高大树木修枝机械设计与优化分析

发布时间：2017-02-13 08:09

1 绪论

近年来林业产业受到人们越来越广泛的关注。一方面是因为林业是我国重要的农业产业之一，据 2014 年全国林业统计年报显示 2014 年林业产业总产值达到 5.40 万亿元，比 2013 年增长 14.20%；另一方面扩大森林覆盖率是改善我国自然环境的重要手段，林业的可持续发展在推进生态文明建设中担任着首要任务。据第八次全国森林资源清查（2009-2013，五年一次）结果显示，我国森林面积达到 2.08 亿公顷，森林覆盖率 21.63%，其中天然林面积 1.22 亿公顷、人工林面积 0.69 亿公顷，，人工林面积居世界首位（耿国彪，2014；胡超，2015）。该调查结果显示我国森林资源总量持续增长、质量不断提高、天然林稳步增加、人工林快速发展，由此看出我国森林资源进入了数量迅速增长，质量不断提高的快速发展时期。然而报告还指出，与全球森林覆盖率 31%的平均水平相比较我国仍然是一个缺林少绿、生态脆弱的国家，人均森林面积仅占世界人均水平的 25%，因此我国林业发展仍然面临着巨大的压力与挑战。综上所述，我国林业正处于高速发展并且还需要加大发展力度的状态，科技兴林变得尤为重要，林业机械也到了不得不创新、不得不发展的时期（耿国彪,2014）。

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2 高大树木修枝机械方案设计

2.1 整机技术参数与设计方案

为使高大树木修枝机械能够切实服务于林业抚育工程，根据上述技术参数的要求，经过多方调研、讨论确定整机应包含机械结构和电控系统两大系统，其中机械结构中主要包括末端执行器、臂架系统、回转系统、升降系统（包括底盘、行走系统、支撑腿、整机控制面板、牵引架等各类辅助机构）、动态配重系统、动力系统等部分，其系统组成如图 2-1 所示，由于本文不涉及整机电控系统，在此不进行阐述。

2.2 各系统技术参数及设计方案

末端执行器是整机功能性系统，其位于臂架系统最末端。主要用于实现高大树木修枝机械的修枝功能以及修枝同时进行茬口养护的功能。高大树木错综复杂的侧枝情况决定了剪枝锯工作环境复杂性，地面上的操作者难以直接判断高空中待剪侧枝具体位置，因此要求末端执行器具备可视化功能，能将末端执行器所处的环境视频信号实时传回到控制面板的显示器上；此外末端执行器还需要有导向功能及卡锁功能，这样有利于末端执行器自身与树木之间的相对固定，减轻臂架系统振动；最大修枝直径要达到 10cm；而且根据树木修枝的技术要求，末端执行器应具有在修枝过程中实时养护茬口的功能。

3 高大树木修枝机械臂架系统设计与优化分析......... 11

3.1 臂架系统结构设计.....11

3.2 机械臂尺寸设计..................... 12

3.3 变幅机构优化设计..... 13

3.4 臂架系统静力学分析与优化设计......... 16

4 高大树木修枝机械其它关键系统.......... 25
4.1 高大树木修枝机械末端执行器............. 25
4.2 高大树木修枝机械回转系统.............. 29
4.3 高大树木修枝机械升降系统.......... 31
4.4 高大树木修枝机械动力系统................ 32
5 高大树木修枝机械动态配重系统............ 34
5.1 动态配重系统原理........................ 35
5.2 动态配重系统结构设计........ 40

7 样机试制与试验

7.1 样机试制

参阅高空作业机械相关技术标准，严格按照高大树木修枝机械技术要求，对不同模块出图制定了加工工艺，完成了样机的加工与装配。高大树木修枝机械各模块样机如下所示。主要部件实物图如图所示。臂架系统及末端执行器系统如图 7-1 所示。②设计了款新型导向卡锁式林业高枝修剪护茬锯，能够在修枝的同时进行茬口养护，修枝直径 10cm，并对其进行了虚拟样机仿真试验，锯片有效行程 25mm；计算并确定了回转系统、升降系统、动力系统的具体结构与参数。③设计了动态配重系统，并对其控制原理进行了计算推导与阐述，最终得到了由电动缸伸长量il 与动态配重位移 X 之间的函数关系。（2）对整机进行了三维建模，并运用 ADAMS 对高大树木修枝机械整机最危险工况进行了稳定性仿真试验与分析，经过分析可知在臂架系统绕回转系统旋转过程中四个支撑腿受力不断变化，并对受力曲线的变化原因进行了阐述，最终证明整机稳定性可靠。（3）运用 Workbench 软件对高大树木修枝机械整机进行模态分析，发现运输状态下一阶固有频率为 2.5302Hz 与环境激振频率接近，为防止共振，为臂架系统设计了运输托架。

7.2 样机试验

章节 2.2.1 中整机技术参数要求本机械工作高度 5m-15m，工作半径 6m。根据此设计参数全文展开了高大树木修枝机械的设计，本部分根据上述设计方案确定了本机末端执行器的理论可达空间（即整机作业范围），其过程如下。仅考虑臂架系统的情况下，因为前三节机械臂均为俯仰运动，第四节机械臂绕第三节机械臂为左右偏转 30°，且第四节臂左右偏转对作业区间影响较小，暂不考虑其对作业区间的影响。三节臂均处于竖直状态下时第三节臂绕第二节臂俯仰 0°-180°，末端执行器的运动轨迹如图 7-7 中 a 图中弧形实线所示；第二节臂绕第一节臂俯仰角转动90°-180°，弧形实线所扫过的区域如图 7-7 中 b 图实线包围区域所示；第一节臂绕底俯仰 90°-210°所扫过的区域 7-7 中 c 图实线包围区域所示。综合考虑升降系统升降高度达到 8m，回转系统的 360°旋转以及地面对作业空间的干涉等问题，以回转系统旋转轴线在水平面上的竖直方向的投影点作为原点，最终得出整机作业区间图如图 7-8 所示。

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8 结论与展望

8.1 结论

本文主要根据林业高枝修剪的需求设计了一款工作高度 15m、工作半径 6m、修枝半径 10cm 的高大树木修枝机械，并运用 CAD、CAE 等技术对高大树木修枝机械进行仿真试验与优化分析最终加工全尺寸样机一台。本文主要研究总结如下：（1）在查阅高空作业机械设计相关文献的基础上，根据实际需求确定了高大树木修枝机械整机设计方案。主要包括末端执行器、臂架系统、回转系统、升降系统、动态配重系统、动力系统等几部分；根据整机设计方案对整机各部分进行详细设计、分析与优化。

8.2 主要创新点

（1）研制了一种适用于高大树木的修枝机械，修枝高度 15m，作业半径 6m，修枝直径 10cm，并能够在修枝同时进行茬口养护。（2）研制的动态配重系统可以实现对臂架系统的实时调平功能，提高了整机稳定性能。

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参考文献（略）

本文编号：242303