【《智能伐木头机设计与仿真研究》17000字】

绪论1.1研究背景近年来，我国对林木抚育的重视程度与日俱增，虽然我国森林资源目前呈现增长趋势，但在总体上还是稀缺的。根据我国第八次森林资源清查：全国森林面积有2.08亿公顷，覆盖率为21.63％，森林面积居世界第五位，森林蓄积量居世界第六位，然而森林覆盖率却远远低于世界31％的平均水平，中国人均森林蓄积量仅为世界人均水平的1/7，人均森林面积也仅为世界人均水平的1/4[1]。这些数据都反映了现阶段我国森林资源的相对稀缺[2]。这也就产生了当今社会的新冲突，森林的供给不足以满足社会越来越多的需求，这让我国的森林建设直接面临更加严峻的挑战。如何加快森林建设是需要首先面对的难题，森林抚育采伐可以作为重要解决方法之一[3]。此方法是指在抚育林区按照一定的规律对林木进行采伐，林木一般选择幼龄林木，以伐劣留优为原则，按照规定的林分密度，对林区结构进行调整，抚育采伐，有效地增强森林功能。2009年，国家开展了中幼龄林木抚育的扶持工作，目的在于促进我国的森林建设进程，加快森林资源的增长[4]。在此之后，一系列与森林抚育相关的工作都越来越得到国家与政府的重视和支持。森林抚育采伐首先需要就是先进的森林抚育采伐机[5]。与我国单一的传统森林采伐工具相比，森林抚育采伐机具有三大优势：一是采伐效率更高，能解放一定的森林劳动力；二是森林抚育采伐过程的可控性更强，对森林的危害程度较低；三是在进行伐木作业时更加自动化，造材率更高。森林抚育采伐机的发展必将加快中国森林建设的进程[6]。森林抚育采伐头是森林抚育采伐机的主要工作设备之一[7]。但是，国内对伐木头的研究却很少，只有少数的几个林业机械研究所对伐木头进行过研究[8]。并且由于条件有限，它没有投入生产，也没有应用于森林抚育工程当中。有关伐木头或伐木机的期刊论文主要是由北京林业大学、东北林业大学、南京林业大学等农林类院校发表[9]。这与其它研究领域相比，数量很少。随着中国综合国力的不断提高，受其影响，中国林业产业对木材的需求将会不断增加，这意味着对先进的森林抚育伐木机的需求也会越来越迫切。当前人工智能的飞速发展和计算机计算能力的极大提升，可以使森林抚育采伐机得到极大的发展和应用。未来伐木机的发展将遵从以下四个方面：集成化。一体化的林业生产流程将大大提高生产效率。伐木头可以把伐木、打枝、造材、归楞等多道工序集成一体化，在极大程度上提高生产效率，减少工作时间。自动化。目前，各类传感器与测量系统的出现，对实现林业机械智能化的可能性有很大地提高，森林环境识别系统也随着人工智能领域的发展而不断完善，森林生产的完全自动化也是可以预期的。精细化。通过精准的控制来增强木材生产的可靠性，提高生产质量和良品率。机械传动和液压气压传动技术可以提供相对精确的控制，特别是液压传动，在工程机械领域的应用已经非常广泛。环保化。通过对机械结构或控制系统的优化，来提高伐木机的性能，以致降低能耗，不仅可以保持生态环境的可持续发展，还可以降低木材资源的生产成本。1.2研究目的及意义近年来，随着人口的过度增长和社会经济的高速发展，天然林被无节制地采伐，森林资源日益匮乏，木材也越来越供不应求。人们开始把目光投放到人工林上，如图1.1所示，希望能从人工林中获取到更多的木材。因此，人工林承担了绝大部分木材的生产和供应，着重发展人工林也成为了世界林业的发展趋势。所以，开展对人工林的采伐抚育工作对提高森林质量和林地生产力、加快林业后备资源培育等均有重要意义[10]。在人工林肩负着木材资源的生产和供应的同时，林木采伐机械也面临着巨大的考验。放眼全球，最高水平的伐木头是由森林工业发达的欧美国家研制的[29]。并且经过几代学者的优化设计，演化出了十分成熟的标准体系。但是，国外的伐木头主要是用来采伐大径级的树木，不太适合应用于我国的森林抚育采伐[11]。而我国的森林作业工具，大部分又都不能实现机械化、智能化，所以设计出一款适用于我国人工林情况的抚育智能伐木头是十分有必要的，本课题就是对其主体结构体系进行机构研究和设计。图1.1我国人工林1.3伐木头研究现状1.3.1国外研究现状20世纪10年代中期，森林地区开始使用电锯和绞盘机收集木材。到20世纪50年代末，主要林业国已经实现木材机械化生产[12]。伐木头也是在这时候开始出现的，但早期出现的伐木头的功能与结构都较为简单，只是为了支撑起树木来达到安全砍伐的目的，如图1.2所示。(a)采伐支撑架(b)采伐抓手架图1.2最早出现的采伐头20世纪60年代是采伐机械的主要发展时期，也是伐木头开始发展的时代。伐木刀的加入使伐木头变成真正能够进行伐木的设备，图1.3、图1.4显示了在期间出现的伐木头。此时在机械结构上，伐木头已经具备了基本的框架，包括锯切机构和夹抱机构，它的基本原理是通过液压缸来推动伐木剪以砍伐树木[13]。与早期的油锯相比，可以很大减轻工人们的劳动强度，提高工作效率，是从人力到机械化的一大步。但是，此时期的伐木头功能相对单一，尚未出现多工序集成的伐木头。图1.3双片剪刀式采伐头图1.4单片剪刀式采伐头20世纪70年代，可以完成两道工序的伐木机开始现世，如伐木与归堆一体化、伐木与打枝一体化、伐木与集材一体化等等。此时的伐木机开始将功能组合，提高伐木作业效率与质量，节约人力与时间成本，而且对于履带式或是轮式的底盘均适用。针对传统的伐木剪，如图1.5所示，此时也有更新的锯切机构出现：铣刀式和链锯式，如图1.6、图1.7所示，因为链锯式锯切机构不管是锯切效率还是锯切效果都明显优于剪刀式和铣刀式，所以链锯式成为锯切机构的主要形式。图1.5剪刀式锯切机构采伐头图1.6铣刀式锯切机构采伐头图1.7链锯式锯切机构采伐头从20世纪70年代中期到20世纪80年代，伐木联合机得到了广泛的应用，并且有了全新的机械体系，伐木头将越来越多的功能集成一体化，底盘也变的通用且多样，伐木联合机一步步在向机械化与自动化靠近。20世纪80年代末期，林业发达国家的林业采伐机械发展迅速，且大量应用于实际采伐作业中。这一时期的伐木头可以达到多种作业的需求标准，品种和数量也都有了很大程度的提升，并且对伐木头的结构和功能做了进一步改善，伐木机进入机械化快速发展时代。到20世纪90年代，伐木机取得了进一步的发展与推广。经过了快速发展的伐木头已经可以做到集多种工序为一体，并且使用电脑来操控伐木头进行伐木打枝。图1.8为这一时期设计的一种伐木头[30]。此伐木头的销轴可以绕纵轴旋转，也可以通过液压缸的驱动来完成俯仰运动，使伐木头的操作定位更加方便。此外，该伐木头上还添加了打枝刀和辊轮装置，当辊轮在对伐倒木进行送料进给的同时，打枝刀就可对其去除杂枝。图1.8销轴回转式采伐头在21世纪，机械化在森林采伐作业中已经占据了很大的比重，特别是那些林业机械发达国家，他们甚至已经实现了伐木作业的完全机械化。伐木头也已经可以满足大部分的林区采伐需要，结构和控制方面的技术已经趋于完善。以2004年美国的LesterD.Oilund公司设计的一款伐木头为例，如图1.9所示[31]。该伐木头能独自完成伐木、打枝和造材等工作，且全部末端的复杂执行动作都仅依靠单一的动力源液压缸驱动，极大程度上提高了伐木效率和伐木质量。(a)正视图(b)侧视图图1.9现代化的采伐头国外还有一些处于林业采伐装备行业领导地位的公司，如Waratah公司、Lako公司、Kesla公司和Keto公司，他们所做的采伐头产品如图1.10、图1.11、图1.12和图1.13所示[32]。图1.10Waratah公司采伐头图1.11Lako公司采伐头图1.12Kesla公司采伐头图1.13Keto公司采伐头如今，林业机械发达国家的伐木头已经开始向着智能化的方向发展，控制中心CPU可以检测出伐木头的工作状态、木材的各项参数等等。随着人工智能技术的飞速发展，伐木头也将逐渐变得信息化与智能化。1.3.2国内研究现状因为我国林业领域的研究相对落后，特别是机械化技术。伐木头的研究也只能算是起步阶段，还没有完整可行的技术，功能较为单一，如果想要投入实际生产应用，还有很长的路要走。国内学者对伐木头的研究相对较少，可以找到最早的比较全面的文献是于2006年王丹所写的硕士毕业论文，在文章中对伐木头的结构进行了设计和建模，但是由于当时国内的相关技术水平不高，其设计的机构也就相对简单，缺少进一步的试验与分析。而最近几年，卢杰对伐木头理论研究的进展做出了重大贡献，他于2016年完成的硕士毕业论文中，对伐木头进行了相对详细的结构设计和三维建模，并且利用这些资料数据进行了专利挖掘。近年来，对林业机械进行较多研究的院校或研究所是东北林业大学和北京林业大学，主要是集中在对机械臂和伐木头的研究，如机械臂的运动学分析、有限元仿真分析，伐木头的机构设计、控制系统研究等，在向着实现伐木、打枝和造采一体化作业的目标努力。1.4研究内容及方法本文在查阅了国内外伐木头的设计数据，调查了森林抚育林区的相关资料，结合了在实际工作过程中可能会遇到的情况之后，依据伐木头的基本结构、工作原理、性能特点以及控制原理，先对伐木头的几个关键机构进行了分析设计，作出机构简图，并确定研究对象的参数，然后选择SolidWorks建模软件对智能伐木头的零部件进行三维实体建模，再将零部件进行装配，检验其装配过程是否顺畅以及是否有干涉现象存在，防止出现设计缺陷，保证在后续的有限元仿真分析中有良好的建模基础。选择HyperMesh软件对伐木头的关键零部件吊臂、打枝刀、进料辊进行静力学有限元分析，获取应力和变形云图，得到最大应力值和最大位移值以及它们所在的位置，用来检验吊臂、打枝刀和进料辊的强度和刚度是否满足校核要求。运用HyperMesh的后处理软件Hyperview对吊臂、打枝刀、进料辊分别进行模态分析，查看其振动特性，尽可能地避免发生共振现象，确保这些零部件在伐木作业过程中的可靠性和稳定性。2智能伐木头的机构设计2.1伐木头介绍伐木头是林木联合抚育伐木机的重要组成部分之一，林木联合伐木机还包括底盘、驾驶室、控制装置和测量装置。伐木头作为林木联合抚育伐木机的主要执行设备之一，其由锯切装置、吊臂、进料装置、液压装置、打枝装置和主体框架等几个部分构成，如图2.1所示。伐木头的主体框架有很多种类型，因为时间关系，不对其主体框架进行过多的讨论，在选定一种类型的基础上，仅对伐木头的主要执行机构与部件进行研究与设计。伐木头的功能主要有三：伐木、打枝和造材。首先将伐木机移动到待采伐的立木旁边，操纵吊臂调整伐木头位置，将伐木头迎向立木，利用伐木头的打枝刀夹抱住立木，使二者的相对中心位置保持一致，随后进行伐木工作，向锯切机构发出控制信号，链锯转动，完成锯切。把立木伐倒之后，再次操纵吊臂调整伐木头，使伐倒木位于伐木头的相对合适位置，此时，进料机构、夹抱机构与锯切机构为主要工作装置，进料装置负责对伐倒木轴向送料，夹抱装置负责对伐倒木径向限位，打枝装置负责对伐倒木切除杂枝，通过测量装置的反馈，进料辊可将伐倒木停在合适的位置，然后进行下锯造材。这样往复作业，就是伐木头的打枝造材。吊臂2-上打枝刀3-左打枝刀4-右打枝刀左右进料辊6-内进料辊7-下打枝刀8-链锯图2.1伐木头结构示意图2.2机构设计方案的提出结合小节2.1中智能伐木头所需实现的这些功能，可以组合得到多种实现其功能的方法，从成本、工艺性、机构相容性等多方面综合考虑，排除一些不符合要求的方案，初步确定以下4种方案供选择，如表2.1所示。表2.1机构设计方案方案A方案B夹抱机构链锯机构共有N=2×2=4种方案。其中针对锯切机构，除了链锯式，还有剪切式的，但经过查阅文献，链锯式锯切机构不管是锯切效率还是锯切效果都明显优于剪切式，所以针对剪切式就不再进行过多研究，只对锯链式进行研究。2.3机构设计方案的确定2.3.1夹抱结构设计夹抱机构时，拟采用多杆机构，因为如果对多杆机构的设计合理，就可以实现单一动力源与复杂末端执行动作的共存，同时机构又简洁可靠，并且其设计方法丰富成熟，正确合理的设计可以提高执行效率和动力学性能等，设计整体作业效率也有一定程度的提高。方案A中的夹抱机构就是以四连杆机构为基础得到的，左右两边两个固定铰接点相当于机架。在计算机构自由度时，使用公式：F=3n−(2其中，n、PL、P此机构中有活动部件4个，转动副4个（由液压缸两端和两个固定铰接点提供），移动副1个（由液压缸本身的移动副提供），所以经计算得知，整个机构的自由度为2，沿中心轴对称，且原动件只有一个液压缸，不能确保机构运动的准确性，在实际作业中左右臂有可能会因为机器姿态、摩擦情况等，出现先后开合的不良现象，影响夹抱机构的正常工作，甚至如果出现偏心情况，不光对夹抱机构有所影响，对进料机构、打枝机构和锯切机构都会有一定的不良影响。所以为了优化其运动对称性，方案B在方案A的基础上，添加了一根辅助杆，如图2.2所示，此辅助杆起到约束作用，将整个机构的自由度约束为1，保证了机构运动的准确性。图2.2夹抱机构的设计方案B在单一动力源液压缸的驱动下，两侧的从动杆为了能在整个运动过程中保持同步开合，辅助杆铰接点E的位置应如图2.3所示，AE=AC，DE=AB。由于AC=BD，故AE=BD，四杆机构AEDB构成反平行四边形机构。由图可知，虽然反平行四边形机构的两个曲柄转动的方向相反，转动的角速度也不相等，但在转动角度不大的时候，二者的差距非常小，即α≈β，优化了夹抱机构的运动对称性，使两侧从动杆可以始终保持同步开合[21]。故最终选择夹抱机构的方案B，后续针对这种机构进行了相应的研究与设计。图2.3夹抱机构运动对称性分析图2.3.2链锯机构对于链锯机构，有活动构件3个，转动副3个和移动副1个，由公式：F=3n−(2可知该机构的自由度为1。图2.4、图2.5为针对链锯机构提出的方案A与方案B。图2.4链锯机构的设计方案A图2.5链锯机构的设计方案B在进行方案选择时，可以从锯切力大小和最大锯切位置等方面来考虑。从锯切力大小方面考虑，在假设液压缸压力同为F的情况下，两种方案的受力分析如图2.6、图2.7所示：图2.6方案A的受力分析图图2.7方案B的受力分析图∵FB所以FB＞F从最大锯切位置方面考虑，在假设液压缸的移动行程同为L的情况下，两种方案的链锯最大移动量LA、LB如图图2.8方案A的移动量示意图图2.9方案B的移动量示意图所以在液压缸移动同等行程下，方案A的最大锯切位置要大于方案B，可以锯切径级更大的林木。由于我国人工林大多是径级较小的林木，所以锯切角度的优先级并不高，拥有更大的锯切力是现阶段主要考虑的因素，故最终选择链锯机构的方案B，后续针对这种机构进行了相应的研究与设计。2.4本章小结本章首先根据伐木头的基本结构、工作原理、性能特点以及控制原理，同时参考现有的设计资料，在选定一种主体框架的基础上，对伐木头的夹抱机构、锯切机构和夹抱方式进行了分析设计，并提出4种不同设计方案中，通过不断地比较，选择出了一种最优方案，并在后续针对这项方案进行相应的研究与设计。3智能伐木头的参数设计与建模3.1建模工具SolidWorks简介SolidWorks是由PTC公司开发并推出的一款CAD软件，后被法国达索公司收购。SolidWorks是第一个基于Windows系统开发的三维CAD软件[22]。其主张的易用、稳定和创新三大原则被广大CAD设计师们所认可，可以使设计者们在更短的时间内完成更多更高质量的产品，是当前被广泛运用的三维CAD软件之一。SolidWorks是一款具有强大功能、繁多组件的软件，它能够在设计过程中减少错误，提供多种设计方案，有优秀的三维建模和分析能力，设计方法简单，操作便捷。它被业界称为“三维机械设计方案的领先者”，受到广大用户的青睐[23]。而且SolidWorks与其他CAD/CAE软件的兼容性很好，基本可以做到无差别衔接，在机械制图和结构设计领域，它已经成为三维CAD设计的主流软件。借助SolidWorks，CAD工程师们可以做到更加有效地设计产品，缩短生产周期，提高设计效率。3.2打枝刀的设计与建模3.2.1上打枝刀上打枝刀与机架之间选用螺纹连接固定，因为此连接方式结构简单可靠且装拆方便。上打枝刀不仅对木材起到打枝功能，还有一定的导向作用，所以为了防止伐倒木偏离伐木头的中轴线，“打枝刀面”向两边进行了延伸。同时为了保证此部件有更好的强度和刚度，在打枝刀面与辅助固定板之间对称地加设了两条肋板，保证足够的强度与刚度。建模如图3.1所示。图3.1上打枝刀建模3.2.2左右打枝刀左右打枝刀是伐木头的一个重要零部件，它负责对木材进行去除杂枝的工作，并且还带有一定的辅助夹抱功能。由于在小节2.3.1中已经对夹抱机构进行过机构设计，打枝刀的工作原理与夹抱机构相同，故机构简图已定。在选择形状时，为了同时更好地完成夹抱与除枝功能，确定打枝刀的形状为圆弧形，上轮廓处有切削刃，再综合对木材的打枝环境和对木材的树径分析，以各结构间不相互干涉为原则，初步确定打枝刀的各个关键参数，如表3.1所示。表3.1打枝刀的关键参数参数值抓取量kg120左右打枝刀纵向距离mm140左右打枝刀横向距离mm530打枝刀纵向厚度mm110右打枝刀固定在连接立柱的一端，固定处的另一端焊接了两块辅助延伸板，液压缸与之相连，驱动打枝刀绕轴转动实现开合，各零部件之间通过焊接连接。建模如图3.2所示。图3.2右打枝刀建模左打枝刀的布置方式与右打枝刀大体相同，也是固定在连接立柱的一端，但另一端并没有焊接延伸板与液压缸连接，而是将连接处设置在打枝刀的根部，可以有效地避免干涉，使左右打枝刀的空间运动轨迹不重叠，同时获得来自液压缸的驱动，绕轴转动实现开合。建模如图3.3所示。图3.3左打枝刀建模液压缸的一端与左打枝刀相连，另一端与右打枝刀相连。由于本课题不进行对液压缸的设计，故此模型的建立并不标准，在真实设计中，还应对具体参数与型号，装配关系，密封防尘性能等进行多方面考虑。液压缸建模如图3.4所示。图3.4液压缸建模3.2.3下打枝刀下打枝刀固定在连接立柱的中部，连接立柱的两端分别与底部支架相连，固定在伐木头的下部。后打枝刀的根部焊接延伸板，与液压缸相连，驱动其绕轴转动。在有左右打枝刀的前提下，此部件的添加有效地增加了对木材的径向压力，使抱木时的抓紧力更强，增加工作平稳性，减少对所生产木料的破坏，同时作为除枝的最后一道关卡，确保把伐倒木的所有残余杂枝除去。建模如图3.5所示。图3.5下打枝刀建模3.3进料辊的设计与建模3.3.1左右进料辊进料系统是向伐倒木提供轴向进给动力的系统，其包括执行机构进料辊与动力机构驱动马达，下面主要对进料辊进行结构设计。因为进料辊具有夹抱机构，所以机构简图已定，但在具体设计时，还是与之前设计的部分有所区别，因为进料系统是存在动力机构的，在每个进料辊的后面还需要安装驱动马达，所以进料辊不能像打枝刀一样直接与连接立柱相连，还需设计一个支架来承担进料辊与驱动马达的连接任务，同时在进行各部件尺寸设计时，还应注意进料辊是以圆柱面形式进行接触这一点。为了确保进料辊能够作用于伐倒木，在完全接触的情况下，三个进料辊中间围成的圆形区域的直径不能大于林区中可能出现的最小木径，暂取60mm，假设三个进料辊中间的区域是等边三角形，可以得出左右进料辊的所需宽度最大值：B取值100mm。以各结构间不相互干涉为原则，初步确定左右进料辊的各个关键参数，如表3.2所示。表3.2左右进料辊的关键参数参数值左右进料辊外直径mm350左右进料辊宽度mm100左右进料辊横向距离mm600左右进料辊结构相同，建模如图3.6所示。图3.6左右进料辊建模3.3.2内进料辊内进料辊固定在机架上，不同于左右进料辊，他只需要进行旋转运动，他的作用是为了让伐木头在进料过程中的抓紧力更强，工作更流畅稳定。虽然在伐木时，操作人员会尽量避免伐倒木的位置出现偏心的情况，但是并不能完全杜绝，所以考虑到这种可能会出现的工况，可以将内进料辊的宽度设计的宽一些，允许伐倒木的位置出现一定的偏差，避免伐倒木从工作区域脱离。同时也要注意内进料辊的左右受力应当一致，故在其左右两端均安装了驱动马达，防止其因受力不均导致的使用寿命减少。根据以上要点，初步确定内进料辊的各个关键参数，如表3.3所示。表3.3内进料辊的关键参数参数值内进料辊外直径mm140内进料辊厚度mm240建模如图3.7所示。图3.7内进料辊建模3.4链锯机构的设计与建模链锯机构是伐木头的重要部件之一，对采伐作业的效率有着极大的影响。链锯机构的机构部件较为简单，无需进行过多复杂地分析，其设计重点在于驱动马达的选择与安装，但马达的设计不是本课题研究的内容，所以就针对在小节2.3.1中所确定的链锯机构的机构简图，进行了建模。因为链锯机构有两个动力源，既要受到马达的驱动又要受到液压缸的驱动，所以在链锯根部的上方添加一块连板件，用于连接液压缸与驱动马达。同时整个链锯机构是安装在底部支架上的，并非传统的悬空安装，可以使链锯机构更加平稳可靠地工作。以链锯机构不与其他结构发生干涉为原则，初步确定链锯的长度为540mm。建模如图3.8所示。图3.8链锯机构建模3.5吊臂的设计与建模吊臂是智能伐木头的一个重要零部件，它既要负责调整伐木头在工作时的空间位置，又要负责承载整个伐木头的重量，伐木头就是通过吊臂与工作人员操纵的机械手臂相连。吊臂的尾部装有吊臂轴，吊臂轴承受住伐木头除了吊臂本身之外的全部重量并传递给吊臂，故在设计时，将两臂的厚度设计的宽一些，并在吊臂尾部的两侧焊接了加强板，保证足够的强度和刚度。根据以上要点，初步确定吊臂的各个关键参数，如表3.4所示。表3.4吊臂的关键参数参数值吊臂的两臂厚度mm30吊臂整体宽度mm540建模如图3.9所示。图3.9吊臂建模3.6智能伐木头的装配3.6.1打枝刀的装配左右打枝刀在装配时需注意要将它们安装在不同水平面上，其焊接出的延伸板分别与液压缸两侧耳板铰接，在液压缸的驱动下实现绕轴转动，往复作业。装配图如图3.10所示。图3.10左右打枝刀装配图3.6.2进料辊的装配进料辊在装配时要注意将左右进料辊安装在同一水平面上，液压缸两侧耳板与进料辊的连接支架铰接，同时为了保证运动对称性，两进料辊还通过弯型辅助杆相连，一方面可以实现左右进料辊的同开同合，另一方面也可以避开在安装液压缸时可能发生的干涉。装配图如图3.11所示。图3.11左右进料辊装配图3.7本章小结本章根据小节2.3.1确定下来的机构简图，针对伐木头的设计要求与工作特点，选择SolidWorks建模软件对智能伐木头的零部件进行三维实体建模，再将零部件进行装配，检验其装配过程是否顺畅以及是否有干涉现象存在，防止出现设计缺陷，保证在后续的有限元仿真分析中有良好的建模基础。4智能伐木头的有限元分析4.1有限元分析工具HyperMesh简介HyperMesh是一款由美国Altair公司设计并推出的CAE软件。在工程分析领域，有限元法作为数值计算方法是一种比较常用计算方法[24]。它的核心思想是将结构离散化，把复杂的对象离散成有限数量的易于分析的小单元，小单元彼此之间通过节点连接，节点也是有限个，然后运用数学方法综合求解。因为单元被分成有限个，节点也被分成有限个，所以称为有限元法。这种方法十分简便，只需将单元的尺寸改变，结果的精确度就会随之改变，甚至如果单元的尺寸足够小，得到的结果可以与真实情况无穷接近。在众多CAE软件中，HyperMesh软件以它超强的有限元网格划分能力而成为其中的应用主流。它的操作简洁方便，运行速度快，并且与其他软件的适配性也很高，可以用其他CAD软件对模型进行三维实体建模，然后在HyperMesh中直接打开导入，导入的模型一般质量都比较高，只需进行一些小地方的修复，这样就可以使得CAE工程师们在处理模型时变的简单。再加上强大的网格划分前处理功能和先进的后处理功能，在极大程度上，提高了工程师们的工作效率，缩短了工作时间，在工程分析领域得到广泛的应用[25]。4.2吊臂的有限元静力分析吊臂是智能伐木头的一个重要零部件，它既要负责调整伐木头在工作时的空间位置，又要负责承载整个伐木头的重量，所以它要具备足够的强度与刚度。若是吊臂未能达到要求的强度与刚度，轻则会引起两臂或吊臂轴的弯曲变形，影响工作效率，重则可能会造成伐木头损坏甚至人员伤亡。因此对吊臂进行有限元分析，检验其是否满足工程设计标准，是十分有必要的。4.2.1材料确定选择合适的材料对于一个机械装置来说是十分重要的，它需要综合考量装置的载荷情况、结构情况、工作环境情况等因素，同时针对材料特性，对结构安全性和制造经济性进行考虑，最终选择45号钢作为吊臂的材料。该材料是制造业中较为常用的优质碳素结构钢，有着不错的刚度、强度和加工性，耐磨的同时经济性也较好。其化学成分如表4.1所示，材料属性如表4.2所示。表4.145钢化学成分表成分CSiMnPSCrNiCu比例%0.42-0.500.17-0.370.50-0.80≤0.035≤0.035≤0.25≤0.25≤0.25表4.245钢材料属性表材料密度kg/弹性模量GPa泊松比性质45钢78502100.269各项同性4.2.2网格划分网格划分是对模型进行有限元分析最关键的一步，只需将单元网格的数目改变，就能直接影响结果的精确度。在HyperMesh中可以对模型进行默认的网格划分，但得到的网格质量会较差，降低分析结果的精确度。因为吊臂模型的结构不是很规则，所以在划分网格时将方法设定为自动划分，单元网格形状选择四面体，并且在对结构的尺寸和计算机的性能进行综合考量后，将单元网格的尺寸大小设置为10mm。模型完成网格划分后如图4.1所示，共得到节点数21761个，单元数93122个。图4.1吊臂网格划分图4.2.3约束载荷伐木头在进行采伐作业时，吊臂与吊臂轴会承受住整个伐木头的重量，在此我借鉴了卢杰《多功能森林抚育伐木头的机械设计与专利挖掘》中的数据：最大质量的伐倒木的质量是240kg，伐木头（除吊臂）的质量是460kg，所以吊臂需承受住7kN的压力。将模型进行略微处理后，对吊臂的顶端施加约束，然后把7kN的压力均匀地分散地施加到吊臂轴的各个节点上。4.2.4分析结果在经过HyperMesh后处理器求解后，吊臂的应力变化如图4.2所示。由图可知，出现应力相对较大的地方主要是在吊臂轴上，并且从吊臂轴中间开始，随着越靠近边缘，应力值呈现先减小后增大的趋势，直到出现最大应力值47.86MPa，如图4.3所示，发生在吊臂轴两端与吊臂两臂相接触的地方，其他地方应力相对较小，已知45钢的屈服强度σs=355MPa，因为45钢是塑性材料，结构受力又均为静载荷，再考虑到在森林中进行采伐工作时的环境和伐木头的工作强度，所以在此种情况下，安全系数取值范围一般为1.0～1.5，最终取ns=1.1，则许用应力[σ]=σsn如果此部件出现损坏或断裂的情况，一定首先会出现在吊臂轴的两端和中间，所以在日常检查或维护设备时，一定要着重注意这几个地方。图4.2吊臂应力云图图4.3吊臂的最大应力值示意图吊臂的位移变化如图4.4所示。由图可知，出现位移相对较大的地方主要是在吊臂轴上，并且从吊臂轴中间开始，随着越靠近边缘，位移值呈现减小的趋势，最大位移值发生在吊臂轴的中间位置，为0.2827mm，与本身的相关结构尺寸相差过于悬殊，属于在变形允许范围内，不影响伐木头的整体使用。图4.4吊臂位移云图综上分析，吊臂的强度与刚度均符合设计要求。4.2.5模态分析模态分析是研究结构特性的重要方法之一，多数情况在工程振动领域使用[26]。其中，模态的定义为机械结构固有的振动特性，每一阶模态都有只属于自己的阻尼比、固有频率和模态振型。模态分析就指的是分析这些模态参数的过程。本文分析中采用了自由模态分析的方法，因为从自由边界变换到约束边界，是对结构进行了动力学修改，那么修改后的约束边界下的模态在某些条件下（修改后的模态必须能够由修改前的模态的线性组合得到）可以通过修改前的自由边界的模态的叠加得到。实际约束边界在有限元计算中难于实现，而自由模态在有限元计算中很容易实现，不需要施加任何约束；另一方面，自由模态不仅有弹性模态，还有刚体模态，而约束模态只有弹性模态[27]。本分析过程为了模拟吊臂独立存在时的自由工况，做的是自由模态分析，由于前六阶模态分析得到的共振频率几乎为0，因此仅展示了第七阶至第十二阶，对该吊臂做模态分析得到的结果如图4.5所示。图4.5吊臂七阶--十二阶的模态振型图并且取了计算结果.out文件中的第七阶及以后的共振频率得到表4.3。表4.3吊臂七阶--十二阶的共振频率阶数789101112频率/Hz139.74185.19295.96458.06464.73612.08理论上说，每个结构的固有频率都有无穷多个，这些固有频率按照大小依次排列，频率值最小的就称为一阶。对于一个系统，若施加输入时存在输出，那输出/输入可以视为系统的传递函数，系统的传递函数属于系统的固有特性，当其处于驻点时，可以认为是模态所处位置[28]。从数学方面来看，模态分析其本质就是对矩阵进行特征值的求解，所以“阶数”代表的就是特征值的个数，同时也等于系统的“自由度”数。在有限元计算中得到的固有频率阶数越高，误差值越大；同时在实际情况中，对结构有意义的总是频率较小的几阶频率。对于吊臂的模态分析问题，前六阶共振频率几乎均为0，从Hyperview的后处理文件中可以看到各阶的振动模态动画，如前图所示，结果显示在7阶以上的模态已经完全变形，所以可以通过得到的各阶模态共振频率，用于在结构设计中防止其固有频率与工作频率接近导致共振而产生事故。具体而言，在设计制造时应避免在139.74Hz，185.19Hz，295.96Hz，458.06Hz，464.73Hz，612.08Hz附近，否则容易导致事故发生。4.3打枝刀的有限元静力分析左右打枝刀是智能伐木头的一个重要零部件，它负责对木材进行去除杂枝的工作，并且还带有一定的辅助夹抱功能，进行径向限位。因为在伐木头进行伐木工作时，伐倒木的进给速度比较快，打枝刀在除枝时会受到较大的冲击力，所以它要具备足够的强度与刚度，否则，会使伐倒木的除枝效果不理想，甚至发生机器损坏的现象。因此对打枝刀进行有限元分析，检验其是否满足工程设计标准，是十分有必要的。4.3.1材料确定选择合适的材料对于一个机械装置来说是十分重要的，它需要综合考量装置的载荷情况、结构情况、工作环境情况等因素，同时针对材料特性，对结构安全性和制造经济性进行考虑，最终选择45号钢作为打枝刀的材料。该材料首先是有着不错的刚度、强度和加工性，其次经济性也较好，最重要的是它有较好的切削性能。4.3.2网格划分网格划分是对模型进行有限元分析最关键的一步，只需将单元网格的数目改变，就能直接影响结果的精确度。在HyperMesh中可以对模型进行默认的网格划分，但得到的网格质量会较差，降低分析结果的精确度。因为左右打枝刀模型的结构不是很规则，所以在划分网格时将方法设定为自动划分，单元网格形状选择四面体，并且在对结构的尺寸和计算机的性能进行综合考量后，将左右打枝刀的单元网格尺寸大小设置为5mm，而因为液压缸不是受力分析考察的重点，所以为了加快软件计算速度，将液压缸的单元网格尺寸大小设置为10mm。模型完成网格划分后如图4.6所示，共得到节点数67850个，单元数323322个。图4.6左右打枝刀网格划分图4.3.3约束载荷伐木头在进行采伐作业时，即在打枝刀处于抱紧伐倒木的状态下，左右打枝刀有两个作用，其一是对伐倒木去除杂枝，其二是对伐倒木辅助夹抱径向限位；相应的，除去来自液压缸的动力，打枝刀也会承受两个作用力，其一是伐倒木杂枝对打枝刀切削刃的反作用力15kN，方向从上到下，其二是伐倒木对打枝刀面的作用力2.4kN，方向垂直于打枝刀面向里。而液压缸的推力可由力矩平衡得：F其中，Fn、Ln、Fl、Ll分别指打枝刀力、打枝刀力臂、液压缸推力和液压缸力臂。因为打枝刀力臂与液压缸力臂的比值为5：1，所以可得液压缸推力为12kN。这几个载荷数据借鉴将模型进行略微处理后，对左右打枝刀的两个连接立柱的上下端施加约束，然后把载荷分别添加到所需位置各个节点上。4.3.4分析结果在经过HyperMesh后处理器求解后，打枝刀的应力变化如图4.7所示。由图可知，出现应力相对较大的地方主要是在打枝刀与液压缸的连接区域附近，并且从连接处开始，随着位置逐渐远离，应力值呈现减小的趋势，最大应力值发生在打枝刀与液压缸的连接处，如图4.8所示，为410.4MPa，其他地方应力相对较小。已知45钢的屈服强度σs=355MPa，因为45钢是塑性材料，结构受力又均为静载荷，再考虑到在森林中进行采伐工作时的环境和伐木头的工作强度，所以在此种情况下，安全系数取值范围一般为1.0～1.5，最终取ns=1.1，则许用应力[σ]=σsns如果此部件出现损坏或断裂的情况，一定首先会出现在打枝刀与液压缸的连接处，所以在日常检查或维护设备时，一定要着重注意这个地方。图4.7左右打枝刀应力云图图4.8左右打枝刀的最大应力值示意图左右打枝刀的位移变化如图4.9所示。由图可知，出现位移相对较大的地方主要是在打枝刀上，并且从打枝刀根部开始，随着越靠近打枝刀头，位移值呈现增大的趋势，最大位移值发生在打枝刀头部位置，为1.81mm，与本身的相关结构尺寸相差过于悬殊，属于在变形允许范围内，不影响伐木头的整体使用。图4.9左右打枝刀位移云图4.3.5模态分析本分析过程为了模拟左右打枝刀独立存在时的自由工况，做的是自由模态分析，由于前六阶模态分析得到的共振频率几乎为0，因此仅展示了第七阶至第十二阶，对该打枝刀做模态分析得到的结果如图4.10所示。图4.10左右打枝刀七阶--十二阶的模态振型图并且取了计算结果.out文件中的第七阶及以后的共振频率得到表4.4。表4.4左右打枝刀七阶--十二阶的共振频率阶数789101112频率/Hz20.2629.8654.6861.99143.52270.06对于左右打枝刀的模态分析问题，前六阶共振频率几乎均为0，从Hyperview的后处理文件中可以看到各阶的振动模态动画，如前图所示，结果显示在7阶以上的模态已经完全变形，所以可以通过得到的各阶模态共振频率，用于结构设计中防止其固有频率与工作频率接近导致共振而产生事故。具体而言，在设计制造时应避免在20.26Hz，29.86Hz，54.68Hz，61.99Hz，143.52Hz，270.06Hz附近，否则容易导致事故发生。4.4进料辊的有限元静力分析进料辊是智能伐木头的一个重要零部件，它负责对伐倒木进行送料进给的工作，并且承担主要的伐倒木夹抱任务。因为伐木头在进行伐木工作时，伐倒木的进给速度比较快，进料辊在送料过程中会受到来自伐倒木较大的反向作用力，所以它要具备足够的强度与刚度，否则，会影响伐倒木的进料效率，进而影响伐木头的整体工作效率，甚至可能发生机器损坏的现象。因此对进料辊进行有限元分析，检验其是否满足工程设计标准，是十分有必要的。4.4.1材料确定选择合适的材料对于一个机械装置来说是十分重要的，它需要综合考量装置的载荷情况、结构情况、工作环境情况等因素，同时针对材料特性，对结构安全性和制造经济性进行考虑，最终选择45号钢作为进料辊的材料。该材料有着不错的刚度、强度和耐磨性，同时加工性和经济性也都有着较好的水平。4.4.2网格划分网格划分是对模型进行有限元分析最关键的一步，只需将单元网格的数目改变，就能直接影响结果的精确度。在HyperMesh中可以对模型进行默认的网格划分，但得到的网格质量会较差，降低分析结果的精确度。因为进料辊模型的结构不是很规则，所以在划分网格时将方法设定为自动划分，单元网格形状选择四面体，并且在对结构的尺寸和计算机的性能进行综合考量后，将单元网格的尺寸大小设置为10mm。模型完成网格划分后如图4.11所示，共得到节点数35150个，单元数150631个。图4.11左右进料辊网格划分图4.4.3约束载荷伐木头在进行采伐作业时，即在进料辊处于抱紧伐倒木的状态下，左右进料辊有两个作用，其一是对伐倒木送料进给，其二是对伐倒木进行夹抱；相应的，除去液压缸与驱动马达的动力，进料辊也会承受两个作用力，其一是在伐倒木被送料时对进料辊的反向作用力15kN，方向从下到上，其二是伐倒木对进料辊面的作用力2kN，方向垂直于打枝刀面向里。液压缸推力的计算方法同小节4.3.3，可得出为10kN。而液压马达的输出扭矩可由公式得出：M=F其中，F为进料辊对伐倒木的牵引力，D为进料辊直径，η为液压马达机械效率。在小节4.3.3中初步设定打枝刀对伐倒木的压力为2.5kN，略大于进料辊对伐倒木的压力，但实际并非如此，进料辊上会存在着排列有序的齿钉，使对伐倒木的实际抓合能力远大于通过面接触来施加压力的打枝刀，所以在2kN的压力下进料辊完全能够抓紧伐倒木并实现进料驱动。将模型进行略微处理后，对左右进料辊的两个连接立柱的上下端施加约束，然后把载荷分别添加到所需位置各个节点上。4.4.4分析结果在经过HyperMesh后处理器求解后，进料辊的应力变化如图4.12所示。由图可知，出现应力相对较大的地方主要是在驱动电机与连接支座的螺栓连接区域附近，并且从连接处开始，随着位置逐渐远离，应力值呈现减小的趋势，最大应力值发生在驱动电机与连接支座的螺栓连接处，如图4.13所示，为305.8MPa，其他地方应力相对较小。已知45钢的屈服强度σs=355MPa，因为45钢是塑性材料，结构受力又均为静载荷，再考虑到在森林中进行采伐工作时的环境和伐木头的工作强度，所以在此种情况下，安全系数取值范围一般为1.0～1.5，最终取ns=1.1，则许用应力[σ]=σsn如果此部件出现损坏或断裂的情况，一定首先会出现在驱动电机与连接支座的螺栓连接处，所以在日常检查或维护设备时，一定要着重注意这个地方。图4.12左右进料辊应力云图图4.13左右进料辊的最大应力值示意图左右进料辊的位移变化如图4.14所示。由图可知，出现位移相对较大的地方主要是在进料辊上，并且从进料辊受力部位开始，随着位置逐渐远离，位移值呈现增大的趋势，最大位移值发生在进料辊受力位置对侧，为1.04mm，与本身的相关结构尺寸相差过于悬殊，属于在变形允许范围内，不影响伐木头的整体使用。图4.14左右进料辊位移云图4.4.5模态分析本分析过程为了模拟左右进料辊独立存在时的自由工况，做的是自由模态分析，由于前六阶模态分析得到的共振频率几乎为0，因此仅展示了第七阶至第十二阶，对该进料辊做模态分析得到的结果如图4.15所示。图4.15左右进料辊七阶--十二阶的模态振型图并且取了计算结果.out文件中的第七阶及以后的共振频率得到表4.5。表4.5左右进料辊七阶--十二阶的共振频率阶数789101112频率/Hz28.1046.2472.7975.93113.78164.14对于左右进料辊的模态分析问题，前六阶共振频率几乎均为0，从Hyperview的后处理文件中可以看到各阶的振动模态动画，如前图所示，结果显示在7阶以上的模态已经完全变形，所以可以通过得到的各阶模态共振频率，用于结构设计中防止其固有频率与工作频率接近导致共振而产生事故。具体而言，在设计制造时应避免在28.10Hz，46.24Hz，72.79Hz，75.93Hz，113.78Hz，164.14Hz附近，否则容易导致事故发生。4.5本章小结本章在第三章做出的三维实体模型的基础上，借鉴了其他文献上的部分载荷数据，选择HyperMesh软件对伐木头的关键零部件吊臂、打枝刀、进料辊进行静力学有限元分析，获取应力和变形云图，得到最大应力值和最大位移值以及它们所在的位置，通过检验，吊臂和进料辊的强度和刚度均符合校核要求，但打枝刀不符合强度校核要求，故针对其薄弱点进行了优化处理，将危险位置的壁厚数值加大。然后运用HyperMesh的后处理软件Hyperview对吊臂、打枝刀、进料辊分别进行模态分析，查看其振动特性，尽可能地避免发生共振现象，确保这些零部件在伐木作业过程中的可靠性和稳定性。5总结与展望本研究根据伐木头的基本结构、工作原理、性能特点以及控制理论，对其主要执行机构与部件进行了研究与设计，为了验证设计参数是否满足设计要求，对关键执行部件吊臂、打枝刀、进料辊进行了三维实体建模与虚拟装配，并且进行了有限元静力学仿真分析，分析结果表明吊臂与进料辊符合设计要求，打枝刀不符合，但是针对打枝刀的薄弱点进行了优化处理。本研究还对其进行了模态分析，避免了共振现象的发生，提高了可靠稳定性。本研究为实现伐木头的系统性设计打下基础，具有一定的参考价值。同时，在本文的基础上还有如下几个点能够进行更深层次的研究与设计：因为时间关系，本研究仅对伐木头的主要执行机构与部件进行了研究与设计，但是伐木头还有许多其他的部件，如主体框架、液压系统、测量系统等众多需要需要研究的对象，为了使伐木头达到更好的工作效果，可以对他们进行更深入的研究探讨。本文在对执行部件进行有限元仿真分析时，载荷的选取有待完善。由于没有到人工林实地考察过，且国内外的相关文献又相对缺乏，所以会在仿真时与真实情况造成一定的误差，可以对这方面进行进一步的研究。本文所做的研究均是在计算机中的虚拟试验，考虑到在真实情况中会受到较多因素的影响，所以可以将虚拟样机改为实体样机来进行设计与试验。参考文献徐济德.我国第八次森林资源清查结果及分析[J].林业经济,2014(3):6-8.国家林业局森林资源管理司.第七次全国森林资源清查及森林资源状况[J].林业资源管理,2010(1):1-8.付丽.论森林抚育采伐[J].农村实用科技信息,2010(6):53-56.杨丽会.森林抚育技术及其作用[J].现代园艺,2015(2):174-175.陈建贵,易祖滨.森林抚育技术措施探讨[J].绿色科技,2015(11):143-144.魏占国.联合伐木机工作装置的虛拟设计与运动仿真研究[D].东北林业大学,2008.张永利.加强森林经营提高森林质量为建设生态文明和美丽中国做出更大贡献——在全国森林抚育经营现场会上的讲话[J].林业建设,2013(1):3-11.卢杰.多功能森林抚育伐木头的机械设计与专利挖掘[D].东北林业大学,2016.张忠孝.林业生产中抚育采伐问题的探讨[J].山西农经,2017(11):84-85.王丹.采伐联合机伐木头的设计与研究[D].东北林业大学,2006.徐鑫.国内外林木采伐及林地清理装备现状分析[J].林业机械与木工设备,2017,45(2):5-14.赵文锐,刘晋浩.伐木联合机的现状及发展[J].林业机械与木工设备,2008,36(11):11-13.初金星.履带自走式灌木采伐机底盘设计与试验研究[D].东北林业大学,2018.郭秀丽.采伐联合机机械手运动分析与控制系统研究[D].东北林业大学,2011.万涛.采伐联合机机械手液压驱动控制系统的研究[D].东北林业大学,2011.沈嵘枫.林木联合采育机执行机构与液压系统研究[D].东北林业大学,2010.顾正平,沈瑞珍.世界木材生产机械研究现状与发展趋势[J]．世界林业研究,1999,12(5):26-30.葛桃桃.林木联合采育机运动分析与虚拟仿真系统研究[D].北京林业大学,2017.王能超.能源林采伐收集作业装置设计[D].北京林业大学,2019.谢都.人工林抚育采伐作业