小型液壓挖樹機的設計與研究

趙德金 郭艷玲 李志鵬 周杰

（1.東北林業大學，黑龍江哈爾濱 150040；2.延邊大學，吉林延吉 133002）お

摘要 液壓挖樹機采用液壓作為動力完成挖樹，舉升帶土球樹木以及栽樹等過程，能有效提高樹木移栽效率、樹木成活率和降低成本。利用三維CAD軟件Creo2.0對挖樹機挖樹裝置機構進行了設計并且對挖樹鏟部件挖樹過程和起苗過程的受力情況作了分析，最后使用ansys-workbench進行求解，為今后該機械的結構設計以及參數優化提供依據。

關鍵詞 液壓；挖樹機；設計

中圖分類號 SB776.24+6文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2014）19-06448-04

Design and Research of the Small瞫ized Tree Spade

ZHAO De瞛in, GUO Yan瞝ing et al

(Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040; Yanbian University, Yanji, Jilin 133002)

Abstract Hydraulic tree spade adopts hydraulic pressure as power to complete digging, lifting and transplanting a tree which can effectively improve the survival rate of trees, efficiency of tree transplant and reduce the cost of tree transplant. The tree spade was designed with three瞕imensional modeling software of Creo2.0. The force data of the spade while digging and lifting a tree dug by the tree spade was calculated through formula, and then the spade was analyzed with ansys瞱orkbench. The result can provide the basis for the structural design of the machine and parameters optimization.

Key words Hydraulic; Tree spade; Design

基金項目 國家林業局948項目（2011421）。

作者簡介 趙德金（1975- ），男，在讀博士生，研究方向：林業工程自動化。

*通訊作者，教授，博導，美國密歇根大學研修生，從事機電一體化、特種加工技術和現代設施農業研究。

收稿日期 20140521

改善中國城市環境質量，依然是中國當前和今后面臨的問題。樹在城市綠化中起著關鍵的作用，近年來中國城市的綠化面積明顯提高，而中國的園林機械發展相對滯后，目前大多城市綠化工作依然主要依靠人力完成。造成綠化勞動強度大，效率低，成本高。隨著勞動力短缺問題的加劇，采用挖樹機械進行樹木移植的技術已成為中國今后樹木移植的主要發展趨勢。該文研究的挖樹機械與拖拉機配套使用，采用液壓作為動力完成挖樹，舉升樹和樹根土球、運輸以及栽樹等全過程，能有效的提高挖樹效率和降低樹木移植的成本［1-3］。

1 國內外挖樹機的類型和研究現狀

1.1 樹木移植機的類型

樹木移植機種類很多，具體分類方法如果按挖掘鏟的形狀可分為直鏟式、弧形鏟式、U形鏟和半圓球形鏟。按照鏟的數量可分為兩鏟式、三鏟式、四鏟式和六鏟式。

1.2 國內外挖樹機的研究現狀

國外挖樹機械的研究起步早，技術比較成熟，產品一般與裝載機、汽車、拖拉機等動力機械配套使用，制造樹木移植機械的公司有美國Big睯ohn公司、加拿大Holt Tree Spades公司、加拿大Lemar Tree Spades公司、加拿大的Dutchman Industries公司、德國的Optimal公司，還有荷蘭的Damcon公司。另外俄羅斯和日本也制造了先進的樹木移植機械［4-9］。

在國內，樹木移植機研究工作大約在20世紀70年代末期，20世紀80年代北京林業大學顧正平和張英彥對樹木移植機進行了試驗研究。21世紀初，我國內蒙古赤峰市赤田農林機械制造廠研制的可用于苗圃、園林工程綠化的大樹移栽挖樹機，江蘇省豐壘果蔬特種機械研制有限公司也研制出了新型挖樹機械。

2 挖樹機結構參數和工作原理

2.1 挖樹機結構參數的確定

該設計的這款是與輪式拖拉機配套使用的小型挖樹機，挖掘樹木最大土球直徑為60 cm，鏟刀厚度為6 mm，鏟刀入土角為60度。挖樹樹木胸徑為6 cm左右，安裝在拖拉機后懸掛裝置上。液壓動力來源于拖拉機動力輸出軸驅動的齒輪泵。為滿足挖樹鏟動力性采用四鏟式結構，挖樹鏟采用直鏟式。

2.2 挖樹機的工作原理

該小型挖樹機主要應用于苗圃樹木胸徑為60 mm左右的樹木帶土球移栽的一種裝置，具有結構簡單，操作方便等特點（圖1）。工作原理主要是整個裝置懸掛于拖拉機后懸架機構上，首先開合液壓缸將兩個活動機架張開，然后操控升降液壓缸將挖樹裝置下降到合適位置移動到將要移栽的樹苗根部區域，閉合兩個活動液壓缸，當樹苗處于4個樹鏟的中心位置時，操控4個挖樹鏟液壓缸完成挖樹操作，再次操控升降液壓缸將帶土球的樹抬起，運送到指定位置，一般對于近距離可直接移植到用本機械挖好的樹坑內。對于遠距離批量移栽，一般將帶土球樹木放入保護土球的塑料袋或編制袋中。然后再運輸到指定地點進行移植。

注：1.開合液壓缸；2.鏟刀組件；3.活動機架；4.固定機架；5.升降機架；6.升降液壓缸。

圖1 挖樹機總體結構示意圖

2.3 挖樹機活動機架轉動控制液壓缸行程的確定

挖樹機機架裝圖如圖2所示。挖樹機開口大小由左右兩個活動機架繞A和B轉動完成的，根據圖2a中的挖樹機機架的結構，建立如圖2（2）所示的坐標系XOY，并且以線段的形式代替圖2（1）圖中Y軸右邊的結構，可以根據坐標變換的方法在XOY坐標系B（a，b）建立一個局部坐標系xBy，設D（X，Y）點為挖樹鏟活動機架張開到最大的位置點。那么D（X，Y）在xBy坐標系中的坐標為D（x，y），建立XOY坐標系中D（X，Y）點的運動方程：

玐=a+x2+y2玞osβ

Y=b+x2+y2玸inβ（1）

設BD=〗x2+y2=R，那么a，b，R和D（X，Y）坐標都是已知量，那么只有β是變量，當挖樹機活動鏟從閉合C點張開到D點，利用坐標變換通過β在這兩點角度值可以確定液壓缸的H點在液壓缸控制挖樹機活動鏟閉合C點張開到最大D點兩個坐標值，這兩點的距離就是控制活動挖樹鏟開合液壓缸的工作行程。

圖2 挖樹機機架裝配圖

2.4 挖樹土球和樹的相關參數確定

為了研究的方便，對土球和樹木的參數采用了近似計算，由于挖樹機的實際作業環境土壤情況多變，將土的重度取值為19 kN/m3；樹木生材密度取1 g/cm3；樹干的重力玏璵按樹木直徑都是6 cm近似計算；整棵樹的重力的大小近似等于樹干重力大小的兩倍。

根據設計參數的三角函數關系可確定土球如圖3所示的參數值如下：

圖3 土球參數

玂B=OA玹anα=30玹an60=52 cm

獳B=OA/玞osα=30/cos60=60 cm

玍=1 3π（OA）2（OB）=48 984 cm3

玏=γV=0.019×48 984=930.7 N

玍璵=π玶2h=3.14×9×300=8 478 cm3

玏璵=ρg玍璵=1×9.8×10-3×8 478=83.1N

表1 土球和樹木的相關參數

OA 土球半徑 cm

OB 土球深度 cm

AB 樹鏟入土長度 cm

玏 土球重力 N

玍 土球體積 cm3

ρ 樹木生材密度 g/cm3

γ 土的重度 KN/m3

玶 樹木胸徑 cm

玍璵 樹木生材體積 cm3

玥 樹木高度 cm

玏璵 樹主干的重力 N

3 基于Creo2.0軟件的挖樹機建模

根據設計參數使用PTC公司推出的Creo2.0軟件利用前文所述理論和機構參數對挖樹機進行結構設計，實現挖樹鏟曲面建模、實體建模，機架設計以及液壓缸的設計，然后利用Creo2.0軟件的虛擬裝配模塊進行對挖樹機各零部件進行虛擬裝配如圖4（1）是挖樹機俯視圖。圖4（2）為挖樹機樹鏟閉合視圖，同時還可以對挖樹機進行仿真分析，干涉檢驗，確定挖樹機的結構尺寸的合理性。

圖4 挖樹機俯視圖

4 挖樹鏟力學分析及Ansys瞱orkbench求解

4.1 挖樹鏟工作過程受力分析

挖樹機的主要工作部件是挖樹鏟組件，主要對挖樹鏟挖樹過程和起樹苗過程挖樹鏟受力情況如圖5所示進行分析。首先假定挖樹過程挖樹鏟以勻速運動并且土壤與挖樹鏟相互作用的基本量，如土壤的重度以及土壤與挖樹鏟的鏟面和切削刃的摩擦系數μ在整個挖樹過程中保持不變，挖樹鏟在勻速刺入土壤時，認為液壓缸動力與來自挖樹鏟的刺入土壤的剪切破壞阻力相等。在此過程中挖樹鏟受力如圖5（a）所示，受到土壤的重力獹，土壤側向壓力㏄1，土壤與挖樹鏟正面、反面以及刀刃的摩擦力為μ㎞1、μ㎞2和μ㎞3刀刃受到土壤的壓力N（Nx，Ny，Nz），由于土壤的實際情況多變，成分復雜，理論上的計算方法很難反映農機具與土壤的受力情況的通用公式，目前多采用經驗公式計算，挖樹鏟土壤阻力采用經驗公式［10］：

圖5 挖樹鏟受力分析

P=0.048 23R1.616 9獂1.138 4γ0.755 3猚0.244 7（2）

=（13.927 5+0.563 3×100.024 3β）(kN)

式中：P—下鏟阻力；x—鏟刀下鏟的位移量（m）；γ—土壤容重（g/cm3）；玞—土壤內聚力（Pa）；β—鏟刀體圍角的半角（度）；R—土球半徑(cm)。

樹木挖掘工作完成，要進行起樹苗的操作，那么挖樹鏟四鏟式從靜止到以一定的速度玍向上移動過程中，對挖樹鏟和與鏟接觸的土球而言在這一過程中的受力分析如圖5（b）所示，樹鏟受到土壤和樹的重力獹，土壤側向壓力㏄1，土球給挖樹鏟正面摩擦力μ㎞2，挖樹鏟給土球的摩擦力μ㎞2′，土球的慣性力F，土球慣性力對挖樹鏟產生的反作用力〧′。 以土球為研究對象根據理論力學達朗伯原理可以列出土球在垂直方向上力的平衡方程：

N玞osα+F+μN2玞os(90-α)-G=0（3）

挖樹鏟工作面所受到土球壓力的作用，由于挖樹鏟在土球的作用下有向外移動的趨勢，所以可以按照土壓力的主動土理論近視計算挖樹鏟所受到的土壓力，如圖6所示挖樹鏟是傾斜的，那么挖樹鏟所受到的土壓力可以看做土球和樹木的重力和圖6AB面受到主動土壓力的合力，土球重力利用“2.4”項下方法計算的數值來計算：

圖6 挖樹鏟工作面受力分析

獹=W+W璵=（930.7+2×83.1）/4=0.274 2 kN（4）

AB面受到的主動土壓力可按照朗金主動土壓力公式計算：

玴璦=1 2γzK璦-2cK璦（5）

E璦=1 2（H-h0）（γHK璦-K璦（6）

（5）（6）

式中：E璦是靜止土壓力；h0=2c γK璦是拉力區的高度；p璦是主動土壓力強度；z是計算點的深度；γ是土的容重；H是擋土墻的垂直高度；K璦是主動土壓力系數；c是土的黏┚哿?。?/p>

挖樹鏟所受到的側壓力強度玴璦按照北京林業大學張超波［11］研究的根土復合體中的土壤和樹根的黏聚力系數和土壤內摩擦角再結合朗金主動土公式（5）計算發現p璦<0并且利用公式（6）計算E璦時h0>H(AB)的高度，說明根土復合體改變了土的力學性能，提高了土的黏聚力系數，增強了土的抗剪強度，也就是說挖樹鏟在挖樹過程和起苗過程中土壤對挖樹鏟的側壓力很小可以忽略，說明挖樹鏟在挖樹和起苗過程中主要受到土球樹木的重力的作用。另外土壤和金屬材料的黏附和摩擦大約占土壤切削總能量的30%~50%［12］。挖樹鏟刀刃的厚度也對土壤切削阻力產生較大的影響。

4.2 Ansys瞱orkbench對挖樹鏟挖樹過程受力求解

挖樹鏟材料采用nm500耐磨鋼板，彈性模量獷=2.06×1011狽/m2；密度ρ=7.85×103 kg/m3，屈服強度δ璼=1 000 MPa；泊松比0.3。

圖7 挖樹鏟模型

挖樹鏟起苗過程中液壓缸的動力加載剛開始時，挖樹鏟受到土球和樹苗重力和他們的慣性力的沖擊作用。下面利用Ansys workbench對這一過程進行瞬間動力學分析。瞬間動力學的一般方程為：

［M］珄玿*}+［C］{玿′}+［K］{玿}={F(t)}（6）

式中:［M］是質量矩陣；［C］是阻尼矩陣；［K］是剛度矩陣；珄F(t)}力矢量；{x*}是加速度矢量；{x′}速度矢量；{x}位移矢量。

圖8 挖樹鏟的靜力與瞬時動力學分析

挖樹鏟起苗過程，首先假定挖樹鏟將所有樹的根都切斷，忽略土球與挖樹鏟的摩擦作用以及鏟背面與土壤的黏附力，認為挖樹鏟在這一過程只受到土壤的重力和樹木的重力和它們的慣性力的作用。結合公式（3）和（6）計算的力對圖7挖樹鏟正面與土壤接觸的區域進行力的加載進行挖樹鏟的瞬間動力學分析，Ansys瞱orkbench求解結果如圖8（b）所示。

4.3 受力結果分析

挖樹鏟圖8（a）靜力分析（1）所示最大變形發生在鏟尖端，其變形量4.7 mm；圖8（a）（2）圖最大應力為163 MPa。圖8（b）起苗瞬間動力學分析（3）最大變形量為0.73 mm，圖8（b）（4）最大應力為27 MPa。在挖樹和起苗過程中的變形量對于挖樹鏟而言較小，不影響挖樹操作，滿足使用要求和最大應力也都遠遠小于挖樹鏟材料的屈服極限，也滿足要求。

5 結論

（1）根據樹木移植要求確定挖樹機設計參數，利用軟件creo2.0對挖樹機進行 設計，虛擬裝配仿真確立了各部件的裝配和相對位置關系。

（2）對挖樹鏟主要工作部件的挖樹工作過程和起苗過程的受力情況進行了分析，并作了相關設計計算，利用計算結果結合Ansys瞱orkbench對挖樹鏟的挖樹過程受力和起苗過程初期瞬間動力進行了模擬，其結果符合設計要求。

參考文獻

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