自走式竹材采伐机的设计与仿真

发布时间：2020-09-18 14:59

　　竹材作为一种重要的森林资源,与木材相比具有生长周期短,繁殖力强,一次种植可永续经营等特点,并且竹材自身的弹性和韧性较好、力学性能优异,已经在民用、轻工、建筑等行业得到了非常广泛的应用,在森林资源日益减少而人类需求逐渐增加的今天,竹材越来越受到人们的关注。以竹代木,以竹胜木,必将是21世纪森林资源可持续经营的一个重要方向。但目前我国采伐竹子的方法仍然是传统的人工刀砍或者是油锯采伐,随着人工成本的不断上升,加之手工砍伐效率低下等问题,阻碍了竹材的大规模开采利用。因此设计一种能够在地形复杂的竹林地形中自走作业的高效竹材采伐机械很有价值。本文对目前我国自走式采伐机的发展现状进行讨论,并对未来采伐机的发展趋势做出预测。通过对竹林的生长环境和立地条件进行研究,对自走式竹材采伐机的整机尺寸、行走方式进行了确定。对采伐机的主要参数和关键组成部分进行了设计与布局。对竹材的组成结构和层间断裂特性的研究,明确竹材作为一种生物复合材料,它的力学性能具有较强的各向异性的性质,顺纹向的拉伸强度高,但剪切强度却相对很低。通过对竹子的微观结构分析解释了 Ⅰ型层间断裂韧性和Ⅱ型层间断裂韧性的特点,为采伐机的切削原理分析提供理论基础。在此基础上确定了采用组合圆锯的采伐方式,并对锯片的运动轨迹进行分析,对切削力、切削功率的大小进行了计算确定。利用Solidworks软件对自走式竹材采伐机的切削机构、推进机构、行走机构进行结构设计,对各组成零件承受的载荷进行分析计算,并依此进行选型和参数的确定。对整机和各组成部分进行三维建模,通过计算验证了采伐机的接地比压和行驶稳定性符合设计要求。使用Adams软件对采伐机的切削过程进行动力学仿真,通过建立简化模型,施加约束并设置各项锯切参数,得出了单圆锯的转速、锯片直径、刃厚、齿数转速、竹材壁厚、直径等不同参数对切削力的影响,并分析了三圆锯的转速和锯片间距对于切削力大小的影响,最终对各切削参数进行设定。使用ANSYS Workbench软件对切削主轴进行静力学分析,对发动机座架进行静力学分析和模态分析,验证其强度和刚度满足实际使用需求,采伐机工作时发动机座架的振动不会对采伐机的正常工作产生影响。最后根据仿真结果对关键部件切削主轴进行优化设计,通过确定设计变量、确定目标函数、确定约束条件,用MATLAB软件编写程序,最终得到最优结果,使主轴的尺寸更加紧凑,保证采伐机的结构合理,安全高效。
【学位单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S776.31
【部分图文】：

技术路线图,技术路线

１绪论逡逑地形环境，保证良好的通过性。对采伐机的切削原理进行分析，保证采伐机能够满足竹逡逑材的切削要求。逡逑（４）对自走式竹材采伐机的关键零件进行有限元分析，根据静力学分析得到采伐机逡逑的主要受力零件的应力云图和应变云图，校验采伐机关键受力零件的强度、刚度满足设逡逑计要求，保证采伐机工作的稳定性和安全性，并对采伐机的切削主轴进行优化设计，使逡逑主轴的尺寸更加紧凑合理。逡逑

竹子,剖面结构,竹青,竹黄

为轴向呈空心圆截面径向呈阶梯式变截面的杆状结构，沿竹竿轴向每隔数十公分长有一逡逑段竹节，将竹子各部分连接成一个整体［１８］。它既增强了竹子的强度和刚度，又提高了竹逡逑子的横向抗挤压能力和抗剪切能力。图２－１为竹子的横切面图，由图可知竹子的组成成逡逑分由外向内依次为竹青、竹肉、竹黄。竹青是竹子最外层的保护组织，其结构坚实紧密，逡逑质地坚硬，切割时所需要的切削力较大。竹黄位于竹壁结构的最内侧，相比于竹青其质逡逑地脆弱，因此所需要的切削力较小。竹肉分布在竹青与竹黄之间，由维管束和基本组织逡逑构成，需要的切削力介于竹青与竹黄之间。造成这种现象的原因是由于竹子的力学性能逡逑取决于不同组织中维管束的含量，从竹青到竹黄维管束的含量逐渐减少，因此力学性能逡逑也逐渐减弱，所需要的切削力不断减小［１９］。逡逑－６－逡逑

剪应力分布,竹纤维,纤维束,极限应力

在测量竹纤维的极限应力时，在竹纤维的两端施加方向相反的载荷直到纤维发生断裂，逡逑用此时的载荷值除以纤维束的面积就能得到纤维束的极限应力【２４】。把竹纤维在胶体中固逡逑定好，使纤维束受到的剪应力分布均匀，如图２－２所示。其中１０为中间段纤维束的长度，逡逑心为两端纤维束的长度，々为纤维束的截面面积，，＾为纤维束的截面周长，７？为胶体中逡逑纤维束受到的界面剪应力，为中间段纤维束所受到的轴向拉应力。根据平衡条件可得：逡逑Ｓｆ邋■ｘ－ｔ邋＝邋Ａ／邋－ｃＫｘ）逦（２－１）逡逑则中间段竹纤维束在胶体中所受到的轴向拉应力和界面剪应力满足：逡逑ＳｒＬｇ－Ｔ邋＝邋Ａｒｃｒ０逦（２－２）逡逑因此距离纤维束最左端ｘ位置处所受到的轴向拉应力满足逡逑－７邋－逡逑

【参考文献】