林用灌木修剪機升降支架結(jié)構(gòu)設(shè)計及靜力學(xué)分析

李 濱， 吳奇峰

(東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006)

我國林業(yè)機械化率超過30%，處于中級階段的發(fā)展水平[1]，初步完成了機械化與自動化，但仍然與發(fā)達國家差距較大[2]。近幾年來自動化、智能化機械的研究在持續(xù)推進之中，機器進行高水平制造的“機器換人”工程提出，促進了林業(yè)機器人行業(yè)的快速發(fā)展[3]，在林木采伐[4]、林果采收、種苗作業(yè)和林內(nèi)清理等方面，國家都已進入深入的研究。目前國內(nèi)的園林景觀還是處于初期發(fā)展階段，并不能很好地滿足現(xiàn)代化城市建設(shè)的要求，距離人民理想中的形態(tài)還是具有一定差距[5]，主要形式是對植物的整形修剪，但是由于城市的園林建設(shè)面積很大，導(dǎo)致需要大量的人工操作。這種操作又過于繁瑣，效率極低，浪費大量的人力物力，于是導(dǎo)致有些道路兩旁的園景植物每年可能就修剪一次，枝葉很快的生長，營養(yǎng)開始分散，導(dǎo)致樹冠很小，樹枝很多，很容易遮擋路人[6]。這迫切需要研制出一種專門用于園林修剪的自動作業(yè)機械來提高林業(yè)機械的自動化裝備水平，減少工人的工作量，提高工作效率，減少由人工修剪所帶來的勞動力資源浪費問題[7]。本設(shè)計主要研究修剪機的升降機構(gòu)，并對其進行靜力學(xué)分析，驗證設(shè)計的合理性。

1 修剪機升降支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)城市園景中灌木種類、高度及布置模式等，保證修剪機具有足夠的工作空間，以適應(yīng)不同形狀的造型，結(jié)合灌木的尺寸及位置，最終確定各個部件的基本尺寸[8]。通過Creo對林用自適應(yīng)修剪機的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，包括修剪機升降支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后完成虛擬樣機的安裝。

1.1 林用修剪機升降機構(gòu)工作空間的確定

修剪機修剪對象為灌木，灌木是道路綠化中不可缺少的樹木種類，是園林綠化工程中的中間層，在整體的園林工程中有著承上啟下的意義，起著連接喬木，地面和建筑之間的連貫和完美過度的作用。本文數(shù)據(jù)在東北林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)采集，在校園內(nèi)應(yīng)用最廣的幾種灌木中，對不同樹種以及同樹種多組灌木，人工修剪后的樹枝截面直徑、灌木高度和樹冠直徑進行了統(tǒng)計分析。東北林大學(xué)主要灌木高度及樹冠直徑見表1，林大校園內(nèi)最高的灌木種類是榆葉梅，其高度為1.8 m，最低的金山繡線菊高度為0.5 m，最大的樹冠直徑灌木樹種是小葉丁香，直徑為1.6 m。最小樹冠直徑樹種為紅瑞木和金山繡線菊，直徑為0.8 m。由以上的數(shù)據(jù)統(tǒng)計可以確定修剪機升降具體的工作范圍要求如下：

(1)豎直升降范圍(到地方距離)：0.8～1.6 m；

(2)最大工作半徑：1.5 m；

(3)最小工作半徑：0.7 m。

表1 東北林大學(xué)主要灌木高度及樹冠直徑

1.2 林用修剪機升降支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

升降機構(gòu)種類有很多，比較常用的有：螺旋器式升降、絲杠式升降、鏈條式升降、齒輪齒條式升降，液壓升降[9]。不同形式升降機構(gòu)具有不同的特點和適用于不同的工作環(huán)境。對比相關(guān)的特點，考慮灌木修剪機的工作環(huán)境、傳動要求和造價要求等選用鏈?zhǔn)絺鲃由禉C構(gòu)。

由上一節(jié)對于灌木常見樹種的高度討論得知，升降機的基本行程是1 000 mm。為保證修剪機具有足夠的垂直升降行程，將鏈傳動的傳動范圍設(shè)計為1 600 mm，修剪機設(shè)計成高為1 800 mm。

修剪機支架的三維圖如圖1所示，修剪機支架主要包括以下幾部分：

圖1 修剪機支架三維圖1.支架上機蓋；2.從動齒輪，3.升降臺，4.鏈條；連接桿；5.修剪機支架；6.中心支柱；7.主動齒輪；8.減速器；9.交流伺服電機；10.支架底盤；11.滑輪；12.滑動支架；13.自鎖裝置；14.自鎖卡口輪圖

(1)修剪機支架：為方便升降臺能夠在豎直方向上的移動和支撐，設(shè)計為中心支柱和周圍四桿裝置；

(2)傳動機構(gòu)采用鏈傳動：電機提供驅(qū)動，主動輪帶動鏈條，鏈條兩端通過剛性連接桿連接；

(3)升降臺：設(shè)計為方柱套筒安裝在修剪支架中心支撐柱上，保證升降臺能夠沿著支撐柱進行Z方向上的移動。為了加強升降臺在中心支撐柱移動的靈活性，在升降臺上安裝滑輪，中心支撐住上安裝滑動軌道，起到導(dǎo)向和夾緊作用。升降臺連接伸縮臂，伸縮臂通過滑動支架套裝在左右兩側(cè)的支撐柱上，便于升降移動；

(4)電機減速器：采用錐齒輪減速，降速的同時增加轉(zhuǎn)矩，有利于驅(qū)動鏈傳動的主動輪，實現(xiàn)移動平臺的平穩(wěn)移動；

(5)自鎖機構(gòu)：鏈輪后側(cè)安裝帶有鍥型口自鎖輪，通過螺旋推動鍥型卡，完成鏈輪的自鎖。保證升降臺的安全定位和減少電機的能源消耗。

2 林用灌木修剪機升降臺的ANSYS靜力學(xué)分析

靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析(Static Structural)作為Workbench中重要的模塊，主要應(yīng)用于模型在不考慮阻尼和慣性的影響下，結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下產(chǎn)生的變形和應(yīng)力狀態(tài)。分析修剪機支架結(jié)構(gòu)圖可知，升降臺在整體機構(gòu)為主要的傳動機構(gòu)，升降臺的性能直接影響升降機構(gòu)工作效率，于是本文通過ANSYS Workbench 18.0軟件平臺對升降機構(gòu)中的升降臺進行靜力學(xué)分析，以校核升降臺的硬度和剛度[10-16]。主要步驟如下：

(1)建立幾何模型，利用Creo三維軟件對移動臺完成簡化建模，去除螺栓、倒角等對結(jié)果不會產(chǎn)生影響的特征，然后打開關(guān)聯(lián)界面中的ANSYS Workbench。簡化后的升降臺三維模型如圖2所示。

圖2 簡化后的升降臺三維模型

(2)選擇分析類型，在ANSYS Workbench左側(cè)的Toolbox中找到Static Structural，將其拖動到右側(cè)的Project Schematic中，完成靜力學(xué)分析工程的建立，靜力學(xué)分析模塊圖如圖3所示。

圖3 靜力學(xué)分析模塊圖

(3)定義材料屬性，本文中的升降臺材料為6061鋁合金，材料屬性見表2。

表2 6061鋁合金材料屬性

(4)網(wǎng)格劃分，升降臺的網(wǎng)格劃分采用的是自動劃分法，其具體參數(shù)見表3，網(wǎng)格劃分處理后的模型如圖4所示。

表3 升降臺網(wǎng)格劃分參數(shù)表

圖4 升降臺網(wǎng)格劃分模型

(5)施加載荷和約束，為了真實地模擬升降臺在升降過程中的真實情況，對修剪機伸縮機構(gòu)、末端修剪器進行質(zhì)量估算，伸縮機構(gòu)材料選用鋁合金，升降臺最大受力具體如式(1)所示。(Z軸正方向為豎直向上)

F1=F2
F2=k×Mg
Mg=M1+M2

(1)

式中：F1為升降臺整體受鏈條傳動的Z軸正方向的力；F2為升降臺整體支撐伸縮機構(gòu)及末端修剪器Z軸負(fù)方向的力；M1為伸縮機構(gòu)質(zhì)量；M2為末端修剪器質(zhì)量；k為安全系數(shù)。質(zhì)量估算利用Creo中分析模塊進行測定，可以根據(jù)零件選取的材料直接進行質(zhì)量計算[17]。如圖5所示。

圖5 質(zhì)量分析圖

施加載荷和約束參數(shù)見表4。施加載荷及約束結(jié)果如圖6所示。

表4 施加載荷及約束參數(shù)如表

圖6 施加載荷及約束結(jié)果

靜力學(xué)計算結(jié)果與分析，(5)升降臺的形變?nèi)鐖D7所示。升降臺的最大位移發(fā)生升降臺和伸縮機構(gòu)下接觸面，最大位移變形量為0.059 66 mm，對升降臺升降過程影響較小。此處結(jié)構(gòu)需要支撐伸縮機構(gòu)、末端修剪器等均分布載荷，以及電機、傳動系系統(tǒng)等載荷，且該位置屬于懸空狀態(tài)，結(jié)合實際施加情況，仿真結(jié)果切合升降臺的實際承載情況。

圖7 升降臺形變

升降臺的應(yīng)力云圖如圖8所示。升降臺的最大應(yīng)力出現(xiàn)在升降臺和鏈條連接桿的接觸面上，應(yīng)力值為27.595 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強度55.1 MPa，滿足設(shè)計要求。此處結(jié)構(gòu)為載荷集中處，最易出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致升降臺的破壞。

圖8 升降臺應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

本文是針對林用灌木修剪機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，著重設(shè)計了修剪機中升降機構(gòu)，首先對修剪機的工作空間進行了確定，根據(jù)空間確定修剪機升降支架的尺寸，并對升降機構(gòu)中關(guān)鍵部件升降臺進行了靜力學(xué)分析，分析表明升降臺具有足夠的剛度和強度，滿足設(shè)計要求。