車載式林間枝椏材剩余物收集裝置的設計及動力學和運動學分析

李樹森 王浩 高素杰 崇維勇

摘 要：文章設計一種車載式林間枝椏材剩余物收集裝置，該裝置將收集機構和汽車移動平臺有機結合，由車身、機械臂架、抓具和車廂組成，可以減少進入林區的車輛數，提高工作效率。文章重點介紹了對機械臂和抓具的設計計算，并利用SolidWorks和Adams進行了建模和仿真。針對枝椏材具有雜、亂、碎、蓬松等特點，設計了一種具有壓縮功能的車廂，極大的提高了收集運輸效率。

關鍵詞：林業機械；機械臂；壓縮車廂

中圖分類號：U469.6+91 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0037-03

Abstract： In this paper， a collection device for residual material of branches in a vehicle-borne forest is designed. The device organically combines the collecting mechanism with the mobile platform of an automobile， and consists of a body， a mechanical arm， a grab and a carriage， which can reduce the number of vehicles entering the forest area and improve working efficiency. This paper mainly introduces the design and calculation of the manipulator and grab， and models and simulates using SolidWorks and Adams. According to the characteristics of branch material such as miscellaneous， messy， broken， fluffy and so on， a kind of compressing carriage is designed， which greatly improves the collection and transportation efficiency.

Keywords： forestry machinery； mechanical arm； compressing compartments

1 概述

將集材機械和起重機械結合起來，組成裝卸機實現了集材裝卸運輸于一身的木材裝卸機械，同時向著智能化數字化發展[1]。現在各個國家都意識到森林資源對生態環境的重要性，一方面在增加植樹造林的面積，同時也在提高對林區剩余物的收集使用效率實現林業的循環發展[2]。

目前對林木的需求量不斷增大，集材的對象也由原木、原條變為林區剩余物和枝椏材，這些材料擁有著巨大的潛在經濟價值[3]。對林區枝椏材剩余物的收集使用，可以在某些領域，如：燒柴、發電、生物質能等領域替代木材減少對木材的消耗[4]。所以設計一款集收集、裝車和運輸一體的林業機械是具有十分重要的意義的[5]。

2 總體結構設計

在本文中已用SolidWorks創建整體模型，如圖1所示。

3 抓取裝置

3.1 抓具設計方案選擇

抓具是集運機設備的關鍵部件之一，主要起到吊裝和集材的作用，其性能應滿足裝卸木材要求；抓具的起升載荷包括抓取物料的重量和自身重量[6]。國內目前使用的集材機械和抓具具有抓腔大且對蓬松枝椏材抓取能力弱等缺點，并且結構復雜，耗損功率大[7]。本文設計了一種對蓬松枝椏材具有良好抓取能力特點的抓具，如圖2、3所示。

3.2 抓具的力學分析

SolidWorks建立的模型導入ADAMS進行了受力分析。考慮到抓取對象在蓬松時對顎抓所施加的載荷并不大，可以忽略其外部的樹椏枝的影響，抓具在穩定抓取到對象時，所受到的載荷主要來源于抓取對象的主干部分。因此，在做受力分析時我們可以假設抓取對象為一個圓柱形鋼體。基于此種假設，本文設計的抓具可以拆分為4組單一的顎抓，并且他們所受到的載荷相同。這里我們利用ADAMS對其中的一組顎抓進行受力分析，圖4中圓柱體就代表了蓬松樹椏枝的集合。

本設計的抓具部分共有4個轉動軸，包括左轉軸、右轉軸、十字連接軸、兩爪連接軸。這些軸的承載能力是抓具承載能力的重要體現。這里利用Adams對各軸做出了具體的受力分析。分析時添加的材料為鋼鐵，上述軸類的直徑設定為20mm，結果如圖5所示。

由以上得出的數據可知，每根軸的最大承載極限大約為15到20kN，再把最大承載能力除以一個安全系數S，便得到安全工作的受力情況。[？滓]？燮 ，F=？滓· D2，FA？燮 。其中？滓max為極限應力，D為軸的直徑，FA為軸的安全承載力，Fmax為軸的極限承載力。假設S取4.5，軸的安全承載力FA為3.3kN。根據安全承載力，可以選定一套合適的動力裝置。為了驗證動力裝置是否合適，可以計算出抓具尖的抓取力來作為參考。

其中FN為原動力，？茲為動力軸與左右轉軸的夾角，F1，F2分別為作用在左右連接軸上的拉力，Fn1，Fn2分別為作用在左右轉軸上且沿爪的垂直方向上的力，？茁為Fn1與F1的夾角，T為作用在兩抓連接軸上的轉矩，l為兩爪連接軸到左右轉軸的距離，？酌為Fn1與兩爪連接軸到左轉軸連線的夾角，L為兩爪連接軸到抓具尖的距離，FJ1，FJ2分別為抓具左右尖的抓緊力。

4 機械臂

下面是對自由度進行的分析（如圖6），機械臂底盤8能夠自由旋轉，帶動整個機械臂的旋轉動作；通過液壓缸7的伸縮能夠使大臂6在上下方向移動，調整機械抓具的抓取高度至合適的位置；液壓缸5的伸縮使大臂3前后移動（液壓缸3伸縮使抓具裝置前后移動），其作用均為調整機械抓具抓取范圍，當液壓缸推動活塞便可實現更大范圍的抓取動作。以上運動便實現了整個機械臂的運動，所以機構自由度Fn=3n-2p=4。

對于4自由度的機械臂，如果用A 表示第一個連桿在基準系的位姿，A 表示第二個連桿相對于第一個連桿的位姿，依次類推，那么有T4=A A A A 。其中A=R 0 1，R=cos？琢1 cos？琢2 cos？琢3cos？茁1 cos？茁2 cos？茁3cos？酌1 cos？酌2 cos？酌3， =xyz。R表示第二個坐標與第一個坐標的旋轉關系， 表示點在坐標系中的位置。那么本設計中抓具的位姿可以用T4來描述，而T4又可以用四個矩陣的連乘來表示。根據結構簡圖中的關系，可以分別推算A ，A ，A ，A 的值。

由這四個矩陣的連乘積即可得到表示抓具位姿的4×4的矩陣T。

5 車廂

5.1 帶有壓縮功能的收集車廂

車廂的特點在于不僅可進行收集，而且可對收集到的林間剩余物進行壓縮，車廂的體積由收集車的裝載質量、所承載車廂底盤面積以及可進行壓縮最大程度來確定的。

5.2 工作原理

帶有壓縮功能的收集車廂的工作過程主要是壓縮裝置的運動，其工作原理如圖8所示。如圖a，初始狀態下各裝置的位置，此位置下的刮板起到了使原車箱物材流出的作用；如圖b，滑板開始下移的同時刮板隨之一起產生升起的運動，直到圖示位置運動停止，并且該位置下還起到了防止車廂內原本被收集好的物材流出；如圖c，機械抓將物材放置料斗內；如圖d，壓縮裝置的刮板降下，插入料斗內的物料中，進行物料的破碎和初次壓縮，滑板上移使刮板緊貼料斗底部對其進行推動收集到車廂內；如圖e，滑板和刮板回到初始位置。

6 結束語

通過對本文設計的林間剩余物收集裝置的建模與分析，直觀的展示了該裝置的工作原理與工作能力。對該裝置進行的力學分析有利于該裝置投入到實際的生產和應用當中。同時，對該裝置所包含的機械臂部分的運動學分析，可以為后續要實現的自動控制奠定基礎。最后對車廂部分的描述，合理的說明了如何最大程度的利用車廂空間來裝載壓縮的林區剩余物。總體來說，該裝置的可實現性比較高，對于提高林業收集、運輸機械的工作效率有很大的借鑒意義。

參考文獻：

[1]張桂玲.智能林業：林業產業與自動智能系統的緊密組合[J].中國林業經濟，2017（01）：60-61.

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[3]葉波，姜風鵬.合理利用伐區剩余物淺析[J].林業勘查設計，2002（2）：20-21.

[4]王冬梅.伐區剩余物利用探討[J].內蒙古林業，2013：32.

[5]佟慧哲.林業機械在林業產業中的作用及發展展望[J].科技創新與應用，2016（28）：285.

[6]李樹森，張巖，陳素萍.基于Adams車載式裝卸機抓具的設計與分析[J].西部林業科學，2016，45（2）：107-111.

[7]徐鑫，郭克君，滿大為，等.國內外林木采伐及林地清理裝備現狀分析[J].林業機械與木工設備，2017（02）：4-9.