一種樹木修整機的數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化分析

諶 鑫，胡 星

(1. 貴州電子科技職業(yè)學(xué)院智能制造系，貴州 貴陽 550025；2.貴州理工學(xué)院機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

林業(yè)是我國重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)之一，近年來隨著封山育林取得顯著成效，我國的森林覆蓋面積進一步擴大，截至2020年底達到2.2億公頃，森林覆蓋率達到23.04%[1]。但我國樹木修整從業(yè)人員的工作方式較為落后，對于機械化、自動化樹木修整設(shè)備的研發(fā)還處于起步階段，用于修整樹木的機械比較簡單，很多地區(qū)都存在修枝方法不當(dāng)甚至不修枝等現(xiàn)象，導(dǎo)致林業(yè)資源難以得到合適的管理。

因此，設(shè)計一種擁有高效靈活、攜帶方便、運行成本低等工作特點的樹木修整機，具備現(xiàn)有純?nèi)肆ε逝馈⑸禉C等修枝工作方式無可比擬的優(yōu)勢，可以從根本上解決樹木修整所遇到的各種問題，從而改善林業(yè)資源的管理方法。

本設(shè)計的目的是提高我國對樹木資源的管理水平，提高所使用的樹木修整機的技術(shù)水平。由于我國的樹木修整機研發(fā)水平較為落后，負責(zé)林業(yè)修整的工作人員多靠人工或是較為簡單的修整機器完成修剪工作，這樣完成樹木修整工作的效率不高且完成工作的質(zhì)量也參差不齊。人力修剪和落后的樹木修剪機械不僅效果不均而且耗時耗力，嚴重地阻礙了我國林業(yè)的發(fā)展。設(shè)計出合理且能夠高效率完成工作的自動式樹木修整機，對于我國樹木資源的管理能力將會大幅提升。

1 總體方案設(shè)計

1.1 設(shè)計背景

基于對現(xiàn)有樹木修整方式和修整設(shè)備進行分析，針對6 m以下的側(cè)枝修整，修整裝置既有自動型也有手動型，大都采用較為成熟的修枝工具(電鋸、油鋸、刀、斧頭等)搭配伸縮手臂，這種修枝方式簡單方便、實用性強、效率高，但對于高大樹木就顯得力不從心了[2]。對于6 m以上的樹木修整，現(xiàn)有的大多數(shù)修枝方式是采用人工攀爬利用常用工具開展工作，這種方式簡單方便、實用性強，但是效率低下，危險性高，不能滿足大規(guī)模的叢林作業(yè)[3]。

1.2 設(shè)計原理及方案

針對上述分析，依據(jù)樹木修整的要求和修整方式的運作情況的要求，為了能同時滿足高效率修枝和粗大枝干的修整，樹木修整機需同時擁有螺旋攀爬修枝和豎直攀爬修枝兩種運作方式，所以需要兩種攀爬裝置和修枝裝置。由于電源質(zhì)量較大，一般在20 kg左右，如果安裝在修整機上會導(dǎo)致整機的重量大幅增加，同時也會讓機器運行時功率損耗大幅增加。因此在設(shè)計時選擇將電源與整機分開，這種設(shè)計方式可以大幅度減輕整機重量，使其在爬樹修枝過程中獲得較高的爬升速度，并且利用這種速度所具有的動能將細枝條剪切下來。通過電源線來連接整機與電池，同時通過遙控設(shè)備來控制修整機的運行，其整體布局如圖1所示，設(shè)計目標參數(shù)如表1所示。

圖1 樹木修整機模塊布局示意

表1 樹木修整機設(shè)計目標參數(shù)

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計

2.1 豎直方向攀爬裝置設(shè)計

豎直方向攀爬裝置在樹木修整機沿豎直方向攀爬樹木的過程中，其受力分析如圖2所示。1為左驅(qū)動輪，2為樹干，3為右驅(qū)動輪，4為從動輪，OR和OL為固定于機架的銷軸軸心，O為樹干與從動輪的接觸點；OR、OL點保持固定不動，Q′和Q″分別為樹干與左、右驅(qū)動輪的接觸點，O′為樹干的中心；O1和O2分別為樹干與上、下從動輪的接觸點。

2.1.1 γ角的計算

假設(shè)樹干截面為正圓，由于攀爬裝置是對稱的，則N2與樹木修整機對稱線的夾角也等于γ。為求出γ，過點OR作一條平行于驅(qū)動輪外沿線的輔助線，ORQ′與N2的作用線相交于點Q′，Q和Q′兩點之間的距離為L4；以點O為原點，建立如圖2所示的坐標系，則Q′的坐標為(-R，0)，QR的坐標為(L2，L1/2)，則有

圖2 豎直方向攀爬裝置水平面上的受力分析示意

γ=180°-∠ORO′O-∠ORO′Q′

(1)

2.1.2 水平面上的力平衡分析

以攀爬裝置為對象，進行力平衡分析。由于∑Fy=0，則有N=N1=N2。

以右驅(qū)動輪、右輪架、右連桿、右減速器、右無刷電機作為一個整體進行力平衡分析，由∑Fx= 0，得

N3-2Ncosγ=0

(2)

將相關(guān)式代入，得出電動推桿的拉力F所要滿足的條件為

Fμ≤2μN

(3)

式中：μ為驅(qū)動輪與樹干之間的靜系數(shù)，當(dāng)驅(qū)動外層的材料不變時，得到驅(qū)動輪不打滑，將相關(guān)的數(shù)據(jù)帶入式中，得F≥1 262.72 N。

2.2 螺旋方向攀爬裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算

樹木修整機在沿螺旋方向攀爬時，運動方式以及夾緊方式都與豎直方向攀爬時完全不同。由于螺旋攀爬時更容易打滑，所以為了防止打滑需要特別的夾緊機構(gòu)來提供足夠的夾緊力，同時為了能夠穩(wěn)定攀爬同時避免錯過枝條需要通過計算確定螺旋升角。

2.2.1 螺旋升角的確定

在開始樹木修整機螺旋方向攀爬裝置的設(shè)計之前，需要先確定攀爬時的螺旋升角大小即樹木修整機在沿螺旋方向向上攀升時攀爬方向與水平面的傾角，螺旋升角的大小和所攀爬的樹木徑長是決定樹木修整機繞樹木攀爬一圈時上升高度的主要因素[4]。表現(xiàn)了樹木修整機在理想狀態(tài)下完成螺旋方向攀爬作業(yè)的狀態(tài)，在完成螺旋升角的大小計算時，樹木直徑取方案中修整的最大樹木直徑300 mm。

在理想狀態(tài)下，樹木修整機繞修整樹木攀升一周的上升高度為

H=πDtanθ

(4)

式中：H為每周爬升高度(mm)；D為樹干直徑(mm)；θ為螺旋升角。

由式(4)可以看出：螺旋升角越大，樹木修整機在繞修整的樹木一周時上升的高度就越高，這代表完成一棵樹木的修整工作的行進路程就越短。但同時也會更容易出現(xiàn)漏掉需要修整的枝干以及打滑的情況。實際的選擇還是要根據(jù)具體情況來綜合考慮，以防樹木修整機在進行作業(yè)時出現(xiàn)意外情況。

樹木修整機沿螺旋方向完成繞樹干一周的攀爬作業(yè)，修枝裝置從初始位置移動到結(jié)束位置，上升高度為H，修整的范圍為修枝裝置長度L，如果上升高度大于修枝裝置長度，那么上升高度與修枝裝置長度之差的范圍內(nèi)的枝干就得不到修整，導(dǎo)致一方面樹木沒法得到高質(zhì)量的修整，另一方面遺留的樹枝又會干擾攀爬的過程[5]。

所以，為了能保證修整作業(yè)的質(zhì)量，應(yīng)滿足

H=πDtanθ

(5)

式中：L為銑刀刃長(mm)。將L=160 mm代入式(5)中，算得θ<13.6°時，是保證作業(yè)質(zhì)量前提下最高效的螺旋爬升角，但是綜合安全性因素和實際情況考慮，為樹木修整機安全攀爬和修整作業(yè)留出一定的余量，升角為10°。

由于螺旋方向攀爬運動的形式與豎直方向攀爬一樣，所以使用的輪胎外層材料同樣為厚層橡膠裹層；根據(jù)設(shè)計方案，本樹木修整機修剪的樹干直徑一般在10～60 cm之間，我們只需要在這個尺寸范圍內(nèi)設(shè)計樹木修整機即可。

2.2.2 輪胎尺寸確定

根據(jù)樹木修整機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，夾緊輪兩輪之間的軸距L應(yīng)該大于等于大樹的直徑D，即

d+2r≥D

(6)

式中：d為夾緊輪之間的間距(cm)；r為輪胎的半徑(cm)；D為大樹的直徑(cm)。

本設(shè)計要求最低攀爬樹木直徑為8 cm，所以此處d應(yīng)當(dāng)稍小于10 cm，D取最大值30 cm，將這兩個參數(shù)代入式(6)可得：r>10 cm。根據(jù)實際情況，本設(shè)計選用直徑為30 cm的G-3橡膠充氣輪胎。

2.3 數(shù)字樣機虛擬裝配

利用SoildWorks2018完成了樹木修整機所有部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相關(guān)數(shù)據(jù)計算工作，對整機的三維模型建立如圖3所示。

圖3 樹木修整機整機三維模型示意

3 仿真分析與優(yōu)化

3.1 靜力學(xué)仿真分析

由于樹木修整機整體尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為獲得更好的理論參數(shù)，縮短設(shè)計周期，故只對樹木修整機機架進行局部仿真，僅利用SoildWorks Simulation驗證機身結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性和確保樹木修整機有足夠的剛度[6]、強度和穩(wěn)定性。樹木修整機機架應(yīng)力云圖如圖4所示。通過應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力值為5.14 MPa。受到的最大應(yīng)力值沒有超過材料的屈服強度，所以結(jié)構(gòu)安全且滿足需求。

圖4 樹木修整機機架應(yīng)力云圖

3.2 優(yōu)化分析

在完成優(yōu)化分析時，使用的是Topology Optimization拓撲優(yōu)化方法，定義Percent to Retain為80%進行求解運算，得到樹木修整機機架的拓撲優(yōu)化結(jié)果如圖5所示，深黑色部分為建議去除部分，灰色部分建議保留。由于上部分的建議優(yōu)化部分為設(shè)計的夾緊裝置，在完成靜力學(xué)分析時是將其單獨分離開的，在優(yōu)化時不做更改，所以對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化為對下螺旋方向攀爬驅(qū)動輪梁以及支撐架的結(jié)構(gòu)刪減。

圖5 優(yōu)化分析結(jié)構(gòu)

在完成優(yōu)化工作后又一次對機架幾何模型做靜力學(xué)分析，其結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，幾何模型的最大應(yīng)力為4.796 MPa。滿足材料強度要求，且結(jié)構(gòu)變得更加簡潔、重量也有所降低。

圖6 優(yōu)化后樹木修整機機架應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

所設(shè)計的樹木修整機以汽油發(fā)動機為動力，主要針對6 m以上的樹木，以提高樹木修整效率、減輕工人勞動強度、提升樹木資源管理為最終目標，同時開展樹木修整工作的安全性得到了很大的保障。通過對樹木修整機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵零部件校核以及數(shù)字化建模，基于Solidworks Simulation完成了樹木修整機機架的有限元仿真分析，并對機架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為樹木修整機的后續(xù)設(shè)計、等比例物理樣機制造提供了有效的理論依據(jù)。