一種便捷型一體化植樹機(jī)設(shè)計(jì)及分析

李園奇 萬文濤 徐袁宏 李 雯 趙 妍 曾右鵬

（重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)，重慶 402760）

在日漸嚴(yán)重的沙漠環(huán)境下，荒漠化已經(jīng)不再是一個(gè)單純的生態(tài)環(huán)境問題，而是演變?yōu)榻?jīng)濟(jì)問題和社會(huì)問題，給人們帶來貧困和社會(huì)不穩(wěn)定。沙漠化給生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來了極大危害，因此如何有效治理荒漠化一直是世界性難題。2019年2月26日，《聯(lián)合國防治荒漠化公約》[1]第十三次締約方大會(huì)在鄂爾多斯舉行，肯定《聯(lián)合國防治荒漠化公約》2018—2030戰(zhàn)略框架的重要意義，鼓勵(lì)各國采取行動(dòng)設(shè)定履約自愿目標(biāo)，在2030年之前實(shí)現(xiàn)土地退化零增長?？梢姡郎场⒅紊吵蔀槿祟惣毙杞鉀Q的重要任務(wù)。但是，人工植樹需要大量的人力物力，效率較低，無法滿足日益發(fā)展的社會(huì)要求。

目前，市面上的植樹機(jī)種類很多。植樹機(jī)的關(guān)鍵在于如何挖坑，所以市面上的植樹機(jī)重點(diǎn)在挖坑。按動(dòng)力的鏈接方式分類，它主要分為手提式挖坑機(jī)、牽引式挖坑機(jī)、懸掛式挖坑機(jī)和自走式挖坑機(jī)[2]。手提式挖坑機(jī)的均價(jià)在300～1 000元，挖坑機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)體與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)裝配成整體，動(dòng)力強(qiáng)勁有力，外形美觀，操作簡(jiǎn)單易上手，勞動(dòng)強(qiáng)度低，省時(shí)省力，適宜于拖拉機(jī)不能通過的復(fù)雜山地、溝壑丘陵地區(qū)，且體積小，方便攜帶，重量較輕，挖坑效率高。但是，該類挖坑機(jī)不附帶種苗機(jī)構(gòu)，功能單一，不能自動(dòng)，對(duì)勞動(dòng)力需求較大。懸掛式挖坑機(jī)均價(jià)在3 000～9 000元。這種植樹機(jī)與拖拉機(jī)為三點(diǎn)懸掛，最大開溝深度可達(dá)30 cm，但需要大功率拖拉機(jī)作牽引動(dòng)力，體積大，笨重，不靈活，操作較為困難。

鑒于對(duì)市面上植樹機(jī)的調(diào)查，多數(shù)人對(duì)植樹自動(dòng)化、便捷化提出了自己的觀點(diǎn)。陳麗專發(fā)明了一種自動(dòng)植樹機(jī)，實(shí)現(xiàn)了植樹機(jī)自動(dòng)挖坑的功能[3]。此外，該裝置旋轉(zhuǎn)托盤上附有若干個(gè)夾持單元夾住樹苗，通過第三電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪推動(dòng)助推塊，使投放單元可以準(zhǔn)確地將樹苗投放到樹坑中，提高了植樹效率，降低了成本。王玉環(huán)發(fā)明一種植樹機(jī)挖坑裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)桿的表面固定連接有絞龍葉片，遠(yuǎn)離電機(jī)的一端固定連接有鉆頭，整個(gè)挖坑裝置可上下移動(dòng)，快速定位鉆孔[4]。漆向軍[5]等發(fā)明了一種沙漠植樹機(jī)，采用履帶底盤驅(qū)動(dòng)，很好地解決了在沙漠中行進(jìn)時(shí)車輪凹陷的問題。廖偉平等發(fā)明的車體式植樹機(jī)，行車方便快捷，鉆孔覆土一體化，采用夾苗臂機(jī)械爪，但操作困難，在沙漠地區(qū)行車時(shí)沙塵飛揚(yáng)[6]。

綜上所述，設(shè)計(jì)的植樹機(jī)優(yōu)化了市面上現(xiàn)存的植樹機(jī)的不足，成本低，精巧便捷，能全自動(dòng)化操作，保證樹苗存活率，在沙漠地區(qū)行進(jìn)自如，解決了市面上沙漠植樹時(shí)植樹機(jī)存在的缺陷，對(duì)治理沙漠意義重大。

1 機(jī)械說明

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

種植機(jī)由履帶式底盤、一體化多功能種植機(jī)構(gòu)、樹苗傳送機(jī)構(gòu)、覆土機(jī)構(gòu)以及澆水儲(chǔ)水裝置組成，可以自動(dòng)完成打洞、分苗、種植、覆土、澆水、定位以及巡航功能，具體結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1所示。

圖1 種植機(jī)

1.1.1 履帶式底盤

兩側(cè)履帶輪都采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在保證動(dòng)力穩(wěn)定輸出的情況下，可以通過電機(jī)的差速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，靈活性極佳，如圖2所示。在沙地應(yīng)用時(shí)，履帶與地面接觸面積大，單位壓力小，下陷小，附著能力強(qiáng)，行駛通過能力強(qiáng)。

圖2 履帶式底盤

1.1.2 一體化多功能種植機(jī)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電動(dòng)推桿、一個(gè)套筒和擋板組成，如圖3所示。套筒底部呈倒三角形，且安裝有擋板。套筒與1號(hào)電動(dòng)推桿連接，擋板與2號(hào)電動(dòng)推桿連接。套筒底部呈倒三角形，接觸面積小，壓力大，以便套筒深入沙土。整個(gè)種植機(jī)構(gòu)由電動(dòng)推桿1帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)下壓挖坑，隨后2號(hào)電動(dòng)推桿帶動(dòng)擋板打開，撐開沙土。

圖3 一體化多功能種植機(jī)構(gòu)

1.1.3 樹苗傳送機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)由置苗框、電機(jī)、滑軌和齒輪齒條組成，如圖4所示。每個(gè)置苗框內(nèi)各放一株樹根向下的樹苗，待種植機(jī)構(gòu)完成挖坑工作后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條實(shí)現(xiàn)置苗框的直線移動(dòng)，使置苗框與載物板的通孔對(duì)齊，隨后樹苗通過套筒垂直落入由種植機(jī)構(gòu)挖好的沙坑中。

圖4 樹苗傳送機(jī)構(gòu)

1.1.4 覆土機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)由電機(jī)、絲桿、覆土卡爪、連桿和導(dǎo)軌組成，如圖5所示。連桿連接在絲桿螺母上，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿螺母后移，連桿帶動(dòng)覆土卡爪合攏，從而完成覆土壓實(shí)。

圖5 覆土機(jī)構(gòu)

1.1.5 澆水儲(chǔ)水裝置

該裝置由水箱、水泵和噴頭組成。在完成種植任務(wù)后，水泵開始運(yùn)行，噴頭開始澆水。

1.2 作業(yè)方式

整體安裝及功能區(qū)分布，如圖6所示。種植機(jī)按照指定路線前進(jìn)，約30 s到達(dá)起始種植位置，隨后1號(hào)電動(dòng)推桿開始運(yùn)作，驅(qū)動(dòng)種植機(jī)構(gòu)下降插入沙土。在種植機(jī)構(gòu)下降7 s后，2號(hào)電動(dòng)推桿開始運(yùn)作收回，4 s后帶動(dòng)擋板撐開沙土，隨后樹苗傳送機(jī)構(gòu)運(yùn)行。每個(gè)單元格運(yùn)動(dòng)3.5 s后對(duì)齊套筒上端，樹苗在重力的作用下1 s內(nèi)會(huì)掉落到撐開的沙坑，隨后1號(hào)電動(dòng)推桿回收，種植機(jī)構(gòu)5 s內(nèi)復(fù)位、擋板合攏，覆土機(jī)構(gòu)運(yùn)作5 s后合攏，將沙土壓實(shí)并復(fù)位，同時(shí)水泵開始運(yùn)行噴頭澆水，完成整個(gè)植樹動(dòng)作。

圖6 整體安裝及功能區(qū)分布

2 電子控制

系統(tǒng)擬采用stm32f103c8t6作為主控，用大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制小車的移動(dòng)，機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行。采用一路超聲波用于檢測(cè)前方是否有障礙物，當(dāng)有障礙物時(shí)，避開障礙。采用UM220-Ⅳ作為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）模塊，并通過esp8266內(nèi)網(wǎng)穿透將GPS采集的數(shù)據(jù)上傳到云端，遠(yuǎn)程定位和控制小車。小車采用全自動(dòng)模式，使用時(shí)指定工作片區(qū)即可。多傳感器融合使小車位置、檢測(cè)障礙以及自動(dòng)轉(zhuǎn)向集于一體進(jìn)行全自動(dòng)作業(yè)。手機(jī)端App可獲取esp8266上傳的云端數(shù)據(jù)，方便檢測(cè)小車的運(yùn)行狀況和所在位置，如圖7所示。

圖7 電路控制流程圖

3 植樹機(jī)的有限元分析

3.1 植樹機(jī)材料定義

根據(jù)實(shí)際情況，植樹機(jī)材料選擇鋁合金，材料參數(shù)如表1所示。土壤的材料模型參數(shù)，來源為ANSYS材料庫。Cam-clay的相關(guān)參數(shù)，如表2所示。多孔彈性的相關(guān)參數(shù)，如表3所示。

表1 植樹機(jī)的材料分析

表2 植樹機(jī)的材料分析

表3 多孔彈性的相關(guān)參數(shù)

3.2 模型的簡(jiǎn)化

考慮到計(jì)算量較大，把裝置簡(jiǎn)化為一個(gè)80 mm×80 mm×100 mm、厚為3 mm的方孔。

3.3 單元的選擇

選用ANSYS Workbench默認(rèn)的實(shí)體單元Solid186。Solid186是高階3維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，通過20節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度，具有任意的空間各向異性。單元支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力鋼化、大變形和大應(yīng)變能力，還可采用混合模式幾乎不可壓縮彈塑性材料和不可完全壓縮的超彈性材料。

3.4 顯示動(dòng)力學(xué)網(wǎng)格的劃分

為了提高計(jì)算效率和計(jì)算精度，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將網(wǎng)格劃分為單元尺寸為25 mm的六面體網(wǎng)格。經(jīng)過網(wǎng)格劃分后的有限元模型，如圖8所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為39 428，單元數(shù)目為49 737。

圖8 有限元模型

3.5 求解條件的設(shè)定

因?yàn)橛?jì)算需要把整體模型簡(jiǎn)化，電動(dòng)推桿給種植機(jī)的力為100 N，所以在有限元模型中省略了電動(dòng)推桿部分，直接給種植機(jī)垂直于地面向下、大小為100 N的力。為了接近實(shí)際工況，給出土壤有限元模型與地面的一個(gè)固定副。

3.6 結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，獲得土壤模型的總變形（位移）云圖，如圖9所示。計(jì)算結(jié)果表明，種植機(jī)落在土壤的位移為236.35 mm，樹苗落在土壤里的距離為80～120 mm，可以達(dá)到樹苗的種植深度約10 cm。

圖9 土壤模型總變形云圖

4 機(jī)械效率

植樹效率受1號(hào)電動(dòng)推桿、2號(hào)電動(dòng)推桿、齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及履帶行進(jìn)時(shí)間影響。1號(hào)推桿運(yùn)作效率為45 mm·s-1，2號(hào)推桿運(yùn)作效率為45 mm·s-1，齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)作效率為20 r·min-1，履帶行進(jìn)速率為0.18 m·s-1。因?yàn)辇X輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以與1號(hào)電動(dòng)推桿同時(shí)進(jìn)行，所以忽視齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)作時(shí)間，計(jì)算顯示植苗效率為每棵55 s。

5 結(jié)語

從機(jī)械結(jié)構(gòu)看，履帶行走能適應(yīng)不同的沙漠地況，適應(yīng)性強(qiáng)。一體化多功能種植機(jī)能高效種植，裝置總質(zhì)量為50 kg，精巧便捷，方便植樹人員攜帶。從電子控制看，該種植機(jī)能夠通過手機(jī)、平板等電子設(shè)備智能控制植樹機(jī)，自動(dòng)規(guī)劃行進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化植樹。從機(jī)械效率結(jié)果來看，該種植機(jī)平均每分鐘種植一株樹苗，植樹效率高。