樹(shù)木移植機(jī)鏟刀的變密度拓?fù)鋬?yōu)化分析

孟兆新，范恒博，王亮亮

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

樹(shù)木移植機(jī)按照配用動(dòng)力可分為牽引式、自行式和懸掛式，按照鏟刀的形狀可分為U型鏟刀式、彎鏟式和鍬鏟式，按照鏟刀的數(shù)量可以分為三鏟式和四鏟式。目前廣泛應(yīng)用的是四片鍬鏟式樹(shù)木移植機(jī)。工作時(shí)，鏟刀被固于樹(shù)木的根部，在自身液壓系統(tǒng)或者外界設(shè)備系統(tǒng)提供的液壓力作用下開(kāi)始入土剪切土壤和樹(shù)根，合攏的鏟刀使得樹(shù)根部的土壤形成一個(gè)半圓錐形的土球，土球和樹(shù)根部分被鏟刀提升到地面，完成樹(shù)木移植工作。

鏟刀結(jié)構(gòu)是樹(shù)木移植機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，但是沒(méi)有計(jì)算鏟刀在入土過(guò)程中的阻力計(jì)算模型，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程無(wú)法獲得在設(shè)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確值。由于鏟刀結(jié)構(gòu)在入土過(guò)程中的受力情況比較復(fù)雜，運(yùn)用ANSYS軟件分析鏟刀在入土過(guò)程中與土壤的接觸過(guò)程，從ANSYS的后處理模塊中可以直觀(guān)地看到鏟刀結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的受力情況，從而知道鏟刀結(jié)構(gòu)的最大受力點(diǎn)和最小受力點(diǎn)，為以后的鏟刀的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，從而提高鏟刀的壽命和工作效率，并且預(yù)測(cè)鏟刀可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

1 鏟刀入土過(guò)程力的理論分析

本文所研究的是四鏟式樹(shù)木移植機(jī)的鏟刀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，四鏟式挖樹(shù)完成之后的土球?yàn)榘雸A錐形土球。

圖1 鏟刀的模型

在研究過(guò)程中，將鏟刀結(jié)構(gòu)的入土過(guò)程簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的結(jié)果是：鏟刀在一定的載荷作用下，在入土角的存在下與水平面成一定的角度勻速下鏟，對(duì)土壤進(jìn)行剪切。鏟刀結(jié)構(gòu)與土壤間的相互作用力F為：

F=Fu+Fv+Fa

(1)

式中：Fu為鏟刀本身位移產(chǎn)生的相互作用力；Fv為鏟刀本身速度產(chǎn)生的相互作用力；Fa為鏟刀本身加速度產(chǎn)生的相互作用力。

由于在前面已經(jīng)簡(jiǎn)化，鏟刀結(jié)構(gòu)是勻速入土，所以忽略由于加速度產(chǎn)生的慣性力Fa。由于此模型適合于理論研究，但是具體的數(shù)值難以計(jì)算，所以本文采用顧正平等人得出的直鏟式下鏟阻力的經(jīng)驗(yàn)公式[2-3]：

F=0.130 7x1.138 4γ0.755 3c0.244 7(13.927 5+0.563 3×100.024 3β)

(2)

式中：x為鏟刀結(jié)構(gòu)的下鏟位移量，取鏟刀的鏟高(1 m)；γ為土壤容重(1.34 g/cm3)；c為土壤內(nèi)聚力(44.126 445 kPa)；β為鏟刀體圍角的半角(60°)。

在本文中，鏟刀結(jié)構(gòu)的入土角取45°，通過(guò)上式計(jì)算得出鏟刀結(jié)構(gòu)在入土過(guò)程中的阻力值為：67.2kN。

2 鏟刀有限元模型的分析

對(duì)模型進(jìn)行分析的步驟如下：

(1)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格劃分如圖2所示(劃分網(wǎng)格數(shù)9 018，結(jié)點(diǎn)數(shù)為18 579)。

圖2 網(wǎng)格劃分

(2)對(duì)模型進(jìn)行約束和加載，在鏟刀的入土過(guò)程中，鏟刀面的內(nèi)外側(cè)表面都始終與土壤接觸，并且有接觸力，鏟刀內(nèi)側(cè)的力來(lái)自于半圓錐形土球的重力，而且受到了F的力，鏟刀外側(cè)的力、重力和F力平衡。將各個(gè)力加載到模型中并且進(jìn)行約束[4-9]。

(3)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)ANSYS的求解，得到的應(yīng)力效果如圖3所示。

從圖中可以看出：受力最大的部分是鏟刀入土側(cè)的兩個(gè)刀尖，最大的力是2.75×103MPa；其次是施加力的部位、施加力部位與鏟刀入土側(cè)之間組成的矩形區(qū)域，受到的力在30.5～91.6MPa；受力最小的是鏟刀施加力部位以上的部分和矩形以外的部分，受到的力9 057Pa。

圖3 模型的應(yīng)力圖

從應(yīng)力圖中得到結(jié)論：鏟刀入土側(cè)的兩個(gè)刀尖應(yīng)該做成圓角，避免應(yīng)力的集中；矩形區(qū)域是受力交大的部分，應(yīng)該加鏟槽以增加剛度；施加力部位以上的部分的鏟刀應(yīng)該減少厚度，以減小鏟刀在入土過(guò)程中收到的阻力。

通過(guò)ANSYS的求解，得到效果圖如圖4所示。從中找到不同步優(yōu)化過(guò)程中的效果圖和最后優(yōu)化的效果圖如圖5所示。

圖4 第2步的優(yōu)化效果

圖5 第6步的優(yōu)化效果

拓?fù)鋬?yōu)化的最終效果如圖6所示。

圖6 拓?fù)鋬?yōu)化的最終效果

(1)圖6所示的是拓?fù)鋬?yōu)化的最終效果圖為鏟刀的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，解決了設(shè)計(jì)人員沒(méi)有準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的難題。

(2)在工業(yè)上可以根據(jù)此圖對(duì)鏟刀各部位的厚度進(jìn)行合理分布或者改進(jìn)原有的鏟刀，為提高鏟刀的效率和壽命的設(shè)計(jì)提供了參考。改進(jìn)措施有：在虛密度大的部分予以加厚或者加以刀槽以加強(qiáng)其強(qiáng)度，對(duì)于虛密度較小的部分使其厚度減小以減小鏟刀的入土阻力。

(3)從應(yīng)力云圖中可以看出，鏟刀的中心偏上部位是受到最大應(yīng)力的地方，以應(yīng)力最大的部分為核心逐漸向外擴(kuò)散，應(yīng)力逐漸變小，而鏟刀的刀尖部位沒(méi)有明顯的大應(yīng)力。所以可以適當(dāng)?shù)脑黾隅P刀刀尖的鋒利程度，以提高鏟刀剪切土壤和樹(shù)木根部的能力。

(4)合理的分布厚度節(jié)約了材料，提高了鏟刀的剛度，提高鏟刀的壽命；減小了刀尖的厚度使得入土阻力減小，提高了工作效率；并且根據(jù)應(yīng)力圖可知鏟刀的受力情況，預(yù)測(cè)鏟刀可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鏟刀結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化分析，得到鏟刀結(jié)構(gòu)的偽密度云圖，為鏟刀的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，解決設(shè)計(jì)人員沒(méi)有準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的難題；同時(shí)對(duì)鏟刀質(zhì)量的合理分布提供了模型，保證了材料的最大的利用率，避免鏟刀改進(jìn)設(shè)計(jì)的盲目性。

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