种假设，本文设计的抓具可以拆分为4组单一的颚抓，并且他们所受到的载荷相同。这里我们利用ADAMS对其中的一组颚抓进行受力分析，图4中圆柱体就代表了蓬松树桠枝的集合。

本设计的抓具部分共有4个转动轴，包括左转轴、右转轴、十字连接轴、两爪连接轴。这些轴的承载能力是抓具承载能力的重要体现。这里利用Adams对各轴做出了具体的受力分析。分析时添加的材料为钢铁，上述轴类的直径设定为20mm，结果如图5所示。

由以上得出的数据可知，每根轴的最大承载极限大约为15到20kN，再把最大承载能力除以一个安全系数S，便得到安全工作的受力情况。[？滓]？燮 ，F=？滓· D2，FA？燮 。其中？滓max为极限应力，D为轴的直径，FA为轴的安全承载力，Fmax为轴的极限承载力。假设S取4.5，轴的安全承载力FA为3.3kN。根据安全承载力，可以选定一套合适的动力装置。为了验证动力装置是否合适，可以计算出抓具尖的抓取力来作为参考。

其中FN为原动力，？兹为动力轴与左右转轴的夹角，F1，F2分别为作用在左右连接轴上的拉力，Fn1，Fn2分别为作用在左右转轴上且沿爪的垂直方向上的力，？茁为Fn1与F1的夾角，T为作用在两抓连接轴上的转矩，l为两爪连接轴到左右转轴的距离，？酌为Fn1与两爪连接轴到左转轴连线的夹角，L为两爪连接轴到抓具尖的距离，FJ1，FJ2分别为抓具左右尖的抓紧力。

4 机械臂

下面是对自由度进行的分析（如图6），机械臂底盘8能够自由旋转，带动整个机械臂的旋转动作；通过液压缸7的伸缩能够使大臂6在上下方向移动，调整机械抓具的抓取高度至合适的位置；液压缸5的伸缩使大臂3前后移动（液压缸3伸缩使抓具装置前后移动），其作用均为调整机械抓具抓取范围，当液压缸推动活塞便可实现更大范围的抓取动作。以上运动便实现了整个机械臂的运动，所以机构自由度Fn=3n-2p=4。

对于4自由度的机械臂，如果用A 表示第一个连杆在基准系的位姿，A 表示第二个连杆相对于第一个连杆的位姿，依次类推，那么有T4=A A A A 。其中A=R 0 1，R=cos？琢1 cos？琢2 cos？琢3cos？茁1 cos？茁2 cos？茁3cos？酌1 cos？酌2 cos？酌3， =xyz。R表示第二个坐标与第一个坐标的旋转关系， 表示点在坐标系中的位置。那么本设计中抓具的位姿可以用T4来描述，而T4又可以用四个矩阵的连乘来表示。根据结构简图中的关系，可以分别推算A ，A ，A ，A 的值。

由这四个矩阵的连乘积即可得到表示抓具位姿的4×4的矩阵T。

5 车厢

5.1 带有压缩功能的收集车厢

车厢的特点在于不仅可进行收集，而且可对收集到的林间剩余物进行压缩，车厢的体积由收集车的装载质量、所承载车厢底盘面积以及可进行压缩最大程度来确定的。

5.2 工作原理

带有压缩功能的收集车厢的工作过程主要是压缩装置的运动，其工作原理如图8所示。如图a，初始状态下各装置的位置，此位置下的刮板起到了使原车箱物材流出的作用；如图b，滑板开始下移的同时刮板随之一起产生升起的运动，直到图示位置运动停止，并且该位置下还起到了防止车厢内原本被收集好的物材流出；如图c，机械抓将物材放置料斗内；如图d，压缩装置的刮板降下，插入料斗内的物料中，进行物料的破碎和初次压缩，滑板上移使刮板紧贴料斗底部对其进行推动收集到车厢内；如图e，滑板和刮板回到初始位置。

6 结束语

通过对本文设计的林间剩余物收集装置的建模与分析，直观的展示了该装置的工作原理与工作能力。对该装置进行的力学分析有利于该装置投入到实际的生产和应用当中。同时，对该装置所包含的机械臂部分的运动学分析，可以为后续要实现的自动控制奠定基础。最后对车厢部分的描述，合理的说明了如何最大程度的利用车厢空间来装载压缩的林区剩余物。总体来说，该装置的可实现性比较高，对于提高林业收集、运输机械的工作效率有很大的借鉴意义。

参考文献：

[1]张桂玲.智能林业：林业产业与自动智能系统的紧密组合[J].中国林业经济，2017（01）：60-61.

[2]李松林.談综合、合理、节约利用森林资源[J].森林工程，1999，15（3）：16-17.

[3]叶波，姜风鹏.合理利用伐区剩余物浅析[J].林业勘查设计，2002（2）：20-21.

[4]王冬梅.伐区剩余物利用探讨[J].内蒙古林业，2013：32.

[5]佟慧哲.林业机械在林业产业中的作用及发展展望[J].科技创新与应用，2016（28）：285.

[6]李树森，张岩，陈素萍.基于Adams车载式装卸机抓具的设计与分析[J].西部林业科学，2016，45（2）：107-111.

[7]徐鑫，郭克君，满大为，等.国内外林木采伐及林地清理装备现状分析[J].林业机械与木工设备，2017（02）：4-9.