基于现代设计方法林木联合采伐机的设计

潘海兵,刘晋浩,赵文锐,魏占国

摘要：应用现代设计方法实体建模、仿真设计、优化设计、并行设计、有限元法，借助Ｐｒｏ／Ｅ、ＡＤＡＭＳ、Ａｎｓｙｓ等现代设计方法软件，完成了林木联合采伐机的设计。现代设计方法的应用不仅节约了成本，而且提高了林木联合采伐机的综合性能。

关键词：林木联合采伐机；现代设计方法；Ｐｒｏ／Ｅ；ＡＤＡＭＳ；Ａｎｓｙｓ

中图分类号：Ｓ７７６．３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：0439－８114（２０12）05－1014-03

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｗｏｏｄ Ｈａｒｖｅｓｔｅｒ Bａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｄｅｒｎ Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｅｔｈｏｄ

ＰＡＮ Ｈａｉ－ｂｉｎｇ１，ＬＩＵ Ｊｉｎ－ｈａｏ２，ＺＨＡＯ Ｗｅｎ－ｒｕｉ３，ＷＥＩ Ｚｈａｎ－ｇｕｏ２

（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００７０， Ｃｈｉｎａ；２． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８3， Ｃｈｉｎａ；３． Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｍｏｄｅｒｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，

Ｂｅｉｊｉｎｇ １０１３００， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： The ｍｏｄｅｒｎ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ， ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ， ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｃｅ ｄｅｓｉｇｎ， ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ， ｗｅｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ． Ｔｈｅ ｗｏｏｄ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｓｕｃｈ ａｓ Ｐｒｏ／Ｅ， ＡＤＡＭＳ， Ａｎｓｙｓ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｉｔ could ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｓａｖｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｙ the use ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｒｎ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｗｏｏｄ ｈａｒｖｅｓｔｅｒ； ｍｏｄｅｒｎ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ； Ｐｒｏ／Ｅ； ＡＤＡＭＳ； Ａｎｓｙｓ

现代设计方法是应用现代科学知识，考虑自然科学、社会科学、经济科学等诸多因素，经过设计人员创造性思维、规划和决策，制定可以用于制造的方案，从而获得质高、价廉、有创新的产品，它是以理论为指导，以计算机为设计手段的设计方法。它具有系统性、智能性、创新性、优化性、动态、ＣＡＤ化等特点［１］。现代设计方法包括的内容很多，有优化设计、可靠性设计、建模与仿真设计、并行设计、有限元法等。

现代设计方法在现代机械设备的设计中广泛应用，它能够缩短设计周期，降低设计成本，提高设计质量，满足现代机械设备的研制和生产需要［２］。林木联合采伐机是一种集伐木、打枝、造材、截梢、归楞、装车多种功能于一体，适用于多种林地作业的大型林木采伐机械。在林木联合采伐机的设计和研制过程中采用了大量的现代设计方法，缩短了研发时间，降低了研发成本，并且保证了设计质量。

１林木联合采伐机总体结构设计

我国大型林业装备的研制一直落后于发达国家，大部分技术与产品都停留在２０世纪七八十年代的水平，而国外联合采伐机价格昂贵，且不适用于我国林地立地条件。为了适应我国缓坡地带人工林的集约化作业，林木联合采伐机在林地中进行抚育或采伐作业时须满足行动灵活，穿梭自如，行进过程中不能碰撞树木等要求。因此，要求林木联合采伐机结构紧凑，驾驶视野开阔，底盘转弯半径小，具有良好的灵活性和通过性。根据我国林地立地条件以及国外先进的联合采伐机的结构特点，课题组设计了适合我国林业木材生产的林木联合采伐机，其总体结构如图１。

林木联合采伐机主要由底盘、机械臂和伐木头三大部分组成。底盘为整机提供支撑和动力，机械臂安装在底盘的前车架上，能够将伐木头灵活自如地送至目标地，伐木头则通过液压马达连接在机械臂前端，完成伐木、打枝、量材、造材一系列工序。

林木联合采伐机的技术参数为：整车全长６ ７４０ ｍｍ、宽２ ８００ ｍｍ、高３ ６３９ ｍｍ（可调整）， 最大高度（带臂行驶）４ ２００ ｍｍ，轴距３ ５２０ ｍｍ，轮距２ ２００ ｍｍ，整车重量１８ ｔ，最大行驶速度２５ ｋｍ／ｈ，最大作业距离１０ ｍ，采伐径级２００～５００ ｍｍ。结合设计方案和技术参数，设计时在计算机中用三维设计软件Ｐｒｏ／Ｅ构造出了方案的实体模型（图２）。在后续的结构设计中，以此方案为基础，各部分内部结构在满足技术要求时进行详细设计。为了提高效率，各部分的结构均采用Ｐｒｏ／Ｅ设计，多组设计人员并行进行，保持各部分接口一致，完成后进行组装。最后将模型转化成ＣＡＤ图纸，供加工制造以及装配用。

２林木联合采伐机底盘的设计

底盘为林木联合采伐机所有部件提供支承，为林木联合采伐机的行驶、机械臂和伐木头的运动提供动力。在运行过程中，底盘还吸收来自地面的不平度的激励和伐木头在工作过程中产生的振动冲击。综合考虑林木联合采伐机的性能以及车架与各部位的连接因素，车架设计如图３。它由前车架、后车架和副车架等组成，前后车架通过铰销连接，左右两边各一个油缸可使车架绕铰销相对偏转±４０°。前车架直接与前桥相连，后车架则通过副车架与后桥相连，在副车架的带动下可绕水平销轴转动±１１°，以适应林地起伏的地形。机械臂则是通过连接耳板与前车架连接。

车架是底盘中的主要受力部件，根据技术要求和安装要求在Ｐｒｏ／Ｅ中进行三维构型后，需对车架进行动力学分析和有限元分析，保障其承载能力，优化结构。ＡＤＡＭＳ是一款目前广泛应用的动力学分析软件，但ＡＤＡＭＳ的建模功能较弱，对于复杂机械的造型比较困难，而Ｐｒｏ／Ｅ的造型功能强，仿真功能相对较弱，因此可以借助Ｐｒｏ／Ｅ模型完成林木联合采伐机虚拟样机的设计［３］。利用Ｐｒｏ／Ｅ和ＡＤＡＭＳ之间的接口，直接将林木联合采伐机的三维模型导入ＡＤＡＭＳ环境中，经过适当地简化，在构件间加入约束，转化为可进行动力学分析的虚拟样机（图４）。在ＡＤＡＭＳ中对林木联合采伐机虚拟样机进行动力仿真，可以得到各部分的受力情况，这为后续的结构优化提供了可靠的技术参数。通过模拟仿真，车架能够满足±４０°的偏转，副车架能够完成±１１°摆动，找出了在极限位置时各零件的干涉情况，并完善了相关零件的优化工作。

为了保证林木联合采伐机在工作时车架不会产生过大的变形而影响整机的性能，须对车架进行有限元分析和结构优化。Ａｎｓｙｓ是研究人员普遍使用的一款有限元分析软件，但本身的造型功能相对较弱，可以利用其他软件进行三维建模，然后转化成可使用的模型。将车架的Ｐｒｏ／Ｅ模型导入Ａｎｓｙｓ后，赋予材料属性，划分网格，加载作用力，得到前车架应力分布图［４］。为了改善前车架受力情况，优化车架结构，重新进行有限元分析，得到应力对比图如图５。可见优化后前车架应力集中区域转移，连接耳板处应力得到明显改善，符合设计要求。同样后车架也得到了优化。

３林木联合采伐机机械臂的设计

机械臂是林木联合采伐机重要的组成部分，它决定了林木联合采伐机的作业能力和作业范围。林木联合采伐机机械臂设计最大伸长量为１０ ｍ，回转角为１５０°，倾角为２０°。机械臂（图６）从下至上主要由底座、旋转台、连杆、主臂、小臂和伸缩臂组成，小臂和伸缩臂合成副臂。底座与车架以铰接形式连接，油缸可控制底座在２０°内摆动。底座上的４个回转油缸控制旋转台带动整个机械臂可在１５０°内回转。各个油缸联合动作保证机械臂在１０ ｍ扇形区域内灵活作业。

为了验证上述参数建造出小型样机再进行试验，显然既耗时又会增加成本。利用虚拟样机技术对机械臂进行模拟仿真，既可得到验证结果，亦可对机械臂结构参数进行优化。

林木联合采伐机进行伐木作业时，机械臂须保证伐木头底部的轨迹为直线或接近直线。如果采用数学方法计算点的轨迹和各杆件尺寸，方程不但难解，计算量也相当大，用ＡＤＡＭＳ可以较容易解决这个问题［５，６］。根据经验先设计出机械臂，将Ｐｒｏ／Ｅ模型导入ＡＤＡＭＳ中，然后进行运动学分析，调整各杆件参数直至轨迹满足要求。为了保障机械臂的工作性能，还需要对其进行有限元分析。将主臂和副臂的三维模型导入Ａｎｓｙｓ中进行有限元分析，优化后结果与优化前对比图如图７、图８所示。经过优化后机械臂应力分布大大改善。

４ 林木联合采伐机伐木头的设计

伐木头是林木联合采伐机的核心工作装置，林木联合采伐机所有的功能都由它来完成。作业时伐木头须抱紧树干，采伐树木，根据测量的材长按规定进行造材，因此伐木头有夹抱树干、锯切树木、测量材长、打枝、造材等功能。伐木头（图９）通过回转马达与机械臂顶端相连，在重力的作用下，一般情况伐木头保持竖直状态，只有在造材时才会改变状态。伐木头主要由回转马达、打枝刀、测距辊、驱动辊、链锯和夹抱机构等组成。

伐木头的自重以及伐倒木的重量均由回转马达承担，因此铰接点处必须保证足够的强度和刚度，以及抗冲击性能。设计时铰接处需进行严格计算，根据前面在ＡＤＡＭＳ中虚拟样机的动力学分析可以获得铰接点的受力，再进入Ａｎｓｙｓ对铰接处构件进行有限元分析，对其结构进行校核与优化。伐木头的打枝刀、测距辊、驱动辊、链锯和夹抱机构在作业时需联合完成一系列复杂的动作，因此需要对伐木头的运动进行仿真，以保证其动作准确性。将建立完成的伐木头Ｐｒｏ／Ｅ模型导入ＡＤＡＭＳ中，对各构件之间的连接进行定义，模拟作业时伐木头的一系列动作，对伐木的结构尺寸进行分析和优化。仿真后伐木头各构件受力已经获得，关键构件如打枝刀、夹抱机构等均需进行强度刚度校核并进行结构优化。

５小结

现代设计方法在现代机械设计中的应用越来越广泛，不仅可以提高产品的科技含量，优化产品的综合性能，提高产品的质量和可靠性，而且可以降低成本。本文将实体建模、仿真设计、优化设计、并行设计等现代设计方法融入林木联合采伐机的整个设计过程，充分发挥现代设计方法的优点，缩短了林木联合采伐机的研发时间，降低了成本，提高研究效率的同时也保证了质量，提高了林木联合采伐机的综合性能。由于目前设计过程中对某些参数的设置进行了简化，因此后期设计及优化只有建立在更详实的实验数据基础上才能获得更高性能的林木联合采伐机。

参考文献：

［１］ 毕晓伟，李长河，陈磊光．现代设计法在农业装备设计上应用现状与前景展望［Ｊ］．中国农机化，２００３（５）：１５－１８．

［２］ 杨晓京，刘剑雄．基于虚拟样机技术的数控机床现代设计方法［Ｊ］．机械设计，２００５，２２（２）：１２－１５．

［３］ 赵文锐，刘晋浩，沈嵘枫，等．伐木机机械臂虚拟样机的设计［Ｊ］．东北林业大学学报，２００９， ３７（２）：９６－９９．

［４］ 魏占国，刘晋浩．轮式林木联合采伐机底盘的设计与研究［Ｊ］．广西大学学报（自然科学版），２０１０，３５（２）：２６３－２６８．

［５］ 沈嵘枫，刘晋浩．林木采伐机工作臂的工作轨迹［Ｊ］．福建农林大学学报（自然科学版），２００９，３８（４）：４３１－４３５．

［６］ 沈嵘枫，刘晋浩，王典，等．联合采伐机工作臂运动轨迹及液压缸行程研究［Ｊ］．北京林业大学学报，２０１０，３２（２）：１５７－１６０．