多功能联合采伐机平顺性研究及动力学仿真

论文摘要

本论文是在“十一五”国家科技支撑计划项目——多功能林木采育作业关键技术装备研究与开发项目的基础上完成的,是此课题研究的一部分。随着轻工业不断发展,轻工业对木材需求量越来越大,仅靠我国现有的采伐机械和设备已经不能满足这样的需求。许多发达国家已经大量使用多功能联合采伐机械,但国内仍未有此类联合采伐机械投入使用。国外多功能联合采伐机械价格昂贵且不适于国内木材生产,因此,课题组研制了首台适用于国内林区采伐作业的采伐机械——多功能联合采伐机。多功能联合采伐机的研制对于提高木材生产效率,降低工人劳动强度具有一定的意义。多功能联合采伐机是集伐木、打枝、造材等功能为一体的智能联合采伐装备。多功能联合采伐机在林地间行进和作业时由于多种原因必然会产生振动。因此,本文首次理论推导出多功联合采伐机行进时的平顺性模型,并且建立了多功能联合采伐机多体动力学模型,对其在不同工况下的运动状态进行仿真,为多功能联合采伐机优化设计提供理论依据。本文首先介绍了国内外采伐机械研究应用的现状,着重探讨了国外几家大公司的联合采伐机械的研究发展现状。多功能联合采伐机具有与普通工程车辆类似底盘结构,因此,为了研究多功能联合采伐机的平顺性,本文对近年来年车辆振动研究概况进行了全面的综述。介绍了多功能联合采伐机的结构,分析了多功能联合采伐机的工作原理,以及它的振动来源。在一些合理的理论简化和条件假设下,建立了多功能联合采伐机的5自由度的振动力学模型。模型主要以多功能联合采伐机外部振源作为振动激励。根据所建立的振动力学模型,运用第二拉格朗日方程理论推导出多功能联合采伐机行进时的振动微分方程。根据振动微分程的矩阵形式,在Matlab＼Simulink环境下采用子系统结构嵌套的方式编制了五自由度振动系统通用的仿真求解模型。五自由度振动系统写成矩阵形式后便可由此模型仿真求解。将多功能联合采伐机的参数采用集中输入方式输入模型,经计算得到多功能联合采伐机振动模型各变量的加速度、速度曲线。经分析,地面激励产生的振动在轮胎和座椅的减振作用下得到了大幅度衰减,但人椅系统的振动频率部分为低频。本文还以Mechanism/Pro模块作为桥梁,将三维设计软件Pro/E和多体动力学分析软件ADAMS协同使用,发挥各自的优点,建立了多功能联合采伐机多体动力学模型。在ADAMS环境中,对多功能联合采伐机在直线行驶、三角凸块激励、伐根激励和驻车作业时运动状态进行了模拟仿真,得到了多功能联合采伐机在不同工况下的运动状态。轮胎和座椅对产生的振动有较好的抑制作用,但人体的瞬时速度和加速度都比较大。可以通过给驾驶增加减振系统和调节座椅刚度和阻尼提高整机的减振性能。多功能联合采伐机五自由振动模型的仿真求解和多体动力学模型的模拟仿真相互映证,映证了多功以联合采伐机动力学模型和振动的模型的合理性。同时,仿真结果对多功能联合采伐机的改进提供了有力的依据。本文对多功能联合采伐机振动模型和仿真模型的建立、对模型仿真求解的方法也对解决类似林业机械振动问题提供了参考和借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外采伐机械现状
• 1.2.1 国内采伐机械现状
• 1.2.2 国外采伐机械现状
• 1.3 车辆振动研究综述
• 1.3.1 车辆车身振动特性的研究
• 1.3.2 车辆动力传动系扭转振动的研究
• 1.3.3 车辆耦合振动的研究
• 1.4 本文的研究内容
• 2 振动建模基础理论
• 2.1 振动模型及运动微分方程
• 2.1.1 单自由度振动系统
• 2.1.2 多自由度振动系统
• 2.2 振动微分方程的建立方法
• 2.3 多刚体动力学理论
• 2.3.1 第二类拉格朗日方程
• 2.3.2 系统动能和广义力
• 2.4 本章小结
• 3 多功能联合采伐机结构分析
• 3.1 多功能联合采伐机总体结构
• 3.2 多功能联合采伐机底盘
• 3.2.1 多功能联合采伐机发动机
• 3.2.2 多功能联合采伐机传动系
• 3.2.3 多功能联合采伐机行走系
• 3.3 多功能联合采伐机机械臂
• 3.4 多功能联合采伐机伐木头
• 3.5 本章小结
• 4 多功能联合采伐机振源分析及平顺性建模
• 4.1 多功能联合采伐机振源分析
• 4.1.1 多功能联合采伐机工作原理
• 4.1.2 多功能联合采伐机振源分析
• 4.1.3 振动对多功能联合采伐机的影响
• 4.2 平顺性模型简化和假设
• 4.3 多功能联合采伐机力学模型建立
• 4.3.1 多功能联合采伐机振动自由度分析
• 4.3.2 多功能联合采伐机的振动力学模型
• 4.4 多功能联合采伐机平顺性模型建立
• 4.4.1 振动微分方程建立方案
• 4.4.2 平顺性模型建立准备
• 4.4.3 多功能联合采伐机振动微分方程建立
• 4.5 本章小结
• 5 多功能联合采伐机平顺性模型分析求解
• 5.1 实模态分析
• 5.1.1 振动模型三个矩阵的分析
• 5.1.2 固有频率与主振型的求解
• 5.2 传递函数求解
• 5.3 模型求解
• 5.3.1 路面仿真模型的建立
• 5.3.2 平顺性模型求解
• 5.3.3 结果与分析
• 5.4 本章小结
• 6 多功能联合采伐机多体动力学仿真
• 6.1 多功能联合采伐机三维设计
• 6.1.1 三维设计方法在机械设计中的应用
• 6.1.2 多功能联合采伐机Pro/E模型的建立
• 6.2 ADAMS软件简介
• 6.2.1 基本模块
• 6.2.2 分析过程及基本算法
• 6.3 多功能联合采伐机多体动力学模型建立
• 6.3.1 接口模块的应用
• 6.3.2 建立多功能联合采伐机多体动力学模型
• 6.4 多功能联合采伐机仿真分析
• 6.4.1 行驶过程仿真
• 6.4.2 工作过程仿真
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢