多功能林木采伐抓鋸的結構設計與有限元分析

蒲 帥，劉晉浩

(北京林業大學 工學院，北京 100083)

多功能林木采伐抓鋸的結構設計與有限元分析

蒲 帥，劉晉浩

(北京林業大學 工學院，北京 100083)

設計一種可以同時用于采伐、抓取與鋸切樹木的多功能林木采伐抓鋸，對其作業裝置進行機構分析，利用Pro/E建立并完善CAD模型。所設計抓鋸可張開的最大爪距為1 481.37 mm，可抓取單樹最小樹徑為51.52 mm。利用ANSYS Workbench 14.5對該設計在兩種工作狀態下作靜力學分析，最大應力均小于許用應力值，結果表明結構設計合理可靠，完全滿足實際要求。

采伐；抓鋸；結構設計；有限元分析

0 引言

我國的林業機械發展緩慢，現有的林木采伐抓鋸作業裝置主要是抓取樹木，不兼備鋸切樹木的功能。本文設計的多功能林木采伐抓鋸作業裝置可以實現對林木的采伐、集中歸堆造材作業，可很大程度地提高作業效率，減輕操作工人的勞動強度。結構設計對于工作裝置的運動特性起著決定性的作用，利用三維建模軟件完成虛擬模型，并對模型進行運動仿真分析，可驗證設計的結構與尺寸是否合理，并能做進一步優化。本文利用有限元方法對設計的抓鋸整體結構做工作狀態的靜力學分析，以校驗整體結構設計的可靠性。

1 林木采伐抓鋸機構分析

1.1 設計要求

林木采伐抓鋸包括抓具和鏈鋸兩大部分，兩大工作裝置主要運用的機構均是連桿機構，由于連桿機構的運動特性復雜，合理的設計能極大程度地改善其結構的運動軌跡，優化動力性能，提高設備的整體作業效率。

本文設計的抓鋸包括兩大機構：抓具的夾抱機構和鏈鋸的鋸切機構。夾抱機構要求最大張開時的抓手距離達到1 400 mm，最小抱緊時能夾抱的樹木直徑盡量小，且抓具兩抓手保持同步張開與合攏動作。鋸切機構要求能鋸切夾抱機構可夾抱的所有大小的樹木，且收放盡量省力高效。

1.2 機構分析

1.2.1 夾抱機構

夾抱機構原理示意圖如圖1所示，該機構是以四連桿機構為基礎，左、右兩個固定支座A、B連接相當于機架，但該機構整體自由度為2，不能保證機構運動的確定性。故在此基礎上，添加一根輔助桿DE，添加的約束桿使得整體機構自由度為1。

為使兩側從動桿在液壓缸驅動下能保持同步向外或向內轉動，輔助桿鉸接點E的設計方案如圖2所示。其中，AE=AC，DE=AB。由于AC=BD，故AE=BD，四連桿ABDE構成反平行四邊形機構。雖然反平行四邊形機構兩曲柄沿相反方向轉動的角速度不等，但在小轉動角度時差距非常小，即β≈α，可以保證夾抱機構兩抓手運動的對稱性，始終保持同步張開與合攏。

1-原動件；2-從動件

圖2 夾抱機構鉸接點設計

根據夾抱機構需要張開的最大角度和最小角度要求，確定并優化各桿件長度和鉸接點位置，最終得到的鉸接點位置及各極限位置如圖3所示。在液壓缸伸出極限位置，即圖中位置Ⅱ處，兩側壓力角分別為67.4°和68.66°，液壓缸鉸接點距離為780 mm；在液壓缸收回極限位置，即圖中位置Ⅲ處，兩側壓力角分別為51.74°和50.54°，液壓缸鉸接點距離為470 mm。在兩極限位置的任一中間位置Ⅰ處，壓力角均小于其最大值，機構傳力性能更好。夾抱機構液壓油缸行程S1=780-470=310 mm。

圖3 夾抱機構極限位置

1.2.2 鋸切機構

鋸切機構原理示意圖如圖4所示。該機構較為簡單，有3個活動構件、3個轉動副和1個移動副，自由度為1。

根據鋸切機構鏈鋸收回位置和最大鋸切位置的需求，確定并優化鋸切機構各鉸接點位置，如圖5所示。Ⅱ位為鏈鋸收回水平位置，此位置壓力角為60.8°，液壓缸鉸接點距離為255 mm；Ⅲ位為鏈鋸最大鋸切位置，此時鏈鋸可擺到豎直狀態，此位置壓力角為33.79°，液壓缸鉸接點距離為369 mm。在這兩極限位置的任一中間鋸切位置Ⅰ處，壓力角小于60.8°，機構傳力性能更好。鋸切機構液壓油缸行程S2=369-255=114 mm。

1-原動件；2-從動件

圖4 鋸切機構原理示意圖 圖5 鋸切機構極限位置

2 林木采伐抓鋸CAD模型的建立

利用Pro/E Wildfire 5.0完成抓鋸CAD模型，如圖6所示，包括抓具和鏈鋸兩大部分，通過6套螺栓對其進行連接。抓具主要包括抓具主體、兩個抓手、抓手輔助板和抓手液壓缸；鏈鋸主要包括鏈鋸殼體、液壓馬達、鏈輪、鋸鏈、導板和鏈鋸液壓缸。

圖6 多功能采伐抓鋸CAD模型

該抓鋸的主要技術參數如圖7所示，最大張開抓手距為1481.37 mm，最小夾鋸直徑為Φ51.52 mm。

3 林木采伐抓鋸有限元模型的建立與分析

3.1 有限元模型建立

本文利用ANSYS Workbench 14.5對抓鋸模型作靜力學分析，以校驗設計結構的強度。有限元模型可以通過將Pro/E中建立的CAD模型直接無縫導入Workbench得到，這樣可避免模型轉移過程中的失真問題。

采伐抓鋸結構選用45鋼，其材料密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為210 MPa，泊松比為0.3。液壓缸材料選鑄鋼ZG270～500，彈性模量為260 GPa，泊松比為0.34，屈服強度為270 MPa[1]。為了使網格劃分質量更高，減少扭曲和計算不收斂的錯誤，在分析時對結構進行簡化，去掉對結果無影響的圓角、倒角、孔等細小特征。該設計中，針對我國的人工林樹木主要尺寸，選擇的樹木長度為10 m，胸徑為Φ30 cm。我國木材按20%含水率計算的平均密度為629 kg/m3，極少數的樹木密度能達到1 000 kg/m3。為滿足絕大多數樹木密度要求，本設計中選取樹木密度為1 000 kg/m3。為減少模型網格數量，縮短計算時間，將樹木長度縮減為0.5 m，即為實際尺寸的1/20，對應密度設置為20 000 kg/m3，以保證樹木重量一致為706.86 kg，這樣對分析結果無影響。

在ANSYS中，自由網格劃分無形狀限制，網格也不遵循任何模式，適合復雜形狀面和體的網格劃分，對于體劃分，一般生成四面體單元[2]。本設計中網格劃分選用ANSYS自動網格劃分的方法，單元尺寸0.01 m，劃分網格后得到的有限元模型如圖8所示，單元數255 112個，節點數645 809個。

圖7 抓鋸主要技術參數

3.2 邊界條件和載荷

本設計中，對抓具夾抱樹木和鏈鋸鋸切樹木兩個工作狀態分別進行靜力學分析，以此檢驗整體結構的強度。抓具和鏈鋸分別施加邊界條件和載荷，并計算其結果。

抓具夾抱狀態：抓具在采伐機上通過連接架與機械臂螺栓連接，因此可將連接架完全約束。抓具抓手在抓取樹木時，兩抓手會繞連接銷轉動，抓手輔助板繞鉸接銷軸轉動，液壓油缸也會繞兩鉸接銷軸轉動。為了提高仿真結果的準確性，故保留這幾處銷軸繞各自軸線的轉動自由度，對兩抓手分別施加回轉加速度慣量，大小為1 rad/s。

鏈鋸鋸切狀態：鏈鋸通過螺栓與抓具主體連接，因此將鏈鋸殼與抓具連接的面固定。保留鏈鋸導板繞連接銷軸的轉動自由度和液壓油缸繞兩鉸接銷軸的轉動自由度，對鏈鋸導板施加回轉加速度慣量，大小為0.35 rad/s。

另外，在兩個狀態中，對整體施加向下的重力場，將活塞桿與缸套部分的接觸均由綁定接觸改為無摩擦接觸[3]，即兩者允許滑移，不可分離。

3.3 分析結果

兩個狀態分析結果分別如圖9、圖10所示。抓具夾抱狀態時，最大應力值為131.52 MPa，發生在抓手液壓缸的活塞環處，原因在于夾抱機構處于極限位置時，活塞環與缸筒底部接觸，在抓手回轉慣量作用下受力較大。液壓缸材料的屈服強度為270 MPa，取安全系數1.5，允許最大應力值為180 MPa。鏈鋸鋸切狀態時，最大應力值為47.3 MPa，發生在鏈鋸液壓缸與鏈鋸殼鉸接點處。鉸接點材料45鋼的屈服極限為355 MPa，取安全系數為1.5，則允許最大應力值為236.7 MPa。兩種狀態分析結果都符合實際情況，證明邊界條件施加正確，且最大應力值都小于材料許用最大應力值，證明設計結構強度足夠，完全滿足使用要求。

圖8 有限元模型 圖9 抓具夾抱狀態應力結果 圖10 鏈鋸鋸切狀態應力結果

4 結論

本文設計了一種多功能林木采伐抓鋸，并對其夾抱機構和鋸切機構進行分析完善，使其運動特性更好。根據設計機構尺寸建立抓鋸CAD模型，然后對模型進行靜力學分析。結果表明，設計結構合理可靠，完全能夠滿足抓鋸抓取、鋸切樹木的功能及強度要求。

[1] 楊秀萍，曹曉邨.液壓缸結構設計的有限元法[J].機床與液壓，2004(1)：108-109.

[2] 王克軍.80型輪式裝載機結構部件性能分析[D].長春：吉林大學，2008：63.

[3] 彭先勇，陸中良，李受人，等.ANSYS Workbench的液壓油缸多目標優化設計[J].湖北工業大學學報，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

國家林業局引進國際先進林業科學技術項目(2011-4-02)

2015- 08- 17；

2015- 10- 27

蒲帥(1991-)，男，四川綿陽人，在讀碩士研究生，研究方向為林業裝備自動化及其智能化。

TP391.7

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