植樹機(jī)挖坑機(jī)構(gòu)螺旋式鉆頭性能特性優(yōu)化研究

摘要：為實(shí)現(xiàn)植樹機(jī)挖坑機(jī)構(gòu)的低能耗和輕簡(jiǎn)化，對(duì)鉆頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化。應(yīng)用離散元法建立土壤模型，通過(guò)EDEM軟件對(duì)鉆頭鉆土過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。采用Design-Expert軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，以切刀刃角、螺旋翼片升角、轉(zhuǎn)速3個(gè)因素為自變量，以鉆頭受到的阻力矩為響應(yīng)值，構(gòu)建阻力矩的回歸方程并進(jìn)行方差分析。得出最優(yōu)參數(shù)組合為：切刀刃角為32.778°、螺旋翼片升角為28.316°、轉(zhuǎn)速為160.346 r·min-1，以上參數(shù)組合下阻力矩為275.137 N·m，通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)得出誤差僅4.38%。通過(guò)ANSYS對(duì)鉆頭進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后質(zhì)量減輕了34.39%，應(yīng)力增大了76.28%，此時(shí)的安全系數(shù)為2.61；變形增大了59.79%，但仍小于1 mm。對(duì)優(yōu)化后鉆頭進(jìn)行模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，各階固有頻率均避開了主要激勵(lì)頻率，避免了共振的發(fā)生。以上研究結(jié)果可為挖坑機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：挖坑機(jī)構(gòu)；螺旋式鉆頭；離散元法；響應(yīng)面法；模態(tài)分析doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0635

中圖分類號(hào)：S776.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008‐0864（2025）02‐0089‐10

我國(guó)森林資源比較匱乏，全國(guó)人工林面積為46 666.7萬(wàn) hm2，人均森林面積遠(yuǎn)低于世界平均水平[1-3]。人工植樹造林質(zhì)量差、效率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大，而機(jī)械化植樹造林不僅能保證挖坑質(zhì)量，還能提高效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低造林成本。近年來(lái)，隨著生態(tài)綠色理念的深入人心，植樹造林也得到了社會(huì)各界人士的參與，植樹機(jī)械的研究受到廣泛關(guān)注。挖坑機(jī)構(gòu)是植樹機(jī)的重要部件，鉆頭又是挖坑機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。在挖坑過(guò)程中，鉆頭經(jīng)常與泥土、石塊及土中雜質(zhì)發(fā)生摩擦，且由于其深入土中，需要承受較大的沖擊力，因此，鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)決定著挖坑作業(yè)質(zhì)量以及消耗的功率-5]。在入土工作時(shí)，鉆頭會(huì)受到土壤的阻力及反作用扭矩，容易產(chǎn)生磨損和形變[6]?；诖?，提高鉆頭的減阻性能和鉆頭材料的利用率是實(shí)現(xiàn)挖坑機(jī)構(gòu)低能耗和輕簡(jiǎn)化的重點(diǎn)。

目前，有關(guān)挖坑機(jī)構(gòu)鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)多針對(duì)鉆頭的某一結(jié)構(gòu)參數(shù)，缺乏對(duì)鉆頭整體的研究[7-9]。俞國(guó)勝等[10]通過(guò)多組對(duì)比試驗(yàn)分析了鉆尖、切土刀刃角對(duì)鉆孔阻力矩的影響，發(fā)現(xiàn)鉆孔阻力矩的主要因素是升土阻力；趙靜等[11] 通過(guò)ANSYS分析不同螺旋升角的鉆頭應(yīng)力變化發(fā)現(xiàn)，隨著螺旋升角的增加，翼片所承受的應(yīng)力也在增加，這為升角的進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論依據(jù)；郭貴生等[12]基于鉆頭的動(dòng)力學(xué)分析研究了螺旋升角對(duì)鉆頭工作性能的影響規(guī)律，得出了升角的最優(yōu)范圍；任工昌等[13]基于有限元進(jìn)行多組對(duì)比試驗(yàn)，分析螺旋翼片升角和翼片厚度對(duì)螺旋面強(qiáng)度的影響，得到了合理的升角和厚度；Huang等[14]采用有限元分析方法得到形狀參數(shù)對(duì)鉆孔力的影響，確定了最小鉆削力的鉆削速度和進(jìn)給速度組合;Wang等[15]利用EDEM軟件進(jìn)行仿真，分析了鉆頭螺旋角、進(jìn)給速度和坡度對(duì)輸土效率和拋土距離的影響，通過(guò)響應(yīng)面進(jìn)行分析，得到了各因素的最優(yōu)組合。

為實(shí)現(xiàn)植樹機(jī)挖坑機(jī)構(gòu)的低能耗和輕簡(jiǎn)化，本文采用離散元法、有限元法、響應(yīng)面法對(duì)鉆頭所受阻力和應(yīng)力進(jìn)行分析，得出最優(yōu)的機(jī)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)鉆頭使用的材料量進(jìn)行優(yōu)化，可為挖坑鉆頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 挖坑機(jī)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理 挖坑機(jī)構(gòu)主要由絲桿滑塊模組、鉆桿、螺旋翼片、鉆尖等組成，如圖1所示。雙路平移電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)固連在滑塊橫梁支架上的鉆頭完成提升與下降動(dòng)作；挖坑電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆頭完成螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭在滑塊與雙路平移電機(jī)的協(xié)同驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行勻速下鉆，土壤在翼片刀刃轉(zhuǎn)動(dòng)切割下進(jìn)入螺旋翼片，隨著螺旋翼片的旋轉(zhuǎn)不斷上升，最終被帶出地面。