基于新型植樹挖坑機(jī)機(jī)架的動(dòng)靜態(tài)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

劉　濤，婁玉印，黃　偉

（1.信陽農(nóng)林學(xué)院食品學(xué)院，河南信陽　464000；2.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院，廣西柳州　545000；3.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧　530004）

基于新型植樹挖坑機(jī)機(jī)架的動(dòng)靜態(tài)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

劉濤1，*婁玉印2，黃偉3

（1.信陽農(nóng)林學(xué)院食品學(xué)院，河南信陽464000；2.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院，廣西柳州545000；3.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004）

針對(duì)傳統(tǒng)挖坑機(jī)的缺點(diǎn)，研發(fā)了一種挖坑效率高、成本低，且能夠滿足不同土壤條件、地形、坑深和坑徑要求的新型植樹挖坑機(jī)。通過有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，新型植樹挖坑機(jī)能夠滿足工作要求并且挖坑機(jī)機(jī)架能夠滿足動(dòng)靜態(tài)要求。

新型植樹挖坑機(jī)；有限元；APDL

基于保護(hù)環(huán)境的原則，植樹造林已成為廣大民眾的公共意識(shí)。目前，國(guó)內(nèi)外挖坑機(jī)的工作原理為掛靠式拖拉機(jī)提供動(dòng)力，通過三點(diǎn)式提升機(jī)構(gòu)帶動(dòng)螺旋式刀盤旋轉(zhuǎn)完成挖坑作業(yè)。其優(yōu)點(diǎn)是整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便，缺點(diǎn)為螺旋式刀盤產(chǎn)生不斷變化的側(cè)壓力，導(dǎo)致拖拉機(jī)的搖晃和振動(dòng)，進(jìn)而使螺旋式刀盤工作阻力增大、穩(wěn)定性差，使用范圍也受到很大限制。

針對(duì)傳統(tǒng)挖坑機(jī)的缺點(diǎn)，研發(fā)了一種挖坑效率高、成本低，且能夠滿足不同土壤條件、地形、坑深和坑徑要求的新型植樹挖坑機(jī)。該新型植樹挖坑機(jī)以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，代替了傳統(tǒng)的拖拉機(jī)，從而降低了挖坑機(jī)的制作成本和占用空間，同時(shí)減少刀盤產(chǎn)生的側(cè)壓力對(duì)整機(jī)的影響，使刀盤工作阻力減小、可靠性提高、穩(wěn)定性增強(qiáng)。本文利用有限元理論結(jié)合ANSYS軟件，對(duì)挖坑機(jī)主要零部件挖坑機(jī)機(jī)架進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其力學(xué)性能和可靠性。此方法對(duì)提高挖坑機(jī)的工作性能、開發(fā)效率、穩(wěn)定性和可靠性，具有重要的指導(dǎo)意義。

1　新型植樹挖坑機(jī)的工作原理

新型植樹挖坑機(jī)側(cè)俯視見圖1，新型植樹挖坑機(jī)俯視見圖2，新型植樹挖坑機(jī)換擋機(jī)構(gòu)見圖3。

圖1　新型植樹挖坑機(jī)側(cè)俯視

圖2　新型植樹挖坑機(jī)俯視

圖3　新型植樹挖坑機(jī)換擋機(jī)構(gòu)

新型植樹挖坑機(jī)包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、挖坑機(jī)構(gòu)和機(jī)架。動(dòng)力機(jī)構(gòu)選用獨(dú)立柴油機(jī)，柴油機(jī)與離合器通過皮帶輪連接，經(jīng)傳動(dòng)軸、花鍵軸、花鍵套帶動(dòng)刀盤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成挖坑作業(yè)［1］。減速器輸出軸經(jīng)聯(lián)軸器、花鍵軸、花鍵連接套帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)；花鍵連接套有空檔和自動(dòng)行走檔位2個(gè)位置，可通過繞固定支點(diǎn)的手柄、限位裝置和撥叉更換來實(shí)現(xiàn)不同的行走方式。

新型植樹挖坑機(jī)行走有人工和自動(dòng)2種方式。人工方式是通過人力經(jīng)扶手、萬向輪、行走輪將動(dòng)力傳遞到挖坑機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)行走運(yùn)動(dòng)。自動(dòng)方式是手柄繞固定支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)限位裝置、撥叉，將花鍵連接套與鏈輪接觸，再經(jīng)減速器、鏈輪帶動(dòng)萬向輪和前輪轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走運(yùn)動(dòng)。

2　組合式刀盤的力學(xué)分析

圖4　組合式刀盤機(jī)構(gòu)

圖5　土壤質(zhì)地的受力

組合式刀盤機(jī)構(gòu)見圖4，土壤質(zhì)地的受力見圖5。

新型植樹挖坑機(jī)組合式刀盤機(jī)構(gòu)由定位鉆頭、切削刀片、缺口圓盤和排土葉片4部分組成，其各部分功能為定位鉆頭用于定位，切削刀片用于切削土壤，排土葉片將切削下的土壤排出坑外，其特點(diǎn)是挖坑效率高、拆裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工作時(shí)，螺旋式刀盤由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)離合器、傳動(dòng)軸、齒輪軸和齒輪套提供扭矩和軸向力，實(shí)現(xiàn)刀盤的垂直向下運(yùn)動(dòng)，通過定位鉆頭、切削刀片和土葉片完成挖坑作業(yè)［2］。

土壤質(zhì)點(diǎn)的力學(xué)分析?？砂训侗P的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其受力如圖5所示，F(xiàn)1為土壤質(zhì)點(diǎn)X方向上的受力，F(xiàn)2為土壤質(zhì)點(diǎn)Y方向上的受力。

通過實(shí)際測(cè)量，刀盤的質(zhì)量m為9.86 kg（不考慮在工作時(shí)黏在刀盤上的土壤質(zhì)量）；通過對(duì)所挖土坑的觀察，粗略估計(jì)R=0.003 m，由于柴油機(jī)是整機(jī)的重要?jiǎng)恿υ?，而柴油機(jī)的頻率為20 Hz，通過對(duì)樣機(jī)在挖坑過程的觀察，粗略估計(jì)刀盤的頻率是柴油機(jī)振動(dòng)頻率的50%，即f=10 Hz，則角速度ω=2πf=2π。

若以X軸方向?yàn)槠鹗嘉恢?，令轉(zhuǎn)過的角度為θ，則：θ=ωt產(chǎn)生的慣性力Fr為：Fr=mrω2

則F1=Frcosθ=mrω2cos40πt=116.777 16cos（40πt）

F2=Frsinθ=mrω2sin40πt=116.777 16sin（40πt）

3　挖坑機(jī)機(jī)架的有限元分析

挖坑機(jī)機(jī)架是挖坑機(jī)的重要部件，對(duì)挖坑機(jī)挖坑的性能起到重要的作用。

（1）設(shè)定材料特性。根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，新型植樹挖坑機(jī)機(jī)架采用45號(hào)鋼制作材料。該材料參數(shù)為彈性模量E=2.02×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ= 7.85×10-6kg/mm3，屈服極限σs=355 MPa。

（2）單元選擇?；谛滦椭矘渫诳訖C(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，選用三維實(shí)體SOLID92單元。其特點(diǎn)是該單元由10個(gè)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)X，Y和Z方向位移，具有能夠承受可塑性、大變形、膨脹和大張力的能力［3-4］。

（3）網(wǎng)格劃分。根據(jù)挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精密度需要，采用智能劃分網(wǎng)格方式，精密度取6級(jí)。

（4）有限元模型的建立。

機(jī)架的有限元模型見圖6，挖坑機(jī)機(jī)架的應(yīng)力云見圖7。

圖6　機(jī)架的有限元模型

圖7　挖坑機(jī)機(jī)架的應(yīng)力云

由圖6可知，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為197 893，單元數(shù)目為77 716。

（5）添加載荷、約束求解。

加載：柴油機(jī)座支點(diǎn)處F11=1 107.031 08 N，F(xiàn)12= -1 068.604 78 N；皮帶輪處豎直方向上分力F23= 1 008.53 N，水平方向分力F24=257.63 N；錐齒輪對(duì)處F35=F36=91.753 48 N，軸承座F47=1 535.77 N。

約束：將機(jī)架安裝輪子處設(shè)為全約束。

（6）經(jīng)有限元分析軟件ANSYS計(jì)算得挖坑機(jī)機(jī)架的應(yīng)力云。經(jīng)有限元分析軟件ANSYS計(jì)算得，機(jī)架的最大應(yīng)力為58.9 MPa，小于屈服應(yīng)力，發(fā)生在機(jī)架底部折彎處，滿足強(qiáng)度條件。

（7）經(jīng)有限元分析軟件ANSYS計(jì)算得挖坑機(jī)機(jī)架的變形云。

挖坑機(jī)機(jī)架的變形云見圖8，機(jī)架的一階振動(dòng)模型見圖9。

圖8　挖坑機(jī)機(jī)架的變形云

經(jīng)有限元分析軟件ANSYS計(jì)算得，挖坑機(jī)機(jī)架的最大變形為1.194 mm，發(fā)生在挖坑機(jī)機(jī)架的上端處，滿足強(qiáng)度條件。

圖9　機(jī)架的一階振動(dòng)模型

4　挖坑機(jī)機(jī)架的動(dòng)態(tài)分析

機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性關(guān)系到新型植樹挖坑機(jī)的操作性、穩(wěn)定性和疲勞壽命，模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)中機(jī)架的振動(dòng)特性（固有頻率和振型）［5］。

本文采用ANSYS中Block Lanczos法，該方法收斂快，適用于比較復(fù)雜的質(zhì)量和剛度矩陣。由于高頻振動(dòng)幅度小，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響有限，本文取前五階帶預(yù)應(yīng)力的模態(tài)。

機(jī)架的二階振動(dòng)模型見圖10，機(jī)架的三階振動(dòng)模型見圖11，機(jī)架的四階振動(dòng)模型見圖12，機(jī)架的五階振動(dòng)模型見圖13。

圖10　機(jī)架的二階振動(dòng)模型

圖11　機(jī)架的三階振動(dòng)模型

（1）機(jī)架一階模態(tài)的頻率為32.646 Hz，特點(diǎn)為機(jī)架整體前后擺動(dòng)。

（2）機(jī)架二階模態(tài)的頻率為61.788 Hz，特點(diǎn)為機(jī)架前部基本不動(dòng)，把手左右擺動(dòng)。

（3）機(jī)架三階模態(tài)的頻率為70.777 Hz，特點(diǎn)為機(jī)架前部扭動(dòng)，扶手左右擺動(dòng)。

（4）機(jī)架四階模態(tài)的頻率為104.74 Hz，特點(diǎn)為機(jī)架前部左右微擺，扶手同相位上下擺動(dòng)。

（5）機(jī)架五階模態(tài)的頻率為105.71 Hz，特點(diǎn)為整體機(jī)架幾乎不動(dòng)，扶手異相位上下擺動(dòng)。

圖12　機(jī)架的四階振動(dòng)模型

圖13　機(jī)架的五階振動(dòng)模型

5　試驗(yàn)

（1）樣機(jī)制造。本新型植樹挖坑機(jī)通過車、銑、刨、磨、鏜等一系列工藝。

新型植樹挖坑機(jī)樣機(jī)見圖14。

（2）試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)驗(yàn)證是產(chǎn)品開發(fā)的重要手段，是證明理論正確性和產(chǎn)品可行性的重要方法。

挖坑實(shí)物圖見圖15。

由圖15可知，新型植樹挖坑機(jī)挖出的土大部分都在坑的周圍，并且坑深具有很好的垂直性，能夠滿足挖坑功能。

圖14　新型植樹挖坑機(jī)樣機(jī)

圖15 挖坑實(shí)物圖

6　結(jié)論

新型植樹挖坑機(jī)能夠滿足功能要求，具有極大的推廣價(jià)值；新型植樹挖坑機(jī)機(jī)架能夠滿足強(qiáng)度要求、剛度要求和動(dòng)態(tài)要求。

［1］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì) ［M］.第8版.北京：高等教育出版社，2005：41-43.

［2］黃仁楚，劉偉.挖坑機(jī)工作參數(shù)的研究鉆頭轉(zhuǎn)速及土壤因子對(duì)功率消耗的阻力矩的影響 ［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1987（5）：15-18.

［3］趙均海，汪夢(mèng)甫.彈性力學(xué)及有限元 ［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003：264-271.

［4］張朝暉.ANSYS 11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析 ［M］. 第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：37-48.

［5］宋天霞.有限元理論及應(yīng)用基礎(chǔ)教 ［M］.武漢：華中工學(xué)院出版社，1987：104-113.◇

The Static and Dynamic Analysis Based on Frame of the New Type Digging Machine for Planting Trees of Combined Cutter and Experimental Verification

LIU Tao1，*LOU Yuyin2，HUANG Wei3
（1.Food College，Xinyang College of Agriculture and Forestry，Xinyang，He'nan 464000，China；2.Lushan College，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou，Guangxi 545000，China；3.College of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004，China）

According to the shortcomings of traditional digging machine，this paper designs a kind of new digging machine which is pit of high efficiency and low cost and can meet the different soil conditions，topography，depth and crater size requirements.Through the finite element analysis and experimental verification，the results show the new type digging machine for planting trees that can meet the job requirements and the frame can meet the requirements of dynamic and static.

the digging machine for planting trees；the finite element；APDL

TG659

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.06.044

1671-9646（2016）06b-0057-04

2016-02-23

劉濤（1986— ），男，碩士，助教，研究方向?yàn)槭称窓C(jī)械及可再生能源應(yīng)用方面的教學(xué)與研究。
*

婁玉?。?983— ），男，碩士，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真研究。