發(fā)布時(shí)間：2018-07-24所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:介紹了目前我國(guó)使用比較普遍的幾種挖坑機(jī)，提出了一種將挖坑與植苗作業(yè)合二為一的新型挖坑造林一體機(jī)。通過(guò)對(duì)該機(jī)螺旋挖坑鏟參數(shù)的相關(guān)研究，得知螺旋挖坑鏟的重力變化是影響其受力的主要因素。運(yùn)用Pro/E軟件對(duì)挖坑造林一體機(jī)整機(jī)進(jìn)行三維仿真，根據(jù)最
摘要:介紹了目前我國(guó)使用比較普遍的幾種挖坑機(jī)，提出了一種將挖坑與植苗作業(yè)合二為一的新型挖坑造林一體機(jī)。通過(guò)對(duì)該機(jī)螺旋挖坑鏟參數(shù)的相關(guān)研究，得知螺旋挖坑鏟的重力變化是影響其受力的主要因素。運(yùn)用Pro/E軟件對(duì)挖坑造林一體機(jī)整機(jī)進(jìn)行三維仿真，根據(jù)最優(yōu)化原理對(duì)整機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)模擬并加以分析，其可為今后挖坑造林一體機(jī)的改進(jìn)提供參考。
關(guān)鍵詞:挖坑造林一體機(jī);螺旋挖坑鏟;參數(shù)分析;仿真
挖坑機(jī)作為典型的林業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，長(zhǎng)期作業(yè)于惡劣的自然環(huán)境中，操作人員需要付出較大的體力勞動(dòng)并承受較大的心理考驗(yàn)。國(guó)內(nèi)挖坑機(jī)種類很多，但將挖坑和造林合二為一的機(jī)械還很少，為此筆者嘗試設(shè)計(jì)了一種挖坑造林一體機(jī)。
我國(guó)目前普遍使用的挖坑機(jī)有懸掛、手提、自走、背負(fù)4種形式，大多適用于農(nóng)林等基礎(chǔ)行業(yè)[1]。
(1)懸掛式挖坑機(jī):懸掛式挖坑機(jī)是由鉆頭、機(jī)架、減速器及傳動(dòng)軸等零部件組成[2]。挖坑鉆頭一般為螺旋式，動(dòng)力一般由拖拉機(jī)提供，提升機(jī)構(gòu)通常為三點(diǎn)懸掛式。為了充分利用并提高拖拉機(jī)的挖坑效率和功率，有的懸掛挖坑機(jī)上設(shè)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的鉆頭，稱為多鉆頭式挖坑機(jī)。鉆頭在工作時(shí)碰到障礙物會(huì)通過(guò)傳動(dòng)軸上的牙嵌式離合器自動(dòng)分離，從而阻斷動(dòng)力傳遞使鉆頭停止運(yùn)動(dòng)，以避免鉆頭受損。懸掛式挖坑機(jī)具有挖坑直徑大、成本低、工作效率高等特點(diǎn)，適用于地形比較平緩的地區(qū)。
(2)手提式挖坑機(jī):手提式挖坑機(jī)是由操作裝置、減速器、鉆頭、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)架及離合器等零部件組成[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)采用柴油機(jī)，其為手提式挖坑機(jī)的動(dòng)力裝置。手提式挖坑機(jī)的鉆頭由刀片、鉆尖、鉆桿和導(dǎo)土片組成[4]。挖坑機(jī)的工作鉆頭在扭矩和軸向力的作用下垂直向下運(yùn)動(dòng)，被切下的土壤則沿導(dǎo)土片上升，運(yùn)送至地表后排到坑外[5]。手提式挖坑機(jī)具有挖坑效率高、體積小、質(zhì)量輕、便于拆卸等特點(diǎn)，可由單人或雙人操作，適用于地形比較復(fù)雜的山地、丘陵及溝壑地區(qū)。手提式挖坑機(jī)在我國(guó)使用的比較普遍[6]。
(3)自走式挖坑機(jī):自走式挖坑機(jī)是以拖拉機(jī)為動(dòng)力并能夠?qū)崿F(xiàn)自主行走的一種農(nóng)用挖坑機(jī)，具有掛接、傳動(dòng)方便，體積小，通用性好及工作效率高等特點(diǎn)，但挖坑成本較高。自走式挖坑機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要分機(jī)械與液壓兩種[7]。例如山西省農(nóng)機(jī)研究所研發(fā)的3WY-40式挖坑機(jī)，其行走方式是液壓式輪胎與挖坑機(jī)自身行走機(jī)構(gòu)相結(jié)合的方式，而且具有獨(dú)立的行走腳，能夠在不同地形的情況下采用相應(yīng)的行走方式[8]。
(4)背負(fù)式挖坑機(jī):背負(fù)式挖坑機(jī)適用于單人操作，具有體積小、便于攜帶及操作方便等特點(diǎn)，適用于山地、丘陵及平緩地帶的挖坑作業(yè)。該挖坑機(jī)可以進(jìn)行坑深200mm以下的挖掘工作，通常用于各種植苗移栽類作業(yè)。背負(fù)式挖坑機(jī)的挖坑方式與手提式相同[9]，為了保護(hù)鉆桿，背負(fù)式挖坑機(jī)的鉆頭上還配有鉆桿套和防護(hù)罩。鉆頭上一般還裝有逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以確保土壤被排出坑外。在發(fā)動(dòng)機(jī)的位置上還裝有防振架以防止挖坑機(jī)振動(dòng)，工作人員在操作背負(fù)式挖坑機(jī)時(shí)需配備專用的防振護(hù)具。
上述4種常見(jiàn)的挖坑機(jī)以手提式和懸掛式在我國(guó)應(yīng)用的比較普遍[10]，但這些傳統(tǒng)的挖坑機(jī)通常是采用類比或仿制的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的，存在很大的盲目性和不合理性[11]。
1挖坑造林一體機(jī)的設(shè)計(jì)思路
為了使挖坑機(jī)操作人員保持充沛的體力和愉悅的心情，應(yīng)通過(guò)機(jī)械或電子手段來(lái)降低挖坑機(jī)的振動(dòng)及噪聲，使其大幅減小，同時(shí)還要減輕挖坑機(jī)的質(zhì)量及提高鉆頭的自主入土性能[12]。
在技術(shù)創(chuàng)新方面將挖坑與植苗工作一體化，挖坑機(jī)在挖坑工作完成的同時(shí)迅速切換工作盤，執(zhí)行機(jī)構(gòu)再將準(zhǔn)備好的樹苗植入坑中完成種植工作，這一改進(jìn)也是國(guó)內(nèi)外一直努力的研究方向。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外已有挖坑機(jī)及樹苗種植方式的研究表明，這種改進(jìn)在理論上是可行的。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比，該挖坑造林一體機(jī)的創(chuàng)新之處在于集挖坑植苗等多種功能于一體，從整體上大幅度地增加了植苗設(shè)備的功用，從而提高了經(jīng)濟(jì)效益。將螺旋式挖坑部件與機(jī)械手部件組合起來(lái)，不但可以防止螺旋挖坑鏟與機(jī)械手在整體結(jié)構(gòu)中互相影響，而且還便于植苗設(shè)備的工作，減輕了植苗裝置的質(zhì)量，極大地方便了設(shè)備的運(yùn)行，從而提高了工作效率與設(shè)備利用率。這種組合利用螺旋式挖坑鏟和機(jī)械手的方式，可使設(shè)備的整體性能明顯優(yōu)于二者性能的簡(jiǎn)單相加，從而提高了設(shè)備的綜合能力。
挖坑造林一體機(jī)通過(guò)運(yùn)載裝置運(yùn)送至指定地點(diǎn)后，在可回轉(zhuǎn)式升降機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)挖坑植苗裝置液壓馬達(dá)的操控下，調(diào)整螺旋式挖坑鏟的位置，使挖坑鏟垂直并接近地面，驅(qū)動(dòng)螺旋式挖坑鏟液壓馬達(dá)帶動(dòng)螺旋挖坑鏟旋轉(zhuǎn)，向下挖坑至指定深度60cm并停留20s，再向上運(yùn)動(dòng)至離開地面的合適位置，使驅(qū)動(dòng)螺旋式挖坑鏟液壓馬達(dá)停轉(zhuǎn)，挖坑作業(yè)結(jié)束。
挖坑植苗裝置由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)一定角度，使機(jī)械手正好位于工作位置，然后可回轉(zhuǎn)式升降機(jī)構(gòu)再通過(guò)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)控制機(jī)械手到樹苗的存儲(chǔ)區(qū)域，機(jī)械手活塞桿張開抓取樹苗后再通過(guò)升降機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)帶著樹苗轉(zhuǎn)到樹坑上方，升降機(jī)構(gòu)調(diào)整手爪的角度使樹苗垂直向下正好放入挖好的樹坑內(nèi)，完成整個(gè)挖坑植苗工作。
2挖坑造林一體機(jī)挖坑鏟參數(shù)研究
挖坑造林一體機(jī)配置螺旋挖坑鏟時(shí)，應(yīng)考慮挖坑工作時(shí)螺旋挖坑鏟由于自身鉆桿與土壤接觸而產(chǎn)生的各種阻力，這些阻力會(huì)對(duì)螺旋挖坑鏟產(chǎn)生軸向反作用扭矩，該扭矩會(huì)隨著挖坑深度、土壤成分類型及氣候濕度條件等的不同而不同;而且該阻力在工作過(guò)程中一直存在，其對(duì)可回轉(zhuǎn)式升降機(jī)構(gòu)的性能及壽命會(huì)產(chǎn)生不利影響;此外，螺旋挖坑鏟的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)對(duì)工作過(guò)程中的反作用力也有很大影響[13]。這次設(shè)計(jì)的新型挖坑造林一體機(jī)主要用于植樹造林、挖坑埋桿等作業(yè)，因此要求螺旋挖坑鏟在工作過(guò)程中不僅要滿足上述要求，同時(shí)還要具有疏松土質(zhì)的功能。
螺旋挖坑鏟的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)對(duì)挖坑鏟垂直方向上受到的力和扭矩影響較大，只有通過(guò)對(duì)螺旋挖坑鏟部分參數(shù)進(jìn)行具體分析計(jì)算，才能得出所受的這些力與扭矩之間的關(guān)系及影響程度。
2.1變導(dǎo)程錐狀正螺旋面數(shù)學(xué)模型
只有當(dāng)“臨界鉆速”≤螺旋式挖坑鏟的旋轉(zhuǎn)速度時(shí)切削的土壤才能克服相關(guān)的反作用力而被運(yùn)出坑外，而且螺旋式挖坑鏟葉片在運(yùn)送土壤時(shí)螺旋要自下而上逐漸變化，稱之為變導(dǎo)程螺旋。運(yùn)送土壤時(shí)對(duì)螺旋式挖坑鏟的構(gòu)造及其螺旋葉片的形態(tài)也有相關(guān)要求，即在進(jìn)行不間斷切割作業(yè)時(shí)螺旋挖坑鏟的切削角度要保持不變，而且螺旋式挖坑鏟葉片的形態(tài)需保證在其上任意一點(diǎn)的法線和螺旋挖坑鏟的重心線夾角δ≤90°-Φ，Φ為挖坑鏟葉片與土壤的摩擦角。
(1)變導(dǎo)程錐螺旋線的形成及參數(shù)方程。變導(dǎo)程圓錐螺旋線如圖1所示
變導(dǎo)程錐螺旋運(yùn)動(dòng)是螺旋挖坑鏟在工作過(guò)程中的一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，其實(shí)際計(jì)算十分復(fù)雜。為了便于分析研究，首先建立一個(gè)以挖坑鏟螺旋中心軸為oz軸的空間坐標(biāo)系oxyz，然后再建立一個(gè)動(dòng)坐式中:SL0為初始位置(n=0)時(shí)M點(diǎn)的瞬時(shí)導(dǎo)程;n為轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù);aL為動(dòng)直線L的加速度。
(2)變導(dǎo)程錐螺旋面的形成及參數(shù)方程。變導(dǎo)程錐螺旋面如圖2所示
MN的運(yùn)動(dòng)軌跡所形成的曲面即為變導(dǎo)程錐形螺旋面。通過(guò)推導(dǎo)可得出所需的變導(dǎo)程錐螺旋面的參數(shù)方程為:
2.2變導(dǎo)程錐螺旋面鉆頭的參數(shù)化建模
通過(guò)Pro/E三維軟件進(jìn)行參數(shù)建模。由于螺旋式挖坑鏟的關(guān)鍵部分為螺旋結(jié)構(gòu)，所以需首先對(duì)挖坑鏟的葉片進(jìn)行參數(shù)化三維建模。運(yùn)用Pro/E三維軟件中的螺旋掃描功能得到所需的螺旋挖坑鏟葉片部分的結(jié)構(gòu)后，首先從零件圖制作進(jìn)入到草繪界面，然后選擇基準(zhǔn)線，輸入螺旋線方程Sn=S1+a(n+1)，最后通過(guò)螺旋掃描選項(xiàng)得到所需的三維模型，變導(dǎo)程螺旋錐面建模圖如圖3所示。
挖坑造林一體機(jī)作業(yè)時(shí)通常將螺旋挖坑鏟的切削力適當(dāng)分配至鏟尖端，這樣不但可以使螺旋挖坑鏟能夠更方便地鉆入土壤中，而且還可以使切削作業(yè)變得更加順利。
鏟齒齒尖的空間坐標(biāo)和三個(gè)方向的夾角決定了螺旋挖坑鏟鏟齒的具體位置。由于本文研究的螺旋式挖坑鏟通常用于植樹造林及挖坑回填等方面，螺旋挖坑鏟長(zhǎng)期是在相對(duì)松軟的土壤環(huán)境中作業(yè)，在實(shí)際切削時(shí)挖坑鏟的切削力與磨損的程度都不太大。因此在考慮鏟尖位置和角度時(shí)只需考慮挖坑鏟松土與切削兩個(gè)方向即可，裝配后的螺旋挖坑鏟幾何模型如圖4所示。
2.3臨界鉆速確定
通過(guò)研究分析可知，只有確定螺旋挖坑鏟的臨界轉(zhuǎn)速才能夠順利實(shí)現(xiàn)土壤的運(yùn)送，如果螺旋挖坑鏟的轉(zhuǎn)速低于該速度則會(huì)導(dǎo)致土壤阻塞挖坑鏟的葉片從而使土壤運(yùn)送失敗[14]。要對(duì)該臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行確定，首先要對(duì)土壤運(yùn)移規(guī)律和土壤受力等參數(shù)進(jìn)行分析。
(1)螺旋挖坑鏟葉片上土壤分布曲線函數(shù)。在螺旋式挖坑鏟鏟進(jìn)過(guò)程中，挖坑鏟葉片上的土壤由于離心力的作用將由內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)，從而使葉片上的土層厚度成為規(guī)則曲線。土壤微小單元體的受力分析如圖5所示。
式中:R1為挖坑鏟芯桿直徑;R2為挖坑鏟外緣直徑;δ為土壤運(yùn)送時(shí)的厚度。式(3)表明δ與螺旋挖坑鏟的速度成正比。
(2)輸送過(guò)程中土壤的受力分析。土壤隨著螺旋挖坑鏟葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，受到包括離心力FL、重力G及各種摩擦力的作用。土壤微小單元體輸送過(guò)程受力分析如圖6所示。
式中:f1為土壤和坑壁的摩擦系數(shù);P為成型坑壁對(duì)土壤的反作用力;FL為離心作用力;E0為擋土墻側(cè)壓力;m為土壤質(zhì)量;ωr為土壤轉(zhuǎn)速;rz為土壤分布至中心位置的半徑。土壤與螺旋挖坑鏟葉片之間的摩擦力為:F2=f2N=f2[mgcosθ+F1sin(α+θ)](5)式中:f2為土壤與葉片的直接摩擦系數(shù);θ為距軸心r處的螺旋升角;α為轉(zhuǎn)速高于臨界值時(shí)摩擦力F1方向改變產(chǎn)生的夾角。(3)螺旋挖坑鏟葉片的臨界轉(zhuǎn)速推導(dǎo)。土壤與螺旋挖坑鏟葉片之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速:ωN=ω-ωr=Kωr(6)式中:K為常數(shù)，一般取K值為0.2～0.3;ωr為土壤轉(zhuǎn)速。
通過(guò)對(duì)挖坑造林一體機(jī)工作時(shí)可能存在的外載荷以及螺旋挖坑鏟的受力進(jìn)行參數(shù)確定，得到變導(dǎo)程螺旋面的基本算法以及臨界轉(zhuǎn)速確定的基本方法，分析表明挖坑鏟運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重力變化為其受力的主要影響因素。
3挖坑造林一體機(jī)的模擬仿真研究
3.1Pro/E軟件模擬仿真流程利用Pro/E軟件進(jìn)行挖坑造林一體機(jī)模擬仿真的具體流程如下:
(1)根據(jù)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求繪制出理想的液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
(2)繪制零件圖，完成后再通過(guò)裝配模式完成各部分零件的連接。
(3)檢查各部位連接準(zhǔn)確成功后，設(shè)置相關(guān)運(yùn)動(dòng)的初始條件，如質(zhì)量屬性，定義伺服電機(jī)等。
(4)分析模型，包括位置、運(yùn)動(dòng)、力等方面的分析，取得分析結(jié)果。
3.2挖坑造林一體機(jī)模擬仿真
建立挖坑造林一體機(jī)三維模型，用于一體機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析。設(shè)計(jì)的一體機(jī)由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、可回轉(zhuǎn)式升降機(jī)構(gòu)、機(jī)架、螺旋挖坑執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。新型挖坑造林一體機(jī)三維模型如圖7所示。
運(yùn)用Pro/E三維軟件對(duì)一體機(jī)進(jìn)行了相關(guān)仿真分析，通過(guò)仿真模擬出這種新型挖坑造林一體機(jī)的實(shí)際工作情況，其可為今后相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)提供結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特征等方面的參考數(shù)據(jù)。
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