浅析采伐头进料辊的机构和运动对称性优化 关键词：优化设计机构分析运动对称性进料辊采伐头第八次全国森林资源清查结果显示我国人工林保存面积0.69亿hm2,蓄积24.83亿m3,人工林面积继续保持世界首位[1]依靠人工进行抚育和采伐已不能满足林业生产需要,随着人力资源成本的提高,未来林业生产也要由劳动力集约型向技术集约型转变林木联合采伐机是用于伐区作业的多工序机械,主要用于伐木、打枝、归堆、集材、造材、装卸及短距离运材等伐区作业国外对联合采伐机的研制、生产和使用已经比较成熟,市场中应用的采伐机功能强大,技术先进,整体尺寸较大,主要用于大面积采伐获取木材资源[2]国内林业机械虽然起步较晚,但众多学者对联合采伐机的采伐头、作业臂、底盘、车架等部分进行了大量的研究[3-6],已有一些机构研制了联合采伐机林木联合采伐机打枝过程中,进料辊作为木材的主要驱动装置,其合理的运动和对木材的均衡施力可以保证生产的高效运行,对进料系统的优化设计有利于增加伐木头作业时的平稳性1、伐木头及进料辊的工作原理1.1 伐木头工作原理林木联合采伐机主要组成部分有伐木头、工作臂、驾驶室、底盘和测量控制系统其中伐木头是进行伐木作业的主要执行机构,其样机和结构简图如图1所示。
由吊臂、前打枝刀、进料辊、后打枝刀、链锯,以及测量和液压系统等几部分组成图1 伐木头样机及结构简图伐木头作业过程分为伐木、打枝和造材三个基本过程车辆行至立木前,伐木头的打枝刀将立木抱紧,链锯转动并切出,锯切立木直至完成锯切动作,然后收回链锯完成伐木工序完成伐木作业后,伐木头吊臂调整伐倒木至合适的位置,此时进行打枝造材作业进料辊将伐倒木沿轴向送料,送料的同时打枝刀将切除杂枝,通过长度反馈,进料辊将原木停在合适的位置,此时下锯造材,同时进行原木归堆,这样往复作业,直至完成整棵木材的打枝造材,完成一个周期的联合采伐作业任务1.2 进料辊工作原理进料工作装置主要机构是连杆机构,连杆机构的运动特性复杂,合理设计能极大程度地改善结构的运动轨迹,优化动力性能,提高作业效率本设计采用夹抱机构,其工作原理示意图如2所示,左右两个固定支座连接相当于机架该机构有4个活动构件,组成12个自由度,其中4个转动副限制8个自由度,液压缸的移动副限制2个自由度,机构整体保留2个自由度图2 夹抱机构工作原理示意图图2所示机构不能保证运动的确定性,故在此基础上添加一根辅助杆,改进后的夹抱机构如图3所示,添加约束杆后使整体机构自由度约束为1个。
图3 改进后的夹抱机构为使两侧从动杆在液压缸驱动下能保持同步向外或向内转动,对辅助杆铰接点E进行了设计,为了设计与分析方便,其中杆长有如下关系:AE=AC,DE=AB由于AC=BD,故AE=BD,四连杆ABDE构成反平行四边形机构但此反平行四边形机构两曲柄沿相反方向转动的角速度不等,可能导致夹抱木材偏移而出现进料不畅的现象2、运动对称性分析及优化2.1 理论数值分析为保障两侧抓手运动的对称性,建立夹抱机构的两抓手运动对称性分析模型如图4所示,原动件1为液压缸伸缩运动,AC=BD=AE=90mm,DE=AB=610mm,四连杆ABDE构成逆平行四边形机构在DE杆的辅助下,机构整体自由度限制为1,具有确定的运动路径,其中AC、BD运动的对称性分析如下图4 进料辊运动对称性分析模型为分析机构运动的对称性,可以将问题转化为计算运动中液压缸的水平度,即确定CD与水平线的角度,角度趋近于0则运动对称性好[7-9]但这种判断方法没有直接表现出机构运动的非对称性,而且在优化中仅限于针对E点相关参数的优化,在本文中用∠CAB与∠DBA的差值来判断整个执行机构的运动对称性,这种方法更为普通适用,而且更加直观。
假设在液压缸驱动下,摇杆AC与机架AB形成的角度为α,选取AC在两极限位置中的一中间位置,如图4中实线所示,初步设计时在以上情况下CD水平,此时两侧抓手也处于对称位置,经过计算可以得到∠CAE=165采用坐标解析法,建立直角坐标系Axy,设AC=BD=AE=a,DE=AB=l,则C、E两点坐标分别为:根据ED的连接关系,确定D点坐标:根据BD的连接关系,确定D的坐标:由两种方法得到的D点坐标相同,即(3)=(5),(4)=(6)且BD=AE,DE=AB,则△AED≌△BDA,∠E=∠B联立得到:结合式(1)、(5)、(6)、(7)、(8),绘制出摇杆AC与机架AB形成的角度α在40~150整个摆动范围内β角的变化曲线,如图5所示图5 初步设计的进料辊运动对称性分析结果从图5可以看出,左右进料辊的对称性偏差在工作范围内随着角α的增大,形成一个先是正向偏差增大,随后反向偏差增大的类抛物线的变化规律,在α角约为85时,两进料辊的运动偏差为正向最大,其值约为2;在α角处于150时,两进料辊的运动偏差为反向最大值,约为-10,在角α为55和110时两进料辊严格对称2.2 优化设计与分析根据上述结构分析,以a值、l值、∠CAE值为变量,以两进料辊在正常工作过程中出现的最大角度偏差为极小化目标函数:考虑到结构动力学合理与结构不干涉,提出约束条件:应用Python实现随机梯度下降算法,求解目标函数的极小值,运算后得到以下最优参数。
表1 随机梯度下降算法解得最优参数绘制出优化后在整个摆动范围内β角的变化曲线,与结构优化前进行对比,如图6所示图6 结构优化前后的进料辊运动对称性对比从图6中可以看出,左右进料辊的对称性偏差在工作范围内随着角α的增大,其变化规律与优化前相似,先是正向偏差增大,随后反向偏差增大,表现为类抛物线的变化规律,在α角约为90时,两进料辊的运动偏差为正向最大,其值约为2.5;在α角为150时,两进料辊的运动偏差为反向最大值,约为-2.5,整个运动过程中左右进料棍的角度偏差始终小于3,机构的运动对称性优于之前的10偏差角度3、运动学仿真分析3.1 仿真模型建立本文主要模拟夹抱树木的过程,抓手油缸以100mm/s的速度向外伸出,从开始夹抱树木到抱死树木持续时间约1s创建完模型后,在机构中添加电机作为动力源该设计仿真只是通过电机给油缸一个进给运动,所以选择通过运动轴定义的伺服电机本文选择液压油缸为主动伺服电机,从动图元类型选择为运动轴,即选择液压缸的中心轴线为运动轴,轮廓规范定义速度为常数由于夹抱装置的运动包括夹抱与张开两个方向,故伺服电机需要设置两个,速度大小相等、方向相反由此建立的运动学仿真模型如图7所示。
图7 运动学仿真模型3.2 运动学仿真结果针对本模型,运动学分析主要研究两侧抓手运动轨迹与运动对称性本文选取两侧中心轴上的一点作为测量对象,分别获得各点在运动过程中沿中间进料滚轴向方向(这里定义为y方向)的位移,两点的运动轨迹如图8所示,两点在y方向上的位移本应方向相反,这里为了便于比较将其值取绝对值并绘制到同一张图中图8 抓手运动轨迹通过运动轨迹可以看出,两侧进料辊在y方向上的位移在整个运动过程中差别较小,基本上保持相对对称运动,在0.4~0.8s之间出现了完全对称的情况这意味着在生产过程中进料辊夹抱木材施力更加均衡,作业过程更加稳定4、小结针对采伐头进料辊进行了设计,采用反平行四边形机构实现了进料辊左右臂的同步开合,为了优化其在工作状态下的木材受力情况,对进料辊运动过程中左右臂的对称性进行了数值分析,依此建立目标函数并进行了参数优化以优化后的参数建立虚拟样机进行试验,结果表明优化后的采伐头进料辊在整个开合过程中的摆动偏差大大降低,进料辊对称性得到了提升参考文献:[1]国家林业局.第八次全国森林资源清查结果[J].林业资源管理,2014(1):1-2.[2]任长清,姜鑫,李金磊,等.曲线带锯机锯路宽度及锯切半径的分析[J].林产工业,2018,45(2):49-53.[3]沈峡枫.林木联合采育机执行机构与液压系统研究[D].北京:北京林业大学,2010.[4]魏占国.林木联合采育机底盘设计理论研究与应用[D].北京:北京林业大学,2011.[5]彭洋,黄青青,刘晋浩,等.联合采育作业精确进料控制系统开发与测试[J].森林工程,2018,34(3):58-62.[6]葛桃桃,郑一力,刘晋浩.林木联合采育机自主作业的虚拟仿真系统[J].东北林业大学学报,2017,45(1):71-76.[7]蒲帅.釆集作业头结构与液压控制系统的研究与设计[D].北京:北京林业大学,2016.[8]王慧,刘旭东,杨春梅,等.移动式林间剩余物盘式粉碎机切削功率的理论研究[J].林产工业,2018,45(12):35-39.李鹏鹏,刘晋浩.采伐头进料辊的机构分析与运动对称性优化[J].林业机械与木工设备,2019,47(6):19-22,26.基金项目:国家重点研发计划“战略性国际科技创新合作”重点专项项目(2016YFE0203400).-全文完-。