一种树木修整机的数字化结构设计与优化分析_谌鑫.pdf

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置为对象，进行力平衡分析。由于，则有 。以右驱动轮、右轮架、右连杆、右减速器、右无刷电机作为一个整体进行力平衡分析，由，得（）将相关式代入，得出电动推杆的拉力 所要满足的条件为（）式中：为驱动轮与树干之间的静系数，当驱动外层的材料不变时，得到驱动轮不打滑，将相关的数据带入式中，得 。谌 鑫，等：一种树木修整机的数字化结构设计与优化分析 螺旋方向攀爬装置结构设计和计算树木修整机在沿螺旋方向攀爬时，运动方式以及夹紧方式都与竖直方向攀爬时完全不同。由于螺旋攀爬时更容易打滑，所以为了防止打滑需要特别的夹紧机构来提供足够的夹紧力，同时为了能够稳定攀爬同时避免错过枝条需要通过计算确定螺旋升角。螺旋升角的确定在开始树木修整机螺旋方向攀爬装置的设计之前，需要先确定攀爬时的螺旋升角大小即树木修整机在沿螺旋方向向上攀升时攀爬方向与水平面的倾角，螺旋升角的大小和所攀爬的树木径长是决定树木修整机绕树木攀爬一圈时上升高度的主要因素。表现了树木修整机在理想状态下完成螺旋方向攀爬作业的状态，在完成螺旋升角的大小计算时，树木直径取方案中修整的最大树木直径 。在理想状态下，树木修整机绕修整树木攀升一周的上升高度为（）式中：为每周爬升高度（）；为树干直径（）；为螺旋升角。由式（）可以看出：螺旋升角越大，树木修整机在绕修整的树木一周时上升的高度就越高，这代表完成一棵树木的修整工作的行进路程就越短。但同时也会更容易出现漏掉需要修整的枝干以及打滑的情况。实际的选择还是要根据具体情况来综合考虑，以防树木修整机在进行作业时出现意外情况。树木修整机沿螺旋方向完成绕树干一周的攀爬作业，修枝装置从初始位置移动到结束位置，上升高度为，修整的范围为修枝装置长度，如果上升高度大于修枝装置长度，那么上升高度与修枝装置长度之差的范围内的枝干就得不到修整，导致一方面树木没法得到高质量的修整，另一方面遗留的树枝又会干扰攀爬的过程。所以，为了能保证修整作业的质量，应满足（）式中：为铣刀刃长（）。将 代入式（）中，算得 时，是保证作业质量前提下最高效的螺旋爬升角，但是综合安全性因素和实际情况考虑，为树木修整机安全攀爬和修整作业留出一定的余量，升角为。由于螺旋方向攀爬运动的形式与竖直方向攀爬一样，所以使用的轮胎外层材料同样为厚层橡胶裹层；根据设计方案，本树木修整机修剪的树干直径一般在 之间，我们只需要在这个尺寸范围内设计树木修整机即可。轮胎尺寸确定根据树木修整机的结构设计，夹紧轮两轮之间的轴距 应该大于等于大树的直径，即（）式中：为夹紧轮之间的间距（）；为轮胎的半径（）；为大树的直径（）。本设计要求最低攀爬树木直径为 ，所以此处 应当稍小于 ，取最大值 ，将这两个参数代入式（）可得：。根据实际情况，本设计选用直径为 的 橡胶充气轮胎。数字样机虚拟装配利用 完成了树木修整机所有部分的结构设计以及相关数据计算工作，对整机的三维模型建立如图 所示。图 树木修整机整机三维模型示意 仿真分析与优化 静力学仿真分析由于树木修整机整体尺寸大，结构复杂，为获得更好的理论参数，缩短设计周期，故只对树木修整谌 鑫，等：一种树木修整机的数字化结构设计与优化分析机机架进行局部仿真，仅利用 验证机身结构设计的正确性和确保树木修整机有足够的刚度、强度和稳定性。树木修整机机架应力云图如图 所示。通过应力云图可以看出，最大应力值为。受到的最大应力值没有超过材料的屈服强度，所以结构安全且满足需求。图 树木修整机机架应力云图 优化分析在完成优化分析时，使用的是 拓扑优化方法，定义 为 进行求解运算，得到树木修整机机架的拓扑优化结果如图 所示，深黑色部分为建议去除部分，灰色部分建议保留。由于上部分的建议优化部分为设计的夹紧装置，在完成静力学分析时是将其单独分离开的，在优化时不做更改，所以对结构的优化为对下螺旋方向攀爬驱动轮梁以及支撑架的结构删减。图 优化分析结构在完成优化工作后又一次对机架几何模型做静力学分析，其结果如图 所示。由图 可知，几何模型的最大应力为 。满足材料强度要求，且结构变得更加简洁、重量也有所降低。图 优化后树木修整机机架应力云图 结语所设计的树木修整机以汽油发动机为动力，主要针对 以上的树木，以提高树木修整效率、减轻工人劳动强度、提升树木资源管理为最终目标，同时开展树木修整工作的安全性得到了很大的保障。通过对树木修整机的结构设计、关键零部件校核以及数字化建模，基于 完成了树木修整机机架的有限元仿真分析，并对机架结构进行优化，为树木修整机的后续设计、等比例物理样机制造提供了有效的理论依据。参考文献：胡鞍钢 中国的全面小康 北京：外文出 版社，付保英园林球形灌木修剪机的设计研制中国设备工程，（）：韩立兮，钟千翔，钟佩佩一种新型全自动可变形绿篱修剪机的方案设计四川水泥，（）：程回东，王冬梅自动化升降绿篱修剪机的设计与研究中国科技信息，（）：赵悟，雒晓辉，杨力超，等车载式绿篱修剪机的设计与仿真筑路机械与施工机械化，（）：杨飞翔，洪鹰，王刚基于 顶升平移装置的优化设计机械科学与技术，（）：（责任编辑：曾 萍）谌 鑫，等：一种树木修整机的数字化结构设计与优化分析