聯(lián)合林木機土木頭料料的三維建模與仿真

聯(lián)合林木機土木頭料料的三維建模與仿真

森林保護管理是提高森林質(zhì)量和森林資源的基本措施。主要措施是定期在未完工的森林中清除一些樹木，并通過修剪和砍伐獲得一些木材。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。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?，F(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。1實體造型系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(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。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(dāng)?shù)募s束和驅(qū)動,使其成為虛擬樣機,如圖1所示。1.1兩端面各軸向陣列的螺釘和固定片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。(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。1.2定位凸臺的設(shè)計凹形槽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。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裝配文件的設(shè)計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)。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。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。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。2機構(gòu)運動分析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?，F(xiàn)對一個弧形齒齒頂所對應(yīng)的圓周半徑為200mm的進料輥在伐木頭一個采伐作業(yè)過程中進行運動仿真。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(dāng)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。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。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~-67mm,如圖8所示。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1308mm,最大寬度645mm,最大高度706mm,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。3進料輥在4.2.3根據(jù)伐木頭進料輥的設(shè)計要求,確定進料輥的齒齒輪輪輥套的圓周工作面采用弧形齒凹形表面結(jié)構(gòu),在在齒齒輪輥套和輥軸本體之間設(shè)有壓縮彈簧。進料輥作作業(yè)業(yè)總時間范圍是0~15s,進給時間范圍是7~1122s。多面實體運動包絡(luò)模型最大長度1308mm,最最大大寬度645m