基于新型植樹挖坑機機架的動靜態分析及試驗驗證

劉　濤，婁玉印，黃　偉

（1.信陽農林學院食品學院，河南信陽　464000；2.廣西科技大學鹿山學院，廣西柳州　545000；3.廣西大學機械工程學院，廣西南寧　530004）

基于新型植樹挖坑機機架的動靜態分析及試驗驗證

劉濤1，*婁玉印2，黃偉3

（1.信陽農林學院食品學院，河南信陽464000；2.廣西科技大學鹿山學院，廣西柳州545000；3.廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004）

針對傳統挖坑機的缺點，研發了一種挖坑效率高、成本低，且能夠滿足不同土壤條件、地形、坑深和坑徑要求的新型植樹挖坑機。通過有限元分析和試驗驗證，結果表明，新型植樹挖坑機能夠滿足工作要求并且挖坑機機架能夠滿足動靜態要求。

新型植樹挖坑機；有限元；APDL

基于保護環境的原則，植樹造林已成為廣大民眾的公共意識。目前，國內外挖坑機的工作原理為掛靠式拖拉機提供動力，通過三點式提升機構帶動螺旋式刀盤旋轉完成挖坑作業。其優點是整機結構簡單、制作方便，缺點為螺旋式刀盤產生不斷變化的側壓力，導致拖拉機的搖晃和振動，進而使螺旋式刀盤工作阻力增大、穩定性差，使用范圍也受到很大限制。

針對傳統挖坑機的缺點，研發了一種挖坑效率高、成本低，且能夠滿足不同土壤條件、地形、坑深和坑徑要求的新型植樹挖坑機。該新型植樹挖坑機以發動機為動力，代替了傳統的拖拉機，從而降低了挖坑機的制作成本和占用空間，同時減少刀盤產生的側壓力對整機的影響，使刀盤工作阻力減小、可靠性提高、穩定性增強。本文利用有限元理論結合ANSYS軟件，對挖坑機主要零部件挖坑機機架進行動靜態分析，并通過試驗驗證其力學性能和可靠性。此方法對提高挖坑機的工作性能、開發效率、穩定性和可靠性，具有重要的指導意義。

1　新型植樹挖坑機的工作原理

新型植樹挖坑機側俯視見圖1，新型植樹挖坑機俯視見圖2，新型植樹挖坑機換擋機構見圖3。

圖1　新型植樹挖坑機側俯視

圖2　新型植樹挖坑機俯視

圖3　新型植樹挖坑機換擋機構

新型植樹挖坑機包括動力機構、傳動機構、行走機構、挖坑機構和機架。動力機構選用獨立柴油機，柴油機與離合器通過皮帶輪連接，經傳動軸、花鍵軸、花鍵套帶動刀盤機構轉動，完成挖坑作業［1］。減速器輸出軸經聯軸器、花鍵軸、花鍵連接套帶動鏈輪轉動；花鍵連接套有空檔和自動行走檔位2個位置，可通過繞固定支點的手柄、限位裝置和撥叉更換來實現不同的行走方式。

新型植樹挖坑機行走有人工和自動2種方式。人工方式是通過人力經扶手、萬向輪、行走輪將動力傳遞到挖坑機，從而實現行走運動。自動方式是手柄繞固定支點轉動，經限位裝置、撥叉，將花鍵連接套與鏈輪接觸，再經減速器、鏈輪帶動萬向輪和前輪轉動運動，實現自動行走運動。

2　組合式刀盤的力學分析

圖4　組合式刀盤機構

圖5　土壤質地的受力

組合式刀盤機構見圖4，土壤質地的受力見圖5。

新型植樹挖坑機組合式刀盤機構由定位鉆頭、切削刀片、缺口圓盤和排土葉片4部分組成，其各部分功能為定位鉆頭用于定位，切削刀片用于切削土壤，排土葉片將切削下的土壤排出坑外，其特點是挖坑效率高、拆裝方便、結構簡單。工作時，螺旋式刀盤由發動機經離合器、傳動軸、齒輪軸和齒輪套提供扭矩和軸向力，實現刀盤的垂直向下運動，通過定位鉆頭、切削刀片和土葉片完成挖坑作業［2］。

土壤質點的力學分析。可把刀盤的運動簡化為質點的定軸轉動，其受力如圖5所示，F1為土壤質點X方向上的受力，F2為土壤質點Y方向上的受力。

通過實際測量，刀盤的質量m為9.86 kg（不考慮在工作時黏在刀盤上的土壤質量）；通過對所挖土坑的觀察，粗略估計R=0.003 m，由于柴油機是整機的重要動力源，而柴油機的頻率為20 Hz，通過對樣機在挖坑過程的觀察，粗略估計刀盤的頻率是柴油機振動頻率的50%，即f=10 Hz，則角速度ω=2πf=2π。

若以X軸方向為起始位置，令轉過的角度為θ，則：θ=ωt產生的慣性力Fr為：Fr=mrω2

則F1=Frcosθ=mrω2cos40πt=116.777 16cos（40πt）

F2=Frsinθ=mrω2sin40πt=116.777 16sin（40πt）

3　挖坑機機架的有限元分析

挖坑機機架是挖坑機的重要部件，對挖坑機挖坑的性能起到重要的作用。

（1）設定材料特性。根據結構參數，新型植樹挖坑機機架采用45號鋼制作材料。該材料參數為彈性模量E=2.02×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ= 7.85×10-6kg/mm3，屈服極限σs=355 MPa。

（2）單元選擇。基于新型植樹挖坑機機架結構復雜的特點，選用三維實體SOLID92單元。其特點是該單元由10個點定義，每個節點有3個自由度：節點X，Y和Z方向位移，具有能夠承受可塑性、大變形、膨脹和大張力的能力［3-4］。

（3）網格劃分。根據挖坑機結構特點和精密度需要，采用智能劃分網格方式，精密度取6級。

（4）有限元模型的建立。

機架的有限元模型見圖6，挖坑機機架的應力云見圖7。

圖6　機架的有限元模型

圖7　挖坑機機架的應力云

由圖6可知，節點的數目為197 893，單元數目為77 716。

（5）添加載荷、約束求解。

加載：柴油機座支點處F11=1 107.031 08 N，F12= -1 068.604 78 N；皮帶輪處豎直方向上分力F23= 1 008.53 N，水平方向分力F24=257.63 N；錐齒輪對處F35=F36=91.753 48 N，軸承座F47=1 535.77 N。

約束：將機架安裝輪子處設為全約束。

（6）經有限元分析軟件ANSYS計算得挖坑機機架的應力云。經有限元分析軟件ANSYS計算得，機架的最大應力為58.9 MPa，小于屈服應力，發生在機架底部折彎處，滿足強度條件。

（7）經有限元分析軟件ANSYS計算得挖坑機機架的變形云。

挖坑機機架的變形云見圖8，機架的一階振動模型見圖9。

圖8　挖坑機機架的變形云

經有限元分析軟件ANSYS計算得，挖坑機機架的最大變形為1.194 mm，發生在挖坑機機架的上端處，滿足強度條件。

圖9　機架的一階振動模型

4　挖坑機機架的動態分析

機架的動態特性關系到新型植樹挖坑機的操作性、穩定性和疲勞壽命，模態分析用于確定設計中機架的振動特性（固有頻率和振型）［5］。

本文采用ANSYS中Block Lanczos法，該方法收斂快，適用于比較復雜的質量和剛度矩陣。由于高頻振動幅度小，對結構的動力響應影響有限，本文取前五階帶預應力的模態。

機架的二階振動模型見圖10，機架的三階振動模型見圖11，機架的四階振動模型見圖12，機架的五階振動模型見圖13。

圖10　機架的二階振動模型

圖11　機架的三階振動模型

（1）機架一階模態的頻率為32.646 Hz，特點為機架整體前后擺動。

（2）機架二階模態的頻率為61.788 Hz，特點為機架前部基本不動，把手左右擺動。

（3）機架三階模態的頻率為70.777 Hz，特點為機架前部扭動，扶手左右擺動。

（4）機架四階模態的頻率為104.74 Hz，特點為機架前部左右微擺，扶手同相位上下擺動。

（5）機架五階模態的頻率為105.71 Hz，特點為整體機架幾乎不動，扶手異相位上下擺動。

圖12　機架的四階振動模型

圖13　機架的五階振動模型

5　試驗

（1）樣機制造。本新型植樹挖坑機通過車、銑、刨、磨、鏜等一系列工藝。

新型植樹挖坑機樣機見圖14。

（2）試驗驗證。試驗驗證是產品開發的重要手段，是證明理論正確性和產品可行性的重要方法。

挖坑實物圖見圖15。

由圖15可知，新型植樹挖坑機挖出的土大部分都在坑的周圍，并且坑深具有很好的垂直性，能夠滿足挖坑功能。

圖14　新型植樹挖坑機樣機

圖15 挖坑實物圖

6　結論

新型植樹挖坑機能夠滿足功能要求，具有極大的推廣價值；新型植樹挖坑機機架能夠滿足強度要求、剛度要求和動態要求。

［1］濮良貴，紀名剛.機械設計 ［M］.第8版.北京：高等教育出版社，2005：41-43.

［2］黃仁楚，劉偉.挖坑機工作參數的研究鉆頭轉速及土壤因子對功率消耗的阻力矩的影響 ［J］.東北林業大學學報，1987（5）：15-18.

［3］趙均海，汪夢甫.彈性力學及有限元 ［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2003：264-271.

［4］張朝暉.ANSYS 11.0結構分析工程應用實例解析 ［M］. 第2版.北京：機械工業出版社，2008：37-48.

［5］宋天霞.有限元理論及應用基礎教 ［M］.武漢：華中工學院出版社，1987：104-113.◇

The Static and Dynamic Analysis Based on Frame of the New Type Digging Machine for Planting Trees of Combined Cutter and Experimental Verification

LIU Tao1，*LOU Yuyin2，HUANG Wei3
（1.Food College，Xinyang College of Agriculture and Forestry，Xinyang，He'nan 464000，China；2.Lushan College，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou，Guangxi 545000，China；3.College of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning，Guangxi 530004，China）

According to the shortcomings of traditional digging machine，this paper designs a kind of new digging machine which is pit of high efficiency and low cost and can meet the different soil conditions，topography，depth and crater size requirements.Through the finite element analysis and experimental verification，the results show the new type digging machine for planting trees that can meet the job requirements and the frame can meet the requirements of dynamic and static.

the digging machine for planting trees；the finite element；APDL

TG659

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.06.044

1671-9646（2016）06b-0057-04

2016-02-23

劉濤（1986— ），男，碩士，助教，研究方向為食品機械及可再生能源應用方面的教學與研究。
*

婁玉印（1983— ），男，碩士，助教，研究方向為機械系統動力學仿真研究。