全流程一體化植樹工程車及其關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

　　摘 要：基于Solidworks軟件設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)樹苗儲(chǔ)運(yùn)、移苗、挖坑、覆土、澆水等功能的全流程一體化植樹工程車。其中，該工程車的儲(chǔ)苗裝置一次可儲(chǔ)備99棵樹苗，可實(shí)現(xiàn)大批量植樹;通過限制移苗裝置的左右旋轉(zhuǎn)極限位置進(jìn)行定位實(shí)現(xiàn)了移苗與栽苗工作，從而使樹苗定位更為準(zhǔn)確。采用螺旋錐狀鉆頭，進(jìn)行螺旋式挖掘，利用Simulation模塊對(duì)螺旋刀片強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，滿足實(shí)際使用要求。該植樹工程車的研制將有助于提高植樹工作效率，節(jié)省了人力物力，提升樹苗成熟率。

　　關(guān)鍵詞：集成一體化;一體化植樹工程車;Solidworks;挖坑裝置;強(qiáng)度分析;儲(chǔ)苗裝置

　　侯榮國(guó); 王湘田; 盧萍; 張國(guó)棟， 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 發(fā)表時(shí)間：2021-10-08

　　1 引言

　　我國(guó)荒漠化面積占國(guó)土總面積的27.32%，植樹造林、種草恢復(fù)植被是防治荒漠化的最有效的手段。因此，要想解決我國(guó)土地荒漠化問題，提高森林覆蓋率，改善生態(tài)環(huán)境，必須大力開展機(jī)械化和智能化植樹造林，提高植樹造林效率[1，2]。保護(hù)環(huán)境、植樹造林是一場(chǎng)持久戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工造林方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，在進(jìn)行較大規(guī)模的林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)的過程中，如果不采用機(jī)械設(shè)備，將耗費(fèi)大量的人力資源，提高進(jìn)行林業(yè)生態(tài)建設(shè)的成本，機(jī)械化造林是發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)林業(yè)工程的自動(dòng)化勢(shì)在必行[3，4，5]。在工業(yè)生產(chǎn)中針對(duì)植樹作業(yè)機(jī)械化相關(guān)裝備越來越多，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)開展了大量研究，研究的主要植樹作業(yè)裝備類型有挖坑機(jī)、挖穴機(jī)、深栽造林鉆孔機(jī)[7]等機(jī)械裝備;連續(xù)開溝植樹作業(yè)機(jī)有 JZX-30 型懸掛式植樹機(jī)和 KDZ 型開溝大苗植樹機(jī)等[8～10]，主要為單棵樹苗類的移植與種植，一般為中等大小樹木的移植，對(duì)于以大面積植樹為方向的植樹機(jī)的發(fā)展還比較薄弱。不論從我國(guó)國(guó)情、還是從國(guó)家的有關(guān)政策而言，全自動(dòng)植樹機(jī)都具有很大的市場(chǎng)潛力[11]。為此對(duì)植樹機(jī)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，利用集成一體化的優(yōu)勢(shì)，選擇性挖坑，樹苗定位更準(zhǔn)確，儲(chǔ)苗裝置一次可儲(chǔ)備 99棵樹苗，能夠?qū)崿F(xiàn)批量植樹，提高了工作效率與樹苗成熟率、節(jié)省了人力物力，對(duì)提高種植精度與效率具有重要意義。

　　2 總體設(shè)計(jì)

　　2.1 整機(jī)主要結(jié)構(gòu)組成

　　一體化植樹工程車主要是以工程車為車體，在上面依次放置鉆坑裝置、移苗及覆土裝置、澆水裝置、儲(chǔ)苗裝置，以上裝置按照不同的使用功能與使用順序進(jìn)行合理的放置，從而組合成一個(gè)完整的植樹機(jī)，如圖1所示。

　　2.2 工作流程設(shè)計(jì)

　　新型一體化植樹工程車的工作流程，如圖2所示。工作人員駕駛植樹車到達(dá)種植點(diǎn)位后，首先由挖坑機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，采用螺旋錐狀鉆頭，螺旋式挖掘保證了樹坑的深度以及樹苗的直立性，保證了成活率。

　　在挖坑的同時(shí)，儲(chǔ)苗機(jī)構(gòu)通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式將樹苗移動(dòng)到指定位置，如圖3所示，當(dāng)挖坑裝置進(jìn)行挖坑時(shí)，儲(chǔ)苗板上的運(yùn)動(dòng)撥棍將旋轉(zhuǎn)撥棍移開，擋板自由下落，阻擋作用消失，然后在彈簧的作用下，阻擋樹苗下落的擋桿落下來，樹苗失去阻擋作用后在重力的作用下自由滑落，下落到指定位置;然后移苗機(jī)構(gòu)通過機(jī)械手夾取樹苗，移苗裝置的左右旋轉(zhuǎn)分別根據(jù)實(shí)際所需要的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行限定，使得移苗裝置在向右(向左向右均是在控制室方向看)旋轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)，正好達(dá)到樹苗所在的位置，通過機(jī)械手的張合就可以直接夾取樹苗，然后進(jìn)行栽苗工作;在進(jìn)行栽苗時(shí)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械臂向左旋轉(zhuǎn)，同時(shí)調(diào)整機(jī)械手臂前臂豎直向下，在向左到極限位置時(shí)，樹苗會(huì)正好處在挖坑裝置所挖的坑的上方，然后將樹苗放入所挖的坑中，挖坑裝置與移苗裝置采用相同的手臂半徑，來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度的配合，保證了樹苗定位的準(zhǔn)確性。

　　再由覆土裝置進(jìn)行覆土、壓實(shí)，此時(shí)機(jī)械手就可以松開樹苗返回，進(jìn)行下一棵樹苗的抓取工作。最后，由澆水裝置通過輸水管道對(duì)樹苗進(jìn)行澆水工作，從而完成一次樹苗的種植工作。

　　2.3 各組成部分主要功能及其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

　　車體需要滿足一定的尺寸大小要求與強(qiáng)度要求，此次設(shè)計(jì)使用的是普通平板形狀的工程車，由駕駛員進(jìn)行駕駛，完成運(yùn)載工作以及進(jìn)行植樹點(diǎn)位的確定。挖坑裝置是整個(gè)植樹工作的第一步，要確保所挖樹坑的直立性以及樹坑的深度與直徑。儲(chǔ)苗裝置要求具有一定的儲(chǔ)苗能力，以便使得植樹機(jī)能夠進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，同時(shí)儲(chǔ)苗裝置進(jìn)行儲(chǔ)苗、運(yùn)苗的同時(shí)還應(yīng)具有將所需要的樹苗運(yùn)送到指定位置的功能。儲(chǔ)苗裝置整體由儲(chǔ)苗板支架和儲(chǔ)苗板組成，儲(chǔ)苗板在支架上傾斜一定的角度，以便樹苗能夠在儲(chǔ)苗板上依靠自身的重力進(jìn)行滑落。立體式結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)苗裝置能夠提高每次運(yùn)苗的數(shù)量。儲(chǔ)苗板支架共分為九層，每層支架上的儲(chǔ)苗板可以存儲(chǔ)11棵樹苗，整個(gè)儲(chǔ)苗裝置可一次性存儲(chǔ) 99棵樹苗用于種植。

　　移苗裝置要求能夠準(zhǔn)確地夾取樹苗并能夠?qū)涿鐪?zhǔn)確無誤地放入到樹坑之中。為了應(yīng)對(duì)某些特殊情況，在移苗裝置后臂處增加了一個(gè)操作室用于對(duì)整個(gè)植樹過程進(jìn)行操作，增加實(shí)用性。在前臂上安裝下述的樹苗抓取裝置，如圖4所示，所使用的機(jī)械裝置為機(jī)械手，液壓裝置為其運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，機(jī)械手自由張合的控制是通過類似V型的導(dǎo)軌與滾輪間的相互配合來實(shí)現(xiàn)的，來完成樹苗的抓取，根據(jù)V型板的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)夾子的確定運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)夾子相互配合，從而完成放置工作。

　　覆土的成功與否會(huì)直接影響到整個(gè)植樹過程的成敗，要求覆土裝置完成覆土之后，樹苗能達(dá)到直立不倒的效果，并且要對(duì)覆土后的土壤進(jìn)行壓實(shí)，以保證土壤對(duì)樹苗具有足夠的支撐能力。如圖5覆土部分為半圓形，上半部分比較窄，下半部分相對(duì)比較寬，保證覆土工作的完成，69°的倒角實(shí)現(xiàn)對(duì)土的壓實(shí)作用，覆土、壓實(shí)合并為一體，在一定程度上簡(jiǎn)化了機(jī)械裝置。澆水是植樹過程中必不缺少的一步，對(duì)提高樹苗成活率有重要作用。水箱整體設(shè)計(jì)是為長(zhǎng)1m，寬1m，高0.75m的長(zhǎng)方體，夠滿足一次裝載種植99棵樹苗所需要的水量。

　　3 螺旋刀片的設(shè)計(jì)與校核

　　鉆頭是挖坑裝置的核心工作部件，其工作性能直接影響挖坑裝置的工作質(zhì)量和效率，確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)至關(guān)重要。這里所面對(duì)的植樹對(duì)象為直徑5cm左右的小楊樹樹苗，所需要的挖坑直徑大約為20cm，深度為50cm左右。將鉆頭設(shè)計(jì)為錐狀，并帶有螺旋刀片進(jìn)行螺旋式挖掘。文獻(xiàn)[12]運(yùn)用有限元理論和基于軟件ANSY/Workbench，建立不同結(jié)構(gòu)參數(shù)值條件下的葉片有限元模型并進(jìn)行仿真分析，確保葉片足夠的強(qiáng)度剛度，為螺旋刀片的合理使用提供了重要理論依據(jù)。根據(jù)所挖土壤能被順利排除刀坑外并且能順利進(jìn)行覆土工作，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。鉆頭螺旋刀片是鉆頭的主要工作表面，通過主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行升運(yùn)和旋拋土壤，受力較為復(fù)雜，且磨損較快，通過理論分析方法很難進(jìn)行校核，因此有必要利用有限元軟件進(jìn)行仿真分析。

　　3.1 螺旋刀片的設(shè)計(jì)計(jì)算

　　土壤在鉆頭離心力的作用下被拋出，落在周邊地面上，若離心力過大即主軸轉(zhuǎn)速過大，則土壤被距離坑中心的距離越大，不利于后續(xù)覆土工作的進(jìn)行，合適的主軸轉(zhuǎn)速對(duì)植樹工作起著重要的決定作用[13]。

　　假設(shè)土壤單元被拋出落到地面的運(yùn)動(dòng)過程為斜拋運(yùn)動(dòng)，初始速度為v0，分解為豎直向上的速度vy和沿螺旋外圓切線水平方向的vx，斜拋過程中受重力，空氣阻力忽略不計(jì)，經(jīng)過時(shí)間t落地，則： t = 2vy g (1)被拋出的水平距離： x = vx t = 2vx vy g (2)則距離坑中心拋出距離： S = R2 + x2 = R2 + 4vx 2 vy 2 g2 = 1 2g R2 g2 + 16vx 2 vy 2 (3)螺旋刀片最外側(cè)的線速度： vx = ωR (4)豎直向上的速度： vy = πRtanβ π ω = ωRtanβ (5)代入式(3)： S = R 4g g2 + 2ω4R2 tan2 β ≤ Smax (6)式中：g-重力加速度，取9.8m/s2;R-螺旋刀片外半徑，m;ω-角速度，rad/s;β-螺旋升角，°;β = arctan np πD;Smax-距離坑中心允許拋出最大距離，取500mm。經(jīng)計(jì)算得到S=370.30mm，滿足條件。螺旋刀片主要幾何參數(shù)，如表2所示。

　　3.2 螺旋刀片有限元分析

　　利用SolidWorks對(duì)螺旋刀片進(jìn)行三維建模，僅對(duì)螺旋刀片進(jìn)行有限元分析，在建模的過程中忽略了一些對(duì)結(jié)果影響的次要 因素，如安裝孔等，簡(jiǎn)化后的模型如圖6所示。采用Simulation模塊進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，螺旋刀片選用的材料為合金鋼，其彈性模量為 E=2.1×105 MPa，抗剪模量為 G=7.9× 104 MPa，泊松比為µ=0.28，且認(rèn)為鉆軸為剛體，其與刀片焊接處不發(fā)生變形。根據(jù)鉆頭工作的實(shí)際狀態(tài)，對(duì)螺旋刀片有限元模型進(jìn)行約束和加載，刀片與鉆軸相交曲面上采用固定鉸鏈約束，添加自下至上依次減小的非均勻力，在鉆頂部添加均布力，采用曲面的殼網(wǎng)格，如圖7所示。

　　靜應(yīng)力云圖如圖8所示，可以看出最大應(yīng)力為66.52MPa，遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力620.4MPa，所設(shè)計(jì)的螺旋刀片符合強(qiáng)度要求。進(jìn)而發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中主要發(fā)生在刀片與主軸焊接部分，最大應(yīng)力發(fā)生在刀片下端與主軸焊接處，這是因?yàn)樵撎幨芰^多明顯大于刀片其他部位，易發(fā)生疲勞斷裂，應(yīng)做好加固措施。

　　4 結(jié)語

　　(1)針對(duì)傳統(tǒng)植樹工作所需的機(jī)械裝置不足，設(shè)計(jì)改進(jìn)了一種可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)載樹苗、鉆坑、移苗、覆土、澆水等功能的一體化植樹工程車，實(shí)現(xiàn)植樹作業(yè)的集成一體化;

　　(2)通過限制移苗裝置的左右旋轉(zhuǎn)極限位置進(jìn)行定位實(shí)現(xiàn)移苗與栽苗工作，使其定位在同一點(diǎn)位，從而樹苗定位更為準(zhǔn)確;

　　(3)采用螺旋錐狀鉆頭，進(jìn)行螺旋式挖掘，通過對(duì)螺旋刀片進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算得到拋土距離遠(yuǎn)小于最大允許距離，用Simulation模塊進(jìn)行刀片強(qiáng)度分析，應(yīng)力小于屈服力，滿足設(shè)計(jì)要求;

　　(4)儲(chǔ)苗裝置一次可儲(chǔ)備99棵樹苗，可實(shí)現(xiàn)批量植樹，極大的提高了工作效率、節(jié)省了人力物力。