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小型棗樹(shù)移栽機(jī)鏟斗組件的仿真分析 （塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300） 摘要: 本設(shè)計(jì)的小型棗樹(shù)移栽機(jī)，用于挖掘直徑在2-6cm的較小樹(shù)木，挖掘土球直徑為50cm，土球高度為60cm。 關(guān)鍵詞：小型棗樹(shù)移栽機(jī)；鏟斗組件；安全系數(shù)；仿真；等量應(yīng)力變化 中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Small jujube tree transplanting machines bucket assembly simulation analysis ChangYinPeng (Mechanical Electrical Engineering College of Tarim University, Xinjiang Alar 843300) Abstract : The design of small jujube transplanting machine, used for mining2-6cm in diameter, smaller trees, digging soil ball diameter is 50cm, height 60cm soil ball. Keywords: Small jujube tree transplanting machines Blade assembly Bucket assembly Blade wall Hydraulic cylinder CLC: Document Code: A 1.引言 隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)的投入和技術(shù)創(chuàng)新。加大宣傳力度，提高農(nóng)民的積極性。同時(shí)要使栽植的穩(wěn)定性和栽植速度大大提高，降低生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。我國(guó)在移栽機(jī)研制過(guò)程中，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝明顯脫節(jié)，需要進(jìn)一步完善與育苗設(shè)施及相應(yīng)的配套技術(shù)。在引進(jìn)基礎(chǔ)上要克服不足，盡量設(shè)計(jì)出適合經(jīng)濟(jì)作物的移栽機(jī)，加強(qiáng)自動(dòng)喂苗栽植器[1]的研究，增加檢測(cè)與傳感裝置，適時(shí)地控制栽植過(guò)程。力求達(dá)到預(yù)期的栽植效果。同時(shí)還要加強(qiáng)自動(dòng)提苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)將通用移栽機(jī)[2]與專(zhuān)用移栽機(jī)相結(jié)合，增強(qiáng)移栽機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性，提高其通用性。 棗樹(shù)在栽植過(guò)程中都是沿用傳統(tǒng)的人工栽植的方法，傳統(tǒng)栽植法勞動(dòng)力大、強(qiáng)度大，機(jī)器的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性低，能耗高、效率較低等問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)栽植技術(shù)向現(xiàn)代栽植技術(shù)的轉(zhuǎn)變。需因地制宜，大力發(fā)展棗樹(shù)栽植機(jī)械化[3]。為了充分利用資源減少自然災(zāi)害，爭(zhēng)取高產(chǎn)，機(jī)械化移栽是有效途徑。這樣可以解決人工栽植過(guò)程中的栽植勞動(dòng)強(qiáng)度大，所需勞動(dòng)力較多，產(chǎn)品粗大笨重，成本高、效率低，質(zhì)量難以保證的問(wèn)題。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法不僅要考慮機(jī)械靜強(qiáng)度，而且還要考慮機(jī)械的動(dòng)態(tài)性，這樣才能提高機(jī)械設(shè)備的性能和效率。隨著移栽技術(shù)的作用日益突出，降低了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率，機(jī)械移栽的行距、株距和深度保持一致，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，為棗樹(shù)種植的規(guī)模化提高了前提，為生態(tài)作業(yè)打下了良好的基礎(chǔ)。 生態(tài)果業(yè)機(jī)械化發(fā)展已經(jīng)步入新的歷史起點(diǎn)[4]，生態(tài)果業(yè)機(jī)械化作為發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的主要內(nèi)和主要標(biāo)志，適合地區(qū)生產(chǎn)需要的栽植機(jī)植種類(lèi)較少、單一，科技含量不高，不能滿(mǎn)足果業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的要求。人工移栽勞動(dòng)強(qiáng)度大，需勞動(dòng)力多，效率低，嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)作物的發(fā)展，不能較快地推進(jìn)種植果林業(yè)的發(fā)展。新型的栽植機(jī)的改造和設(shè)計(jì)提高了機(jī)具的性能和效率[5]，并為其他的林業(yè)與木工機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)開(kāi)辟新的道路，使得我國(guó)的機(jī)械趕得上時(shí)代并達(dá)到世界的水平，這對(duì)于提高我國(guó)植樹(shù)造林機(jī)械化的進(jìn)程有巨大的推動(dòng)作用，同時(shí)對(duì)于我國(guó)林業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益具有重大意義。也對(duì)棗果業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 2.結(jié)構(gòu)原理和工作過(guò)程 本實(shí)用新型涉及一種液壓小型棗樹(shù)移栽機(jī)，屬于園林機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。此小型樹(shù)木移栽機(jī)由提升架滑道、 提升架液壓缸、提升架、鏟斗組件滑道、鏟斗組件和鏟斗滑塊等部件組成 ，挖樹(shù)的動(dòng)作是由各組件配合完成，鏟斗組件用來(lái)鏟斷樹(shù)木的側(cè)根并使根球與周?chē)寥婪蛛x．機(jī)架剛性固定在配套拖拉機(jī)或其他動(dòng)力機(jī)械上；提升架由1個(gè)提升油缸來(lái)驅(qū)動(dòng)，鏟斗組件由兩鏟斗液壓缸驅(qū)動(dòng)．鏟斗組件的開(kāi)合由開(kāi)合蓋板驅(qū)動(dòng)．大致工作作流程如下：駕駛林木移栽機(jī)靠近要移栽的樹(shù)木，在快接近的時(shí)候停下，駕駛棗樹(shù)移栽機(jī)使被移栽樹(shù)木木處于鏟斗組什中間位置，合上開(kāi)合蓋板，使鏟斗組件閉合包圍棗樹(shù)，鏟斗組件在鏟斗組件液壓缸作用下壓下切斷樹(shù)木的根部，打開(kāi)提升油缸把所挖樹(shù)木提升上來(lái)，完成棗樹(shù)的挖掘工作。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、機(jī)動(dòng)靈活、作業(yè)效率高，適用于苗圃、林場(chǎng)、園林等場(chǎng)所的樹(shù)坑挖掘、小型樹(shù)木帶土起挖移栽、短距離樹(shù)木運(yùn)輸。其總體結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示： 1鏟斗 2架子一側(cè) 3六角厚螺母 4特大墊圈 5閉合蓋板 6六角厚螺母 7拉桿墊圈 8機(jī)架滑軌 9提升架曲柄 10提升架液壓剛 11機(jī)架 12搖桿 13拉桿14提升架 15鏟斗液壓缸桶套 16六角頭螺栓 圖1 小型棗樹(shù)移栽機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖 棗樹(shù)移栽機(jī)的挖掘主要靠鏟斗組件，鏟斗組件的作用是在挖掘工作時(shí)切斷樹(shù)木的根部，保證挖掘的順利進(jìn)行。從受力分析的角度看鏟斗組件受到的載荷也較大，而且鏟斗組件的空間位置隨時(shí)間不斷變化。所以鏟斗組件的性能直接影響棗樹(shù)移栽機(jī)的壽命和作業(yè)性能，必須合理的設(shè)計(jì)鏟斗組件的結(jié)構(gòu)，提高剛度，使應(yīng)力分布合理，盡量達(dá)到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。隨著有限元技術(shù)和通用有限元軟件的發(fā)展，利用CAE技術(shù)對(duì)零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程數(shù)值模擬，結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真等有限元分析逐漸成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效工具。 3.鏟斗組件有限元模型的建立 3.1鏟斗組件的受力分析 鏟斗組件安裝在架子一側(cè)的滑塊外生桿上并與鏟斗液壓缸活塞桿剛性的焊接在一起，由于移栽機(jī)鏟斗液壓缸活塞桿在工作過(guò)程中啟動(dòng)瞬間是勻速運(yùn)動(dòng)的，所以所受內(nèi)力與外力是相互平衡的，可以用靜力學(xué)代替動(dòng)力學(xué)分析。鏟斗組件所受的驅(qū)動(dòng)力只有鏟斗組件液壓缸對(duì)它的正壓力，同時(shí)受到土壤對(duì)鏟斗頂部的作用力，土壤對(duì)鏟斗組件的腹部壓力及鏟斗組件與土壤的摩擦力，在分析時(shí)我們可以抓主忽次，可以忽略土壤的摩擦力的作用。 3.2鏟斗組件的有限元建模 首先，用solidworks2010進(jìn)行鏟斗組件的三維實(shí)體造型，然后用Solidworks SimulationXpress[6]模塊對(duì)鏟斗組件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖3為劃分網(wǎng)格后，施加力和約束的有限元模型，在solidworks中對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分后共有15884個(gè)節(jié)點(diǎn)，7736個(gè)單元數(shù)。 圖3 鏟斗組件網(wǎng)絡(luò)劃分 4.鏟斗組件仿真方案與結(jié)果分析 4.1方案匯總 方案一 假設(shè)原始建模鏟斗組件上的每個(gè)面都受到鏟斗液壓缸的最大理論推力20100N，土壤對(duì)鏟斗的壓強(qiáng)為 2 0000N/㎡ 方案二 假設(shè)原始建模鏟斗組件上的每個(gè)面都受到均布載荷，即三個(gè)面分別收到的力均為20100/3=6700N,土壤對(duì)鏟斗的壓強(qiáng)為20000N /㎡ 方案三 對(duì)鏟斗模型進(jìn)行改變，改變鏟斗模型的支撐厚度，在每個(gè)面上添加鏟斗液壓缸的最大理論推力，土壤對(duì)鏟斗的壓強(qiáng)為 20000N/㎡ 方案四 在案例三的模型上對(duì)鏟斗組件上的每個(gè)面施加均布載荷，即三個(gè)面分別收到的力均為20100/3=6700N,土壤對(duì)鏟斗的壓強(qiáng)為20000N /㎡ 方案五 綜合分析案例一至案例四，對(duì)模型再次更改，對(duì)原始模型在支撐部位增加厚度同時(shí)對(duì)支撐邊緣添加圓角。 4.2結(jié)果分析 方案一結(jié)果分析： 針對(duì)方案一假設(shè)每個(gè)施加力的面都是施加最大理論力值可以得出如下結(jié)果： （1）Stress（-vonMises-）等量應(yīng)力變化情況雖然大部分應(yīng)力變化比較小，但是鏟斗組件連接點(diǎn)附近的等量應(yīng)力變化較大，存在不穩(wěn)定因素； （2）鏟斗組件的底部的Displacement變化幅度太大，其中部至上不過(guò)度的安全顏色趨于零，處于危險(xiǎn)狀態(tài)； （3）Deformation中部位移變化較大，沒(méi)有達(dá)到理想的變形要求； （4）Factor of Safety安全系數(shù)大部分呈現(xiàn)藍(lán)色，符合要求，但是支撐部位出現(xiàn)紅色的安全警告因此極易斷裂，因此還需要對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)。 方案二結(jié)果分析： 在方案一的基礎(chǔ)上建立方案二，假設(shè)每個(gè)施加力的面都是施加最大理論力值的平均值可以得出如下結(jié)果： （1）Stress（-vonMises-）等量應(yīng)力變化情況雖然大部分應(yīng)力變化比方案一要低，但是仍然存在不穩(wěn)定因素； （2）鏟斗組件的上部邊緣的Displacement變化幅度太大趨于紅色最大值； （3）Deformation中部位移變化較大，沒(méi)有達(dá)到理想的變形要求； （4）Factor of Safety安全系數(shù)全部呈現(xiàn)藍(lán)色，符合要求。因此還需要對(duì)此方案進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)。 方案三結(jié)果分析： 方案三是在方案二的基礎(chǔ)上對(duì)鏟斗模型進(jìn)行改變，改變鏟斗模型的支撐厚度，然后在每個(gè)面上施加最大理論力值可以得出如下結(jié)果： （1）Stress（-vonMises-）等量應(yīng)力變化情況明顯比方案一小的多，但比方案二要稍大； （2）鏟斗組件的底部的Displacement變化幅度太大，其中部至上不過(guò)度的安全顏色趨于零，處于危險(xiǎn)狀態(tài)； （3）Deformation中部位移變化較小，近乎達(dá)到理想的變形要求； （4）Factor of Safety安全系數(shù)大部分呈現(xiàn)藍(lán)色，符合要求，但是支撐部位出現(xiàn)紅色的安全警告因此極易斷裂所以還需要改進(jìn)。 方案四結(jié)果分析： 在方案三的基礎(chǔ)上建立方案四，每個(gè)施加力的面都是施加最大理論力值的平均值可以得出如下結(jié)果： （1） Stress（-vonMises-）等量應(yīng)力變化情況明顯的比前三個(gè)方案變化程度小，因此方案四的等量應(yīng)力變化情況是趨于合理的； （2）鏟斗組件的上部的Displacement變化幅度稍有些大，其中部至上部過(guò)度的安全顏色逐漸增加，危險(xiǎn)狀態(tài)明顯減少； （3）Deformation中部位移變化較大，沒(méi)有達(dá)到理想的變形要求； （4）Factor of Safety安全系數(shù)全部呈現(xiàn)藍(lán)色，符合要求。 接著在分別分析方案一至方案四的和位移及位移變化情況，可以得出以下結(jié)論，在方案一中鏟斗組件頂部位移變化很大；在方案二中鏟斗組件頂部位移變化達(dá)到要求，但是側(cè)部位移存在隱患；在方案三中鏟斗組件頂部位移達(dá)到要求，但支撐處部分位移存在潛在隱患；在方案四中鏟斗組件頂部位移和側(cè)部位移均達(dá)到要求。然后再分別分析方案一至方案四的安全系數(shù)變化情況，在方案一中安全系數(shù)大部分是合格的，支撐部位附近的安全因數(shù)是小于1的，因此支撐部位是不合格的；在方案二中安全系數(shù)均是大于等于1的，因此是合格的；在方案三中安全系數(shù)大部分是合格的，支撐部位附近的安全因數(shù)是小于1的，因此支撐部位是不合格的；在方案四中安全系數(shù)均是大于等于1的，因此安全系數(shù)變化符合要求的。綜合比較可知方案四的Stress（-vonMises-）等量應(yīng)力變化情況、合位移、位移、及安全系數(shù)的變化相對(duì)于前三個(gè)方案是最優(yōu)的，但是其Stress（-vonMises-）等量應(yīng)力變化情況任然存在不穩(wěn)定因素，因此還需要對(duì)方案四進(jìn)行優(yōu)化。 方案五結(jié)果分析： 再對(duì)鏟斗組件進(jìn)行建模，對(duì)原始模型在支撐部位增加厚度同時(shí)對(duì)支撐邊緣添加圓角后再次進(jìn)行分析，最后得出其Stress（-vonMises-）等量應(yīng)力完全達(dá)到要求，其合位移、位移、及安全系數(shù)的變化也相當(dāng)合理，因此方案五是最優(yōu)的。 5結(jié)論 1）用有限元分析方法變連續(xù)結(jié)構(gòu)為離散結(jié)構(gòu)，代替了傳統(tǒng)的理論分析方法，節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間，并提高了計(jì)算的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和可靠性，縮短了設(shè)計(jì)周期。 2）根據(jù)有限元應(yīng)力分析、位移分析、合位移分析及安全系數(shù)分析對(duì)鏟斗組件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使鏟斗組件的應(yīng)力分布更趨于合理符合作業(yè)工況的要求。 6.參考文獻(xiàn) [1]胡軍,封俊,曾愛(ài)軍.大蔥移栽機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與移栽前景[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2002（2）:1～3. 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