基于Pro/ ENGINEER的伐木頭進料輥設(shè)計

盧 杰，楊鐵濱，邸向輝

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

森林撫育經(jīng)營是提高森林質(zhì)量、增加森林資源的根本措施，其主要措施是在未成熟的森林中定期伐除部分林木，通過撫育伐還可以獲得一部分木材[1]。聯(lián)合伐木機在山地中進行撫育伐，顯示出無法比擬的先進性。針對目前北美等林業(yè)大國人工林區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，加快研制高效的聯(lián)合伐木機伐木頭有一定的重要性[2]。聯(lián)合伐木機伐木頭的重要工作裝置之一是進料輥，其設(shè)計的好壞直接影響作業(yè)效率。

現(xiàn)有的聯(lián)合伐木機伐木頭進料輥由于圓周工作面為直齒表面結(jié)構(gòu)，并且沒有減振緩沖零件而導(dǎo)致進料不穩(wěn)定。為了解決進料輥的上述缺點，本文在Pro/ENGINEER虛擬環(huán)境中進行進料輥設(shè)計，對其進行運動學(xué)分析，然后改進設(shè)計方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機試驗，減少進料輥開發(fā)費用和設(shè)計周期，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的進料輥成品[3]。

1 原理與設(shè)計

Pro/ENGINEER是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，同時是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能[4]。

進料輥虛擬樣機構(gòu)建流程：在Pro/ENGINEER環(huán)境中建立零部件，然后部件組裝，再裝配成進料輥的三維實體模型，最后添加適當?shù)募s束和驅(qū)動，使其成為虛擬樣機，如圖1所示。

圖1 進料輥虛擬樣機設(shè)計流程圖

1.1 零部件的建立

進料輥主要由輥軸本體、齒輪輥套、壓縮彈簧、圓環(huán)固定片組成。

(1)輥軸本體。它是連接齒輪輥套和液壓馬達輸出端的關(guān)鍵零件。在輥軸本體中心軸向陣列的6個連接孔與液壓馬達輸出端相連接。在圓周上軸向陣列6個凹形槽A，每個凹形槽A內(nèi)設(shè)兩個彈簧定位孔。其兩端面各軸向陣列6個螺孔，如圖2所示。

(2)壓縮彈簧。它是設(shè)在彈簧定位孔的減振緩沖零件。建模時，其外徑與彈簧定位孔的直徑相等，設(shè)定好其自由長度，如圖3所示。

圖2 進料輥輥軸本體

圖3 進料輥壓縮彈簧

(3)齒輪輥套。它是直接與伐倒木表面接觸的零件。其設(shè)計的好壞對作業(yè)效率有著主要影響。其圓周內(nèi)側(cè)軸向陣列的6個定位凸臺與輥軸本體的凹形槽A相對應(yīng)，并且定位凸臺中開設(shè)凹形槽B。齒輪輥套的圓周工作面采用弧形齒凹形表面結(jié)構(gòu)，其主要特征：一個弧形齒齒頂所對應(yīng)的圓周半徑大小。為了保證采伐作業(yè)高效性，在確定其圓周工作面的結(jié)構(gòu)時，根據(jù)林區(qū)的樹木胸徑范圍確定一個弧形齒齒頂所對應(yīng)的圓周半徑，進而確定齒輪輥套的型號，如圖4所示。

(4)圓環(huán)固定片。它是通過墊片、螺釘固定在輥軸本體上的零件。建模時，選擇適合內(nèi)外半徑，保證輥軸本體和齒輪輥套不發(fā)生相對軸向位移，如圖5所示。

圖4 進料輥齒輪輥套

圖5 進料輥圓環(huán)固定片

1.2 具體技術(shù)方案

凹形槽A內(nèi)的彈簧定位孔設(shè)有壓縮彈簧，齒輪輥套內(nèi)壁對應(yīng)凹形槽A圓周陣列有定位凸臺，定位凸臺兩側(cè)的徑向平面與凹形槽A兩側(cè)的徑向平面相對應(yīng)，定位凸臺中間設(shè)有寬度與壓縮彈簧外徑等長的凹形槽B，壓縮彈簧兩端分別與彈簧定位孔底面和凹形槽B底面相抵觸，以利于減少進給伐倒木時產(chǎn)生的振動，提高進料穩(wěn)定性[5]。

齒輪輥套的圓周工作面采用弧形齒凹形表面結(jié)構(gòu)，以利于增大圓周工作面與伐倒木的接觸面積，提高夾抱穩(wěn)定性。

凹形槽A、定位凸臺的數(shù)量各大于6。

兩個圓環(huán)固定片通過墊片和螺釘固定在輥軸本體的兩端，使輥軸本體和齒輪軸套不會產(chǎn)生相對軸向位移。

1.3 虛擬樣機的裝配

裝配就是將加工好的成千上萬個零件按一定的順序和技術(shù)連接到一起，成為一部完整的機械產(chǎn)品，并且可靠地實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的功能。因此裝配是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。

根據(jù)從內(nèi)到外的原則，依次裝配輥軸本體、壓縮彈簧、齒輪輥套、圓環(huán)固定片、墊片、螺釘。值得注意的是，在裝配體中創(chuàng)建撓性約束是為了確保具有撓性的元件(壓縮彈簧)能夠適應(yīng)不同或不斷變化的要求。在設(shè)置這類約束時，需要設(shè)置元件或組件尺寸、特性和公差等參數(shù)。

新建裝配文件，向裝配文件中增加元件完成進料輥的裝配，進料輥虛擬樣機模型如圖6所示。

等裝配好后，可以利用Pro/ENGINEER分解視圖的功能，對進料輥虛擬樣機的各個元件從裝配中分解出來，形成分解圖(爆炸圖)。在進行分解時，Pro/ENGINEER系統(tǒng)將根據(jù)先前的各個零件的約束條件將進料輥虛擬樣機形成自動爆炸圖[7]。由于自動爆炸視圖不一定能準確清楚表達各個零件的相對位置，故需要自定義爆炸圖[8]。通過平移、旋轉(zhuǎn)、視圖平面、復(fù)制位置、隨子項移動，可以把分解視圖的各個元件調(diào)整到合適的位置，從而清晰地表現(xiàn)出各元件的相對方位，形成最終爆炸圖，如圖7所示。

圖6 進料輥裝配示意圖

圖7 進料輥爆炸圖

2 進料輥運動仿真

Pro/ENGINEER中有一個機構(gòu)運動分析模塊，可對機構(gòu)進行運動仿真[9]。現(xiàn)對一個弧形齒齒頂所對應(yīng)的圓周半徑為200 mm的進料輥在伐木頭一個采伐作業(yè)過程中進行運動仿真[10]。在仿真過程中，對伐木頭進行簡化，只保留進料輥相應(yīng)的液壓馬達、液壓缸和伐木頭主要尺寸，以便于能清楚分析進料輥運動狀態(tài)。

運動分析過程：當各個零部件通過裝配模塊組裝成一個只顯示進料輥和相應(yīng)驅(qū)動裝置的伐木頭后，就可以在機構(gòu)運動分析模塊中根據(jù)設(shè)計意圖定義機構(gòu)中的連接、設(shè)置伺服馬達。通過液壓缸活塞桿的運動實現(xiàn)進料輥的擺動，通過液壓馬達的運動實現(xiàn)進料輥的旋轉(zhuǎn)。然后運行機構(gòu)分析，觀察機構(gòu)的整體運動軌跡和各零件之間的相互運動，以檢驗進料輥的干涉情況。此外，在該模塊中還可以進行各種測量工作[11]。

本設(shè)計中進料輥的作業(yè)過程共15s，其中7～12s是進料輥進給伐倒木的時間范圍。添加的8個伺服馬達中，液壓馬達1、液壓馬達2是驅(qū)動進料輥旋轉(zhuǎn)的伺服馬達，其余是驅(qū)動進料輥擺動的伺服馬達。每個伺服馬達的作業(yè)時間范圍見表1。

表1 伺服馬達作業(yè)時間范圍

通過多次運動仿真，在定義的坐標軸上，確定活塞合理的運動范圍為-39～-67 mm，如圖8所示。

圖8 活塞位置仿真數(shù)據(jù)

在進料輥仿真運動過程中，得出進料輥上A點的速度、加速度仿真數(shù)據(jù)，如圖9和圖10所示，以及進料輥上A、B的運動軌跡，如圖11所示。在進行運動分析后，創(chuàng)建代表全部運動的多面實體運動包絡(luò)模型，如圖12所示。從圖12中可以觀察得出，兩個進料輥在采伐作業(yè)過程中無碰撞。測得多面實體運動包絡(luò)模型最大長度1 308 mm，最大寬度645 mm，最大高度706 mm，掌握作業(yè)空間范圍，有利于降低對非作業(yè)對象的損傷度。

圖9 進料輥上A點速度仿真數(shù)據(jù)

圖10 進料輥上A點加速度仿真數(shù)據(jù)

圖11 進料輥上A、B點運動軌跡

圖12 伐木頭運動包絡(luò)

3 結(jié)束語

根據(jù)伐木頭進料輥的設(shè)計要求，確定進料輥的齒輪輥套的圓周工作面采用弧形齒凹形表面結(jié)構(gòu)，在齒輪輥套和輥軸本體之間設(shè)有壓縮彈簧。進料輥作業(yè)總時間范圍是0～15 s，進給時間范圍是7～12 s。多面實體運動包絡(luò)模型最大長度1 308 mm，最大寬度645 mm，最大高度706 mm，兩個進料輥在采伐作業(yè)過程中無碰撞。結(jié)果表明所設(shè)計的進料輥滿足要求。

伐木頭進料輥的設(shè)計研究，為下一步的有限元應(yīng)力分析做好準備，也為實際樣機生產(chǎn)提供了實驗依據(jù)。同時，縮短了進料輥的研制周期，降低了設(shè)計成本，對現(xiàn)代森工裝備的研發(fā)具有一定的參考意義。

【參 考 文 獻】

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