多功能森林抚育伐木头的机械设计与专利挖掘

摘要

一方面，我国森林资源紧缺，森林抚育工程越来越得到国家、地区政府的大力支持，然而欧美伐木头不适合我国的抚育采伐，国内的抚育采伐工具功能单一、效率低下。另一方面，过去30年，中国知识产权的发展成就卓越，现已跻身成为世界最大的知识产权生产国，但是机械领域的研究设计一般止步于研究成果的完成阶段，缺少对研究成果进行专利挖掘的内容，大多数学术科研者缺少对研究成果的专利挖掘能力，不能自主提炼创新点进行专利申请，此外当前国内关于森林抚育伐木头的专利甚少。因此，设计一种适合我国林区的多功能森林抚育伐木头并且对其进行专利挖掘具有重要意义。
　　主要研究内容:(1)结构参数设计:经过对国内外采伐机械的研究，总体设计多功能森林抚育伐木头的整体结构、性能特点、功能原理。通过对抚育林区的测量，确定伐倒木的参数。运用一般步骤和类比方法对主要结构和整体参数进行设计。(2)建立虚拟样机:先根据多功能森林抚育伐木头的参数，使用PRO/ENGINEER Wildfire5.0建出零部件模型，然后把零部件模型装配成虚拟样机，最后使用KeyShot对本设计进行渲染。(3)运动分析:对多功能森林抚育伐木头的主要零部件进行速度、加速度分析，得出分析结论，同时计算各个零部件的摆角范围和活动空间(4)有限元分析:推算U形架四面体单元的位移函数、应变与应力函数、刚度矩阵方程、等效节点力函数，然后对U形架进行静力分析，输出应力云图和位移云图，校核其强度和刚度。(5)专利挖掘:使用创新点发现法对多功能森林抚育伐木头进行专利挖掘，分别获得进料辊、辅助夹抱装置、传动片的设计内容和专利文件。
　　研究结果表明:(1)多功能森林抚育伐木头的结构满足设计要求。(2)虚拟样机具有与物理样机相当的功能真实度，并且能够进一步运动分析;产品效果图能表达设计思想，达到照片级输出的要求。(3)多功能森林抚育伐木头各装置的工作状况、摆角范围、活动空间能实现所需功能，并且模拟过程验证了抚育采伐具有可行性。(4)U形架四面体单元是合理的有限元单元;U形架受到的最大节点应力是132MPa，小于许可屈服强度161.4MPa，满足强度要求;U形架的最大节点位移仅仅为0.959mm，数值接近于0，显然满足刚度要求。(5)经过专利挖掘，进料辊增大与伐倒木的接触面积，提高夹抱稳定性，添加缓冲装置，提高进料稳定性，并被授予专利权（专利号:ZL201420178943.9）;辅助夹抱装置添加关节式爪具，一次作业循环能针对多棵小树完成抚育工作，提高工作效率，并被授予专利权（专利号:ZL201420732599.3）。(3)传动片熔合硬质金属构件，提高了通孔及其顶部的强度和耐磨性，并被授予专利权（专利号:ZL201520201508.8）。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的及意义

1．3 国内外森林采伐装备的研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 主要研究内容

1．5 研究技术路线

1．6 创新点

1．7 本章小结

2 多功能森林抚育伐木头的结构设计

2．1 总体方案设计步骤及内容

2．1．1 设计步骤

2．1．2 设计内容

2．2 多功能森林抚育伐木头的总体参数

2．2．1 作业要求

2．2．2 运动功能的特性

2．2．3 自由度

2．3 森林抚育林区测量分析

2．4 夹抱除枝刀的结构设计

2．4．1 特征

2．4．2 结构设计

2．5 进料辊的结构设计

2．5．1 特征

2．5．2 辊的参数

2．6 测量轮的结构设计

2．7 链锯的结构设计

2．7．1 链锯选型

2．7．2 锯导板的选型

2．7．3 锯链的选型

2．7．4 传动片的齿廓优化

2．8 多功能森林抚育伐木头整体参数

2．9 本章小结

3 多功能森林抚育伐木头的建模装配及渲染

3．1 CAD设计介绍

3．2 Pro／ENGINEER软件

3．2．1 简介

3．2．2 建模方法和准则

3．3 多功能森林抚育伐木头的建模

3．3．1 主体架建模

3．3．2 夹抱除枝刀和大圆弧除枝刀建模

3．3．3 进料辊建模

3．3．4 链锯建模

3．3．5 其他建模

3．4 多功能森林抚育伐木头的装配

3．4．1 进料辊的装配

3．4．2 链锯的装配

3．4．3 测量轮的装配

3．4．4 液压缸的装配

3．4．5 整体的装配

3．5 多功能森林抚育伐木头的渲染

3．5．1 渲染及KeyShot简介

3．5．2 KeyShot渲染过程

3．6 本章小结

4 多功能森林抚育伐木头的运动分析

4．1 运动分析简介

4．2 多功能森林抚育伐木头初始状态

4．3 主体架

4．3．1 总体运动特征

4．3．2 运动学分析

4．4 夹抱除枝刀

4．4．1 总体运动特征

4．4．2 运动学分析

4．5 进料辊

4．5．1 总体运动特征

4．5．2 运动学分析

4．6 大圆弧的运动分析

4．7 链锯的运动分析

4．8 测量轮的运动分析

4．9 运动包络和摆角总结

4．10 抚育采伐仿真模拟

4．11 本章小结

5 多功能森林抚育伐木头的有限元分析

5．1 ANSYS软件

5．1．1 简介

5．1．2 典型分析过程

5．2 有限元分析对象的确定

5．3 U形架的四面体单元的理论分析

5．3．1 单元的位移函数

5．3．2 单元的应变与应力

5．3．3 单元的刚度矩阵

5．3．4 单元的等效节点力

5．4 U形架的有限元静力分析

5．4．1 静力分析基础

5．4．2 材料确定

5．4．3 单位类型

5．4．4 导入模型

5．4．5 网格划分

5．4．6 约束载荷

5．4．7 分析结果

5．5 本章小结

6 多功能森林抚育伐木头的专利挖掘

6．1 专利挖掘

6．1．1 概述

6．1．2 总体要求

6．1．3 方法

6．2 专利文件基础

6．2．1 专利文件组成

6．2．2 权利要求书撰写方法

6．3 多功能森林抚育伐木头的专利挖掘

6．4 提取伐木头的创新点

6．5 进料辊的专利挖掘

6．5．1 设计发明内容

6．5．2 专利文件撰写分析

6．6 U形架的专利挖掘

6．6．1 发明内容

6．6．2 权利要求书

6．7 传动片的专利挖掘

6．7．1 发明内容

6．7．2 权利要求书

6．8 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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