林木联合采育机前车架关键铰接点承载仿真分析

櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄（上接第386页）析、比较后，确定将前后支撑同时前移100mm。改进后车架节点位移随时间变化的曲线如图7所示。变形的最大挠度为不足1．1mm，σnax=93．453MPa、τmax=97．813MPa。优化后的车架变形和应力都得到明显改善，车架工作的可靠性明显提高。5结论通过对自走式谷物联合收割机车架进行有限元分析，得出了其应力最大处及变形最大值，模拟结果表明，车架前支架处强度较弱，这将影响车架工作的可靠性。运用优化设计理念，在载荷不变的前提下对车架结构进行改进，将前后支撑点前移100mm，并进行有限元分析。改进后的车架变形和应力都得到明显改善，车架工作的可靠性明显提高。

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孙治博，刘晋浩，王建利．林木联合采育机前车架关键铰接点承载仿真分析［J］．江苏农业科学，2012，40（11）：387－389．林木联合采育机前车架关键铰接点承载仿真分析

孙治博，刘晋浩，王建利（北京林业大学工学院，北京100083）

摘要：前车架是林木联合采育机的关键部件之一，为准确反映林木联合采育机作业过程中工作臂对前车架的受力作用，本研究利用Pro/E模型和ADAMS软件建立了虚拟样机，根据工作臂实际作业情况编写液压缸运动函数，进行工作臂作业动力仿真。通过分析林木联合采育机作业过程中前车架关键铰接点受力随作业时间和偏转角度的变化趋势，得到偏转角度为0°、75°时最危险，前车架关键铰接点的承载力最高为170kN左右。关键词：工作臂；前车架；铰接点；仿真分析中图分类号：S776．02文献标志码：A文章编号：1002－1302（2012）11－0387－03

收稿日期：2012－04－09基金项目：公益性行业（林业）科研专项（编号：201104007）。作者简介：孙治博（1988—），男，河北沧州人，硕士研究生，研究方向为林木机械自动化与智能化。Tel：（010）62336204；E－mail：531450005@qq．com。通信作者：刘晋浩，主要从事林业与环境特种装备研究。Tel：（010）62336204；E－mail：liujinhao@vip．163．com。

林木采育机是一种高性能的现代林业机械，是集采伐、打枝、造材、集材、归堆、清林、采伐剩余物收集等功能于一体的机械，大大地提高了劳动生产率和木材生产安全性，并改善了林区作业条件［1］。前车架是林木联合采育机的重要承载部件，目前国内还没有关于林木联合采育机前车架关键铰接点受力的研究。本研究通过仿真得到林木联合采育机工作臂工作时前车架关键铰接点的最大受力，以期为林木联合采育机设计提供有效的数据保障。1关键铰接点结构由图1可见，林木联合采育机工作臂和前车架通过3个铰接接口铰接连接，其中工作臂底座与前车架左、右两侧有2个铰接接口，后推油缸与前车架有1个铰接接口，主要作用是承载工作臂对前车架的压力，保证工作臂完成一定范围内的俯仰运动，是作业过程中前车架的承载关键点［2］。

2工作臂作业静力分析

林木联合采育机作业过程中，工作臂通过后推油缸、主油缸、副油缸、伸缩油缸、回转油缸等5组液压缸的伸缩来调节整体作业范围，通过回转油缸调节工作臂的回转角度，后推液压缸和主油缸共同调节工作臂举升，主油缸和副油缸的相互调节可以实现工作臂伸展，根据作业目标，利用伸缩油缸调节伸缩臂伸缩距离。图2是林木联合采育机工作臂作业示意。该林木联合采

—783—江苏农业科学2012年第40卷第11期

DOI:10.15889/j.issn.1002-1302.2012.11.083育机工作臂设计的最大伸长量为6700mm，回转角度为150°，采伐径级为200～300mm，适合我国林区作业。FA为后

推油缸和前车架铰接点处受力，FB、FB'为底座和前车架左铰接点、右铰接点处受力，β为工作臂偏转角度。

虽然在林木联合采育机作业过程中，工作臂的有些固定参数可以通过测量得到；但是由于工作臂的运动，其整体重心位置不好确定，各铰接点受力的变化规律无法得到，须要利用动力仿真软件进行仿真分析。3虚拟样机仿真建立虚拟样机的主导思想是：在Pro/E环境中完成虚拟样机设计，利用Pro/E和ADAMS软件之间的接口，将建立好的三维模型导入到ADAMS软件，经过适当简化，在模型中加入约束与材料属性，转化为可进行动力学分析的虚拟样机。虚拟样机构建流程见图3［3－5］。林木联合采育机工作臂作业过程为：（1）后推液压缸和主油缸共同调节，将工作臂举升；（2）工作臂偏转；（3）主油缸和副油缸相互调节实现工作臂的伸展；（4）伸缩缸伸展控制伸缩臂伸到木材处；（5）准备作业；（6）伐木头，将木材举起。工作臂的液压系统为高压液压工作装置。选用LS负载敏感阀组，各油缸回路最大负载流量均为150L/min。选用不同缸径的DG型高压油缸，根据液压缸无杆腔和有杆腔进油速度公式，并结合实际运动情况和各液压缸的最大速度设定，将各液压缸速度控制在0．1～0．2m/s［6］，保证整个作业过程在16s内完成。设定作业处木材相关参数：径级300mm，长10m，材料选定为wood（438kg/m3）。4仿真结果分析4．1直线作业下前车架关键点承载力变化规律与最大承载分析根据工作臂的作业运动情况以及工作臂上各液压缸的速度与行程编写各液压缸的运动函数，实现运动仿真（图4）。得到前车架关键铰接点受力随时间的变化趋势。如图5所示，在整个作业过程中后推油缸铰接点受力FA大于底座铰接点受力FB（FB'），但其变化趋势是相同的。

工作臂举升过

程中铰接接口受力减小，t=1．5s时，工作臂重心到铰接点的力臂最短，各铰接点受力达到最小值。此后，工作臂伸展、伸缩臂伸展过程中，由于工作臂重心对各铰接点的力臂增大，使得各铰接点受力随着时间的推移而增大。伐木头将木材举起的瞬间，各铰接点的受力瞬间增大，举起过程中，在t=12．3s时，由于工作臂重心到各铰接点的力臂达到最大值，使得各铰接点的受力同时达到最大值。各铰接点沿x、y坐标轴的受力分量FAx、FAy、FBx、FBy变化规律与FA、FB相同，同样可以得到各铰接点沿x、y坐标轴的受力分量最大值。4．2偏转作业角度对前车架关键点最大承载力的影响

在ADAMS软件里将林木联合采育机偏转作业角度用设计变量值DV_1进行参数化设计，DV_1参数：min=0°，max=75°，defaultlevel=15，得到前车架关键点的最大承载力

随偏转角度变化的曲线。

—883—江苏农业科学2012年第40卷第11期如图6所示，偏转过程中工作臂重心位置会随着偏转角度的变化而变化，该变化对于前车架上各铰接点最大承载力的影响各有不同，后推油缸铰接点最大受力FAmax随着偏转角度的增大而减小，最终保持不变，整个过程中FAmax最大值发生在偏转角度为0°时。底座左铰接点最大受力FBmax随着偏转角度的增大而增加，最大值发生在偏转角度为75°时。底座右铰接点最大受力FB'max随着偏转角度的增大先减小后增加，在偏转角度为20°左右时FB'max达到最小值，随后增大，最大值发生在偏转角度为75°时。

图7、图8、图9分别给出了随着偏转角度增大，前车架关键点在x、y坐标轴最大承载力的变化情况。在作业过程中，由于外界作用并不涉及到Z轴方向的受力，因此FAzmax≈FBzmax≈FB'zmax≈0。FAxmax≈FBxmax≈FB'xmax都随着偏转角度的增

大而减小，FAymax≈FBymax≈FB'ymax的变化规律则分别与FAmax≈FBmax≈FB'max的变化规律相同。综上，林木联合采育机工作臂作业过程中，前车架关键铰接点承载在0°、75°偏转情况下最危险，各关键铰接点最大承载力见表1。

表1前车架关键铰接点最大承载力βFAmax（kN）FBmax（kN）FB'max（kN）

FAxmaxFAymaxFAmaxFBxmaxFBymaxFBmaxFB'xmaxFB'ymaxFBmax

0°14164155704282704282

75°6224673017117331－133135

5结论

在分析林木联合采育机工作臂作业过程的基础上，对工作臂作业状况进行静力分析，通过Pro/E模型对工作臂进行虚拟样机建模，将模型导入到ADAMS软件环境，对整个作业过程进行仿真［7－8］，分析作业过程中前车架各铰接点的受力

曲线，得到各铰接点在各方向上的最大承载力。本研究为林木联合采育机前车架与工作臂各铰接点的强度设计提供了理论依据，为林木联合采育机整机研制提供了重要技术参数。

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—983—孙治博等：林木联合采育机前车架关键铰接点承载仿真分析