小型液壓挖樹機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

趙德金 郭艷玲 李志鵬 周杰

（1.東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040；2.延邊大學(xué)，吉林延吉 133002）お

摘要 液壓挖樹機(jī)采用液壓作為動(dòng)力完成挖樹，舉升帶土球樹木以及栽樹等過程，能有效提高樹木移栽效率、樹木成活率和降低成本。利用三維CAD軟件Creo2.0對(duì)挖樹機(jī)挖樹裝置機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并且對(duì)挖樹鏟部件挖樹過程和起苗過程的受力情況作了分析，最后使用ansys-workbench進(jìn)行求解，為今后該機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 液壓；挖樹機(jī)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) SB776.24+6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 0517-6611（2014）19-06448-04

Design and Research of the Small瞫ized Tree Spade

ZHAO De瞛in, GUO Yan瞝ing et al

(Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040; Yanbian University, Yanji, Jilin 133002)

Abstract Hydraulic tree spade adopts hydraulic pressure as power to complete digging, lifting and transplanting a tree which can effectively improve the survival rate of trees, efficiency of tree transplant and reduce the cost of tree transplant. The tree spade was designed with three瞕imensional modeling software of Creo2.0. The force data of the spade while digging and lifting a tree dug by the tree spade was calculated through formula, and then the spade was analyzed with ansys瞱orkbench. The result can provide the basis for the structural design of the machine and parameters optimization.

Key words Hydraulic; Tree spade; Design

基金項(xiàng)目 國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目（2011421）。

作者簡(jiǎn)介 趙德金（1975- ），男，在讀博士生，研究方向：林業(yè)工程自動(dòng)化。

*通訊作者，教授，博導(dǎo)，美國(guó)密歇根大學(xué)研修生，從事機(jī)電一體化、特種加工技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)研究。

收稿日期 20140521

改善中國(guó)城市環(huán)境質(zhì)量，依然是中國(guó)當(dāng)前和今后面臨的問題。樹在城市綠化中起著關(guān)鍵的作用，近年來中國(guó)城市的綠化面積明顯提高，而中國(guó)的園林機(jī)械發(fā)展相對(duì)滯后，目前大多城市綠化工作依然主要依靠人力完成。造成綠化勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，成本高。隨著勞動(dòng)力短缺問題的加劇，采用挖樹機(jī)械進(jìn)行樹木移植的技術(shù)已成為中國(guó)今后樹木移植的主要發(fā)展趨勢(shì)。該文研究的挖樹機(jī)械與拖拉機(jī)配套使用，采用液壓作為動(dòng)力完成挖樹，舉升樹和樹根土球、運(yùn)輸以及栽樹等全過程，能有效的提高挖樹效率和降低樹木移植的成本［1-3］。

1 國(guó)內(nèi)外挖樹機(jī)的類型和研究現(xiàn)狀

1.1 樹木移植機(jī)的類型

樹木移植機(jī)種類很多，具體分類方法如果按挖掘鏟的形狀可分為直鏟式、弧形鏟式、U形鏟和半圓球形鏟。按照鏟的數(shù)量可分為兩鏟式、三鏟式、四鏟式和六鏟式。

1.2 國(guó)內(nèi)外挖樹機(jī)的研究現(xiàn)狀

國(guó)外挖樹機(jī)械的研究起步早，技術(shù)比較成熟，產(chǎn)品一般與裝載機(jī)、汽車、拖拉機(jī)等動(dòng)力機(jī)械配套使用，制造樹木移植機(jī)械的公司有美國(guó)Big睯ohn公司、加拿大Holt Tree Spades公司、加拿大Lemar Tree Spades公司、加拿大的Dutchman Industries公司、德國(guó)的Optimal公司，還有荷蘭的Damcon公司。另外俄羅斯和日本也制造了先進(jìn)的樹木移植機(jī)械［4-9］。

在國(guó)內(nèi)，樹木移植機(jī)研究工作大約在20世紀(jì)70年代末期，20世紀(jì)80年代北京林業(yè)大學(xué)顧正平和張英彥對(duì)樹木移植機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。21世紀(jì)初，我國(guó)內(nèi)蒙古赤峰市赤田農(nóng)林機(jī)械制造廠研制的可用于苗圃、園林工程綠化的大樹移栽挖樹機(jī)，江蘇省豐壘果蔬特種機(jī)械研制有限公司也研制出了新型挖樹機(jī)械。

2 挖樹機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作原理

2.1 挖樹機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

該設(shè)計(jì)的這款是與輪式拖拉機(jī)配套使用的小型挖樹機(jī)，挖掘樹木最大土球直徑為60 cm，鏟刀厚度為6 mm，鏟刀入土角為60度。挖樹樹木胸徑為6 cm左右，安裝在拖拉機(jī)后懸掛裝置上。液壓動(dòng)力來源于拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)的齒輪泵。為滿足挖樹鏟動(dòng)力性采用四鏟式結(jié)構(gòu)，挖樹鏟采用直鏟式。

2.2 挖樹機(jī)的工作原理

該小型挖樹機(jī)主要應(yīng)用于苗圃樹木胸徑為60 mm左右的樹木帶土球移栽的一種裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便等特點(diǎn)（圖1）。工作原理主要是整個(gè)裝置懸掛于拖拉機(jī)后懸架機(jī)構(gòu)上，首先開合液壓缸將兩個(gè)活動(dòng)機(jī)架張開，然后操控升降液壓缸將挖樹裝置下降到合適位置移動(dòng)到將要移栽的樹苗根部區(qū)域，閉合兩個(gè)活動(dòng)液壓缸，當(dāng)樹苗處于4個(gè)樹鏟的中心位置時(shí)，操控4個(gè)挖樹鏟液壓缸完成挖樹操作，再次操控升降液壓缸將帶土球的樹抬起，運(yùn)送到指定位置，一般對(duì)于近距離可直接移植到用本機(jī)械挖好的樹坑內(nèi)。對(duì)于遠(yuǎn)距離批量移栽，一般將帶土球樹木放入保護(hù)土球的塑料袋或編制袋中。然后再運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)進(jìn)行移植。

注：1.開合液壓缸；2.鏟刀組件；3.活動(dòng)機(jī)架；4.固定機(jī)架；5.升降機(jī)架；6.升降液壓缸。

圖1 挖樹機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 挖樹機(jī)活動(dòng)機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)控制液壓缸行程的確定

挖樹機(jī)機(jī)架裝圖如圖2所示。挖樹機(jī)開口大小由左右兩個(gè)活動(dòng)機(jī)架繞A和B轉(zhuǎn)動(dòng)完成的，根據(jù)圖2a中的挖樹機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)，建立如圖2（2）所示的坐標(biāo)系XOY，并且以線段的形式代替圖2（1）圖中Y軸右邊的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)坐標(biāo)變換的方法在XOY坐標(biāo)系B（a，b）建立一個(gè)局部坐標(biāo)系xBy，設(shè)D（X，Y）點(diǎn)為挖樹鏟活動(dòng)機(jī)架張開到最大的位置點(diǎn)。那么D（X，Y）在xBy坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為D（x，y），建立XOY坐標(biāo)系中D（X，Y）點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程：

玐=a+x2+y2玞osβ

Y=b+x2+y2玸inβ（1）

設(shè)BD=〗x2+y2=R，那么a，b，R和D（X，Y）坐標(biāo)都是已知量，那么只有β是變量，當(dāng)挖樹機(jī)活動(dòng)鏟從閉合C點(diǎn)張開到D點(diǎn)，利用坐標(biāo)變換通過β在這兩點(diǎn)角度值可以確定液壓缸的H點(diǎn)在液壓缸控制挖樹機(jī)活動(dòng)鏟閉合C點(diǎn)張開到最大D點(diǎn)兩個(gè)坐標(biāo)值，這兩點(diǎn)的距離就是控制活動(dòng)挖樹鏟開合液壓缸的工作行程。

圖2 挖樹機(jī)機(jī)架裝配圖

2.4 挖樹土球和樹的相關(guān)參數(shù)確定

為了研究的方便，對(duì)土球和樹木的參數(shù)采用了近似計(jì)算，由于挖樹機(jī)的實(shí)際作業(yè)環(huán)境土壤情況多變，將土的重度取值為19 kN/m3；樹木生材密度取1 g/cm3；樹干的重力玏璵按樹木直徑都是6 cm近似計(jì)算；整棵樹的重力的大小近似等于樹干重力大小的兩倍。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的三角函數(shù)關(guān)系可確定土球如圖3所示的參數(shù)值如下：

圖3 土球參數(shù)

玂B=OA玹anα=30玹an60=52 cm

獳B=OA/玞osα=30/cos60=60 cm

玍=1 3π（OA）2（OB）=48 984 cm3

玏=γV=0.019×48 984=930.7 N

玍璵=π玶2h=3.14×9×300=8 478 cm3

玏璵=ρg玍璵=1×9.8×10-3×8 478=83.1N

表1 土球和樹木的相關(guān)參數(shù)

OA 土球半徑 cm

OB 土球深度 cm

AB 樹鏟入土長(zhǎng)度 cm

玏 土球重力 N

玍 土球體積 cm3

ρ 樹木生材密度 g/cm3

γ 土的重度 KN/m3

玶 樹木胸徑 cm

玍璵 樹木生材體積 cm3

玥 樹木高度 cm

玏璵 樹主干的重力 N

3 基于Creo2.0軟件的挖樹機(jī)建模

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)使用PTC公司推出的Creo2.0軟件利用前文所述理論和機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)挖樹機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)挖樹鏟曲面建模、實(shí)體建模，機(jī)架設(shè)計(jì)以及液壓缸的設(shè)計(jì)，然后利用Creo2.0軟件的虛擬裝配模塊進(jìn)行對(duì)挖樹機(jī)各零部件進(jìn)行虛擬裝配如圖4（1）是挖樹機(jī)俯視圖。圖4（2）為挖樹機(jī)樹鏟閉合視圖，同時(shí)還可以對(duì)挖樹機(jī)進(jìn)行仿真分析，干涉檢驗(yàn)，確定挖樹機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸的合理性。

圖4 挖樹機(jī)俯視圖

4 挖樹鏟力學(xué)分析及Ansys瞱orkbench求解

4.1 挖樹鏟工作過程受力分析

挖樹機(jī)的主要工作部件是挖樹鏟組件，主要對(duì)挖樹鏟挖樹過程和起樹苗過程挖樹鏟受力情況如圖5所示進(jìn)行分析。首先假定挖樹過程挖樹鏟以勻速運(yùn)動(dòng)并且土壤與挖樹鏟相互作用的基本量，如土壤的重度以及土壤與挖樹鏟的鏟面和切削刃的摩擦系數(shù)μ在整個(gè)挖樹過程中保持不變，挖樹鏟在勻速刺入土壤時(shí)，認(rèn)為液壓缸動(dòng)力與來自挖樹鏟的刺入土壤的剪切破壞阻力相等。在此過程中挖樹鏟受力如圖5（a）所示，受到土壤的重力獹，土壤側(cè)向壓力㏄1，土壤與挖樹鏟正面、反面以及刀刃的摩擦力為μ㎞1、μ㎞2和μ㎞3刀刃受到土壤的壓力N（Nx，Ny，Nz），由于土壤的實(shí)際情況多變，成分復(fù)雜，理論上的計(jì)算方法很難反映農(nóng)機(jī)具與土壤的受力情況的通用公式，目前多采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，挖樹鏟土壤阻力采用經(jīng)驗(yàn)公式［10］：

圖5 挖樹鏟受力分析

P=0.048 23R1.616 9獂1.138 4γ0.755 3猚0.244 7（2）

=（13.927 5+0.563 3×100.024 3β）(kN)

式中：P—下鏟阻力；x—鏟刀下鏟的位移量（m）；γ—土壤容重（g/cm3）；玞—土壤內(nèi)聚力（Pa）；β—鏟刀體圍角的半角（度）；R—土球半徑(cm)。

樹木挖掘工作完成，要進(jìn)行起樹苗的操作，那么挖樹鏟四鏟式從靜止到以一定的速度玍向上移動(dòng)過程中，對(duì)挖樹鏟和與鏟接觸的土球而言在這一過程中的受力分析如圖5（b）所示，樹鏟受到土壤和樹的重力獹，土壤側(cè)向壓力㏄1，土球給挖樹鏟正面摩擦力μ㎞2，挖樹鏟給土球的摩擦力μ㎞2′，土球的慣性力F，土球慣性力對(duì)挖樹鏟產(chǎn)生的反作用力〧′。 以土球?yàn)檠芯繉?duì)象根據(jù)理論力學(xué)達(dá)朗伯原理可以列出土球在垂直方向上力的平衡方程：

N玞osα+F+μN(yùn)2玞os(90-α)-G=0（3）

挖樹鏟工作面所受到土球壓力的作用，由于挖樹鏟在土球的作用下有向外移動(dòng)的趨勢(shì)，所以可以按照土壓力的主動(dòng)土理論近視計(jì)算挖樹鏟所受到的土壓力，如圖6所示挖樹鏟是傾斜的，那么挖樹鏟所受到的土壓力可以看做土球和樹木的重力和圖6AB面受到主動(dòng)土壓力的合力，土球重力利用“2.4”項(xiàng)下方法計(jì)算的數(shù)值來計(jì)算：

圖6 挖樹鏟工作面受力分析

獹=W+W璵=（930.7+2×83.1）/4=0.274 2 kN（4）

AB面受到的主動(dòng)土壓力可按照朗金主動(dòng)土壓力公式計(jì)算：

玴璦=1 2γzK璦-2cK璦（5）

E璦=1 2（H-h0）（γHK璦-K璦（6）

（5）（6）

式中：E璦是靜止土壓力；h0=2c γK璦是拉力區(qū)的高度；p璦是主動(dòng)土壓力強(qiáng)度；z是計(jì)算點(diǎn)的深度；γ是土的容重；H是擋土墻的垂直高度；K璦是主動(dòng)土壓力系數(shù)；c是土的黏┚哿?。?/p>

挖樹鏟所受到的側(cè)壓力強(qiáng)度玴璦按照北京林業(yè)大學(xué)張超波［11］研究的根土復(fù)合體中的土壤和樹根的黏聚力系數(shù)和土壤內(nèi)摩擦角再結(jié)合朗金主動(dòng)土公式（5）計(jì)算發(fā)現(xiàn)p璦<0并且利用公式（6）計(jì)算E璦時(shí)h0>H(AB)的高度，說明根土復(fù)合體改變了土的力學(xué)性能，提高了土的黏聚力系數(shù)，增強(qiáng)了土的抗剪強(qiáng)度，也就是說挖樹鏟在挖樹過程和起苗過程中土壤對(duì)挖樹鏟的側(cè)壓力很小可以忽略，說明挖樹鏟在挖樹和起苗過程中主要受到土球樹木的重力的作用。另外土壤和金屬材料的黏附和摩擦大約占土壤切削總能量的30%~50%［12］。挖樹鏟刀刃的厚度也對(duì)土壤切削阻力產(chǎn)生較大的影響。

4.2 Ansys瞱orkbench對(duì)挖樹鏟挖樹過程受力求解

挖樹鏟材料采用nm500耐磨鋼板，彈性模量獷=2.06×1011狽/m2；密度ρ=7.85×103 kg/m3，屈服強(qiáng)度δ璼=1 000 MPa；泊松比0.3。

圖7 挖樹鏟模型

挖樹鏟起苗過程中液壓缸的動(dòng)力加載剛開始時(shí)，挖樹鏟受到土球和樹苗重力和他們的慣性力的沖擊作用。下面利用Ansys workbench對(duì)這一過程進(jìn)行瞬間動(dòng)力學(xué)分析。瞬間動(dòng)力學(xué)的一般方程為：

［M］珄玿*}+［C］{玿′}+［K］{玿}={F(t)}（6）

式中:［M］是質(zhì)量矩陣；［C］是阻尼矩陣；［K］是剛度矩陣；珄F(t)}力矢量；{x*}是加速度矢量；{x′}速度矢量；{x}位移矢量。

圖8 挖樹鏟的靜力與瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)分析

挖樹鏟起苗過程，首先假定挖樹鏟將所有樹的根都切斷，忽略土球與挖樹鏟的摩擦作用以及鏟背面與土壤的黏附力，認(rèn)為挖樹鏟在這一過程只受到土壤的重力和樹木的重力和它們的慣性力的作用。結(jié)合公式（3）和（6）計(jì)算的力對(duì)圖7挖樹鏟正面與土壤接觸的區(qū)域進(jìn)行力的加載進(jìn)行挖樹鏟的瞬間動(dòng)力學(xué)分析，Ansys瞱orkbench求解結(jié)果如圖8（b）所示。

4.3 受力結(jié)果分析

挖樹鏟圖8（a）靜力分析（1）所示最大變形發(fā)生在鏟尖端，其變形量4.7 mm；圖8（a）（2）圖最大應(yīng)力為163 MPa。圖8（b）起苗瞬間動(dòng)力學(xué)分析（3）最大變形量為0.73 mm，圖8（b）（4）最大應(yīng)力為27 MPa。在挖樹和起苗過程中的變形量對(duì)于挖樹鏟而言較小，不影響挖樹操作，滿足使用要求和最大應(yīng)力也都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于挖樹鏟材料的屈服極限，也滿足要求。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)樹木移植要求確定挖樹機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，利用軟件creo2.0對(duì)挖樹機(jī)進(jìn)行 設(shè)計(jì)，虛擬裝配仿真確立了各部件的裝配和相對(duì)位置關(guān)系。

（2）對(duì)挖樹鏟主要工作部件的挖樹工作過程和起苗過程的受力情況進(jìn)行了分析，并作了相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，利用計(jì)算結(jié)果結(jié)合Ansys瞱orkbench對(duì)挖樹鏟的挖樹過程受力和起苗過程初期瞬間動(dòng)力進(jìn)行了模擬，其結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

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