基于现代设计技术林木联合采育机的设计及评价体系

通过总结我国首台林木联合采育机的设计研发过程与成果,提出适合中国国情林情的林木联合采育机设计与研发基本技术要求,探讨建立了一套林木联合采育机的设计及评价体系,并成功应用与新型装备的研发,为今后国内研制新型的林木联合采育机及相似工程装备,跟上国际先进水平,提供可供参考的研发技术方案及评估标准。

轮式林木联合采育机林地越障能力分析与仿真

为了获得林木联合采育机在行走过程中的越障能力,在充分考虑采育机驱动力以及复合铰接结构的基础上,建立采育机林地越障的数学模型,作为采育机越障的理论基础,并在ADAMS仿真软件环境下进行采育机的越障仿真,得到采育机在林地松软路面条件下的越障高度为195 mm。

林木联合采育机底盘车架设计与模态分析

林木联合采育机的底盘车架是采育机中重要的承载部件,其固有频率与振型是整车在林间安全运行的重要保证。基于SolidWorks对林木联合采育机的车架进行设计,并建立虚拟样机模型,采用ANSYS Workbench有限元分析软件对其进行模态分析,得出了车架的前6阶固有频率(9.9～61.0 Hz)和振型、外界的激振频率(2.78～7.20 Hz,70～90 Hz),从而确保车架在行驶过程中的安全性。

新型林木联合采育机前车架的设计与优化

参照CFJ30林木联合采伐机对ZL30型装载机前车架进行改装,设计出适合我国林地工作的采育机前车架,利用SolidWorks建立前车架虚拟样机模型,并开展基于CosmosWorks的有限元分析与结构优化。优化后,在保证结构可靠性的同时,前车架减轻了78 kg,缩少了0.01 m3,有效地降低了制造成本。

改装后林木联合采育机作业稳定性分析

该文旨在判断改装后的林木联合采育机能否在作业过程中保持良好的稳定性。在solidworks环境下,对轮式装载机和林木联合采育机的工作装置进行建模,从模型中获得工作装置的质量和重力数据,并基于稳定性评价理论对改装后的林木联合采育机的稳定性进行评价。经过评价计算得出:改造后的林木联合采育机在不加配重的情况下是可以进行稳定工作的。

林木联合采育机作业过程中的稳定性

基于大脑情感学习模型,获取采育装置的环境与运动数据信息;对数据进行融合处理,得到平面特征矢量,实现对多功能林木联合采育机纵向、横向两方面的稳定性判断。

基于Unity3D的林木联合采育机虚拟训练系统研究

采用Unity3D研发了一套林木联合采育机虚拟训练系统。以某型林木联合采育机为原型,采用SolidWorks辅助3dsMAX进行精细建模,将三维模型导入Unity3D中,搭建虚拟作业场景,对林木联合采育机的各个部件按照仿真需要进行父子关系的处理,通过分析机械臂运动原理,建立相应的数学模型,实现机械臂的运动仿真,通过基于碰撞点和刀锯形成平面的切割算法来实现对树木的切割模拟。实验结果表明:系统实现了林木联合采育机的虚拟采伐作业,沉浸感强,交互效果好,可满足林木联合采育机操作人员的训练需求。

林木联合采育机机械臂避障路径规划

【目的】针对林木联合采育机在林区复杂环境中的避障作业要求,提出一种新型机械臂避障路径规划方法,为林业机械装备发展提供理论依据。【方法】首先,对林木联合采育机机械臂进行运动学分析,同时为解决经典快速搜索随机树随机性强、路径不平滑、计算时间长的问题,引入改进人工势场思想,提出规避搜索随机树(A-RRT)算法进行路径搜索,运用B样条曲线拟合与机械臂能量最小逆解法优化运动路径;其次,采用多点碰撞检测法,实现机械臂的稳定以及快速规划避障路径。【结果】1)林木联合采育机机械臂在林区复杂环境中能够成功避开障碍物,到达目标点;2)无论是在单一障碍物还是在多个障碍物环境中,机械臂各关节角度变换相对平滑;3)相比经典RRT算法、偏置RRT算法和双向RRT算法,本研究提出的路径规划算法搜索效率分别提高95.9%、56.9%和40.5%,机械臂避障规划效率有效提升。【结论】本研究提出的林木联合采育机机械臂避障算法具有较好的避障效果和较快的搜索速度,可降低林业环境工作劳动强度,提高机械装备采伐、抚育以及归楞的工作效率。

林木联合采育机进料辊填充蜂窝结构的力学特性

针对林木联合采育机作业过程中,进料辊定位原木、带动原木在机头内加速启动或减速停止时,由于进料辊与原木接触面积较小而造成的钉齿对原木损伤严重的问题,提出一种双V附翼型负泊松比(NPR)蜂窝结构以改变进料辊的刚度,增大进料辊与原木有效接触面积,从而减小对原木的损伤。通过分析双V附翼型NPR蜂窝结构特点,基于位移法建立其X和Y方向面内弹性常数的理论模型,并构建不同结构参数的实体模型,制备该结构胞元试验构件。通过有限元仿真研究了蜂窝胞元厚度(t)、胞元上夹角(θ2)、胞元下夹角(θ1)与胞元半宽(l)4组参数对该结构面内弹性常数的影响。结果表明:其Y方向等效弹性模量(Ey)随t的增大而增大,随θ1、l的增大而减小,θ2对其影响较小;X方向等效弹性模量(Ex)随t、θ1和θ2的增大而增大,随l的增大而减小,而泊松比值νxy和νyx只受θ1和θ2的影响,但同一参数对νxy和νyx的影响趋势相反。模拟LAKO 43HD采育机作业机头工作时所受的垂直压力,在t为4、5 mm、θ1为30°、35°、θ2为70°、75°、l为29、31 mm时,采用双V附翼型负泊松比蜂窝结构的进料辊的压缩量达到了原进料辊的10%~30%,可以有效减小进料辊对原木的损伤。理论模型可以近似表征该结构的面内力学性能,对进料辊采用双V附翼型NPR蜂窝结构时选取各项参数值具有一定的指导意义。

林木联合采育机自主作业的虚拟仿真系统

针对林木联合采育机自主作业路径规划与控制的研究需求,采用Solid Works软件对林木联合采育机进行了三维实体建模,将模型导入到图形开发引擎Open Scene Graph(OSG),结合Visual C++编程语言,完成了一套林木联合采育机作业三维虚拟仿真系统。阐述了该虚拟仿真系统的架构、功能以及系统的开发流程。在对机械臂运动学建模的基础上,给出了伐木头直线、圆弧和激光反馈的路径规划和控制方法。在三维虚拟仿真系统中通过采伐虚拟立木实验,验证了自主作业路径规划与控制方法的有效性,该研究为实现林木联合采育机的无人自主采伐作业打下基础。

林木采育机多密实度蜂窝辊的径向压缩响应

【目的】针对为林木采育机而设计的蜂窝进料辊,研究其在采伐时夹紧和翻转工序的模拟工况下,密实度差异对压缩响应的影响。【方法】将15套蜂窝辊按照密实度划分为3种等级,经由理论模型和模拟仿真分析,对多密实度下的力学和吸能特性的变化做量化探究。选出其中3套制备试件,进行线弹性阶段内的径向压缩试验,利用数字图像相关技术对压缩过程中试件的变形进行监测,比较微观上塑性铰处的结点变形,同时对比仿真与试验的结果,进而总结双V附翼蜂窝进料辊的变形模式。【结果】仿真结果显示:平台阶段下随着密实度增长约10%,蜂窝辊的等效应力上升幅度处于2 MPa以内,但吸能量则提升了近乎6倍。试验结果表明:线弹性阶段下相同幅度的密实度提升,虽然导致质量增大约59.78%,但接触力却获得约3.4倍的提升。变形观测后提出准静态压缩下的V型变形模式,在离散系数低于6%的情况下获得了验证。【结论】蜂窝辊在密实度为0.25~0.40范围内的压缩响应表现为:以壁厚和层数为主要变量的密实度分别与等效应力和吸能量均具有显著非线性的正相关关系;在近似密实度下,增加壁厚,有助于获得更高的抗压强度,减少层数则促进了吸能特性的提升;双V附翼蜂窝进料辊在周向的变形机制显露出不均匀的拉胀现象。

轮式林木采育机清障机构设计与运动仿真

随着科学技术的快速发展,林木联合采育机在林业领域的作用日益明显。但是在复杂的林区环境下,必要的清障机构有利于提高采育机林区作业效率。设计一种适合我国作业的轮式采育机清障机构,在Pro/E环境下对清障机构进行虚拟样机建模,并对推铲进行运动学与动力学仿真,得到推铲液压缸的运动特性曲线与受力特性曲线。分析结果表明,清障机构在作业过程中推铲液压缸的最大轴向推力达到51408 N,符合清障功能需求。

林木联合采育机蜂窝结构进料辊关键技术与应用性能研究

针对机械化采伐作业中减少木材损伤的问题,提出一种基于辊型双V蜂窝结构的进料辊。结合相关的数学公式,推导出了辊型双V蜂窝结构的动态冲击模型,并通过有限元仿真结果得到了验证。对伐木工况低速冲击下辊型蜂窝的力学与吸能特性、动态响应、结构稳定性和结构效率等应用技术指标进行探究,并引入不同结构的辊型六角蜂窝进行参照对比。低速冲击下,辊型双V蜂窝相较于辊型六角蜂窝负泊松比效应更明显,结构效率更高且抗冲击性更强,结构稳定性更好,接触力更均匀。各辊型双V蜂窝结构冲击至ε=0.3时的各应力指标均满足1600 kg以下树木采伐工况需求。这为蜂窝结构进料辊的机械化应用与减少原木损伤提供了参考。

林间作业环境内采育目标立木间株距的计算

为提高林木联合采育机的工作效率,减轻驾驶员的工作压力,采用基于二维激光扫描仪的非接触测量系统获取采育作业林地环境内的目标数据,运用基于腐蚀扩张和聚类原理的滤波算法过滤原始扫描数据的背景噪声,获取采育目标的位置和轮廓数据,并假设所有目标为标准圆,采用最小二乘法拟合目标直径,计算采育目标之间的株距。结果表明,采用以上方法的株距计算与人工测量结果相比,平均误差为197.52 mm,标准差为97.7 mm,相对误差小于2%。

双V附翼型负泊松比蜂窝结构参数与原木接触面积耦合关系

为解决林木采伐中进料辊造成树木损伤的问题,以进料辊中的双V附翼型蜂窝结构为研究对象,探究其胞元结构参数对伐倒木圆条树木的损伤机制。基于理论力学构建了双V附翼型结构单位胞元参数与屈服强度的理论模型,进而进行了Y方向压缩实验验证,考察在低速压缩条件下各胞元结构参数对该结构等效应力和能量吸收变化的影响,以及有限元仿真进料辊胞元结构参数与原木接触面积的耦合关系。选定聚氨酯作为辊型驱动应用材料,通过正交试验法,在较优参数θ_(1)、θ_(2)、t区间内使进料辊与木材接触面积增大14.56%~26.11%。研究结果表明,可根据具体工况需求选用确定胞元结构参数,且结构参数厚度t是影响负泊松比蜂窝结构密实应变的重要指标;通过双V附翼型负泊松比结构材料的选用和尺寸参数的改变,改善了进料辊作业时与木材的接触面积大小,降低原木所受压强。