姜樹海*
(1.南京林業(yè)大學(xué)智能控制與機(jī)器人技術(shù)研究所,江蘇 南京 210037;2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇 南京 210037)
森林是地球上功能最完善的陸地生態(tài)系統(tǒng),與人類的繁衍、生存和發(fā)展息息相關(guān)。根據(jù)《中國(guó)林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒(2015)》[1]顯示,2015年全國(guó)林地面積為31 259.00萬(wàn)hm2,森林面積20 768.73萬(wàn)hm2(其中人工林面積6 933.38萬(wàn)hm2),森林覆蓋率為21.63%。林業(yè)發(fā)展的核心任務(wù)是培育和發(fā)展森林,加速后備資源的撫育,撫育作業(yè)的機(jī)械化是林業(yè)發(fā)展非常重要的一個(gè)方面。
立木整枝是指借用某種工具對(duì)人工林進(jìn)行剪除衰老枝、弱枝以及彎曲枝的撫育措施[2],是森林撫育作業(yè)的主要環(huán)節(jié)之一。人工林進(jìn)行整枝作業(yè)可以帶來(lái)許多益處,如保持植物的自然態(tài)勢(shì),改善通風(fēng)透光條件,剪除不利于植物生長(zhǎng)的部分,調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)的關(guān)系等[3]。
我國(guó)的人工林立木整枝作業(yè)起步較晚,整枝作業(yè)多是利用無(wú)動(dòng)力的手工工具或者油鋸。隨著營(yíng)林技術(shù)水平的提高和生產(chǎn)的需要,國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了各種形式的立木整枝機(jī)械,如手持自動(dòng)或半自動(dòng)式整枝機(jī)械、背負(fù)式和車載式整枝機(jī)械等[4]。
在21世紀(jì)初,我國(guó)學(xué)者開始加大對(duì)整枝機(jī)械的研究,使得立木整枝機(jī)械得到了快速發(fā)展。2000年,劉學(xué)龍等[5]對(duì) 5ZDB-185A型便攜式電動(dòng)園林整枝機(jī)進(jìn)行了改進(jìn),以汽油發(fā)動(dòng)機(jī)組為動(dòng)力源,帶動(dòng)鋸片旋轉(zhuǎn)切削樹枝。2006年,鄒運(yùn)梅等[6]研制出了背負(fù)式可調(diào)高枝修剪機(jī),以安裝在背架上的小型汽油機(jī)為動(dòng)力,并且在刀具上做了改進(jìn),減輕了園林工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。2015年,朱廣勇等[7]對(duì)樹木剪枝液壓剪剪切機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化,使其在剪切過程中不會(huì)產(chǎn)生附加力矩。
近年來(lái),由于人工智能的發(fā)展,立木整枝作業(yè)機(jī)器人也得到了快速發(fā)展。立木整枝作業(yè)機(jī)器人是一種移動(dòng)式機(jī)器人,其到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)的方式主要有兩種,一是使用車輛運(yùn)送到待整枝的樹下,另一種是自主運(yùn)動(dòng)到待整枝的樹下[8]。針對(duì)立木機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù),如避讓機(jī)構(gòu)(實(shí)時(shí)避障、立木枝干自動(dòng)識(shí)別和無(wú)線遙控發(fā)射系統(tǒng)),各學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了不斷的研究和改進(jìn)。2006年,張俊梅等[9]設(shè)計(jì)了一種基于 EDA技術(shù)的自動(dòng)立木整枝機(jī)無(wú)線遙控發(fā)射系統(tǒng),通過優(yōu)化CPLD內(nèi)部邏輯電路有效消除了邏輯競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn),降低了噪聲干擾,確保了系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)的正確性。2009年,李文彬等[10]對(duì)避讓機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析,設(shè)計(jì)了一種可以自動(dòng)使切削機(jī)構(gòu)避開樹枝的避讓裝置,保證了鋸切機(jī)構(gòu)能順利地進(jìn)行切削。2018年,方朋朋等[11]對(duì)人工勢(shì)場(chǎng)法(APF)的避障失敗進(jìn)行了研究,在此基礎(chǔ)上用粒子群算法對(duì)APF算法進(jìn)行優(yōu)化,使得移動(dòng)機(jī)器人可以逃出局部極小值點(diǎn),順利地到達(dá)目標(biāo)位置。
國(guó)外對(duì)人工林立木整枝機(jī)械的研究要早于我國(guó),并已開發(fā)出多種形式的人工林立木整枝機(jī),如前西德開發(fā)的立木鏈鋸打枝機(jī)、法國(guó)研制的移動(dòng)式液壓打枝機(jī)[12]、日本的液壓剪枝機(jī)等。意大利、瑞典等國(guó)也研制出自動(dòng)升降臺(tái)來(lái)進(jìn)行高空剪枝,如意大利的薩斯馬升降臺(tái)和瑞典的阿弗龍升降臺(tái)等[13]。
由于林業(yè)作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、受作業(yè)環(huán)境的影響嚴(yán)重,以及世界上發(fā)達(dá)國(guó)家勞動(dòng)力匱乏,所以林業(yè)機(jī)器人在發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展較快,特別是日本、美國(guó)、德國(guó)和瑞典等國(guó)家,尤以日本水平最高[14-16]。2011年,Ueki等[17]模仿日本伐木工攀爬的方式研發(fā)出一種木耳式整枝機(jī)器人,其融合了垂直和螺旋攀登的創(chuàng)新策略,具有輕量化和高速度的特點(diǎn)。2018年,Gui等[18]提出一種新型爬樹機(jī)器人剪枝機(jī)制,其具有被動(dòng)和主動(dòng)防墜落機(jī)制,以及垂直或螺旋爬上樹干的能力,能使整枝機(jī)器人更好地進(jìn)行立木整枝作業(yè)。
針對(duì)現(xiàn)有整枝機(jī)械的不足,如工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、修枝質(zhì)量和高度很難達(dá)到撫育技術(shù)的要求、機(jī)械設(shè)備過大過重等問題,設(shè)計(jì)出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,體積小、質(zhì)量輕的微型人工林立木整枝機(jī)。該項(xiàng)目的研究與開發(fā)不僅可以加快中幼林撫育的速度,而且可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率。
目前的營(yíng)林撫育作業(yè)機(jī)械都在向輕便、靈活、高效的方向發(fā)展,為了使整枝機(jī)作業(yè)靈活,滿足任意角度、任意位置切削,設(shè)計(jì)使電機(jī)輸出軸與刀具軸成90°。在綜合考慮齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后,為了滿足切削刀具軸高速旋轉(zhuǎn)的要求,最終確定在電機(jī)與切削刀具之間采用二級(jí)傳動(dòng)方式。帶傳動(dòng)的傳動(dòng)平穩(wěn),能緩沖吸振,因此宜布置在傳動(dòng)裝置的高速級(jí),而錐齒輪傳動(dòng)則可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)軸方向的改變,故一級(jí)傳動(dòng)采用帶傳動(dòng),二級(jí)傳動(dòng)采用直齒錐齒輪傳動(dòng),以此實(shí)現(xiàn)整枝作業(yè)。整枝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
打開開關(guān),接通電源,直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng),將動(dòng)力通過一級(jí)帶傳動(dòng)傳遞給錐齒輪軸Ⅰ,再經(jīng)過二級(jí)錐齒輪副,將動(dòng)力和扭矩傳遞給錐齒輪軸Ⅱ。由錐齒輪軸帶動(dòng)切削刀具旋轉(zhuǎn)切削樹枝,從而完成整枝作業(yè)。
圖1 整枝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.大帶輪;2.主架板;3.左側(cè)角板;4.軸承箱;5.聯(lián)軸器;6.穩(wěn)定板;7.切削刀具;8.齒輪箱;9.右側(cè)角板;10.小帶輪;11.皮帶;12.電動(dòng)機(jī);13.開關(guān);14.手柄;15.電線;16.電池
在動(dòng)力源選取方面,考慮到立木整枝多在山林地區(qū)缺少固定電源,故整枝機(jī)采用直流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源,以干電池或蓄電池供電。為減輕工作頭質(zhì)量,蓄電池與整枝機(jī)分開,由操作員背負(fù)或手提攜帶。
根據(jù)林木整枝切削特性,采用旋轉(zhuǎn)切削方式最省力,可以實(shí)現(xiàn)小功率動(dòng)力完成大功率切削,切削刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考了木工柄銑刀。整枝機(jī)除標(biāo)準(zhǔn)件、齒輪、刀具及聯(lián)軸器外,其余均采用鋁合金件,因而整機(jī)的質(zhì)量輕,攜帶方便。切削刀具軸的極限轉(zhuǎn)速為18 000 r/min,因而切削枝丫速度快,生產(chǎn)率高,切面光滑,可減少病蟲害發(fā)生。此外,整機(jī)體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工制造容易,易于維修與保養(yǎng)。
整枝機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 整枝機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
電動(dòng)機(jī)選擇應(yīng)包括選擇類型、結(jié)構(gòu)型式、功率和轉(zhuǎn)速,并確定型號(hào)。工作機(jī)所需功率pw應(yīng)由機(jī)器工作阻力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算確定,根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況:橫端向銑削松木,D=10 mm、δ=65°~75°、n=18 000r/min、h=3 mm、b=10 mm、Z=2、UZ=0.1 mm,計(jì)算功率和切削力。本設(shè)計(jì)初步確定總效率η=0.90。
(1)
(2)
aav=UZsinθ
(3)
根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)可以得到切削時(shí)的切削速度V=9.42 m/s,平均切削厚度aav=0.054 8 mm。當(dāng)aav<0.1 mm時(shí),過渡切削方向:
(4)
+(A#-⊥δ+B#-⊥V-C#-⊥)
(5)
(6)
當(dāng)Cρ=1,根據(jù)式(4)、式(5)、式(6)可以得到切削時(shí)的功率P=43.92 W。
(7)
(8)
根據(jù)對(duì)浙江華峰微特電機(jī)有限公司、西安微電機(jī)研究所、山東博山電機(jī)廠微電機(jī)產(chǎn)品的比較,結(jié)合整枝機(jī)設(shè)計(jì)的要求最終選擇了博山電機(jī)廠的70SZ55A,其主要技術(shù)參數(shù)見表2。
表2 70SZ55A主要技術(shù)參數(shù)
為了進(jìn)行傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算,需計(jì)算傳動(dòng)裝置中每個(gè)軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩。在計(jì)算時(shí),將電機(jī)軸到最后一級(jí)刀具軸進(jìn)行編號(hào),主要有電動(dòng)機(jī)軸Ⅰ0,Ⅰ軸、Ⅱ軸,再按順序逐步計(jì)算。
(9)
Pk=Pk-1ηk
(10)
(11)
Tk=Tk-1iηk
(12)
根據(jù)式(9)和電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速nm,可得各傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速nI=9 000 r/min,nΠ=18 000 r/min。再由式(10)計(jì)算出各傳動(dòng)軸的輸入功率P,即pI=0.090 16 kW,PΠ=0.086 58 kW。各傳動(dòng)軸輸入轉(zhuǎn)矩T則由式(11)、式(12)得:T0=0.0147 N·m,TⅠ=0.096 N·m,TⅡ=0.047 N·m。
統(tǒng)計(jì)各計(jì)算值,各傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)見表3。
帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)原則是在確保帶傳動(dòng)不打滑的前提下具有一定的疲勞強(qiáng)度和壽命,在綜合考慮各種帶型的優(yōu)缺點(diǎn)后,最終選用齒形帶。齒形帶兼有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)三者之優(yōu)點(diǎn),如效率高、同步不打滑、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)設(shè)計(jì)自由度大等。經(jīng)過對(duì)梯形齒和圓弧齒齒形帶的特點(diǎn)比較,最后選用性能更優(yōu)的圓弧齒同步帶??紤]到零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、互換性和通用性,借用了手提式電刨的帶傳動(dòng)副。
表3 各傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
帶傳動(dòng)主要參數(shù)為:中心矩a=64 mm;大帶輪da1=32 mm,b1=12 mm;小帶輪da2=20 mm,b2=19 mm;帶寬B=9 mm。
整枝機(jī)齒輪箱安裝兩個(gè)錐齒輪,故錐齒輪為閉式軟齒面,計(jì)算時(shí)應(yīng)按閉式直齒圓錐齒輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,即按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,按齒面彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核。已知作用于大齒輪上的轉(zhuǎn)矩T1=0.096 N·m,轉(zhuǎn)速nΠ=9 000 r/min,傳動(dòng)比i=1/2,兩根軸交錯(cuò)角∑=90°,電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
4.2.1 齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算
整枝機(jī)為一般工作機(jī)器,故選用7級(jí)精度(GB 10095—88)。大齒輪選用45鋼調(diào)質(zhì),硬度為HB1=240 HBS,小齒輪材料為40Cr調(diào)質(zhì),硬度為HB2=280 HBS。查《機(jī)械設(shè)計(jì)》手冊(cè)得,σHlim1=550 MPa,σHlim2=600 MPa,σFlim1=380 MPa,σFlim2=500 MPa。
(13)
(14)
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)取模數(shù)為m=1 mm。根據(jù)錐齒輪公式計(jì)算出其主要參數(shù)為:大端分度圓直徑d1=22 mm,d2=13 mm,節(jié)錐角δ1=59.4°,δ2=30.6°,齒寬b=3.84 mm。
4.2.2 齒面彎曲強(qiáng)度校核
彎曲強(qiáng)度校核式如下:
(15)
(16)
按彎曲強(qiáng)度校核式(15)對(duì)大小齒輪進(jìn)行強(qiáng)度校核,計(jì)算時(shí)需先確定公式中的各參數(shù)值。KF為載荷系數(shù),KF=KAKVKFβKFα,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取各系數(shù)的參數(shù)為KA=1,KV=1.2,KFβ=1.108 5,KFα=1.0,則KF=KAKVKFβKFα=1.33;YFa為齒形系數(shù),YSa為應(yīng)力修正系數(shù),查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得,YFa1=2.4,YFa2=2.9,YSa1=1.72,YSa2=1.51;查手冊(cè)取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.89,KFN2=0.87,取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。由式(16)得[σF]1=242 MPa,[σF]2=311 MPa。
由式(15)計(jì)算出彎曲疲勞強(qiáng)度并與許用彎曲疲勞強(qiáng)度相比較得:σF1=12.86 MPa≤[σF]1,σF2=13.65 MPa≤[σF]2,因此滿足彎曲強(qiáng)度要求。
已求得軸Ⅰ上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為P1=0.090 16 kW、n1=9 000 r/min、T1=0.096 N·mm。
(17)
Fr1=Fa2=Fttanαcosδ1
(18)
Fa1=Fr2=Fttanαsinδ1
(19)
根據(jù)式(17)、式(18)、式(19)可求出大小錐齒輪上的圓周力、徑向力和軸向力,即Ft=10.27 N,F(xiàn)r1=Fa2=1.88 N,F(xiàn)r2=Fa1=3.18 N。
(20)
根據(jù)式(20)初步估算軸的最小軸徑。選取軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),取A0=112,于是得dmin=2.4 mm,軸用于安裝帶輪,因?yàn)榻栌玫氖鞘痔崾诫娕俚膸鲃?dòng)副,帶輪孔徑為10 mm,所以軸Ⅰ的最小軸徑取d=10 mm。
已求得軸Ⅱ上的功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別為PⅠ=0.086 58 kW、n1=18 000 r/min、TⅠ=0.047 N·mm。
(21)
根據(jù)式(21)初步估算軸的最小軸徑。選取軸的材料為40Gr,調(diào)質(zhì)處理。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),取A0=112,于是得dmin=1.9 mm,考慮到軸最小直徑要與聯(lián)軸器相適應(yīng)及兩個(gè)錐齒輪需相互嚙合等,取dmin=φ6 mm。
圖2 軸Ⅰ尺寸
圖3 軸Ⅱ尺寸
整枝機(jī)軸上兩軸承之間的軸向定位采用套筒,根據(jù)軸承的安裝尺寸確定套筒尺寸。兩根軸上的軸承1左端定位,內(nèi)圈采用彈性擋圈定位,外圈利用軸承端蓋定位。兩根軸上的軸承2右端定位,內(nèi)圈軸Ⅰ上采用軸肩定位,根據(jù)軸承安裝尺寸確定,軸Ⅱ上采用彈性擋圈定位;外圈利用套杯定位,尺寸由軸承安裝尺寸確定。
整枝機(jī)的齒輪箱對(duì)密封要求較高,因此選用接觸式密封中的唇形密封圈。唇形密封圈密封唇的方向要朝向密封的部位。軸Ⅰ上主要是為了封油,密封唇應(yīng)對(duì)著軸承(朝內(nèi));軸Ⅱ上主要是為了防止外物侵入,密封唇應(yīng)背著軸承(朝外)。
軸承蓋的作用是固定軸承,承受軸向載荷、密封軸承座孔、調(diào)整軸系位置和軸承間隙等。選用凸緣式軸承蓋,由于所設(shè)計(jì)的軸尺寸較小,而且整體都要求結(jié)構(gòu)緊湊,向輕便方向發(fā)展,故材料選用鋁鎂合金ZL302。
為保證錐齒輪傳動(dòng)的嚙合精度,裝配時(shí)要調(diào)整大小圓錐齒輪的軸向位置,以保證兩齒輪錐頂重合,為此將圓錐齒輪放在套杯內(nèi),用套杯凸緣端面與軸承座外端面之間的一組墊片調(diào)整小圓錐齒輪的軸向位置,同時(shí)套杯右端的凸肩還可固定軸承。
整枝機(jī)的刀具軸兩端采用尼龍滑塊聯(lián)軸器,可減輕切削刀具在整枝作業(yè)過程中的振動(dòng)。由于需求的小型聯(lián)軸器為非標(biāo)件,因此自行設(shè)計(jì)了聯(lián)軸器,如圖4所示。
根據(jù)軸Ⅰ和軸Ⅱ上零件的分布情況和軸的受力情況,利用ANSYS對(duì)軸Ⅰ和軸 Ⅱ進(jìn)行有限元分析,其應(yīng)力和應(yīng)變分布如圖5~8所示。
圖4 聯(lián)軸器1.半聯(lián)軸器;2.緊定螺釘;3.滑塊;4.鍵
圖5 軸Ⅰ應(yīng)力圖
圖6 軸Ⅰ應(yīng)變圖
圖7 軸Ⅱ應(yīng)力圖
圖8 軸Ⅱ應(yīng)變圖
對(duì)于軸Ⅰ,從圖中可知其危險(xiǎn)截面在右側(cè)軸承的左端面,是軸的截面直徑發(fā)生變化處。其危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力為σmax=4.019 MPa,軸Ⅰ的材料為合金鋼,其屈服極限為620 MPa。危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其屈服極限,所以軸Ⅰ滿足強(qiáng)度校核。
對(duì)于軸Ⅱ,從圖中可知其危險(xiǎn)截面在右側(cè)軸承的左端面,也是軸的截面直徑發(fā)生變化處。其危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力為σmax=8.88 MPa,軸Ⅱ的材料為45鋼,其屈服極限為530 MPa。危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其屈服極限,所以軸Ⅱ滿足強(qiáng)度校核。
目前,我國(guó)還沒有比較合適的人工林立木整枝作業(yè)機(jī)械,為了提高人工林整枝作業(yè)的效率,避免人工作業(yè)帶來(lái)的人身傷害,進(jìn)行了人工林立木整枝機(jī)的設(shè)計(jì)。為了獲得高速切削整枝作業(yè)效果,設(shè)計(jì)采用二級(jí)傳動(dòng)方式,即一級(jí)為帶傳動(dòng),二級(jí)為錐齒輪傳動(dòng)。采用獨(dú)特的桿狀刀具旋轉(zhuǎn)切削方式,完成了整機(jī)設(shè)計(jì),進(jìn)行了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算,利用ANSYS進(jìn)行了關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度校核,結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的關(guān)鍵零部件強(qiáng)度滿足要求,達(dá)到了預(yù)期的效果。設(shè)計(jì)的立木整枝作業(yè)機(jī)械具有獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)切削方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、效率高,未來(lái)的工作重點(diǎn)是進(jìn)行整機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及產(chǎn)業(yè)化推廣。