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基於智能化集成系統的直角坐標型切割灌木裝置研製技術應用案例我國灌木收割多以人工砍伐、小型背負式割灌機等小動力割灌機作業為主，計及灌木枝條分散、彈性大等特點，割灌勞動強度大、效率低，且安全性差，工人易受傷，不能滿足大規模割灌作業需求，已經成為制約我國灌木林收割作業及營林撫育健康發展重要因素。

一、應用場景

我國灌木林面積廣，不同灌木生長環境不同，且人工費用逐年增加，於此，迫切需要研製出通過性強、效率高、適合多種灌木收割的多功能機械裝備，解決我國大規模灌木收割平茬問題，提高灌木利用率。2019年在位於小興安嶺地區帶嶺林業實驗局東方紅林場414林班開展試驗。

二、主要解決的問題

該技術有效解決了傳統的圓盤鋸在切割過程中易出現夾鋸和鋸片過熱變形造成的灌木切割端面粗糙，不利於灌木復壯等問題，有效解決我國大規模灌木收割平茬問題，提高灌木 利用率。

三、技術要點

基於智能化集成系統的直角坐標型切割灌木裝置與林業特種車配套在環境複雜的叢林進行切割灌木作業，以期實現其高效割灌平茬、圖像定向識別定點，規劃避讓喬木路徑、隨動拾取收集灌條、灌條綑紮並轉拋等主要功能。切割裝置設計成可隨地形調節的多片類行星型齒刀聯動旋轉切割平台。並在此基礎上模擬刀盤切割灌木動態過程，分析刀盤切割性能，探究切割過程中切割力和切割功率的瞬態時變規律。

1. 智能化集成系統的直角坐標型切割灌木裝置機械結構總體設計

切割裝置呈左右對稱結構，形成兩套同步協作的切割機構，如圖1所示。主要包括收攏臂、夾持臂、行星齒輪傳動機構、類行星型齒刀和車架。收攏臂通過軸安裝在機架上，通過推杆傳動，可繞軸旋轉一定的角度。夾持臂安裝在機架上，電動滑軌可沿機架X軸向移動一定距離，類行星型齒刀動力來源於履帶拖拉機，傳動機構採用二級功率分支行星齒輪傳動，形成一個完整可繞中心軸旋轉一定角度的切割結構。1.png2.png

2. 多片類行星型齒刀聯動旋轉切割平台系統設計

避免傳統圓盤鋸在切割過程中易出現夾鋸和鋸片過熱變形等缺點，設計類行星型割刀，上下齒刀架通過螺栓固定鋸片和墊塊形成一個整體結構。

3. 類行星型齒刀切灌路徑規劃設計

在以往的研究中，大部分的割灌、平茬切割裝置採用的是無收攏扶持的切割，這種切割方式將刀盤固定在設備的前部，刀盤在電機帶動下高速轉動，割灌車整體前進運動作為進給速度，然後對運行軌跡上的直立灌木進行切割。本設計切割部位結構，通過收攏臂和夾持臂的協同作用，對灌木進行收攏和夾持，電機以一定的轉速帶動類行星型齒刀旋轉，切割臂以一定的速度繞軸轉動，施於類行星型齒刀一定的進給速度，完成灌木切割。切割部位的運作範圍如圖2所示。收攏臂在電推的作用力下可繞軸旋轉的最大角度是50º，夾持臂可隨電動滑軌運動最大距離為500mm，切割臂在電推杆的推力下帶動電機和類行星型齒可繞軸運轉的最大角度為90º。

4. 割灌瞬態數值仿真分析

切割過程是較為複雜的力學過程，很難通過計算求得某一時刻切削力的大小，基於LS-DYNA大變形/位移量的仿真軟件對切割過程進行仿真分析，對齒刀的切削性能進行分析。灌木枝條則採用一定直徑和高度的圓柱體代替，忽略灌木枝幹和直徑沿軸向變化，有林區調查灌木直徑在10 ~40mm之間，高度在1.5m ~3m之間，灌木直徑定為30mm，高度定為1.8m。類行星型齒刀繞軸心以角速度旋轉，切割臂推動下以進給速度向灌木靠近，並保持切割平面與灌木枝幹保持垂直，齒刀盤高速旋轉與灌木枝杆接觸，實際切割過程比較複雜，將切割齒刀受力簡化為切向力、徑向力和軸向力。

5. 基於灌木物理特性的首台樣機綜合性能評價研究

試驗區域位於小興安嶺地區帶嶺林業實驗局東方紅林場414林班，林分類型為天然針闊混交次生林。在試驗場地內規劃出20m×20m樣地，記錄每個樣地的灌木種類及對應的數量。設定割灌傳動裝置處於最大承載工況，此時負載將達到最大。考慮鋸片最大主鋸切力及最大法向鋸切力，分析最大承載工況割灌傳動裝置運行參數。

四、應用成效

該技術應用既能提升其割灌速度和割後灌條平整度，又有效地減少人工作量，改善工作條件，並提高生產效率且減少對環境的破壞，具有較大的市場潛力和應用價值。

五、適用範圍

主要適用於丘陵和沙地等環境惡劣地區灌木林，例如我國東北地區和西北地區等。