發(fā)布時(shí)間：2017-02-13 08:09

1 緒論

近年來(lái)林業(yè)產(chǎn)業(yè)受到人們?cè)絹?lái)越廣泛的關(guān)注。一方面是因?yàn)榱謽I(yè)是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)之一，據(jù) 2014 年全國(guó)林業(yè)統(tǒng)計(jì)年報(bào)顯示 2014 年林業(yè)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到 5.40 萬(wàn)億元，比 2013 年增長(zhǎng) 14.20%；另一方面擴(kuò)大森林覆蓋率是改善我國(guó)自然環(huán)境的重要手段，林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展在推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)中擔(dān)任著首要任務(wù)。據(jù)第八次全國(guó)森林資源清查（2009-2013，五年一次）結(jié)果顯示，我國(guó)森林面積達(dá)到 2.08 億公頃，森林覆蓋率 21.63%，其中天然林面積 1.22 億公頃、人工林面積 0.69 億公頃，，人工林面積居世界首位（耿國(guó)彪，2014；胡超，2015）。該調(diào)查結(jié)果顯示我國(guó)森林資源總量持續(xù)增長(zhǎng)、質(zhì)量不斷提高、天然林穩(wěn)步增加、人工林快速發(fā)展，由此看出我國(guó)森林資源進(jìn)入了數(shù)量迅速增長(zhǎng)，質(zhì)量不斷提高的快速發(fā)展時(shí)期。然而報(bào)告還指出，與全球森林覆蓋率 31%的平均水平相比較我國(guó)仍然是一個(gè)缺林少綠、生態(tài)脆弱的國(guó)家，人均森林面積僅占世界人均水平的 25%，因此我國(guó)林業(yè)發(fā)展仍然面臨著巨大的壓力與挑戰(zhàn)。綜上所述，我國(guó)林業(yè)正處于高速發(fā)展并且還需要加大發(fā)展力度的狀態(tài)，科技興林變得尤為重要，林業(yè)機(jī)械也到了不得不創(chuàng)新、不得不發(fā)展的時(shí)期（耿國(guó)彪,2014）。

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2 高大樹(shù)木修枝機(jī)械方案設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)技術(shù)參數(shù)與設(shè)計(jì)方案

為使高大樹(shù)木修枝機(jī)械能夠切實(shí)服務(wù)于林業(yè)撫育工程，根據(jù)上述技術(shù)參數(shù)的要求，經(jīng)過(guò)多方調(diào)研、討論確定整機(jī)應(yīng)包含機(jī)械結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)兩大系統(tǒng)，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)中主要包括末端執(zhí)行器、臂架系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、升降系統(tǒng)（包括底盤(pán)、行走系統(tǒng)、支撐腿、整機(jī)控制面板、牽引架等各類輔助機(jī)構(gòu)）、動(dòng)態(tài)配重系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等部分，其系統(tǒng)組成如圖 2-1 所示，由于本文不涉及整機(jī)電控系統(tǒng)，在此不進(jìn)行闡述。

2.2 各系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)及設(shè)計(jì)方案

末端執(zhí)行器是整機(jī)功能性系統(tǒng)，其位于臂架系統(tǒng)最末端。主要用于實(shí)現(xiàn)高大樹(shù)木修枝機(jī)械的修枝功能以及修枝同時(shí)進(jìn)行茬口養(yǎng)護(hù)的功能。高大樹(shù)木錯(cuò)綜復(fù)雜的側(cè)枝情況決定了剪枝鋸工作環(huán)境復(fù)雜性，地面上的操作者難以直接判斷高空中待剪側(cè)枝具體位置，因此要求末端執(zhí)行器具備可視化功能，能將末端執(zhí)行器所處的環(huán)境視頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳回到控制面板的顯示器上；此外末端執(zhí)行器還需要有導(dǎo)向功能及卡鎖功能，這樣有利于末端執(zhí)行器自身與樹(shù)木之間的相對(duì)固定，減輕臂架系統(tǒng)振動(dòng)；最大修枝直徑要達(dá)到 10cm；而且根據(jù)樹(shù)木修枝的技術(shù)要求，末端執(zhí)行器應(yīng)具有在修枝過(guò)程中實(shí)時(shí)養(yǎng)護(hù)茬口的功能。

3 高大樹(shù)木修枝機(jī)械臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析......... 11

3.1 臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).....11

3.2 機(jī)械臂尺寸設(shè)計(jì)..................... 12

3.3 變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)..... 13

3.4 臂架系統(tǒng)靜力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)......... 16

4 高大樹(shù)木修枝機(jī)械其它關(guān)鍵系統(tǒng).......... 25
4.1 高大樹(shù)木修枝機(jī)械末端執(zhí)行器............. 25
4.2 高大樹(shù)木修枝機(jī)械回轉(zhuǎn)系統(tǒng).............. 29
4.3 高大樹(shù)木修枝機(jī)械升降系統(tǒng).......... 31
4.4 高大樹(shù)木修枝機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)................ 32
5 高大樹(shù)木修枝機(jī)械動(dòng)態(tài)配重系統(tǒng)............ 34
5.1 動(dòng)態(tài)配重系統(tǒng)原理........................ 35
5.2 動(dòng)態(tài)配重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)........ 40

7 樣機(jī)試制與試驗(yàn)

7.1 樣機(jī)試制

參閱高空作業(yè)機(jī)械相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格按照高大樹(shù)木修枝機(jī)械技術(shù)要求，對(duì)不同模塊出圖制定了加工工藝，完成了樣機(jī)的加工與裝配。高大樹(shù)木修枝機(jī)械各模塊樣機(jī)如下所示。主要部件實(shí)物圖如圖所示。臂架系統(tǒng)及末端執(zhí)行器系統(tǒng)如圖 7-1 所示。②設(shè)計(jì)了款新型導(dǎo)向卡鎖式林業(yè)高枝修剪護(hù)茬鋸，能夠在修枝的同時(shí)進(jìn)行茬口養(yǎng)護(hù)，修枝直徑 10cm，并對(duì)其進(jìn)行了虛擬樣機(jī)仿真試驗(yàn)，鋸片有效行程 25mm；計(jì)算并確定了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)與參數(shù)。③設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)配重系統(tǒng)，并對(duì)其控制原理進(jìn)行了計(jì)算推導(dǎo)與闡述，最終得到了由電動(dòng)缸伸長(zhǎng)量il 與動(dòng)態(tài)配重位移 X 之間的函數(shù)關(guān)系。（2）對(duì)整機(jī)進(jìn)行了三維建模，并運(yùn)用 ADAMS 對(duì)高大樹(shù)木修枝機(jī)械整機(jī)最危險(xiǎn)工況進(jìn)行了穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)與分析，經(jīng)過(guò)分析可知在臂架系統(tǒng)繞回轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中四個(gè)支撐腿受力不斷變化，并對(duì)受力曲線的變化原因進(jìn)行了闡述，最終證明整機(jī)穩(wěn)定性可靠。（3）運(yùn)用 Workbench 軟件對(duì)高大樹(shù)木修枝機(jī)械整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸狀態(tài)下一階固有頻率為 2.5302Hz 與環(huán)境激振頻率接近，為防止共振，為臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)了運(yùn)輸托架。

7.2 樣機(jī)試驗(yàn)

章節(jié) 2.2.1 中整機(jī)技術(shù)參數(shù)要求本機(jī)械工作高度 5m-15m，工作半徑 6m。根據(jù)此設(shè)計(jì)參數(shù)全文展開(kāi)了高大樹(shù)木修枝機(jī)械的設(shè)計(jì)，本部分根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案確定了本機(jī)末端執(zhí)行器的理論可達(dá)空間（即整機(jī)作業(yè)范圍），其過(guò)程如下。僅考慮臂架系統(tǒng)的情況下，因?yàn)榍叭?jié)機(jī)械臂均為俯仰運(yùn)動(dòng)，第四節(jié)機(jī)械臂繞第三節(jié)機(jī)械臂為左右偏轉(zhuǎn) 30°，且第四節(jié)臂左右偏轉(zhuǎn)對(duì)作業(yè)區(qū)間影響較小，暫不考慮其對(duì)作業(yè)區(qū)間的影響。三節(jié)臂均處于豎直狀態(tài)下時(shí)第三節(jié)臂繞第二節(jié)臂俯仰 0°-180°，末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 7-7 中 a 圖中弧形實(shí)線所示；第二節(jié)臂繞第一節(jié)臂俯仰角轉(zhuǎn)動(dòng)90°-180°，弧形實(shí)線所掃過(guò)的區(qū)域如圖 7-7 中 b 圖實(shí)線包圍區(qū)域所示；第一節(jié)臂繞底俯仰 90°-210°所掃過(guò)的區(qū)域 7-7 中 c 圖實(shí)線包圍區(qū)域所示。綜合考慮升降系統(tǒng)升降高度達(dá)到 8m，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的 360°旋轉(zhuǎn)以及地面對(duì)作業(yè)空間的干涉等問(wèn)題，以回轉(zhuǎn)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸線在水平面上的豎直方向的投影點(diǎn)作為原點(diǎn)，最終得出整機(jī)作業(yè)區(qū)間圖如圖 7-8 所示。

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8 結(jié)論與展望

8.1 結(jié)論

本文主要根據(jù)林業(yè)高枝修剪的需求設(shè)計(jì)了一款工作高度 15m、工作半徑 6m、修枝半徑 10cm 的高大樹(shù)木修枝機(jī)械，并運(yùn)用 CAD、CAE 等技術(shù)對(duì)高大樹(shù)木修枝機(jī)械進(jìn)行仿真試驗(yàn)與優(yōu)化分析最終加工全尺寸樣機(jī)一臺(tái)。本文主要研究總結(jié)如下：（1）在查閱高空作業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需求確定了高大樹(shù)木修枝機(jī)械整機(jī)設(shè)計(jì)方案。主要包括末端執(zhí)行器、臂架系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)配重系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等幾部分；根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)方案對(duì)整機(jī)各部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化。

8.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）研制了一種適用于高大樹(shù)木的修枝機(jī)械，修枝高度 15m，作業(yè)半徑 6m，修枝直徑 10cm，并能夠在修枝同時(shí)進(jìn)行茬口養(yǎng)護(hù)。（2）研制的動(dòng)態(tài)配重系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)臂架系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)平功能，提高了整機(jī)穩(wěn)定性能。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：242303