首页 >
论文范文 >
农业科技论文 >
林业论文 >
林业机械论文 >
浅析采伐头进料辊的机构和运动对称性优化
摘要：通过分析采伐头进料机构进行机构,确定了初步杆长参数后对机构的运动对称性进行理论数值的分析。通过搭建数学模型,对随机梯度下降算法选择最优参数进行分析,应用参数对各杆长和铰接点位置进行调整,使机构在运动过程中左右臂的最大角度偏差从10°缩小到3°。为了验证优化结果,应用Creo建立CAD仿真模型进行运动学计算与仿真,并对运动特性能否满足实际工作要求进行分析，仿真结果得出:机构优化后其左右进料辊在同一时刻的位移量高度重合,结构对称性很好。
加入收藏
第八次全国森林资源清查结果显示我国人工林保存面积0.69亿hm2,蓄积24.83亿m3,人工林面积继续保持世界首位[1]。依靠人工进行抚育和采伐已不能满足林业生产需要,随着人力资源成本的提高,未来林业生产也要由劳动力集约型向技术集约型转变。林木联合采伐机是用于伐区作业的多工序机械,主要用于伐木、打枝、归堆、集材、造材、装卸及短距离运材等伐区作业。国外对联合采伐机的研制、生产和使用已经比较成熟,市场中应用的采伐机功能强大,技术先进,整体尺寸较大,主要用于大面积采伐获取木材资源[2]。国内林业机械虽然起步较晚,但众多学者对联合采伐机的采伐头、作业臂、底盘、车架等部分进行了大量的研究[3-6],已有一些机构研制了联合采伐机。林木联合采伐机打枝过程中,进料辊作为木材的主要驱动装置,其合理的运动和对木材的均衡施力可以保证生产的高效运行,对进料系统的优化设计有利于增加伐木头作业时的平稳性。
1、伐木头及进料辊的工作原理
1.1 伐木头工作原理
林木联合采伐机主要组成部分有伐木头、工作臂、驾驶室、底盘和测量控制系统。其中伐木头是进行伐木作业的主要执行机构,其样机和结构简图如图1所示。由吊臂、前打枝刀、进料辊、后打枝刀、链锯,以及测量和液压系统等几部分组成。
图1 伐木头样机及结构简图
伐木头作业过程分为伐木、打枝和造材三个基本过程。车辆行至立木前,伐木头的打枝刀将立木抱紧,链锯转动并切出,锯切立木直至完成锯切动作,然后收回链锯完成伐木工序。完成伐木作业后,伐木头吊臂调整伐倒木至合适的位置,此时进行打枝造材作业。进料辊将伐倒木沿轴向送料,送料的同时打枝刀将切除杂枝,通过长度反馈,进料辊将原木停在合适的位置,此时下锯造材,同时进行原木归堆,这样往复作业,直至完成整棵木材的打枝造材,完成一个周期的联合采伐作业任务。
1.2 进料辊工作原理
进料工作装置主要机构是连杆机构,连杆机构的运动特性复杂,合理设计能极大程度地改善结构的运动轨迹,优化动力性能,提高作业效率。本设计采用夹抱机构,其工作原理示意图如2所示,左右两个固定支座连接相当于机架。该机构有4个活动构件,组成12个自由度,其中4个转动副限制8个自由度,液压缸的移动副限制2个自由度,机构整体保留2个自由度。
图2 夹抱机构工作原理示意图
图2所示机构不能保证运动的确定性,故在此基础上添加一根辅助杆,改进后的夹抱机构如图3所示,添加约束杆后使整体机构自由度约束为1个。
图3 改进后的夹抱机构
为使两侧从动杆在液压缸驱动下能保持同步向外或向内转动,对辅助杆铰接点E进行了设计,为了设计与分析方便,其中杆长有如下关系:AE=AC,DE=AB。由于AC=BD,故AE=BD,四连杆ABDE构成反平行四边形机构。但此反平行四边形机构两曲柄沿相反方向转动的角速度不等,可能导致夹抱木材偏移而出现进料不畅的现象。
2、运动对称性分析及优化
2.1 理论数值分析
为保障两侧抓手运动的对称性,建立夹抱机构的两抓手运动对称性分析模型如图4所示,原动件1为液压缸伸缩运动,AC=BD=AE=90mm,DE=AB=610mm,四连杆ABDE构成逆平行四边形机构。在DE杆的辅助下,机构整体自由度限制为1,具有确定的运动路径,其中AC、BD运动的对称性分析如下。
图4 进料辊运动对称性分析模型
为分析机构运动的对称性,可以将问题转化为计算运动中液压缸的水平度,即确定CD与水平线的角度,角度趋近于0°则运动对称性好[7-9]。但这种判断方法没有直接表现出机构运动的非对称性,而且在优化中仅限于针对E点相关参数的优化,在本文中用∠CAB与∠DBA的差值来判断整个执行机构的运动对称性,这种方法更为普通适用,而且更加直观。假设在液压缸驱动下,摇杆AC与机架AB形成的角度为α,选取AC在两极限位置中的一中间位置,如图4中实线所示,初步设计时在以上情况下CD水平,此时两侧抓手也处于对称位置,经过计算可以得到∠CAE=165°。采用坐标解析法,建立直角坐标系Axy,设AC=BD=AE=a,DE=AB=l,则C、E两点坐标分别为:
根据ED的连接关系,确定D点坐标:
根据BD的连接关系,确定D的坐标:
由两种方法得到的D点坐标相同,即(3)=(5),(4)=(6)。且BD=AE,DE=AB,则△AED≌△BDA,∠E=∠B。联立得到:
结合式(1)、(5)、(6)、(7)、(8),绘制出摇杆AC与机架AB形成的角度α在40°~150°整个摆动范围内β角的变化曲线,如图5所示。
图5 初步设计的进料辊运动对称性分析结果
从图5可以看出,左右进料辊的对称性偏差在工作范围内随着角α的增大,形成一个先是正向偏差增大,随后反向偏差增大的类抛物线的变化规律,在α角约为85°时,两进料辊的运动偏差为正向最大,其值约为2°;在α角处于150°时,两进料辊的运动偏差为反向最大值,约为-10°,在角α为55°和110°时两进料辊严格对称。
2.2 优化设计与分析
根据上述结构分析,以a值、l值、∠CAE值为变量,以两进料辊在正常工作过程中出现的最大角度偏差为极小化目标函数:
考虑到结构动力学合理与结构不干涉,提出约束条件:
应用Python实现随机梯度下降算法,求解目标函数的极小值,运算后得到以下最优参数。
表1 随机梯度下降算法解得最优参数
绘制出优化后在整个摆动范围内β角的变化曲线,与结构优化前进行对比,如图6所示。
图6 结构优化前后的进料辊运动对称性对比
从图6中可以看出,左右进料辊的对称性偏差在工作范围内随着角α的增大,其变化规律与优化前相似,先是正向偏差增大,随后反向偏差增大,表现为类抛物线的变化规律,在α角约为90°时,两进料辊的运动偏差为正向最大,其值约为2.5°;在α角为150°时,两进料辊的运动偏差为反向最大值,约为-2.5°,整个运动过程中左右进料棍的角度偏差始终小于3°,机构的运动对称性优于之前的10°偏差角度。
3、运动学仿真分析
3.1 仿真模型建立
本文主要模拟夹抱树木的过程,抓手油缸以100mm/s的速度向外伸出,从开始夹抱树木到抱死树木持续时间约1s。创建完模型后,在机构中添加电机作为动力源。该设计仿真只是通过电机给油缸一个进给运动,所以选择通过运动轴定义的伺服电机。本文选择液压油缸为主动伺服电机,从动图元类型选择为运动轴,即选择液压缸的中心轴线为运动轴,轮廓规范定义速度为常数。由于夹抱装置的运动包括夹抱与张开两个方向,故伺服电机需要设置两个,速度大小相等、方向相反。由此建立的运动学仿真模型如图7所示。
图7 运动学仿真模型
3.2 运动学仿真结果
针对本模型,运动学分析主要研究两侧抓手运动轨迹与运动对称性。本文选取两侧中心轴上的一点作为测量对象,分别获得各点在运动过程中沿中间进料滚轴向方向(这里定义为y方向)的位移,两点的运动轨迹如图8所示,两点在y方向上的位移本应方向相反,这里为了便于比较将其值取绝对值并绘制到同一张图中。
图8 抓手运动轨迹通过运动轨迹
可以看出,两侧进料辊在y方向上的位移在整个运动过程中差别较小,基本上保持相对对称运动,在0.4~0.8s之间出现了完全对称的情况。这意味着在生产过程中进料辊夹抱木材施力更加均衡,作业过程更加稳定。
4、小结
针对采伐头进料辊进行了设计,采用反平行四边形机构实现了进料辊左右臂的同步开合,为了优化其在工作状态下的木材受力情况,对进料辊运动过程中左右臂的对称性进行了数值分析,依此建立目标函数并进行了参数优化。以优化后的参数建立虚拟样机进行试验,结果表明优化后的采伐头进料辊在整个开合过程中的摆动偏差大大降低,进料辊对称性得到了提升。
参考文献:
[1]国家林业局.第八次全国森林资源清查结果[J].林业资源管理,2014(1):1-2.
[2]任长清,姜鑫,李金磊,等.曲线带锯机锯路宽度及锯切半径的分析[J].林产工业,2018,45(2):49-53.
[3]沈峡枫.林木联合采育机执行机构与液压系统研究[D].北京:北京林业大学,2010.
[4]魏占国.林木联合采育机底盘设计理论研究与应用[D].北京:北京林业大学,2011.
[5]彭洋,黄青青,刘晋浩,等.联合采育作业精确进料控制系统开发与测试[J].森林工程,2018,34(3):58-62.
[6]葛桃桃,郑一力,刘晋浩.林木联合采育机自主作业的虚拟仿真系统[J].东北林业大学学报,2017,45(1):71-76.
[7]蒲帅.釆集作业头结构与液压控制系统的研究与设计[D].北京:北京林业大学,2016.
[8]王慧,刘旭东,杨春梅,等.移动式林间剩余物盘式粉碎机切削功率的理论研究[J].林产工业,2018,45(12):35-39.
李鹏鹏,刘晋浩.采伐头进料辊的机构分析与运动对称性优化[J].林业机械与木工设备,2019,47(6):19-22,26.
基金项目:国家重点研发计划“战略性国际科技创新合作”重点专项项目(2016YFE0203400).
分享：
森林资源是可再生的绿色资源，但林业生产周期比较长，生态环境产品需求量日益增大，而我国人均森林资源占有量又少，只有深度的挖掘林业资源潜力才能更好的满足需求侧要求，为林业产业的发展奠定基础，同时推动我国林业经济的可持续发展。在林业产业建设过程中，科学合理的造林及抚育是提高造林质量的关键。
2021-04-13
随着国民经济的日益发展，生态环境建设的重要性凸显，掌握现有的森林资源状况，能够为生态环境建设提供更好的数据支撑。进行森林资源调查时，将各类统计、测量技术应用到调查工作中，能进一步提升工作的效率，而数字摄影测量技术的应用，为森林资源调查工作的顺利推进提供有效的技术支撑。
2021-04-13
在林区苗圃育苗的过程中，喷药治虫必不可少，但是我国所使用的喷药机械中手动机械占比很大，并且存在喷药效率低、农药利用率低等问题。因此，研究设计小型自动喷雾型喷药机可以提高喷药效率、降低喷药成本、提高农药利用率等，对林区苗圃育苗自动化具有重要的实际意义。
2020-10-07
桉树在我国是种植面积较大的人工林树种,蓄积量大、材质较好,具有广泛的应用前景。为了能够使桉木应用在实木制品上,提高其产品附加值,本文针对桉木的特殊材性,开展了桉木干燥工艺和干燥特性的研究,探讨不同干燥技术对桉木干燥质量及材性的影响,为桉木人工林干燥提供理论依据和技术保障,实现桉木的高质量木材干燥。
2020-09-01
天然橡胶的采收,最早是用斧头或刀砍树皮,结果导致伤树严重,不能持续产胶。直到1897年,新加坡植物园主任芮德勒(H.N.Ridley)发明了不伤及橡胶树形成层组织、在原割口上重复切割的连续割胶法,纠正了橡胶树原产地用斧头砍树取胶因而伤树、不能持久产胶的旧方法,使橡胶树能几十年连续割胶,这就是著名的“芮德勒连续割胶法”[1],从此开创了天然橡胶栽培的新纪元。
2020-09-01
中密度纤维板的物理力学性能良好，市场需求量大，被广泛应用于家具制造、建筑室内装修、车船内部装饰、包装材料等领域[1]，但随着对此类板材安全性认识加深，木质板材的阻燃性能和“本质安全”发展成为当下纤维板重要课题[2,3,4]。在测定纤维板的阻燃性能时常参照GB12441—2005《饰面型防火涂料》，采用小室燃烧法[5]、极限氧指数、垂直燃烧仪和锥形量热仪等判断改性纤维板的阻燃性能。
2020-09-01
桑树的修建工作直接关系着桑叶的产量,因为桑叶产量与桑树品种、树龄、有效条数、栽植密度、病虫害程度及收获型式等因素息息相关。为了尽可能提高桑叶产量,必须要定期对桑树进行修剪。桑树是一种分枝能力与再生能力均较强的树木品种,在其修剪的过程中必须要采取合理、高效的修剪机。
2020-09-01
天山云杉(PiceaSchrenkianavartianshanica)是新疆天山地区涵盖范围最广、蓄积量最大的针叶树种。天山云杉林在水土保持、荒漠化控制以及维持新疆绿洲生态平衡等方面发挥着关键作用[1]。对天山云杉林开展森林资源调查工作并计算蓄积量,是分析新疆天然林管理策略的重要手段。
2020-09-01
GIS又称地理信息系统，是在计算机硬件和软件系统的支持下，对整个或部分地球表层空间（包括大气层）有关地理分布数据进行采集、储存、管理、处理、分析、显示和描述的技术。该技术已广泛应用于农业、林业、国土资源、生态环境的行业调查、分析和管理，还有灾害预警等诸多领域，具有开放性、先进性和发展性优势[1]。
2020-08-26
采用热烟雾载药防治技术对高大林木病虫害进行防治是最有效的防治方法之一[1,2]1-2]。热烟雾载药防治技术主要应用于脉冲烟雾机上,即以脉冲发动机为热动力的背负或手提式脉冲烟雾机,其防治效率是同类常规喷雾防治设备的10倍以上[3]3],在林业病虫害防治工作中发挥了巨大的作用。
2020-08-26
人气：5767
人气：4032
人气：3718
人气：2328
人气：2090
我要评论
期刊名称：林业科学
期刊人气：2919
主管单位：中国科学技术协会
主办单位：中国科学技术协会
出版地方：北京
专业分类：农业
国际刊号：1001-7488
国内刊号：11-1908/S
邮发代号：82-6
创刊时间：1955年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：一年半以上
影响因子：0.518
影响因子：1.826
影响因子：0.146
影响因子：0.000
影响因子：0.000
科普杂志阅读、期刊信息查询、论文下载、文献查询、原创文章检测等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2020-04-05
180
上传者：管理员
