小型棗樹移栽機鏟斗組件的仿真分析摘要: 本設(shè)計的小型棗樹移栽機，用于挖掘直徑在 2-6cm 的較小樹木，挖掘土球直徑為 50cm，土球高度為 60cm。關(guān)鍵詞：小型棗樹移栽機；鏟斗組件；安全系數(shù)；仿真；等量應(yīng)力變化中圖分類號： 文獻標識碼：ASmall jujube tree transplanting machines bucketassembly simulation analysisChangYinPeng(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 cylinderCLC: Document Code: A1.引言隨著經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加強科學(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)成本和勞動強度。我國在移栽機研制過程中，農(nóng)機與農(nóng)藝明顯脫節(jié)，需要進一步完善與育苗設(shè)施及相應(yīng)的配套技術(shù)。在引進基礎(chǔ)上要克服不足，盡量設(shè)計出適合經(jīng)濟作物的移栽機，加強自動喂苗栽植器 [1]的研究，增加檢測與傳感裝置，適時地控制栽植過程。力求達到預(yù)期的栽植效果。同時還要加強自動提苗機構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)將通用移栽機 [2]與專用移栽機相結(jié)合，增強移栽機的環(huán)境適應(yīng)性，提高其通用性。棗樹在栽植過程中都是沿用傳統(tǒng)的人工栽植的方法，傳統(tǒng)栽植法勞動力大、強度大，機器的機動性、適應(yīng)性低，能耗高、效率較低等問題。要實現(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)展棗樹栽植機械化 [3]。為了充分利用資源減少自然災(zāi)害，爭取高產(chǎn)，機械化移栽是有效途徑。這樣可以解決人工栽植過程中的栽植勞動強度大，所需勞動力較多，產(chǎn)品粗大笨重，成本高、效率低，質(zhì)量難以保證的問題?，F(xiàn)代設(shè)計方法不僅要考慮機械靜強度，而且還要考慮機械的動態(tài)性，這樣才能提高機械設(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)民的勞動強度、提高工作效率，機械移栽的行距、株距和深度保持一致，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，為棗樹種植的規(guī)?；岣吡饲疤?，為生態(tài)作業(yè)打下了良好的基礎(chǔ)。生態(tài)果業(yè)機械化發(fā)展已經(jīng)步入新的歷史起點 [4]，生態(tài)果業(yè)機械化作為發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的主要內(nèi)和主要標志，適合地區(qū)生產(chǎn)需要的栽植機植種類較少、單一，科技含量不高，不能滿足果業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的要求。人工移栽勞動強度大，需勞動力多，效率低，嚴重影響了經(jīng)濟作物的發(fā)展，不能較快地推進種植果林業(yè)的發(fā)展。新型的栽植機的改造和設(shè)計提高了機具的性能和效率 [5]，并為其他的林業(yè)與木工機械動態(tài)設(shè)計開辟新的道路，使得我國的機械趕得上時代并達到世界的水平，這對于提高我國植樹造林機械化的進程有巨大的推動作用，同時對于我國林業(yè)的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益具有重大意義。也對棗果業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。2.結(jié)構(gòu)原理和工作過程本實用新型涉及一種液壓小型棗樹移栽機，屬于園林機械技術(shù)領(lǐng)域。此小型樹木移栽機由提升架滑道、 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 ，挖樹的動作是由各組件配合完成，鏟斗組件用來鏟斷樹木的側(cè)根并使根球與周圍土壤分離．機架剛性固定在配套拖拉機或其他動力機械上；提升架由1個提升油缸來驅(qū)動，鏟斗組件由兩鏟斗液壓缸驅(qū)動．鏟斗組件的開合由開合蓋板驅(qū)動．大致工作作流程如下：駕駛林木移栽機靠近要移栽的樹木，在快接近的時候停下，駕駛棗樹移栽機使被移栽樹木木處于鏟斗組什中間位置，合上開合蓋板，使鏟斗組件閉合包圍棗樹，鏟斗組件在鏟斗組件液壓缸作用下壓下切斷樹木的根部，打開提升油缸把所挖樹木提升上來，完成棗樹的挖掘工作。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、機動靈活、作業(yè)效率高，適用于苗圃、林場、園林等場所的樹坑挖掘、小型樹木帶土起挖移栽、短距離樹木運輸。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 機架滑軌 9 提升架曲柄 10 提升架液壓剛 11 機架 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 小型棗樹移栽機總體結(jié)構(gòu)示意圖棗樹移栽機的挖掘主要靠鏟斗組件，鏟斗組件的作用是在挖掘工作時切斷樹木的根部，保證挖掘的順利進行。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間不斷變化。所以鏟斗組件的性能直接影響棗樹移栽機的壽命和作業(yè)性能，必須合理的設(shè)計鏟斗組件的結(jié)構(gòu)，提高剛度，使應(yīng)力分布合理，盡量達到結(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)對零件的結(jié)構(gòu)進行工程數(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，由于移栽機鏟斗液壓缸活塞桿在工作過程中啟動瞬間是勻速運動的，所以所受內(nèi)力與外力是相互平衡的，可以用靜力學(xué)代替動力學(xué)分析。鏟斗組件所受的驅(qū)動力只有鏟斗組件液壓缸對它的正壓力，同時受到土壤對鏟斗頂部的作用力，土壤對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 進行鏟斗組件的三維實體造型，然后用 Solidworks SimulationXpress[6]模塊對鏟斗組件進行網(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 中對實體模型進行網(wǎng)絡(luò)劃分后共有 15884 個節(jié)點，7736 個單元數(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面都受到鏟斗液壓缸的最大理論推力 20100N，土壤對鏟斗的壓強為 2 0000N/㎡方案二假設(shè)原始建模鏟斗組件上的每個面都受到均布載荷，即三個面分別收到的力均為20100/3=6700N,土壤對鏟斗的壓強為 20000N /㎡方案三對鏟斗模型進行改變，改變鏟斗模型的支撐厚度，在每個面上添加鏟斗液壓缸的最大理論推力，土壤對鏟斗的壓強為 20000N/㎡方案四在案例三的模型上對鏟斗組件上的每個面施加均布載荷，即三個面分別收到的力均為20100/3=6700N,土壤對鏟斗的壓強為 20000N /㎡方案五綜合分析案例一至案例四，對模型再次更改，對原始模型在支撐部位增加厚度同時對支撐邊緣添加圓角。4.2 結(jié)果分析方案一結(jié)果分析：針對方案一假設(shè)每個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，其中部至上不過度的安全顏色趨于零，處于危險狀態(tài)；（3）Deformation 中部位移變化較大，沒有達到理想的變形要求；（4）Factor of Safety 安全系數(shù)大部分呈現(xiàn)藍色，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，因此還需要對此進行改進。 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，沒有達到理想的變形要求；（4）Factor of Safety 安全系數(shù)全部呈現(xiàn)藍色，符合要求。因此還需要對此方案進行改進，對模型進行改進。方案三結(jié)果分析：方案三是在方案二的基礎(chǔ)上對鏟斗模型進行改變，改變鏟斗模型的支撐厚度，然后在每個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，其中部至上不過度的安全顏色趨于零，處于危險狀態(tài)；（3）Deformation 中部位移變化較小，近乎達到理想的變形要求；（4）Factor of Safety 安全系數(shù)大部分呈現(xiàn)藍色，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。方案四結(jié)果分析：在方案三的基礎(chǔ)上建立方案四，每個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，其中部至上部過度的安全顏色逐漸增加，危險狀態(tài)明顯減少；（3）Deformation 中部位移變化較大，沒有達到理想的變形要求；（4）Factor of Safety 安全系數(shù)全部呈現(xiàn)藍色，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)的變化相對于前三個方案是最優(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，因此還需要對方案四進行優(yōu)化。 方案五結(jié)果分析：再對鏟斗組件進行建模，對原始模型在支撐部位增加厚度同時對支撐邊緣添加圓角后再次進行分析，最后得出其 Stress（-vonMises-）等量應(yīng)力完全達到要求，其合位移、位移、及安全系數(shù)的變化也相當合理，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)省了大量的計算時間，并提高了計算的準確性、科學(xué)性和可靠性，縮短了設(shè)計周期。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)分析對鏟斗組件進行改進設(shè)計，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[1]胡軍,封俊,曾愛軍.大蔥移栽機的發(fā)展現(xiàn)狀與移栽前景[J]. 農(nóng)機化研究,2002（2）:1～3.[2] 王君玲,高玉芝,李成華. 撓性圓盤式移栽機移栽裸根苗的埋苗率試驗[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006(10):792～794.[3]張波屏.現(xiàn)代種植機械[M].北京：機械工業(yè)出版社,1997:1～4.[4]湯智輝,賈首星.兵團林果業(yè)機械化現(xiàn)狀與發(fā)展[J].農(nóng)機化研究,2008（11）:5～8.[5]王乃康,矛也冰,趙平.現(xiàn)代園林機械[M].北京:中國林業(yè)出版社,2000:147～152.[6] 陳超祥,葉修梓.零件與裝配體教程[E].北京：機械工業(yè)出版社 ,2011:152～165.