桉树爬树修枝机的设计与测试
林业工程学报，２０２１，６（２）：１４８－１５６ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＤＯＩ：１０．１３３６０／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０２００４０２６
收稿日期：２０２０－０４－２８㊀㊀㊀㊀修回日期：２０２０－０７－２７
基金项目：广西制造系统与先进制造技术重点实验室项目（１７－２５９－０５Ｓ００９）；广西科技重大专项（桂科ＡＡ１８２４２０１１）㊂作者简介：郑贤，男，工程师，研究方向为农业机械与装备技术㊂通信作者：李岩舟，男，副教授㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｙｚ１９７９１６＠１２６．ｃｏｍ
白酒销售桉树爬树修枝机的设计与测试
郑贤１，２，邓毅３，李岩舟１∗，朱欣民４
（１．广西大学机械工程学院，南宁５３０００４；２．广西制造系统与先进制造技术重点实验室，南宁５３０００４；
３．广西田园生化股份有限公司，南宁５３０００７；４．中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州２２１１１６）摘㊀要：为了实现快速修枝，结合桉树的通直度较其他林木高的特点，设计一种以两个対置分布的驱动轮作为攀爬驱动机构，从而使自身可以沿着树干直接往上爬升的爬树修枝机㊂该爬树修枝机主要由攀爬装置和修枝装置组成㊂对攀爬装置进行动力学分析，确定了驱动轮与树干之间的摩擦系数和攀爬装置夹紧力所要满足的关系式；根据滑切切割可降低切割阻力的原理，对修枝装置的切割刀片进行了设计，在综合考虑爬树修枝机的结构布置和总体质量的前提下，为减少修枝装置的切割阻力，确定其定刀片的倾角为１０ʎ，动刀片的倾角为１２ʎ；在桉树活立木和以圆形钢管作为模拟树干的试验装置上分别进行爬树修枝机的攀爬性能和修枝性能测试，结果表明：在攀爬装置所用
的电动推杆推力为６００Ｎ的条件下，本研究所设计的爬树修枝机能够顺利攀爬桉树活立木，树干未见损伤，具有较好的攀爬性能，打滑率仅为１０．０３％，爬树修枝机能够切断直径１０ｍｍ以下的桉树枝条㊂结合爬树修枝机的结构参数和试验条件进行计算和分析可知，此时爬树修枝机的加速度为２．８８ｍ／ｓ２，最大爬升速度为２．９７ｍ／ｓ，修枝过程中所消耗的功率为６０３．１０Ｗ，而切断直径更大的枝条并且避免动刀片与树干之间产生作用力，则需要进一步增加攀爬装置的电动推杆的推力，推力至少为１５７３Ｎ，在此推力下，爬树修枝机消耗的功率为１５８５．７３
Ｗ㊂
关键词：桉树；修枝机；切刀倾角；攀爬测试；修枝测试中图分类号：Ｓ７７６．２７＋４㊀㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀㊀开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：
文章编号：２０９６－１３５９（２０２１）０２－０１４８－０９
Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｐｒｕｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｆｏｒｅｕｃａｌｙｐｔｕｓｔｒｅｅｓ
ＺＨＥＮＧＸｉａｎ１，２，ＤＥＮＧＹｉ３，ＬＩＹａｎｚｈｏｕ１∗，ＺＨＵＸｉｎｍｉｎ４
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖ
ｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００４，Ｃｈｉｎａ；２．ＧｕａｎｇｘｉＫｅｙＬａｂｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
ＳｙｓｔｅｍａｎｄＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００４，Ｃｈｉｎａ；３．ＧｕａｎｇｘｉＰａｓｔｏｒａｌＢｉｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００７，Ｃｈｉｎａ；４．ＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，
ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ２２１１１６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｅｕｃａｌｙｐｔｕｓｗｏｏｄｑｕａｌｉｔｙｉｎｔｈｅｗｏｏｄｍａｒｋｅｔｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇｈｉｇｈｅｒａｎｄｈｉｇｈｅｒｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｅｕｃａｌｙｐｔｕｓｗｏｏｄｉｓｎｏｗｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｓｓａｗｎｔｉｍｂｅｒｒａｔｈｅｒｔｈａｎｐａｐｅｒｔｉｍｂｅｒｂｅｆｏｒｅ．Ｉｎｔｈｉｓｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｕｃａｌｙｐｔｕｓｗｏｏｄｗｉｔｈｈｉｇｈｓｔｒａｉｇｈｔｎｅｓｓａｎｄｎｏｋｎｏｔｓｃａｎｂｅｓｏｌｄａｔａｈｉｇｈｅｒｐｒｉｃｅｔｈａｎｔｈｅｏｒｄｉｎａｒｙｏｎｅ．Ｔｈｅｆｏｒｅｓｔｏｗｎｅｒｓｕｓｕａｌｌｙｃａｎ
ｏｂｔａｉｎｈｉｇｈ⁃ｑｕａｌｉｔｙｗｏｏｄｗｉｔｈｈｉｇｈｓｔｒａｉｇｈｔｎｅｓｓａｎｄｎｏｋｎｏｔｓｂｙｐｒｕｎｉｎｇｔｈｅｂｒａｎｃｈｅｓｏｆａｌｉｖｉｎｇｔｒｅｅｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｆｏｒｅｓｔｒｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｐｒｕｎｉｎｇｗｏｒｋｉｓｍａｉｎｌｙｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｍａｎｕａｌｌｙａｎｄｈａｓａｌｏｗｅｆ⁃ｆｉｃｉｅｎｃｙｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｕｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓｃａｎｎｏｔｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｐｒｕｎｉｎｇｗｏｒｋｆｏｒｅｕｃａｌｙｐｔｕｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｈｅａｖｙｗｅｉｇｈｔｓｏｒｌｏｗｏｐｅｒａｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｆｏｒｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆａｃｈｉｅｖｉｎｇａｈｉｇｈｅｒｐｒｕｎｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｐｒｕｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｆｏｒｅｕｃａｌｙｐｔｕｓｔｒｅｅｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ．Ｔｈｉｓｐｒｕｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｔｒｕｎｋｓｔｒａｉｇｈｔｎｅｓｓｏｆｅｕｃａｌｙｐｔｕｓｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｏｔｈｅｒｔｒｅｅｓａｎｄｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｐｒｕｎｉｎｇｄｅｖｉｃｅａｎｄａｃｌｉｍｂ⁃ｉｎｇｄｅｖｉｃｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｌｉｍｂｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅ⁃ｔｗｅｅｎｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｗｈｅｅｌａｎｄｔｈｅｔｒｕｎｋｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｃｌ
ａｍｐｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｃｌｉｍｂｉｎｇｄｅｖｉｃｅｍｕｓｔｂｅｍｅｔ．Ｔｈｅｐｒｕｎｉｎｇｄｅｖｉｃｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒａｐｕｒｐｏｓｅｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｐｒｕｎｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｔｈａｔｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｂｌａｄｅｓ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｉｓｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｔｈｅａｎｇｌｅｓｏｆｔｈｅｆｉｘｅｄｂｌａｄｅａｎｄｍｏｖｉｎｇｂｌａｄｅｓｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｏｂｅ１０ʎａｎｄ１２ʎ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｐｒｕｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ ｓｃｌｉｍｂｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｔｅｓｔｅｄｏｎｅｕｃａｌｙｐｔｕｓｌｉｖｉｎｇｔｒｅｅｓａｎｄｉｔｓｐｒｕｎｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｔｅｓｔｅｄｏｎａｎｅ⁃ｑｕｉｐｍｅｎｔｔｈａｔｕｓｅｄａｒｏｕｎｄｓｔｅｅｌｔｕｂｅａｓａｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｒｕｎｋ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｒｕｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｃｏｕｌｄｃｌｉｍｂａｅｕ⁃ｃａｌｙｐｔｕｓｌｉｖｉｎｇｔｒｅｅｓｍｏｏｔｈｌｙｗｉｔｈｏｕｔａｎｙｄａｍａｇｅｔｏｔｈｅｔｒｕｎｋｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅｈａｎｄｓｐｉｋｅ ｓｆｏｒｃｅｗａｓ６００Ｎ．Ｔｈｅｐｒｕｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ ｓｓｌｉｐｐｉｎｇｒａｔｅｗａｓｏｎｌｙ１０．０３％ａｎｄｉｔｃｏｕｌｄｃｕｔｔｈｅｂｒａｎｃｈｅｓｗｉｔｈａｄｉａｍｅｔｅｒ
㊀第２期郑贤，等：桉树爬树修枝机的设计与测试
ｌｅｓｓｔｈａｎ１０ｍｍ．Ｂｙｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｅｃａｎｋｎｏｗｔｈａｔｐｒｕｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ ｓａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｗａｓ２．８８ｍ／ｓ２，ｔｈｅｃｌｉｍｂｉｎｇｓｐｅｅｄ２．９７ｍ／ｓ，ａｎｄｔｈｅｐｏｗｅｒ６０３．１０Ｗｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐｒｕｎｉｎｇ．Ｉｔｉｓｎｅｅｄｅｄｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｃｌａｍｐｉｎｇｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｃｌｉｍｂｉｎｇｄｅｖｉｃｅｗｈｅｎｔｈｅｂｒａｎｃｈｅｓｈａｖｅａｌａｒｇｅｒｄｉａｍｅｔｅｒ．Ａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅｈａｎｄｓｐｉｋｅ ｓｆｏｒｃｅｍｕｓｔｂｅａｔｌｅａｓｔ１５７３Ｎｗｈｅｎｔｈｅｆｏｒｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｏｖｉｎｇｂｌａｄｅａｎｄｔｈｅｔｒｕｎｋｉｓｚｅｒｏ．Ｉｎｔｈａｔｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｅｄｂｙｔｈｅｐｒｕｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｗｉｌｌｂｅ１５８５．７３Ｗ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｕｃａｌｙｐｔｕｓ；ｐｒｕｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｏｆｃｕｔｔｅｒ；ｃｌｉｍｂｉｎｇｔｅｓｔ；ｐｒｕｎｉｎｇｔｅｓｔ
㊀㊀近年来，随着桉树由纸质用材向锯材用材的转变，木材市场对桉树木材品质的要求越来越高，无节眼㊁通直度高的桉树木材的售价往往比普通的高，而在林木的生产过程中，对林木进行适时的修枝是获得无节眼㊁通直度高的优质木材的有效手段，也是增加林木产量的主要方法之一［１］㊂桉树种植大户大都希望通过修枝来提高桉树的林木品质和产量，获得更大的经济价值，但是当前的桉树修枝
主要以人工为主，工作繁重且效率不高㊂目前有关小型专用修枝机的研发，国内有北京林业大学通过引进国外技术研发的沿着树干螺旋爬升修枝机器［２－３］㊁东北林业大学设计的基于模糊控制的剪枝机器人［４］㊁山东农业大学设计的螺旋爬升式修枝机器和直接爬升式修枝机器［５］㊁南京林业大学设计的基于柔性刀具的爬树修枝机器人［６］以及金华绿川科技有限公司设计的爬树修枝机器人［７］等；国外有日本ＳＥＩＲＥＩ公司设计的无线可遥控型自动立木整枝机（ＡＢ１７０㊁ＡＢ２３０㊁ＡＢ３５０系列）［８］㊁Ｇｕｉ等［９］设计的带有防下滑功能新型修枝机器人㊁日本岐阜大学持续１０多年研发的带有节能链锯驱动器的修枝机器人［１０］和德国Ｊｏｒｄａｎ家族企业研发的ａｄｖａｌｉｇｎｏＰＡＴＡＳ［１１－１２］等㊂从以上研究可以看出，国内研发的机型尚处于测试试验阶段，较少有可应用的机型；国外方面不少机型能够较好地完成修枝作业，但并不能较好地适用于桉树的修枝㊂这主要是因为桉树的种植密度高且种植地主要分布在地貌为丘陵㊁路况复杂的广西㊁广东和海南等省区，能够适应作业环境的修枝机必须同时具备快速修枝和结构轻巧这两个基本的特点，而现有的类似无线可遥控型自动立木整枝机这一类以螺旋攀爬树干方式完成修枝作业的修枝机器［８］，虽然可以切割各种不同大小的枝条，但质量较大，修枝速度也不能太高，否则受离心力的影响容易造成树干晃动；带有节能链锯驱动器的修枝机器人［１０］可以切割各种不同大小的枝条，但作业速度太慢；ａｄｖａｌｉｇｎｏＰＡＴＡＳ［１１－１２］具有很高的工作效率，但质量较大，单切割头部分就达５０ｋｇ㊂以开发具有快速修枝和轻巧结构的修枝机为目标，本研究设计了一种沿着树干竖直爬升并在爬升过程中利用修枝刀片完成修枝作业的桉树爬树修枝机㊂该机主要
由修枝装置和攀爬装置组成，其本身不带动力源而
是通过电源线与动力源相连接，采用这种与动力源
菜圃煎蛋
分开的结构设计使得桉树爬树修枝机具有轻巧的
结构，质量仅为９．８ｋｇ，并且具有较高的作业速度，
最高作业速度可达２．７９ｍ／ｓ㊂物理样机试验测试
表明，该机具有较好的攀爬性能，能够顺利切割直
径在１０ｍｍ以内的枝条，切割直径更大的枝条则
可通过进一步增加攀爬装置的夹紧力来实现㊂
１㊀桉树爬树修枝机的构造及工作原理桉树爬树修枝机仅是一个完整的修枝机械的
主要部分  作业部分，自身并不能单独工作，工
作时需与控制器㊁电源线㊁移动电源和手持遥控器
进行组合才能完成修枝作业，其工作示意图和结构
图如图１所示㊂其中控制器安装在桉树爬树修机
上并与移动电源通过电源线相连；移动电源为汽油
机驱动且输出电压为２４Ｖ的直流电发电机；手持
遥控器为操控装置，用于发送信号控制桉树爬树修
枝机以完成修枝作业㊂桉树爬树修枝机主要由机
架㊁修枝装置（主要包括活动刀片㊁固定刀片㊁活动
刀片开合驱动机构㊁电动推杆）和攀爬装置（主要
包括驱动电机㊁减速器㊁驱动轮㊁从动轮㊁驱动轮开
合驱动机构㊁电动推杆）组成，其本身不配备驱动
源，而采用电源线与驱动源进行相连㊂这种设计方
式可以减轻桉树爬树修枝机的质量，使其在爬树修
枝过程中获得较高的爬升速度，并且利用这种较高
的爬升速度所具有的动能将枝条剪切下来㊂
工作时，先操纵手持遥控器使活动刀片（３）和
驱动轮（１）分别在各自的电动推杆（７和９）的推动
下通过开合驱动机构（８和２）同时张开；再通过人
工将桉树爬树修枝机移动到树干底部使张开的活
我被青春撞了一下腰歌词
动刀片（３）和驱动轮（１）卡入树干，接着操纵手持
遥控器使活动刀片（３）和驱动轮（１）同时闭合以夹
紧树干；最后操纵手持遥控器使驱动轮（１）转动从
而使桉树爬树修枝机沿着树干往上爬升㊂当桉树
爬树修枝机继续爬升，直到活动刀片（２）或者定刀
片（５）与树枝相遇时，桉树爬树修枝机则利用爬升
过程中获得的动能将树枝从树干上剪切下来从而
９４１
林业工程学报第６卷
完成修枝作业㊂修完树枝后，操纵手持遥控器使驱金婚是多少年
动轮反向转动使桉树爬树修枝机沿着树干下落回
到地面，从而完成１株林木的修枝工作
㊂
１．驱动轮；２．驱动轮开合驱动机构；３．活动刀片；４．驱动电机；５．固定刀片；６．机架；７．电动推杆；
８．活动刀片开合驱动机构；９．电动推杆；１０．减速器；１１．从动轮㊂
图１㊀桉树爬树修枝机的工作示意图和结构图
Ｆｉｇ．１㊀Ｗｏｒｋｓｃｈｅｍａｔｉｃａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｐｒｕｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ
２㊀桉树爬树修枝机的结构设计２．１㊀攀爬装置的设计
中国最美古诗词２．１．１㊀攀爬装置的结构设计
桉树作为一种速生林木，其树干的通直度通常比其他林木高㊂为了能够快速修枝，桉树爬树修枝机的攀爬装置采用两个対置分布的驱动轮作为攀爬驱动机构，使得修枝机可以沿着树干直接往上爬升㊂攀爬装置主要由左驱动轮㊁左轮架㊁左连杆㊁左减速器㊁左无刷电机㊁右驱动轮㊁右轮架㊁右减速器拉杆㊁右无刷电机㊁右连杆㊁推拉杆㊁电动推杆㊁上从动轮㊁下从动轮组成，如图２所示
㊂
１．左驱动轮；２．左轮架；３．左连杆；４．右驱动轮；５．右轮架；
６．右减速器；７．右无刷电机；８．右连杆；９．推拉杆；
１０．电动推杆；１１．左无刷电机；１２．左减速器㊂
图２㊀攀爬装置的结构图（上㊁下从动轮未画出）
Ｆｉｇ．２㊀Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｌｉｍｂｉｎｇｄｅｖｉｃｅ（ｗｉｔｈｏｕｔｕｐｐｅｒｄｒｉｖｅｎｗｈｅｅｌａｎｄｌｏｗｅｒｄｒｉｖｅｎｗｈｅｅｌ）２．１．２㊀攀爬装置的受力分析
１）受力分析图㊂从动轮的结构尺寸和质量较小，其转动惯量忽略不计，则攀爬装置在攀爬树木
的过程中，其受力分析图如图３所示㊂图３ａ中，ＯＲ和ＯＬ为固定于机架的销轴轴心；Ｏ为树干与从动轮的接触点；ＯＲ㊁ＯＬ㊁Ｏ３点保持固定不动；Ｑᵡ和Ｑ分别为树干与左㊁右驱动轮的接触点；Ｏᶄ为树干的
中心；Ｒ为树干的半径；Ｎ１㊁Ｎ２分别为左㊁右驱动轮与树干的正压力，Ｎ３为树干与上下两个从动轮的正压力合力；Ｆ为电动推杆的拉力；γ为Ｎ２与桉树爬树修枝机对称线的夹角；Ｌ１为ＯＲ和ＯＬ两点之间的距离；Ｌ２为从动轮外缘到点ＯＲ的距离㊂图３ｂ中，Ｎᶄ３和Ｎᵡ３分别为树干与上从动轮和下从动轮的正压力；Ｎ４为动刀片与树干的正压力；Ｑᵡ为树干与左驱动轮的接触点；Ｏ１和Ｏ２分别为树干与上㊁下从动轮的接触点；Ｆｆ为左驱动轮和右驱动轮与树干之间的总摩擦力；ｍ为桉树爬树修枝机的质量；ｇ为重力加速度；ａ为桉树爬树修枝机的加速度；μｒ为从动轮与树干之间的滚动阻力系数；μᶄｒ为驱动轮与树干之间的滚动阻力系数；μｄ为动刀片与树干之间的滑动摩擦系数；Ｑᵡ到Ｏ１和Ｑᵡ到Ｏ２的距离在竖直面上的投影同为Ｌ４；桉树爬树修枝机的重心到树干边缘的距离为Ｌ５；Ｌ６为动刀片与树干接触点到树干与上从动轮的接触点的竖直距离㊂图中Ｎ４和Ｎᶄ３不能同时存在，即当Ｎᶄ３为正值时，Ｎᶄ３充当有效力，此时Ｎ４不存在；当Ｎᶄ３为负值时，此时，Ｎ４充当有效力，Ｎᶄ３不存在㊂桉树爬树修枝机在正常的工作条件下，其动刀片不应该与树干存在接触力，因此，在进行力学分析时，假设Ｎᶄ３为正值，即Ｎᶄ３充当有效力，Ｎ４不存在㊂
０５１
㊀第２期郑贤，等：
桉树爬树修枝机的设计与测试
图３㊀攀爬装置的受力分析图
Ｆｉｇ．３㊀Ｆｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｌｉｍｂｉｎｇｄｅｖｉｃｅ
㊀㊀２）γ角的计算㊂假设树干截面为正圆，由于桉树爬树修枝机是对称的，则Ｎ２与桉树爬树修枝机对称线的夹角也等于γ㊂为求出γ，过点ＯＲ作一条平行于驱动轮外沿线的辅助线ＯＲＱᶄ与Ｎ２的作用线相交于点Ｑᶄ，Ｑ和Ｑᶄ两点之间的距离为Ｌ３，以点Ｏ为原点，建立如图３ａ所示的坐标系，则Ｑᶄ的坐标为（－Ｒ，０），ＱＲ的坐标为（Ｌ２，Ｌ１／２），由此可得：
øＯＲＯᶄＯ＝ａｒｃｔａｎ
Ｌ１／２
Ｒ＋Ｌ２（１）
øＯＲＯᶄＱᶄ＝ａｒｃｃｏｓＲ－Ｌ３
（Ｒ＋Ｌ２）２
＋（Ｌ１／２）
２
（２）
则：
γ＝１８０ʎ－øＯＲＯᶄＯ－øＯＲＯᶄＱᶄ＝
１８０ʎ－ａｒｃｔａｎ
Ｌ１／２Ｒ＋Ｌ２
－ａｒｃｃｏｓＲ－Ｌ３
（Ｒ＋Ｌ２）２＋（Ｌ１／２）２（３）
３）水平面上的力平衡分析㊂以攀爬装置为对
象进行力平衡分析，由ðＦｙ＝０，得：Ｎ２ｃｏｓγ－Ｎ１ｃｏｓγ＝０
（４）即：
Ｎ２＝Ｎ１
（５）
以右驱动轮㊁右轮架㊁右连杆㊁右减速器㊁右无刷
电机作为一个整体进行力平衡分析，由ðＭＯＲ＝０，得：
Ｆ２ˑＬ１２
－Ｎ２ˑＬＯＲＱᶄ＝０（６）
式中，ＬＯＲＱᶄ为ＯＲ和Ｑᶄ两点之间的距离㊂
由几何关系，得：ＬＯＲＱᶄ＝（Ｒ＋Ｌ２）２＋（Ｌ１／２）２－（Ｒ－Ｌ３）２
（７）令Ｎ２＝Ｎ１＝Ｎ，并将式（７）代入式（６），得：Ｎ＝
ＦＬ１
４（Ｒ＋Ｌ２）２＋（Ｌ１／２）２－（Ｒ－Ｌ３）２
（８）由ðＦｘ＝０，得：
Ｎ３－２Ｎｃｏｓγ＝０
（９）
４）竖直面上的力平衡分析㊂由Ｎ３为树干与
上下两个从动轮的正压力合力，得：
Ｎᶄ３＋Ｎᵡ３
＝Ｎ３（１０）
由ðＭＱᵡ＝０，得：
Ｎᵡ３ˑＬ４－μｒＮᶄ３＋μｒＮᵡ３()ˑＲ（１＋ｃｏｓγ）－Ｎᶄ３
ˑＬ４－（ｍｇ＋ｍａ）ˑＬ５＋Ｒ（１＋ｃｏｓγ）[]＝０（１１）
综合式（９）㊁式（１０）和式（１１），求得：
Ｎᵡ３
＝Ｎｃｏｓγ＋２μｒＮＲ（１＋ｃｏｓγ）ｃｏｓγ＋（ｍｇ＋ｍａ）ˑＬ５＋Ｒ（１＋ｃｏｓγ）[]
２Ｌ４
（１２）综合式（９）㊁式（１０）和式（１２），求得：
Ｎᶄ３
＝Ｎｃｏｓγ－２μｒＮＲ（１＋ｃｏｓγ）ｃｏｓγ＋（ｍｇ＋ｍａ）ˑＬ５＋Ｒ（１＋ｃｏｓγ）[]
２Ｌ４
（１３）由于Ｎᶄ３不可能小于０，因此：
Ｎｃｏｓγȡ
２μｒＮＲ（１＋ｃｏｓγ）ｃｏｓγ＋（ｍｇ＋ｍａ）ˑＬ５＋Ｒ（１＋ｃｏｓγ）[]
２Ｌ４
（１４）
１
５１
林业工程学报第６卷
将式（８）代入式（１４），得电动推杆的拉力Ｆ所要满足的条件为：
Ｆȡ
２（ｍｇ＋ｍａ）Ｌ５＋Ｒ（１＋ｃｏｓγ）[]
（Ｒ＋Ｌ２）２＋（Ｌ１／２）２－（Ｒ－Ｌ３）２
Ｌ１［Ｌ４ｃｏｓγ－μｒＲ（１＋ｃｏｓγ）ｃｏｓγ］
（１５）㊀㊀由ðＦｚ＝０，得：
Ｆｆ－２μᶄｒＮ－μｒＮᶄ３－μｒＮᵡ３－ｍｇ－ｍａ＝０（１６）将式（１２）和式（１３）代入式（１６），求得：
㊀Ｆｆ＝２μᶄｒＮ＋２μｒＮｃｏｓγ＋ｍｇ＋ｍａ（１７）为避免驱动轮打滑，驱动力应满足如下关系：
Ｆｆɤ２μＮ
（１８）
式中：μ为驱动轮与树干之间的静系数㊂
当电动推杆的拉力Ｆ为定值时，将式（８）和式
（１７）代入式（１８），得到驱动轮不打滑时，驱动轮与树干之间的静系数μ所要求满足的条件：μȡ
ＦＬ１（μᶄｒ
＋μｒｃｏｓγ）＋２（ｍｇ＋ｍａ）（Ｒ＋Ｌ２）２＋（Ｌ１／２）２－（Ｒ－Ｌ３）２
ＦＬ１
（１９）
㊀㊀当μ为定值时，即驱动外层的材料不变时，对式（１９）进行整理，得到驱动轮不打滑，电动推杆的
拉力Ｆ所要求满足的条件为：
Ｆȡ
２（ｍｇ＋ｍａ）
（Ｒ＋Ｌ２）２＋（Ｌ１／２）２－（Ｒ－Ｌ３）２
Ｌ１（μ－μᶄｒ
＋μｒｃｏｓγ）（２０）
㊀㊀由前述可知，电动推杆的拉力还需满足式（１５），因此，为了使驱动轮不打滑，电动推杆的拉
力应该满足：
Ｆȡｍａｘìî
íïïïï
２（ｍｇ＋ｍａ）Ｌ５＋Ｒ（１＋ｃｏｓγ）[]（Ｒ＋Ｌ２）２＋（Ｌ１／２）２－（Ｒ－Ｌ３
）２
Ｌ１Ｌ４ｃｏｓγ－μｒＲ（１＋ｃｏｓγ）ｃｏｓγ[]，
２（ｍｇ＋ｍａ）
（Ｒ＋Ｌ２）２＋（Ｌ１／２）２－（Ｒ－Ｌ３）２Ｌ１（μ－μᶄｒ＋μｒ
电脑系统安装步骤ｃｏｓγ）ü
þ
ý
ïï
ïï（２１）
２．２㊀修枝装置的设计
２．２．１㊀刀片倾角的确定
修枝装置作为切割枝条的主要部分，其设计
的关键在于降低切割阻力㊂由文献［１３］可知，刀具沿不同的方向对由纤维构成的物料进行切割，其切割阻力有很大的差异，其中以滑切较为省力㊂修枝装置对桉树枝条的滑切是以３片刀片在其圆柱轮廓面上具有一定的倾角来实现的，如图４所示㊂以左动刀片切割树枝为例，当桉树爬树修枝机以速度ｖ往上爬升时，左动刀片以速度ｖ与树枝相遇，此速度可以分解为滑切速度ｖ１和正切速度ｖ２，若左动刀片在其圆柱轮廓面上具有的倾角为β，则ｖ１＝ｖｓｉｎβ，该倾角β越大，滑切速度ｖ１也越大，对应的，刀片对枝条的滑切作用也越强㊂因此，为了降低切割阻力，设计时应使修枝装置的３片刀片在其圆柱轮廓面上具有一定的倾角㊂考虑到定刀片和动刀片倾角的增大会影响桉树爬树修枝机
的结构布置和总体质量，在设计时取定刀片的倾角α＝１０ʎ，动刀片的倾角β＝１２ʎ，如图５和图６所示
㊂
图４㊀修枝装置对枝条的滑切分析
Ｆｉｇ．４㊀Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｓｌｉｄｉｎｇｃｕｔｔｉｎｇｏｆｂｒａｎｃｈｅｓ
ｂｙｔｈｅｐｒｕｎｉｎｇ
ｄｅｖｉｃｅ
图５㊀定刀片的结构图
Ｆｉｇ．５㊀Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｒａｗｉｎｇｏｆｔｈｅｆｉｘｅｄｂｌａｄｅ２
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