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【机械构造论文】采伐机工作臂机械构造设计探究摘要：针对山林地区树木生长环境和树木的特点，设计了一种折叠式构造的采伐机工作臂。确定了工作臂的主要参数、主臂和安装板材料、主臂和副臂连接方式，建立了采伐机工作臂三维模型。根据主副臂之间角度最大且伸缩臂伸出长度最大最不利承载时工作臂的受力情况，求得主臂、副臂和伸缩臂弯矩；借助软件对工作臂的承载情况进行试验验证，得到主臂、副臂的应力和位移云图，得出主臂和副臂设计构造都知足设计要求的结论。关键词：采伐机；工作臂；机械构造；仿真分析随着社会的发展，我国对林业的需求越来越大，并且对森林的采伐逐步向人工林转移，而如今已经是人工林的成熟阶段，仅靠传统的采伐手段出现了效率低、质量差的问题，且对采伐工人的生命健康也产生影响。因而，大型人工林作业机械化是必不可免的。采伐机能实现采伐、去枝、去皮和横截树杆的功能，比人工作业效率高十几倍。现很多学者对采伐机工作臂主要从构造、算法上进行了优化；卫沅通过最小势能法和最小二乘法进行仿人运动，提高了运动类似度；李志鹏等研究串并混联合构的工作臂，利用软件模拟工作臂的工作空间，优化构造的参数尺寸并进行运动分析，得到更优的运动空间；王成军等研究轻量化截割臂基于拓扑构造理论设计并联机构，优化构造设计，不断提高挖进机工作效率和安全性。现有的研究中多是针对农业采摘和重工业的挖掘机，针对林业机械的工作臂研究较少。因而，本文通过分析采伐机工作臂参数、材料、构造形式，借助软件建立工作臂三维模型，计算采伐时采伐机工作臂伸出最长时主臂、副臂和伸缩臂的弯矩，借助软件仿真分析主臂和副臂的应力、位移情况，验证采伐机工作臂构造的可靠性。采伐机工作臂机械构造的设计采伐机工作臂主要由旋转底座、安装板、主臂液压缸、主臂、连杆、副臂液压缸、副臂、伸缩臂等组成，如图所示。主臂、副臂和连杆互相铰接，并在液压力的作用下绕着铰接点互相摆动，实现竖直方向运动；伸缩臂和副臂构成滑块构造，在液压力的推动下实现伸缩臂的前后伸缩运动，抓取木材。工作臂参数设计工作臂在很大程度上直接决定着采伐机作业能力和作业范围，本采伐机工作臂最大伸长量为、回转角度为°、倾角为°，安装板和车架以铰接方式接连，油缸可控制底座在不大于°范围内摆动。采伐机工作臂主要技术参数如表所示。工作臂的材料工作臂材料选用高强度耐磨钢，主臂和安装板上的加固板使用钢材，与普通钢材相比，的耐磨性能更好，保证其设计的强度以适用于不同的工况。两种材料的性能参数如表所示。工作臂构造形式主臂构造。在采伐机工作臂中，主臂是整个构造中最主要的构件，副臂的构造形式取决于主臂的构造形式。本采伐机工作臂采用整体式主臂，如图所示。整体式的主臂构造简单、紧凑、轻巧，同时成本低、运动力矩更大，具有通用性和高利用率，比拟合适工序较少的工作环境。副臂构造。本工作臂副臂采用伸缩形式，增加伸缩臂能扩大采伐范围，并灵敏控制采伐范围。主、副臂连接方式。主臂和副臂连接采用连杆传动方式，主臂通过连杆与副臂构成连杆机构驱动副臂运动，如图所示。液压缸的布置。液压缸的布置和节点的设置对采伐机油缸的工作效率影响极为显著。本工作臂机械构造中有处油缸：主臂液压缸，使用前倾的设计方案，当主臂伸出到达极值的时候，保持整体像右上方倾斜的状态；副臂液压缸，使用后倾的设计方案，当液压缸全伸出的时候，主臂被拉伸到极限距离时液压缸将保持向后倾斜的状态；伸缩杆液压缸内置于伸缩臂中，根据伸缩臂伸展范围实现液压缸的伸缩情况。工作臂承载时的最不利状态受力分析通过对采伐机工作臂工作情况进行分析发现，当主、副臂之间角度最大且伸缩臂伸出长度最大时工作臂的受力状态是最不利情况。当每段工作臂均处于水平延伸状态时，由于每个圆柱体支撑着每段臂，因而该状态下工作臂可看作是可变横截面的悬臂梁，此时其所受载荷如图所示。其中，、为各段工作臂所受弯矩；、为各段工作臂自重，、；为工作臂末端承载重量，包括抓具自重及原木重量，。工作时各段工作臂所受的弯矩为：将数值代入式式计算得：·，·，·。采伐机工作臂仿真分析借助软件对工作臂承载情况进行仿真分析。设置工作臂构造材料为，在仿真界面点击“材料模型，设置其弹性模量为“、泊松比“为、密度为。设置划分网格品质为高级，得到节点数为，网格数为，雅可比点为。主臂应力和位移分析通过软件对主臂进行有限元分析，得到应力云图和位移云图，如图、图所示。由图可知，主臂的最大应力值为，位于主臂与副臂连接处，小于材料抗拉强度，知足强度要求。由图可知，主臂最大位移为，位于与副臂铰接处。得出主臂整体受压在可承受范围内，故该设计是合理的。副臂应力和位移分析利用软件对采伐机副臂进行有限元分析，得到副臂应力和位移云图，如图、图所示。由图可知，副臂的最大应力值为，位于末端连接处，小于材料抗拉强度，知足强度要求。由图可知，主臂最大位移为，位于与末端铰接处。能够看出副臂整体受压是在可承受范围内，故该设计是可行的。结合采伐机工作臂作业要求，对其构造进行了设计，并借助进行仿真，得到了工作臂主臂与副臂的应力与位移云图，验证了工作臂构造知足设计要求。为今后同类型的林业机械设计提供了一种便捷、可靠的设计方法，对其他类似的工程机械设计也具有一定的参考价值。