仿生減阻樹木移植機(jī)鏟片設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙 雄，馬行瀟，高巧玲，陳成錦，陳建能※

（1. 浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018；2. 浙江三鋒實(shí)業(yè)股份有限公司，金華 321300）

0 引 言

中國人均森林占有面積只有世界水平的 16%，且近幾年來，土地沙漠化問題日益嚴(yán)重[1-2]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)70年代以來，僅土地沙漠化面積擴(kuò)大速度，每年就有2 460 hm2[3-4]。因此，改善土地沙化是中國目前亟需解決的問題，樹木栽植是快速綠化造林的有效途徑，但也是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度很大的作業(yè)，人工栽植效率低、成本高[5-6]，機(jī)械化移植可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高經(jīng)濟(jì)效益[7]，目前樹木移植機(jī)多由通用挖掘機(jī)變形開發(fā)，整機(jī)功率大、能耗高，需要從整機(jī)功率匹配和挖掘部件減阻降耗兩方面開展性能提升研究。市場(chǎng)上投入使用的樹木移植機(jī)通常都是由鏟片組來完成挖土的工作，鏟片是樹木移植機(jī)的重要工作部件，其尺寸參數(shù)、形狀以及數(shù)量分布直接影響著樹木移植機(jī)整機(jī)挖土性能，分析鏟片的受力特性并減小鏟片切削阻力可有效提高樹木移植機(jī)的挖土效率和減小整機(jī)能耗。

在挖掘部件減阻技術(shù)研究方面,石林榕等應(yīng)用逆向工程方法來提取螻蛄脛節(jié)上第一趾的側(cè)面曲線信息，設(shè)計(jì)出馬鈴薯挖掘機(jī)仿生鏟片[8]。崔占榮等基于逆向工程技術(shù)和仿生學(xué)原理，建立野豬頭部的三維幾何模型并對(duì)其特征曲線進(jìn)行了分析，試驗(yàn)結(jié)果表明仿生研究工作對(duì)于降低觸土部件土壤阻力和改善農(nóng)機(jī)部件工作質(zhì)量具有重要作用[9]。白景峰等利用仿生學(xué)原理將狗獾爪趾的曲線應(yīng)用到深松鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一種鏟柄刃口為多項(xiàng)式曲線、鏟尖為圓弧形的新型深松鏟，試驗(yàn)證明仿生深松鏟減阻效果明顯[10]。一些長(zhǎng)期生活在泥土中的動(dòng)物，經(jīng)過億萬年的變異和進(jìn)化，逐漸形成了減黏降阻的特性，研究發(fā)現(xiàn)體表分布的幾何非光滑單元是土壤動(dòng)物減黏降阻的主要原因之一。劉慶懷等對(duì)生活在土壤中的動(dòng)物步甲進(jìn)行了長(zhǎng)期的實(shí)地觀察，并對(duì)其進(jìn)行了活體取樣及表面分析，發(fā)現(xiàn)步甲體表分布有大量的幾何非光滑單元，這些幾何非光滑單元在其用來挖土的器官—大顎上的表現(xiàn)尤為明顯[11]。因此,對(duì)傳統(tǒng)挖掘機(jī)鏟片進(jìn)行仿生研究有望在移植機(jī)整體技術(shù)不變的情況下實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

本文基于工程仿生學(xué)理論，從動(dòng)物挖削土壤中獲得啟發(fā)，在分析樹木移植機(jī)鏟片受力特性的基礎(chǔ)上，對(duì)樹木移植機(jī)觸土部件進(jìn)行仿生改形設(shè)計(jì)，以提高其減阻性能。首先運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA模擬鏟片切削土壤的動(dòng)態(tài)過程，分析切削土壤過程中土壤的應(yīng)力變化及鏟片切削阻力的變化情況，以尋找能夠最大程度減小切削阻力的鏟片入土角。然后仿照土壤動(dòng)物步甲的掘土器官大顎的體表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非光滑仿生鏟片，即在原型鏟片表面設(shè)計(jì)規(guī)律分布的球冠形凸起單元，并利用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真檢驗(yàn)仿生鏟片減小切削阻力的有效性，通過對(duì)鏟片參數(shù)的優(yōu)化達(dá)到有效減小挖掘阻力和整機(jī)能耗的效果。

1 移樹機(jī)鏟片組的工作原理與受力分析

樹木移植機(jī)鏟片組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1所示，其主要由懸掛架1、開合油缸2、開合架3、鏟片4和滑動(dòng)導(dǎo)軌5組成。樹木移植機(jī)工作時(shí)，先打開開合架，然后移動(dòng)移植機(jī)使苗木位于鏟片組的正中央，再關(guān)閉開合架，控制液壓油缸使4個(gè)鏟片依次切入土壤，將苗木與土壤分離，最后操縱樹木移植機(jī)大臂機(jī)構(gòu)將鏟片組和土塊包裹的苗木抬升一定高度，將移植機(jī)開到指定地點(diǎn)，卸下苗木，完成移植。

圖1 鏟片結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖Fig.1 Diagram of shovel structure and round angle

鏟片在切入土壤過程中受力情況很復(fù)雜，且鏟片在切削土壤及苗木根莖時(shí)需克服較大阻力，導(dǎo)致鏟片發(fā)生微小變形，應(yīng)力分布情況復(fù)雜[12]。另外，由于受到土壤力學(xué)研究水平的限制，傳統(tǒng)的理論方法并不能準(zhǔn)確求解鏟片在工作過程中所受阻力[13]。因此，理論計(jì)算通常采用以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)建立的鏟片切削阻力經(jīng)驗(yàn)公式[14~16]。

式中F為鏟片的受力，kN；X為鏟片切削位移量，mm；γ為土壤密度，g/cm3；C為土壤內(nèi)聚力，Pa；β為鏟片圍角的半角，(°)。

但這種理論計(jì)算所得結(jié)果并不能準(zhǔn)確反映鏟片在切削土壤過程中真實(shí)的受反情況，因此不能作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。本文運(yùn)用 ANSYS軟件模擬鏟片切削土壤的過程，然后運(yùn)用軟件LS-ProPos中直觀分析鏟片各個(gè)部分的受力情況，以此確定鏟片的最大和最小受力點(diǎn)，為鏟片的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，并且預(yù)測(cè)鏟片可能出現(xiàn)的問題。

2 鏟片切削土壤過程的數(shù)值優(yōu)化

2.1 切削模型建立

選擇合理的土壤本構(gòu)模型，對(duì)于保證鏟片切削土壤過程仿真分析的正確性具有重要意義[16~18]。本文選用ANSYS/LS-DYNA提供的第 147號(hào)材料，即 MAT147（MAT_FHWA_SOIL）材料模型，這是一種適用于實(shí)體單元、考慮損傷的各向同性材料模型。本文對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地土壤進(jìn)行實(shí)際測(cè)量所得的部分土壤模型參數(shù)值如表 1所示，其余參數(shù)取值參照 LS-DYNA971關(guān)鍵字手冊(cè)中的*MAT_FHWA_SOIL模型。土壤單元類型選用 3D Solid 164單元。

表1 土壤模型的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of soil model

在 Solidworks中建立弧形鏟片及土壤三維模型，如圖2所示。鏟片組采用四瓣式，即鏟片圍角的半角β=45°，鏟片厚度為0.8 mm。運(yùn)行ANSYS15.0，導(dǎo)入已完成的三維模型。單元類型選用Thin shell 163單元，鏟片材料設(shè)定為線彈性材料Elastic模型，鏟片材料為鋼材，仿真時(shí)材料參數(shù)依次輸入：密度為7.85E+03 kg/m3、彈性模量為 2.1E+11 Pa、泊松比為 0.3（文中采用 g-cm-s單位制）。

圖2 鏟片與土壤模型Fig.2 Model of shovel and soil

2.2 數(shù)值分析的條件設(shè)定

網(wǎng)格劃分時(shí)，土壤采用六面體網(wǎng)格繪制，手動(dòng)控制線條單元個(gè)數(shù)，鏟片采用四面體網(wǎng)格繪制，手動(dòng)設(shè)置單元體的大小，網(wǎng)格劃分后的模型如圖 3所示[19]。為了得到更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，必須固定土壤單元，使其在切削過程中不會(huì)竄動(dòng)，故設(shè)置土壤單元底面自由度為全約束[20~21]，為了使土壤模型能達(dá)到無限大地面的效果，對(duì)土壤模型四周采用無反射邊界條件約束。在LS-DYNA中設(shè)置鏟片與土壤之間為面面接觸的侵蝕分析，即ESTSEroding類型，該接觸類型為當(dāng)單元可能失效時(shí)所用的接觸，目的是在模型外部單元失效被刪除后，剩下的單元仍會(huì)接觸。

圖3 鏟片與土壤網(wǎng)格模型Fig.3 Gridding model of shovel and soil

因鏟片為弧形鏟，不能直接設(shè)定其直線速度，文中設(shè)定鏟片為勻轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，角速度為0.108 rad/s，求解時(shí)間為 2 s，根據(jù)挖樹的工作要求直徑為 1 m，挖出土塊近似為球形，根據(jù)鏟片是四瓣型且其支撐滑軌面弧度值為0.247，設(shè)定鏟片入土深度為350 mm，當(dāng)達(dá)到指定入土深度時(shí)，計(jì)算自動(dòng)停止。

2.3 數(shù)值優(yōu)化及結(jié)果分析

2.3.1 鏟片切削土壤最佳入土角的確定

鏟片勻速切削土壤，在0 s時(shí)尖端首先接觸土壤（如圖3所示），隨著鏟片與土壤的接觸面積逐漸增大，鏟片對(duì)土壤的剪切和擠壓作用增強(qiáng)，致使與其直接接觸的土壤單元遭到破壞而失效變形[22~27]。通過后處理軟件LS-ProPost查看計(jì)算結(jié)果，結(jié)果顯示在鏟片切削土壤的過程中，鏟片切削過程中土壤相對(duì)于鏟片是沿鏟片表面向上滑動(dòng)，同時(shí)受到前方和上部土壤壓力及鏟片的擠壓，促使土壤應(yīng)力集中在刃口上部而不是在鏟片刃口處。

在其他條件不變的情況下，只改變鏟片的入土角，分別求解一定范圍內(nèi)入土角不同時(shí)鏟片受力情況，其求解結(jié)果如表2所示。由表2可知，當(dāng)鏟片的入土角度為83°時(shí)，鏟片所受土壤最大瞬時(shí)反作用力最小，平均反作用力也最小。在鏟片入土角度為83°條件下，鏟片入土過程的受力情況如圖4所示，橫坐標(biāo)表示鏟片的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，1.27 s之后鏟片受力不再變化，此時(shí)鏟片入土深度已達(dá)到設(shè)定值350 mm，計(jì)算停止。

表2 不同切削角度時(shí)鏟片受力情況Table 2 Force of shovel at different digging angles

圖4 切削角為83°時(shí)鏟片受力圖Fig.4 Diagram of shovel force when digging angle is 83°

2.3.2 鏟片外形的仿生設(shè)計(jì)

為了減小鏟片在切削土壤過程中所受阻力，仿照土壤動(dòng)物步甲的掘土器官大顎的體表結(jié)構(gòu)，在原有鏟片表面設(shè)計(jì)球冠形的凸起，以起到減小鏟片與土壤的接觸面積從而減小鏟片切削阻力的作用。步甲大顎體表的凸起單元分布較為雜亂，根據(jù)鏟片的實(shí)際工作情況，設(shè)計(jì)中選取凸起按矩形分布，凸起的尺寸包括凸起的高度、凸起的直徑和凸起中心距。建立如圖 5所示的仿生鏟片模型，通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，凸起的高度超過4 mm以上，對(duì)鏟片減阻沒有明顯影響，故選擇凸起高度為4 mm，以方便鏟片加工。為了確定凸起直徑和中心距，對(duì)這 2個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過ANSYS/LS_DYNA軟件虛擬仿真鏟片切削土壤的過程，從而求解鏟片所受土壤反作用力，仿真中鏟片入土角設(shè)定為83°，表3給出了不同凸起直徑和中心距條件下仿生鏟片最大受力和平均受力的情況。

圖5 仿生鏟片三維模型Fig.5 3D model of bionic shovel

表3 仿生鏟片受力最大值和平均值Table 3 Maximum and average force of bionic shovel kN

由表3可知，當(dāng)鏟片表面凸起直徑為14 mm、凸起中心距28 mm時(shí)，鏟片所受瞬時(shí)最大作用力最小，平均作用力也最小。將原型鏟片和仿生鏟片的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出，以鏟片平均受力為參考，運(yùn)用MATLAB軟件繪制出圖6所示的鏟片受力對(duì)比圖。由圖6可知，與原型鏟片相比，仿真結(jié)果證實(shí)仿生鏟片相比原型鏟片有效減阻13.88%。

圖6 鏟片受力對(duì)比圖Fig.6 Comparison diagram of shovel force

3 鏟片試驗(yàn)測(cè)試與分析

3.1 試驗(yàn)條件與測(cè)試方法

根據(jù)仿真結(jié)果研制仿生鏟片如圖7a所示，鏟片表面凸起為球冠形，高度4 mm，凸起直徑14 mm，凸起中心距 28 mm，將仿生鏟片安裝在樹木移植機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行移植作業(yè)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)選為校內(nèi)的一處園林，上文仿真所用土壤模型的主要參數(shù)也是取自此處土壤實(shí)測(cè)所得，綜合考慮鏟片尺寸和樹枝的分叉程度，為避免損壞枝葉，試驗(yàn)選取主桿直徑小于10 cm的樹木進(jìn)行挖掘。由于鏟片要深入土壤作業(yè)，用普通的測(cè)力傳感器測(cè)其受力比較困難，若在鏟片表面黏貼應(yīng)變片，應(yīng)變片會(huì)在切削土壤的過程中變形，且鏟片每個(gè)部位的受力大小不同，無法準(zhǔn)確測(cè)量其受力情況。因此，文中通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)鏟片的液壓缸壓力來間接反映整塊鏟片的受力情況，即鏟片受力等于液壓缸進(jìn)油口壓力與進(jìn)油口面積的乘積。數(shù)據(jù)測(cè)量采用型號(hào)為 SR-PPT-600-05-OC的雷諾-流量/壓力傳感器，量程為60 MPa，測(cè)量誤差小于0.3 MPa；數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用型號(hào)為TAQ2-480的雷諾-智能液壓測(cè)試儀，其每秒最高可獲取25萬個(gè)數(shù)據(jù)樣點(diǎn)。

試驗(yàn)中通過流量/壓力傳感器在液壓缸進(jìn)油口測(cè)得流量和壓力，再通過數(shù)據(jù)線導(dǎo)入液壓測(cè)試儀，分析計(jì)算得到液壓。計(jì)算機(jī)再通過數(shù)據(jù)線采集得到液壓測(cè)試儀的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)分析軟件AMEsim得到試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，測(cè)試流程如圖7c所示。

圖7 鏟片試驗(yàn)設(shè)備與流程圖Fig.7 Diagram of shovel test equipment and test flow

試驗(yàn)重復(fù) 5次，用同種型號(hào)的壓力傳感器對(duì)驅(qū)動(dòng)原型鏟片和仿生鏟片的液壓缸進(jìn)行進(jìn)油口壓力測(cè)量，并采集保存測(cè)量結(jié)果，將 5次測(cè)試所得數(shù)據(jù)導(dǎo)出求平均值，由公式FPs=（其中F為鏟片受力，N；P為液壓缸進(jìn)油口壓力，MPa；s為液壓缸進(jìn)油口面積，m2，直接測(cè)量得到）計(jì)算得到鏟片受力值。

3.2 測(cè)試結(jié)果與分析

5次試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 園間測(cè)試對(duì)比結(jié)果Table 4 Comparative results of garden tests kN

將 5次測(cè)試所得數(shù)據(jù)導(dǎo)出求平均值，仿生鏟片的最大受力為 2.474 kN，比原型鏟片的 2.783 kN減小0.309 kN，平均受力減小了0.512 kN，以仿生鏟片與原型鏟片測(cè)試結(jié)果繪制圖8所示曲線，圖8可見，仿生鏟片整體上受力較小，最大受力值降低了 11.11%。將仿生鏟片的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果繪制曲線如圖9所示，圖9可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果存在一定誤差，誤差的產(chǎn)生的原因主要有：試驗(yàn)中操作人員通過手柄操作控制鏟片近似勻速切入土壤,與仿真條件略有偏差；土體受力產(chǎn)生了變形對(duì)鏟片的受力起到卸載作用, 使得試驗(yàn)土壤與數(shù)值計(jì)算所用土壤模型有所差別。

圖8 原型鏟片和仿生鏟片的試驗(yàn)受力曲線Fig.8 Experimental force curves of original shovel and bionic shovel

圖9 仿生鏟片仿真與試驗(yàn)受力曲線Fig.9 Simulation and test force curve of bionic shovel

4 結(jié) 論

1）應(yīng)用Solidworks、ANSYS/LS-DYNA軟件建立鏟片與土壤相互作用的數(shù)值計(jì)算模型，仿真計(jì)算了鏟片在切削土壤過程中受力隨時(shí)間的變化情況。通過鏟片在不同切削角時(shí)受力分析，得到最優(yōu)的鏟片切削角為83°。

2）仿照土壤動(dòng)物步甲的掘土器官大顎的體表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新型仿生鏟片。在鏟片切削角為83°及其它條件不變的情況下，通過數(shù)值優(yōu)化得到仿生鏟片最佳參數(shù)為：表面凸起直徑為 14 mm，凸起中心距為 4 mm，凸起高度為4 mm。

3）根據(jù)最佳參數(shù)研制仿生鏟片，將仿生鏟片安裝在已有的樹木移植機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行移栽作業(yè)對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明仿生鏟片能有效減小阻力 11.11%，說明所設(shè)計(jì)的仿生鏟片具有較好的減阻效果。

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