發布時間：2018-07-24所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:介紹了目前我國使用比較普遍的幾種挖坑機，提出了一種將挖坑與植苗作業合二為一的新型挖坑造林一體機。通過對該機螺旋挖坑鏟參數的相關研究，得知螺旋挖坑鏟的重力變化是影響其受力的主要因素。運用Pro/E軟件對挖坑造林一體機整機進行三維仿真，根據最
摘要:介紹了目前我國使用比較普遍的幾種挖坑機，提出了一種將挖坑與植苗作業合二為一的新型挖坑造林一體機。通過對該機螺旋挖坑鏟參數的相關研究，得知螺旋挖坑鏟的重力變化是影響其受力的主要因素。運用Pro/E軟件對挖坑造林一體機整機進行三維仿真，根據最優化原理對整機進行了運動模擬并加以分析，其可為今后挖坑造林一體機的改進提供參考。
關鍵詞:挖坑造林一體機;螺旋挖坑鏟;參數分析;仿真
挖坑機作為典型的林業生產設備，長期作業于惡劣的自然環境中，操作人員需要付出較大的體力勞動并承受較大的心理考驗。國內挖坑機種類很多，但將挖坑和造林合二為一的機械還很少，為此筆者嘗試設計了一種挖坑造林一體機。
我國目前普遍使用的挖坑機有懸掛、手提、自走、背負4種形式，大多適用于農林等基礎行業[1]。
(1)懸掛式挖坑機:懸掛式挖坑機是由鉆頭、機架、減速器及傳動軸等零部件組成[2]。挖坑鉆頭一般為螺旋式，動力一般由拖拉機提供，提升機構通常為三點懸掛式。為了充分利用并提高拖拉機的挖坑效率和功率，有的懸掛挖坑機上設有兩個或兩個以上的鉆頭，稱為多鉆頭式挖坑機。鉆頭在工作時碰到障礙物會通過傳動軸上的牙嵌式離合器自動分離，從而阻斷動力傳遞使鉆頭停止運動，以避免鉆頭受損。懸掛式挖坑機具有挖坑直徑大、成本低、工作效率高等特點，適用于地形比較平緩的地區。
(2)手提式挖坑機:手提式挖坑機是由操作裝置、減速器、鉆頭、發動機、機架及離合器等零部件組成[3]。發動機采用柴油機，其為手提式挖坑機的動力裝置。手提式挖坑機的鉆頭由刀片、鉆尖、鉆桿和導土片組成[4]。挖坑機的工作鉆頭在扭矩和軸向力的作用下垂直向下運動，被切下的土壤則沿導土片上升，運送至地表后排到坑外[5]。手提式挖坑機具有挖坑效率高、體積小、質量輕、便于拆卸等特點，可由單人或雙人操作，適用于地形比較復雜的山地、丘陵及溝壑地區。手提式挖坑機在我國使用的比較普遍[6]。
(3)自走式挖坑機:自走式挖坑機是以拖拉機為動力并能夠實現自主行走的一種農用挖坑機，具有掛接、傳動方便，體積小，通用性好及工作效率高等特點，但挖坑成本較高。自走式挖坑機的驅動方式主要分機械與液壓兩種[7]。例如山西省農機研究所研發的3WY-40式挖坑機，其行走方式是液壓式輪胎與挖坑機自身行走機構相結合的方式，而且具有獨立的行走腳，能夠在不同地形的情況下采用相應的行走方式[8]。
(4)背負式挖坑機:背負式挖坑機適用于單人操作，具有體積小、便于攜帶及操作方便等特點，適用于山地、丘陵及平緩地帶的挖坑作業。該挖坑機可以進行坑深200mm以下的挖掘工作，通常用于各種植苗移栽類作業。背負式挖坑機的挖坑方式與手提式相同[9]，為了保護鉆桿，背負式挖坑機的鉆頭上還配有鉆桿套和防護罩。鉆頭上一般還裝有逆轉機構以確保土壤被排出坑外。在發動機的位置上還裝有防振架以防止挖坑機振動，工作人員在操作背負式挖坑機時需配備專用的防振護具。
上述4種常見的挖坑機以手提式和懸掛式在我國應用的比較普遍[10]，但這些傳統的挖坑機通常是采用類比或仿制的方式進行設計的，存在很大的盲目性和不合理性[11]。
1挖坑造林一體機的設計思路
為了使挖坑機操作人員保持充沛的體力和愉悅的心情，應通過機械或電子手段來降低挖坑機的振動及噪聲，使其大幅減小，同時還要減輕挖坑機的質量及提高鉆頭的自主入土性能[12]。
在技術創新方面將挖坑與植苗工作一體化，挖坑機在挖坑工作完成的同時迅速切換工作盤，執行機構再將準備好的樹苗植入坑中完成種植工作，這一改進也是國內外一直努力的研究方向。通過對國內外已有挖坑機及樹苗種植方式的研究表明，這種改進在理論上是可行的。
與現有的技術相比，該挖坑造林一體機的創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備的功用，從而提高了經濟效益。將螺旋式挖坑部件與機械手部件組合起來，不但可以防止螺旋挖坑鏟與機械手在整體結構中互相影響，而且還便于植苗設備的工作，減輕了植苗裝置的質量，極大地方便了設備的運行，從而提高了工作效率與設備利用率。這種組合利用螺旋式挖坑鏟和機械手的方式，可使設備的整體性能明顯優于二者性能的簡單相加，從而提高了設備的綜合能力。
挖坑造林一體機通過運載裝置運送至指定地點后，在可回轉式升降機構和驅動挖坑植苗裝置液壓馬達的操控下，調整螺旋式挖坑鏟的位置，使挖坑鏟垂直并接近地面，驅動螺旋式挖坑鏟液壓馬達帶動螺旋挖坑鏟旋轉，向下挖坑至指定深度60cm并停留20s，再向上運動至離開地面的合適位置，使驅動螺旋式挖坑鏟液壓馬達停轉，挖坑作業結束。
挖坑植苗裝置由液壓馬達驅動旋轉一定角度，使機械手正好位于工作位置，然后可回轉式升降機構再通過驅動旋轉臺液壓馬達回轉控制機械手到樹苗的存儲區域，機械手活塞桿張開抓取樹苗后再通過升降機構回轉帶著樹苗轉到樹坑上方，升降機構調整手爪的角度使樹苗垂直向下正好放入挖好的樹坑內，完成整個挖坑植苗工作。
2挖坑造林一體機挖坑鏟參數研究
挖坑造林一體機配置螺旋挖坑鏟時，應考慮挖坑工作時螺旋挖坑鏟由于自身鉆桿與土壤接觸而產生的各種阻力，這些阻力會對螺旋挖坑鏟產生軸向反作用扭矩，該扭矩會隨著挖坑深度、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程中一直存在，其對可回轉式升降機構的性能及壽命會產生不利影響;此外，螺旋挖坑鏟的結構及工作參數對工作過程中的反作用力也有很大影響[13]。這次設計的新型挖坑造林一體機主要用于植樹造林、挖坑埋桿等作業，因此要求螺旋挖坑鏟在工作過程中不僅要滿足上述要求，同時還要具有疏松土質的功能。
螺旋挖坑鏟的結構及性能參數對挖坑鏟垂直方向上受到的力和扭矩影響較大，只有通過對螺旋挖坑鏟部分參數進行具體分析計算，才能得出所受的這些力與扭矩之間的關系及影響程度。
2.1變導程錐狀正螺旋面數學模型
只有當“臨界鉆速”≤螺旋式挖坑鏟的旋轉速度時切削的土壤才能克服相關的反作用力而被運出坑外，而且螺旋式挖坑鏟葉片在運送土壤時螺旋要自下而上逐漸變化，稱之為變導程螺旋。運送土壤時對螺旋式挖坑鏟的構造及其螺旋葉片的形態也有相關要求，即在進行不間斷切割作業時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需保證在其上任意一點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)變導程錐螺旋線的形成及參數方程。變導程圓錐螺旋線如圖1所示
變導程錐螺旋運動是螺旋挖坑鏟在工作過程中的一種復合運動，其實際計算十分復雜。為了便于分析研究，首先建立一個以挖坑鏟螺旋中心軸為oz軸的空間坐標系oxyz，然后再建立一個動坐式中:SL0為初始位置(n=0)時M點的瞬時導程;n為轉動的圈數;aL為動直線L的加速度。
(2)變導程錐螺旋面的形成及參數方程。變導程錐螺旋面如圖2所示
MN的運動軌跡所形成的曲面即為變導程錐形螺旋面。通過推導可得出所需的變導程錐螺旋面的參數方程為:
2.2變導程錐螺旋面鉆頭的參數化建模
通過Pro/E三維軟件進行參數建模。由于螺旋式挖坑鏟的關鍵部分為螺旋結構，所以需首先對挖坑鏟的葉片進行參數化三維建模。運用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構后，首先從零件圖制作進入到草繪界面，然后選擇基準線，輸入螺旋線方程Sn=S1+a(n+1)，最后通過螺旋掃描選項得到所需的三維模型，變導程螺旋錐面建模圖如圖3所示。
挖坑造林一體機作業時通常將螺旋挖坑鏟的切削力適當分配至鏟尖端，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變得更加順利。
鏟齒齒尖的空間坐標和三個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，螺旋挖坑鏟長期是在相對松軟的土壤環境中作業，在實際切削時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只需考慮挖坑鏟松土與切削兩個方向即可，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
通過研究分析可知，只有確定螺旋挖坑鏟的臨界轉速才能夠順利實現土壤的運送，如果螺旋挖坑鏟的轉速低于該速度則會導致土壤阻塞挖坑鏟的葉片從而使土壤運送失敗[14]。要對該臨界轉速進行確定，首先要對土壤運移規律和土壤受力等參數進行分析。
(1)螺旋挖坑鏟葉片上土壤分布曲線函數。在螺旋式挖坑鏟鏟進過程中，挖坑鏟葉片上的土壤由于離心力的作用將由內向外運動，從而使葉片上的土層厚度成為規則曲線。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為土壤運送時的厚度。式(3)表明δ與螺旋挖坑鏟的速度成正比。
(2)輸送過程中土壤的受力分析。土壤隨著螺旋挖坑鏟葉片的轉動，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程受力分析如圖6所示。
式中:f1為土壤和坑壁的摩擦系數;P為成型坑壁對土壤的反作用力;FL為離心作用力;E0為擋土墻側壓力;m為土壤質量;ωr為土壤轉速;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;θ為距軸心r處的螺旋升角;α為轉速高于臨界值時摩擦力F1方向改變產生的夾角。(3)螺旋挖坑鏟葉片的臨界轉速推導。土壤與螺旋挖坑鏟葉片之間的相對轉速:ωN=ω-ωr=Kωr(6)式中:K為常數，一般取K值為0.2～0.3;ωr為土壤轉速。
通過對挖坑造林一體機工作時可能存在的外載荷以及螺旋挖坑鏟的受力進行參數確定，得到變導程螺旋面的基本算法以及臨界轉速確定的基本方法，分析表明挖坑鏟運動過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軟件進行挖坑造林一體機模擬仿真的具體流程如下:
(1)根據設計的相關要求繪制出理想的液壓傳動機構簡圖。
(2)繪制零件圖，完成后再通過裝配模式完成各部分零件的連接。
(3)檢查各部位連接準確成功后，設置相關運動的初始條件，如質量屬性，定義伺服電機等。
(4)分析模型，包括位置、運動、力等方面的分析，取得分析結果。
3.2挖坑造林一體機模擬仿真
建立挖坑造林一體機三維模型，用于一體機的運動分析。設計的一體機由動力機構、可回轉式升降機構、機架、螺旋挖坑執行機構等部分組成。新型挖坑造林一體機三維模型如圖7所示。
運用Pro/E三維軟件對一體機進行了相關仿真分析，通過仿真模擬出這種新型挖坑造林一體機的實際工作情況，其可為今后相關產品的研發提供結構及運動特征等方面的參考數據。
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