一种新型机械式夹木器设计

黄 湛，唐龙送，沈才华，潘永静

（广西中源机械有限公司，广西 柳州545007）

0 前言

近年来，为了保护森林资源，维持生态平衡，许多林区逐渐被禁止商业性砍伐，导致我国木材产量大幅度下降，难以满足市场需求。在今后较长的一段时间内，我国都需要大量进口木材来弥补原料的供应不足[1]。进口的木材主要在港口装卸实现中转，其装卸搬运促进了挖掘机木材抓取属具的研发与应用。目前应用于挖掘机上的木材抓取属具从结构上主要分为回转式和机械式。回转式木材抓取属具主要由液压马达驱动旋转，通过油缸伸缩控制张合，其可实现任意角度旋转，操作灵活，抓取效率高，但由于结构复杂，售价高，使用过程容易出现油缸漏油、回转卡死等问题，消费者对其认可度好坏参半。而机械式木材抓取属具则结构相对简单，价格适中，稳定性高，能够适应木材抓取过程中的各种恶劣工况，因此得到消费者更多的青睐。针对市场需求，研发一款适用于港口原木装卸的新型机械式夹木器。本文主要介绍适用于某品牌挖掘机的机械式夹木器设计过程。

1 机械式夹木器的特殊要求

1.1 工况分析

夹木器主要用于港口原木抓取装卸，其抓取过程中根据现场工况需要单根或多根抓取；满抓的状态下抓取过多会有翻车的安全隐患，过少则工作效率低，因此其张开和收紧的的极限尺寸是设计中要考虑的重要因素；同时夹木器的自重越轻，则意味着物料载荷越大，所以在满足使用要求的前提下，需尽可能轻量化夹木器重量。

木材抓取过程中夹木器动作要连贯顺畅，在抓取时木材能够迅速被夹紧不卡顿，卸下时木材能自然落下无停滞，因此左右爪弧形设计与联动方式尤为重要。

目前市场上的机械式夹木器在使用过程中普遍会对斗杆引起早期损坏，客户迫切期望此问题可得到有效解决。

1.2 设计分析

经过以上工况的分析，夹木器设计需要符合以下要求：

（1）设计合理的开档极限尺寸：由于要保证制材企业的经济利润和保护森林的生态环境，原木最适宜采伐径级为18～40 cm。为此保证单根木材抓取过程中能够夹紧，故夹木器的抱紧开档需小于18 cm；目前市场同种规格的夹木器最大张开尺寸在160 cm～200 cm之间，最小开档在15 cm～18 cm。

（2）夹木器自重：挖掘机斗杆端最大承重为1 150 kg；客户主要抓取原木规格为φ35 cm×380 cm，单次最多同时抓3根，原木总重约为750 kg，故初步确定夹木器重量控制在400 kg内。

（3）结构形式：夹木器抓取木材需要左右爪同时提供张合力，但由于夹木器为机械式，只有左爪受斗杆连杆驱动而得到张合力，因此，需设计成连杆连接形式。右爪通过连杆与左爪连接，左爪受连杆驱动从而带动右爪同步运动，从而保证左右爪有相同的张合力。

（4）夹木器张合动作的协调性，即左右爪在同步张合过程中，张合速度和行程在相对夹木器中心位置相差值在一定范围内。

（5）左右爪内外弧形美观，曲线流畅[2]。

2 夹木器设计

2.1 设计目标参数定义

经过项目评审，机械式夹木器目标参数如表1所示。

表1 机械式夹木器目标参数

2.2 设计方案

机械式夹木器设计思路为在性能稳定、连接安全的基础上安装在挖掘机上保证左右爪能够同时输出张合力并同步联动地完成抓取工况。由此得出夹木器的运动简图如图1所示。

图1 机械式夹木器运动机构简图

图1 中，AB为挖掘机摇杆，BC为挖掘机连杆；CDEF为夹木器的左爪，C为左爪与连杆连接的铰接孔，E为左爪与右爪通过连杆EG连接的铰接孔，F则为左爪与支座连接的铰接孔；GHJ为机械夹的右爪，G为右爪与左爪通过连杆EG连接的铰接孔，H则为右爪与支座连接的铰接孔。

工作原理：挖掘机铲斗油缸伸缩带动摇杆AB绕铰点A摆动，连杆BC在摇杆AB的带动下驱动左爪CDEF绕支座上铰点F在一定范围内摆动，而右爪GHJ则通过连杆EG在左爪CDEF的带动下绕支座上铰点H反向摆动。整个夹木器运动机构通过铲斗油缸的伸缩实现张合。

由运动机构简图可知，机械式夹木器主要由支座、左右爪、连杆、销轴组成。经计算机模拟分析确定机械式夹木器各关键铰接孔的相对尺寸，并由目标设计参数中的最大开档范围确定左右爪的外形长度尺寸，如图2所示。GM和DK分别为左右爪外形长度尺寸，GD则为夹木器张开开档尺寸。

图2 机械式夹木器关键尺寸放样图

2.2.1 支座设计

支座是机械式夹木器与挖掘机连接的关键部件，设计过程中主要考虑方面有：①安装方式不能对挖掘机斗杆的使用寿命有影响；②保证足够受力强度的基础上实现轻量化设计。

经综合分析得出以下两种设计方案（见表2）。

表2 支座设计方案对比分析

从表2可以看出，单轴连接形式不可取，通过双轴连接形式可保证夹木器与挖掘机的稳定连接。

由图2机械式夹木器关键尺寸放样图可知，铰接孔A、B、M、C和装配工艺孔相对尺寸已确定，只需对支座的外形尺寸、与斗杆的配合开档以及与左右爪的配合开档进行详细设计即可。经验证，最终设计的支座结构如图3所示。

图3 机械式夹木器支座

2.2.2 左右爪设计

左右爪是机械式夹木器的核心部件，其爪形设计是整个产品研发成功的关键。设计过程中，需要的考虑的因素有：①左右爪内弧形能够保证在夹木器抓取时，木材可迅速被夹紧不卡顿；夹木器张开时，木材能自然落下无停滞。②外形美观，曲线流畅。

通过对木材抓取装卸过程进行分析，发现客户反馈的木材抓取属具抓取和卸下木材时出现卡顿的原因为：①左右爪收紧到两爪爪尖相切时，其两爪尖处的圆弧角小，木材会在此处被夹紧而无法沿爪内弧向爪根滑动。②左右爪张到最大时，两爪尖仍处内勾状态是木材不能自然落下的原因。

根据机械式夹木器关键尺寸放样图确定的铰接孔尺寸和对木材抓取过程中存在问题的分析，对左右爪外形尺寸、配合开档、爪内弧进行详细设计，并进行运动分析，设计出左右爪如图4、图5所示。

图4 左爪

图5 右爪

2.2.3 连杆设计

连杆是机械式夹木器保证左右爪同步的关键部件，其设计的关键是保证足够的强度；由于其带动左右爪同步联动的过程中与连接销轴有相对运动，故需要增加钢套保证其耐磨性。

连杆上铰接孔的相对尺寸在机械式夹木器关键尺寸放样图中已确定；通过受力分析和计算，对连杆的结构和外形进行详细设计，其结构如图6所示。

图6 连杆机构

2.2.4 销轴设计[3]

销轴是机械式夹木器各部件连接的关键零件，其在工作过程中与各部件产生相对运动，除了要保证足够的强度，还要设计有润滑脂加注孔，便于日常维护与保养。销轴在部件上的固定一般采用螺栓连接，但在机构运动的过程中会在销轴径向产生剪切力致使螺栓变形或者拉断，对后期的使用和维护造成不必要的麻烦，故此项目中摒弃传统的连接形式采用U型螺母块与销轴卡板配合安装，增加径向抗剪切力强度。设计出来的销轴如图7所示。

图7 销轴组件

3 使用效果

机械式夹木器经使用测试和对客户使用情况进行调查表明，该夹木器性能可靠，在功能、结构、材料、经济和安全方面都能够满足工况的要求[4]，有效解决市场上夹木器容易引起斗杆早期损坏的问题，达到预期的设计目的。机械式夹木器和夹木器装在斗杆上效果图如图8、图9所示。

图8 机械式夹木器

图9 夹木器装在斗杆上效果图

4 结束语

随着我国进口木材量的不断提高，市场对结构稳定的机械式夹木器需求也将越来越大，同时对其种类和功能要求也不断提高。推出结构稳定、操作灵活、成本低的多系列机械式夹木器将更加受到市场的欢迎。同时，这也是我们下一步努力的方向。