林業起重機工作臂起重仿真與優化

沈嶸楓 張小珍 林煜川 董濤 李成舟 李愚愚

摘 要：為解決林業起重機工作臂不適應林業資源作業環境的需求，研究一款新式直臂式林業起重機工作臂，建立相應變幅機構的數學模型并進行敏感度分析;運用ADAMS運動學仿真軟件模擬6種工況，獲取并分析相應曲線;優化變幅機構鉸點，使油缸受力減小，實現結構優化。結果表明，優化后第一變幅油缸受力最大值從709 294 N降至263 494 N，減少幅度為63.9%，第二變幅油缸受力最大值從324 889 N降至102 865 N，減少幅度為68.3%。最終得出工作臂運動變化曲線與受力情況，可為林業起重機工作臂變幅機構設計、優化提供一定理論依據。

關鍵詞：林業起重機;工作臂;變幅機構;模擬仿真;機構優化

中圖分類號：S776.34??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006-8023（2022）03-0070-07

Simulation and Optimization of Working Arm of Forestry Crane

SHEN Rongfeng1， ZHANG Xiaozhen2， LIN Yuchuan1， DONG Tong1， LI Chengzhou1， LI Yuyu1

（1.College of Transportation and Civil Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China; 2.School of Traffic Engineering， Fuzhou Polytechnic， Fuzhou 350108， China）

Abstract：In order to solve the problem that the working arm of forestry crane cant meet the demand of forestry machinery in forestry production， the working arm of a new straight arm forestry crane was designed. The mathematical model of the corresponding luffing mechanism was established and its sensitivity was analyzed. ADAMS kinematics simulation software was used to simulate six working conditions， and the corresponding curves were obtained and analyzed. The hinge points of the luffing mechanism were optimized to reduce the force of the cylinder and optimize the structure. The results show that after optimization， the maximum force of the first luffing cylinder decreases from 709 294 n to 263 494 n， a decrease of 63.9%， and the maximum force of the second luffing cylinder decreases from 324 889 Nto 102 865 N， a decrease of 68.3%. Finally， the movement curve and force condition of the working arm were obtained， which can provide a theoretical basis for the design and optimization of the luffing mechanism of the forestry crane.

Keywords：Forestry crane; working arm; luffing mechanism; simulation; structural optimization

0 引言

林業既是一項重要的公益事業，又是一項重要的基礎產業[1]。不僅承擔著生產生態產品、維護生態安全的重要職責，而且承擔著生產物質產品、保障林產品供給的重要使命，其產品不僅滿足人們日常所需，對化工、材料、能源和冶金等重工業亦不可或缺[2]。林業轉運和搬運工作是林業資源開發過程中的重要一環，21世紀以后，隨著勞動力供給需求不斷發生改變，人力資源成本逐年增長，而傳統的林業資源開發方式多依靠人力，存在效率差、成本高等問題[3]。為降低勞動強度，提升生產效率，提高林業產業的機械化程度，林業起重機應運而生[4]。林業起重機是對采伐原木進行收集、分類、裝卸和運輸等一系列工作的一款專用隨車起重機[5]，其關鍵部件——工作臂因安裝方式和使用方式與一般隨車起重機十分類似，集成起升機構、運行機構、變幅機構和旋轉機構，可實現林區集材與裝運作業的機械化、自動化[6]。但林業起重機需在顛簸崎嶇的山林中作業，且需抓取大小不一、長條形原木，傳統工作臂的靈活性受到制約，工作效率不高，甚至因承載量過大和振動造成結構斷裂，因此，需進一步設計工作臂變幅機構、優化臂架長度和角度，從而改變集材作業工作幅度[7]，保證遠距離內集材與裝運，并實現快速運輸和轉移[8]。

在起重機工作臂研究上，王曉明等[9]基于矩陣分析法建立工作臂矢量運動方程，運用ADAMS對綠化修剪車的工作裝置進行了運動學仿真。程迎松等[10]基于虛擬樣機技術對錨網支護裝置變幅機構進行仿真得出零部件運動變化曲線，為錨網支護裝置變幅機構的設計、優化提供了一定理論依據。作為林業起重機的關鍵部件之一，工作臂連桿機構設計直接影響起重機的工作性能[11-12]，減少變幅油缸受力、降低變幅油缸工作幅度、提高工作臂起重力矩和最大工作幅度是設計優化林業起重機工作臂的重點[13-14]。本研究首先根據林業起重機的結構建立實體模型和動力學模型，分析工作臂第一、第二變幅油缸受力，得出受力和第一、第二變幅油缸與內臂角度的關系;然后采用ADAMS動力學仿真軟件，分析和驗證第一、第二變幅油缸與內臂工況，得出變幅油缸受力、最大工作行程與不同工況的關系，提出變幅油缸優化;最后通過鉸點位置調整角度，優化變幅油缸位置，得出最佳工作臂結構方案。本研究結果可為林業起重機工作臂變幅機構設計、優化提供一定理論依據。A726C7DC-F445-46F8-B03B-74453D2779ED

1 變幅機構的動力學模型建立

林業起重機集材與裝運作業流程如下：工作臂升/降→抓具打開（取貨）→工作臂升/降（貨物位移）→回轉到合適位置→工作臂升/降→抓具打開（卸貨）→還原。本研究應用新式直臂式林業起重機的工作臂結構形式，建立林業直臂式起重機的工作臂及鉸點位置，如圖 1所示，其具體參數見表1。工作臂變幅機構是林業起重機的重要工作機構，其作用主要是改變集材作業工作幅度，實現遠距離內集材與裝運作業。通過改變吊鉤（或抓斗）中心至工作臂回轉中心軸線的水平距離，改變工作臂幅度，以適應不同工況條件下的集材與裝運作業[15]。

根據新式直臂式林業起重機的工作臂及鉸點位置，在僅考慮2個變幅油缸運動的情況下，建立簡易數學模型如圖2所示。

對原點取力矩，可得

FAC·R1=（G1lOG1+G2（lOG+lGG2cos（∠1+∠2））+

G3（lOG+lGJcos（∠1+∠2）））·cos∠1。 （1）

式中：FAC為連桿AC拉力;R1為G到O距離;lOG、lOG1、lOG2、lGJ、lGG2為連桿長度。

根據海倫公式（p為半周長）

S=p（p-a）（p-b）（p-c）。 （2）

式中：a、b、c為連桿長度。

可得，第一變幅油缸作用力臂

R1=2 p（p-lAO）（p-lOB）（p-lAB）lAB。（3）

式中：FAB為連桿AB拉力;lAO、lOB、lAB、lOG、lOG1、lOG2、lGJ、lGG2為分別是連桿長度。

第一變幅油缸推力

FAB=（G1lOG1+G2（lOG+lGG2cos（∠1+∠2））+G3（lOG+lGJcos（∠1+∠2）））·cos∠12 p（p-lAO）（p-lOB）（p-lAB）lAB 。（4）

式中：FAB、FHG為連桿AB、HG拉力;∠DHE、∠GHX為分別是各連桿夾角。

第二變幅油缸推力

FHD=FHGcos∠DHEsin∠DHEgsin∠GHX+cos∠GHX。 ?（5）

連桿GE拉力

FGE=（G2lHG2+G3lHJ）cos∠2R2

=（G2lHG2+G3lHJ）cos∠22p（p-lEH）（p-lEG）（p-lHG）lEG 。

（6）

2 林業起重機工作臂仿真與測試

利用Solidworks軟件建立工作臂三維實體模型，導入零件幾何模型應用ADAMS軟件進行虛擬裝配和運動學仿真，根據仿真結果優化模型可提供新的基于仿真的設計優化技術[16]。參數化建模為工作臂創建三維模型，虛擬樣機模型自動生成新的數據和模型，通過運動學仿真可得到不同參數值下的虛擬樣機性能，參數化分析有利于了解各設計變量對樣機性能的影響[17]。

2.1 內臂與第一變幅油缸仿真分析

伸縮臂展開后固定不動，只允許變幅油缸工作，對第一變幅油缸伸縮運動進行分析。油缸伸縮運動帶動內臂、外臂、伸縮臂一起繞著轉臺和支撐臂鉸點運動，為使仿真模擬更加真實可靠，設置內臂與水平向右夾角為-15°、15°和-20°，分別模擬3種工況下的運動情況，如圖3所示。

設置仿真時間30 s，第一變幅油缸的驅動值為step（time，0，0，10，100）+step（time，10，100，20，100）+step（time，20，100，30，-1 800），第二變幅油缸和伸縮油缸不設置驅動，限制運動角度范圍為-15°～60°。對3種工況進行行程、受力仿真分析，如圖4所示，由圖4可知，最大工作行程均在10.1 m左右，最大起重量設置為1 010 kg，各油缸受力基本相同，最大受力為709 294 N。

2.2 外臂與第二變幅油缸仿真分析

在第一變幅油缸不同工作狀態下，固定伸縮油缸，約束伸縮臂運動，對第二變幅油缸伸縮運動進行分析。設置內臂與水平向右夾角為-15°、0°和45°，分別模擬3種工況下的運動情況，如圖5所示。

對3種工況進行行程、受力仿真分析，如圖6所示。由圖6可知，工況4、5伸縮臂末端最大工作行程為8 000 mm，工況6最大工作行程為35 000 mm。工況4、5油缸受力相似，逐步增大，而工況6油缸受力逐漸減小，第二變幅油缸受力最大值為324 889 N。

通過外臂和第一、第二變幅油缸伸縮分析可知，第一變幅油缸工作行程越大，受力越大，當工作行程最大時，其受力也最大。運動平行于地面時，第二變幅油缸受力最大，此時林業起重機工作臂工作范圍最廣、起升質量最輕。根據各工況油缸行程、受力分析，起升阻力同樣最讓其難以工作，需對變幅機構進行進一步優化設計。

3 變幅機構優化設計

3.1 變幅機構參數化建模

為降低第一變幅油缸最大工作行程時的受力和第二變幅油缸平行于地面時的受力，改變變幅油缸位置工況姿態，即改變工作臂各鉸點位置布置方案，實現變幅油缸優化設計。另外，根據林業起重機整體結構的分析，其整體性能與鉸鏈位置布局緊密相關，進行鉸鏈點優化分析需要重新對參數點建立起重機參數模型，對起重機各鉸接點編號。將A—H各鉸接點做X、Y向坐標進行參數化命名、賦值，并指定賦值區域。在Ground上創建8個幾何點，并按照先后順序命名為POINT A—POINT H。幾何點創建完成后，采用DV_01_XA—DV_16_YA共16個參數化變量替代A—H各鉸接點做X、Y向坐標，建立參數化分析模型。

3.2 運動工況分析

林業起重機工作臂通過工作油缸伸縮運動驅動機器，在對應的模型中，新式直臂式林業起重機工作臂可通過起重機第一變幅油缸和第二變幅油缸隨驅動屈伸值變化得到不同（x，y，z）、不同情境下各缸的受力情況。為了更全面研究不同工況、不同位置下油缸的受力情況，將分析3個階段，在30 s內完成仿真，各階段用時10 s：設定第一變幅油缸在本階段收縮，回到變幅初始位置，第二變幅油缸在本階段伸張，到達變幅最大極限位置;設定第一變幅油缸在本階段鎖定在變幅初始位置，第二變幅油缸在本階段收縮，逐漸回到初始位置;設定第二變幅油缸在本階段鎖定在變幅初始位置，第二變幅油缸在本階段伸張，逐漸到達變幅最大極限位置。A726C7DC-F445-46F8-B03B-74453D2779ED

3.3 變幅機構設計分析

不同設計變量對林業起重機工作臂整體性能的影響區別較大，設計變量對整機性能的影響程度通過敏感度衡量。變幅機構設計過程中，每次僅能考慮DV_01_XA—DV_16_YA共16個變量中某一單一設計變量對整機性能的影響，分別對變量進行解析調查，油缸的敏感度結果見表2。

由表2可知，DV_01_XA、DV_03_XB、DV_05_XC和DV_11_XF對第一油缸受力影響比較明顯，DV_10_YE、DV_11_XF、DV_13_XG和DV_14_YG對第二油缸受力影響比較明顯。

3.4 鉸接點敏感度優化分析

根據分析結果，以第一變幅油缸受力為目標，對DV_01_XA、DV_03_XB、DV_05_XC和DV_11_XF變量進行敏感度優化分析，結果見表3;以第二變幅油缸受力為目標，對DV_10_YE、DV_11_XF、DV_13_XG和DV_14_YG變量進行敏感度優化分析，結果見表4。

3.5 受力優化結果

優化后變幅油缸受力曲線如圖7所示，其中JONT_3表示第一油缸隨時間的響應情況， JONT_4表示第二油缸隨時間的響應情況。優化后第一變幅油缸受力最大值從709 29 4N降至263 494 N，減少幅度為63.9%，第二變幅油缸受力最大值從324 889 N降至102 865 N，減少幅度為68.3%。

4 結論與討論

本研究運用ADAMS軟件，通過模型建立與仿真，較為清晰得出變幅機構的工況和受力，建立相應的鉸點，以敏感度分析優化鉸點位置，優化后第一變幅油缸受力最大值從709 294 N降至263 494 N，減少幅度為63.9%;第二變幅油缸受力最大值從324 889 N降至102 865 N，減少幅度為68.3%。機構的優化進一步完善了工作臂研發，最終得出工作臂運動變化曲線，可為林業起重機變幅機構的設計、優化提供一定理論依據。虛擬樣機技術應用能夠使生產設計部門降低對物理樣機的依賴，對縮短工作臂設計周期、降低設計成本、提高集材與裝運作業效率、節約林業生產成本具有重要意義，對于林區作業機械化應用也具有重要意義。

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