混合動力采伐機車架結構分析及優化設計

張小珍

（廈門大學嘉庚學院，漳州 363105）

0 引言

我國人工林廣闊，現很多人工林樹木處于開采階段，但在采伐過程是艱巨的，在傳統采伐中使用人力借助鋸子采伐樹木，花費大量人力、物力和時間，甚至還有生命危險[1～4]。現借助采伐機，能聯合采伐、打枝、搬運等一體的機械，大大提高工作效益，福建三明引入采伐機采伐效率提高了50倍以上[5]。因采伐機工作環境惡劣，路況復雜，極容易產生振動導致采伐機車架破裂，因此需要研究采伐機車架的可靠性，對其進行靜力學[6～9]。文獻[10]研究玉米收獲機的車架振動和優化，通過測試田間振動和模態分析方法去優化車架結構。在文獻[11]研究運輸機車架結構，通過分析發動機振動和借助ANSYS軟件分析車架結構并進行優化設計。文獻[12]對玉米收獲機車架疲勞壽命的研究，通過ANSYS軟件分析車架最大模態變形位置下分析其靜應力，進行疲勞壽命預測。文獻[13]對半掛牽引車車架進行研究，借助ANSYS軟件建立車架有限元模型分析靜力學、動態特性，對有限元結構進行疲勞壽命分析。混合動力采伐機車架也存在斷裂可能，所以借助HyperWorks軟件對采伐機車架進行靜力學和動力學分析，避免強度破壞和共振情況。

1 混合動力采伐機車架幾何模型的建立

表1 車架材料參數值

混合動力采伐機車架設計長度為10100mm，寬度為880mm，選擇材料為B510L，材料屬性如表1所示。用SolidWorks軟件建立三維模型，如圖1所示。采伐機是混合動力采伐機，前車架安裝工作裝置、柴油發電機組及電機、液壓油箱、駕駛室、后車架安裝電池、電機、燃油箱。

圖1 鉸接式混合動力采伐機車架的三維模型

2 混合動力采伐機車架評價準則

1）混合動力采伐機車架強度分析

混合動力采伐機車架的強度指標主要包含兩個，一個是混合動力采伐機車架的靜態強度，另一個就是混合動力采伐機車架的疲勞強度。混合動力采伐機車架的靜態強度是指混合動力采伐機在行駛的過程中會受到來自店面各種各樣的載荷，在對混合動力采伐機車架結構進行分析時，必須要以最大載荷進行分析，車架必須滿足一定的強度。

2）混合動力采伐機車架剛度分析

評價車架性能好壞的一項重要指標就是車架的剛度，車架的剛度又分彎曲剛度和扭轉剛度，扭轉剛度可以作為判斷這個變形程度El的值。

式中：F為集中載荷；L為軸距；x為支點到測量點的距離；a為支點到加載點的距離；y為撓度。混合動力采伐機在高低不平的路面上行駛產生的扭轉度用GL來表示。

式中：L為軸距；T為扭矩；θ為軸間相對扭轉角。

3 有限元分析

3.1 垂直工況

垂直彎曲是混合動力采伐機最常見的工況，一般情況下，車速越快，車架就會越容易產生彎曲變形，垂直彎曲工況主要是計算混合動力采伐機車架在滿載貨物的情況下，對四輪著地時的強度進行分析，主要就是模擬混合動力采伐機在平坦路面上行駛時產生的堆成的垂直動載荷。車架載荷包括工作裝置，柴油發電機組、駕駛室、液壓油箱、燃油箱、電池和電機。根據各個部件的裝配方式可以把它分為節點載荷，施加在布置梁的節點上，對各個節點約束。車架所承受的載荷都是上面的不加所構成，車架的各部件的安裝方法如圖2所示，各部件的質量和各總成之心在車架坐標中的位置如表2所示，各點施加的載荷的位置如圖3所示。根據HyperWorks仿真，車架應力分布云圖如圖4所示，在滿載貨物的位移云圖，如圖5所示。

圖2 車架的載荷分布圖

表2 車架載荷分布

圖3 各載荷施加位置

圖4 車架應力分布云圖

圖5 車架位移云圖

根據仿真結果，結合等效應力可以看出等效應力最大值166.4MPa，最大的變形出現在前車架的支撐的連接處，車架多數部位處于30MPa，通過車架的位移云圖可以看出，在車架的頭部、鉸接處和尾部，車架的變形小，變形最大地方出現車架尾部。

3.2 扭轉工況

扭轉工況主要就是車架受到非垂直方向上的力，比如側面的力，從而引起車架的變形，在扭轉工況下，混合動力采伐機車架的應力圖如圖6所示，位移云圖如圖7所示。

圖6 扭轉工車架況下應力圖

圖7 扭轉工況下車架位移云圖

扭轉工況下，載荷的處理與垂直彎曲處理的方式大體上差不多，扭轉工況下的最大應力是259.7MPa，車架在通過崎嶇不平的路面上會發生嚴重的扭轉工況，因此靜扭轉實驗可以看出車架的實際強度。因為車架是采用的是鉸接式車架，后車架跟前車架采用的是鉸接的形式，所以在承受相同力的情況下，扭轉要比邊梁式的小，所以扭轉變形小也是鉸接式車架優勢。

4 采伐機車架優化分析

4.1 優化設計的理論基礎

設計變量、目標函數和約束條件是優化設計的三個主要方面。

1）優化目標

優化設計結果可以用下面的式子來表示：

約束條件：

式中：

X=x1,x2,…,xn為設計變量；

f（x）為目標函數；

L為下限；U為上限。

2）設計變量

采伐機車架主要是有前車架、鉸接機構和后車架組成的，前車架主要是由兩個橫梁和兩個縱梁組成，后車架主要是由兩個橫梁、三個縱梁和一些零部件組成。在做優化設計時，橫梁和縱梁厚度預估值是10mm，設計的上下變量是2mm，設計變量數學表達式如下：

式中：t0為尺寸優化前后設計變量的厚度尺寸，mm；

式中：ti為尺寸優化后各設計變量厚度尺寸，mm。

4.2 采伐機車架優化模型分析

車架的各個部件可以按照優化的結果，來調整尺寸，我們在保證車架質量的情況下竟可能多的降低采伐機車架的厚度，具體方案如表3所示。

表3 車架尺寸優化結果

優化后的垂直工況下，采伐機車應力圖如圖8所示，位移云圖如圖9所示。優化過采伐機車架在扭轉工況下，扭轉的應力如圖10所示，位移云圖如圖11所示。

圖8 采伐機車架應力圖

圖9 采伐機車架位移云圖

圖10 扭轉工況下應力圖

從表中可以看出，不同橫梁和縱梁的尺寸都有進行優化，優化后的車架無論在垂直工況下，還是在扭轉工況下，采伐機車架的應力和位移都有不同程度的減小，但是應力和位移大小都相應的減小了，優化后車架的質量1201kg，車架的尺寸減少了167kg，質量減少了12.2%，優化效果還是比較好的。

圖11 扭轉工況下位移云圖

5 結論

1）提出混合動力采伐機車架結構形式。長度為10100mm，寬度為880mm，選擇的材料為B510L，并用SolidWorks軟件建立三維模型。

2）提出了混合動力采伐機車架評價準則。以最大載荷進行分析，車架必須滿足一定的強度，分析車架分彎曲剛度和扭轉剛度判斷車架的整體剛度。

3）建立混合動力采伐機車架有限元模型并進行靜力學分析。通過HyperWorks軟件建立混合動力采伐機進行有限元分析，根據各部分承載的重量施加約束和載荷，分析垂直和扭轉工況下車架強度。

4）優化混合動力采伐機車架結構。建立優化目標函數、變量和設計變量，驗證優化后結構強度，得到優化后模型強度得到提高，并且總體質量降低了12.2%。