一種樹木修整機(jī)的數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)一步擴(kuò)大，截至2020年底達(dá)到2.2億公頃，森林覆蓋率達(dá)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(jī)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(jī)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(jì)一種擁有高效靈活、攜帶方便、運(yùn)行成本低等工作特點(diǎn)的樹木修整機(jī)，具備現(xiàn)有純?nèi)肆ε逝馈⑸禉C(jī)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(jì)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(jī)的技術(shù)水平。由于我國的樹木修整機(jī)研發(fā)水平較為落后，負(fù)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(jī)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(jī)械不僅效果不均而且耗時(shí)耗力，嚴(yán)重地阻礙了我國林業(yè)的發(fā)展。設(shè)計(jì)出合理且能夠高效率完成工作的自動式樹木修整機(jī)，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(jì)

1.1 設(shè)計(jì)背景

基于對現(xiàn)有樹木修整方式和修整設(shè)備進(jìn)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(shí)用性強(qiáng)、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(shí)用性強(qiáng)，但是效率低下，危險(xiǎn)性高，不能滿足大規(guī)模的叢林作業(yè)[3]。

1.2 設(shè)計(jì)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(yùn)作情況的要求，為了能同時(shí)滿足高效率修枝和粗大枝干的修整，樹木修整機(jī)需同時(shí)擁有螺旋攀爬修枝和豎直攀爬修枝兩種運(yùn)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(jī)上會導(dǎo)致整機(jī)的重量大幅增加，同時(shí)也會讓機(jī)器運(yùn)行時(shí)功率損耗大幅增加。因此在設(shè)計(jì)時(shí)選擇將電源與整機(jī)分開，這種設(shè)計(jì)方式可以大幅度減輕整機(jī)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(xì)枝條剪切下來。通過電源線來連接整機(jī)與電池，同時(shí)通過遙控設(shè)備來控制修整機(jī)的運(yùn)行，其整體布局如圖1所示，設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)如表1所示。

圖1 樹木修整機(jī)模塊布局示意

表1 樹木修整機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 豎直方向攀爬裝置設(shè)計(jì)

豎直方向攀爬裝置在樹木修整機(jī)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(jī)架的銷軸軸心，O為樹干與從動輪的接觸點(diǎn)；OR、OL點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)。

2.1.1 γ角的計(jì)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(jī)對稱線的夾角也等于γ。為求出γ，過點(diǎn)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(diǎn)Q′，Q和Q′兩點(diǎn)之間的距離為L4；以點(diǎn)O為原點(diǎn)，建立如圖2所示的坐標(biāo)系，則Q′的坐標(biāo)為(-R，0)，QR的坐標(biāo)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(jìn)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(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)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(yùn)

(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(shí)，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(jì)和計(jì)算

樹木修整機(jī)在沿螺旋方向攀爬時(shí)，運(yùn)動方式以及夾緊方式都與豎直方向攀爬時(shí)完全不同。由于螺旋攀爬時(shí)更容易打滑，所以為了防止打滑需要特別的夾緊機(jī)構(gòu)來提供足夠的夾緊力，同時(shí)為了能夠穩(wěn)定攀爬同時(shí)避免錯過枝條需要通過計(jì)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(jī)螺旋方向攀爬裝置的設(shè)計(jì)之前，需要先確定攀爬時(shí)的螺旋升角大小即樹木修整機(jī)在沿螺旋方向向上攀升時(shí)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(jī)繞樹木攀爬一圈時(shí)上升高度的主要因素[4]。表現(xiàn)了樹木修整機(jī)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(jì)算時(shí)，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(jī)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(jī)在繞修整的樹木一周時(shí)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(jìn)路程就越短。但同時(shí)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(shí)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(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)出現(xiàn)意外情況。

樹木修整機(jī)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(shí)，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(shí)際情況考慮，為樹木修整機(jī)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(yùn)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(jì)方案，本樹木修整機(jī)修剪的樹干直徑一般在10～60 cm之間，我們只需要在這個(gè)尺寸范圍內(nèi)設(shè)計(jì)樹木修整機(jī)即可。

2.2.2 輪胎尺寸確定

根據(jù)樹木修整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)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(gè)參數(shù)代入式(6)可得：r>10 cm。根據(jù)實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)選用直徑為30 cm的G-3橡膠充氣輪胎。

2.3 數(shù)字樣機(jī)虛擬裝配

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

圖3 樹木修整機(jī)整機(jī)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(jī)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(jì)周期，故只對樹木修整機(jī)機(jī)架進(jìn)行局部仿真，僅利用SoildWorks Simulation驗(yàn)證機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和確保樹木修整機(jī)有足夠的剛度[6]、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。樹木修整機(jī)機(jī)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(qiáng)度，所以結(jié)構(gòu)安全且滿足需求。

圖4 樹木修整機(jī)機(jī)架應(yīng)力云圖

3.2 優(yōu)化分析

在完成優(yōu)化分析時(shí)，使用的是Topology Optimization拓?fù)鋬?yōu)化方法，定義Percent to Retain為80%進(jìn)行求解運(yùn)算，得到樹木修整機(jī)機(jī)架的拓?fù)鋬?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(jì)的夾緊裝置，在完成靜力學(xué)分析時(shí)是將其單獨(dú)分離開的，在優(yōu)化時(shí)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(jī)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(qiáng)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(jī)機(jī)架應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的樹木修整機(jī)以汽油發(fā)動機(jī)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(qiáng)度、提升樹木資源管理為最終目標(biāo)，同時(shí)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(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jī)機(jī)架的有限元仿真分析，并對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為樹木修整機(jī)的后續(xù)設(shè)計(jì)、等比例物理樣機(jī)制造提供了有效的理論依據(jù)。