植樹機挖坑機構螺旋式鉆頭性能特性優化研究

摘要：為實現植樹機挖坑機構的低能耗和輕簡化，對鉆頭進行了結構設計和參數優化。應用離散元法建立土壤模型，通過EDEM軟件對鉆頭鉆土過程進行動力學仿真。采用Design-Expert軟件進行響應面試驗方案設計，以切刀刃角、螺旋翼片升角、轉速3個因素為自變量，以鉆頭受到的阻力矩為響應值，構建阻力矩的回歸方程并進行方差分析。得出最優參數組合為：切刀刃角為32.778°、螺旋翼片升角為28.316°、轉速為160.346 r·min-1，以上參數組合下阻力矩為275.137 N·m，通過驗證試驗得出誤差僅4.38%。通過ANSYS對鉆頭進行參數優化，優化后質量減輕了34.39%，應力增大了76.28%，此時的安全系數為2.61；變形增大了59.79%，但仍小于1 mm。對優化后鉆頭進行模態分析發現，各階固有頻率均避開了主要激勵頻率，避免了共振的發生。以上研究結果可為挖坑機構參數優化提供參考。

關鍵詞：挖坑機構；螺旋式鉆頭；離散元法；響應面法；模態分析doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0635

中圖分類號：S776.2 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2025）02‐0089‐10

我國森林資源比較匱乏，全國人工林面積為46 666.7萬 hm2，人均森林面積遠低于世界平均水平[1-3]。人工植樹造林質量差、效率低且勞動強度大，而機械化植樹造林不僅能保證挖坑質量，還能提高效率、減輕勞動強度、降低造林成本。近年來，隨著生態綠色理念的深入人心，植樹造林也得到了社會各界人士的參與，植樹機械的研究受到廣泛關注。挖坑機構是植樹機的重要部件，鉆頭又是挖坑機構的關鍵部件。在挖坑過程中，鉆頭經常與泥土、石塊及土中雜質發生摩擦，且由于其深入土中，需要承受較大的沖擊力，因此，鉆頭結構參數決定著挖坑作業質量以及消耗的功率-5]。在入土工作時，鉆頭會受到土壤的阻力及反作用扭矩，容易產生磨損和形變[6]。基于此，提高鉆頭的減阻性能和鉆頭材料的利用率是實現挖坑機構低能耗和輕簡化的重點。

目前，有關挖坑機構鉆頭的優化設計多針對鉆頭的某一結構參數，缺乏對鉆頭整體的研究[7-9]。俞國勝等[10]通過多組對比試驗分析了鉆尖、切土刀刃角對鉆孔阻力矩的影響，發現鉆孔阻力矩的主要因素是升土阻力；趙靜等[11] 通過ANSYS分析不同螺旋升角的鉆頭應力變化發現，隨著螺旋升角的增加，翼片所承受的應力也在增加，這為升角的進一步優化提供了理論依據；郭貴生等[12]基于鉆頭的動力學分析研究了螺旋升角對鉆頭工作性能的影響規律，得出了升角的最優范圍；任工昌等[13]基于有限元進行多組對比試驗，分析螺旋翼片升角和翼片厚度對螺旋面強度的影響，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對鉆孔力的影響，確定了最小鉆削力的鉆削速度和進給速度組合;Wang等[15]利用EDEM軟件進行仿真，分析了鉆頭螺旋角、進給速度和坡度對輸土效率和拋土距離的影響，通過響應面進行分析，得到了各因素的最優組合。

為實現植樹機挖坑機構的低能耗和輕簡化，本文采用離散元法、有限元法、響應面法對鉆頭所受阻力和應力進行分析，得出最優的機構參數，并對鉆頭使用的材料量進行優化，可為挖坑鉆頭的優化設計提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 挖坑機構物理結構設計

1.1.1 裝置結構與工作原理 挖坑機構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。雙路平移電機驅動滑塊上下運動，進而帶動固連在滑塊橫梁支架上的鉆頭完成提升與下降動作；挖坑電機驅動鉆頭完成螺旋轉動，鉆頭在滑塊與雙路平移電機的協同驅動下進行勻速下鉆，土壤在翼片刀刃轉動切割下進入螺旋翼片，隨著螺旋翼片的旋轉不斷上升，最終被帶出地面。