一种树木修整机的数字化结构设计与优化分析_谌鑫.pdf
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1、农机论坛一种树木修整机的数字化结构设计与优化分析谌 鑫,胡 星(贵州电子科技职业学院智能制造系,贵州 贵阳;贵州理工学院机械工程学院,贵州 贵阳)摘 要:针对主要以人力完成高大树木修整时,不仅效率低下且危险性较高的情况,为实现高效、安全的树木修整工作,设计了一种基于多轮对驱动攀爬系统的树木修整机,实现了竖直高效移动和旋转大功率切割的复合运动,同时保障树木修整工作的质量和效率。在分析其工作原理的基础上,运用数字化技术进行树木修整机的结构设计和有限元优化分析,为等比例物理样机的制造提供理论依据。关键词:高大树木;修整机;结构设计;优化分析 引言林业是我国重要的农业产业之一,近年来随着封山育林取得显
2、著成效,我国的森林覆盖面积进一步扩大,截至 年底达到 亿公顷,森林覆盖率达到。但我国树木修整从业人员的工作方式较为落后,对于机械化、自动化树木修整设备的研发还处于起步阶段,用于修整树木的机械比较简单,很多地区都存在修枝方法不当甚至不修枝等现象,导致林业资源难以得到合适的管理。因此,设计一种拥有高效灵活、携带方便、运行成本低等工作特点的树木修整机,具备现有纯人力攀爬、升降机等修枝工作方式无可比拟的优势,可以从根本上解决树木修整所遇到的各种问题,从而改善林业资源的管理方法。本设计的目的是提高我国对树木资源的管理水平,提高所使用的树木修整机的技术水平。由于我国的树木修整机研发水平较为落后,负责林业修
3、整的工作人员多靠人工或是较为简单的修整机器完成修剪工作,这样完成树木修整工作的效率不高且完成工作的质量也参差不齐。人力修剪和落后的树木修剪机械不仅效果不均而且耗时耗力,严重地阻碍了我国林业的发展。设计出合理且能够高效率完成工作的自动式树木修整机,对于我国树木资源的管理能力将会大幅提升。总体方案设计 设计背景基于对现有树木修整方式和修整设备进行分析,针对 以下的侧枝修整,修整装置既有自动型也有手动型,大都采用较为成熟的修枝工具(电锯、油锯、刀、斧头等)搭配伸缩手臂,这种修枝方式简单方便、实用性强、效率高,但对于高大树木就显得力不从心了。对于 以上的树木修整,现有的大多数修枝方式是采用人工攀爬利用
4、常用工具开展工作,这种方式简单方便、谌 鑫,等:一种树木修整机的数字化结构设计与优化分析收稿日期:基金项目:贵州省教育厅青年科技人才成长项目(教合 字)作者简介:谌 鑫(),女,贵州织金人,硕士,研究方向为数字化制造技术;胡 星(),男,贵州毕节人,本科在读,机械设计制造及其自动化专业。实用性强,但是效率低下,危险性高,不能满足大规模的丛林作业。设计原理及方案针对上述分析,依据树木修整的要求和修整方式的运作情况的要求,为了能同时满足高效率修枝和粗大枝干的修整,树木修整机需同时拥有螺旋攀爬修枝和竖直攀爬修枝两种运作方式,所以需要两种攀爬装置和修枝装置。由于电源质量较大,一般在 左右,如果安装在修
5、整机上会导致整机的重量大幅增加,同时也会让机器运行时功率损耗大幅增加。因此在设计时选择将电源与整机分开,这种设计方式可以大幅度减轻整机重量,使其在爬树修枝过程中获得较高的爬升速度,并且利用这种速度所具有的动能将细枝条剪切下来。通过电源线来连接整机与电池,同时通过遥控设备来控制修整机的运行,其整体布局如图 所示,设计目标参数如表 所示。图 树木修整机模块布局示意表 树木修整机设计目标参数项目参数值整机外形尺寸 电机动力 竖直攀爬用电机功率 螺旋攀爬时电机功率 攀爬树木直径 最大修枝直径 作业高度范围 作业速度()竖直方向攀爬时螺旋方向攀爬时整机质量 关键零部件设计 竖直方向攀爬装置设计竖直方向攀
6、爬装置在树木修整机沿竖直方向攀爬树木的过程中,其受力分析如图 所示。为左驱动轮,为树干,为右驱动轮,为从动轮,和 为固定于机架的销轴轴心,为树干与从动轮的接触点;、点保持固定不动,和 分别为树干与左、右驱动轮的接触点,为树干的中心;和 分别为树干与上、下从动轮的接触点。角的计算假设树干截面为正圆,由于攀爬装置是对称的,则 与树木修整机对称线的夹角也等于。为求出,过点 作一条平行于驱动轮外沿线的辅助线,与 的作用线相交于点,和两点之间的距离为;以点 为原点,建立如图 所示的坐标系,则 的坐标为(,),的坐标为(,),则有()图 竖直方向攀爬装置水平面上的受力分析示意 水平面上的力平衡分析以攀爬装
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