孔維安，邢宏根，蔡 力，宋盼盼，魏 政，李相洋，裴建雨，王子倫

（湖北大學(xué)知行學(xué)院 機械與自動化學(xué)院，430011，湖北武漢）

全世界土地荒漠化面積為3 600 萬km2，約占整個地球陸地總面積的1/41[1-4]。土地荒漠化和土地沙化是土地退化的直觀表現(xiàn)，會直接影響當?shù)貏又参锷婧腿祟惤?jīng)濟與生產(chǎn)力發(fā)展，是危及生態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境的重大問題。全世界約有100 多個國家和地區(qū)都存在此問題，而植樹造林就是解決土地荒漠化和土地沙化這一問題的關(guān)鍵辦法。但從我國實施植樹造林綠化工程建設(shè)的方式來看，其主要由人工作業(yè)來完成，成效不高，種植質(zhì)量也相對較差，在進行更大范圍的綠化生態(tài)修復(fù)工程中人工種植的方法就顯得十分乏力，因此，在植樹造林綠化工程中急需用自動化機械代替人工，提高植樹造林的效率和質(zhì)量，減少人力資源在綠化工程中的浪費。因此，用來加快生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、提高植樹造林綠化質(zhì)量和效率的智能植樹機械應(yīng)運而生。

針對植樹機的設(shè)計研究，殷勁松等設(shè)計的一種小型全自動植樹機，采用挖穴裝置、填土裝置、儲苗裝置等多個部分合為一體的組合方式，并巧妙結(jié)合自動化技術(shù)，使得植樹機實現(xiàn)全自動作業(yè)，減少了植樹工作上的人力資源損耗。[5]周克媛等提出一種自動化的植樹機開溝器結(jié)構(gòu)設(shè)計，開溝犁和拓溝犁各自由液壓驅(qū)動裝置帶動，大大提高了植樹造林的效率和植樹機自動化的程度。[6]孟繁偉等將回轉(zhuǎn)間歇式投苗機構(gòu)、分苗機構(gòu)、落苗機構(gòu)組合成扦插種植沙棘機器，實現(xiàn)提高沙棘種植的存活率和種植質(zhì)量的目的[7]。以上學(xué)者的設(shè)計研究為后續(xù)自動化智能植樹機的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了科學(xué)參考。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 植樹機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

此植樹機主要由鉆坑機構(gòu)、樹苗運輸裝置、存儲樹苗庫、樹苗導(dǎo)向裝置、驅(qū)動機構(gòu)、培土澆水裝置等部分組成，首先根據(jù)設(shè)計方案，運用Solidworks 三維建模軟件對智能植樹機各部件建模并裝配成一體，之后再對其進行分析，植樹機的整體結(jié)構(gòu)和組成如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 植樹機的工作原理

此植樹機能夠存儲大量的樹苗，并搭載了自動控制模塊可以自主地進行植樹工作，能夠很好地將樹苗種到指定的區(qū)域，且保證一定的存活率。整個的植樹機靠電力來驅(qū)動，通過單片機來控制每個部件的運作。當植樹機到達指定位置時，鉆坑機構(gòu)通過電推桿的伸縮和螺旋鉆頭的旋轉(zhuǎn)來鉆出樹坑，樹苗庫的閥門開啟落下樹苗，落到樹苗運輸裝置上，通過運輸裝置將樹苗運到樹苗導(dǎo)向裝置，樹苗便通過樹苗導(dǎo)向裝置栽入事先鉆好的樹坑當中，再由車身后的培土裝置將分布在樹坑外的土埋進坑內(nèi)，最后由水泵為剛種下的樹苗澆水，使得樹苗生長時有充足的水分，這樣就可以保證種下去的樹處在很好的生長環(huán)境當中。

2 重要構(gòu)件的有限元分析

植樹機在工作時，電機帶動螺旋鉆頭開始旋轉(zhuǎn)，同時螺旋鉆頭受推桿的推動向下鉆沙土，因此受力最大的部分是螺旋鉆頭。而整個鉆坑機構(gòu)是通過螺栓固定在植樹機的車架上的，在鉆坑機構(gòu)工作時車架受沙土的反向作用力。為研究結(jié)構(gòu)的可靠性和是否產(chǎn)生共振問題，本文對螺旋鉆頭進行靜力學(xué)分析和對車架進行模態(tài)分析，并后續(xù)制作實物進行模擬運作，以此來驗證整個機構(gòu)的可行性。

2.1 鉆坑機構(gòu)分析

鉆坑機構(gòu)由電推桿、電機和螺旋鉆頭三部分組成，螺旋鉆頭通過夾頭固定在電機軸上，電機連接到推桿，三個部分拼裝成鉆坑機構(gòu)后再固定到車架上，鉆坑機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 鉆坑機構(gòu)示意圖

利用SolidWorks 軟件將螺旋鉆頭的模型建立后，導(dǎo)入ANSYS Workbench 軟件中再對螺旋鉆頭進行靜力學(xué)分析。因為螺旋鉆頭主要是受電機的扭轉(zhuǎn)力和推桿的推力，再根據(jù)鉆頭所處的工作環(huán)境，所以選取鉆頭的材料為Q235，而車架起到支撐所有部件、保證各個部件工作時的相對位置的作用，車架材料選用Q345。相關(guān)材料屬性如表1。

表1 材料屬性表

選定材料后再對其進行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格劃分的質(zhì)量在有限元分析中會直接影響求解的精確度和計算量。網(wǎng)格劃分過于密集，求解成本和計算時間都會上升；但過于稀疏會導(dǎo)致求解結(jié)果不精確。在劃分網(wǎng)格時劃分的形式、單元格的形狀和大小都會對結(jié)果產(chǎn)生影響。為了避免網(wǎng)格劃分不當導(dǎo)致結(jié)果異常，在靜力學(xué)分析鉆頭時采用了自動分析的網(wǎng)格劃分方式，最終劃分出來的效果見圖3。

圖3 螺旋鉆頭有限元模型圖

再根據(jù)工況對螺旋鉆頭施加載荷。螺旋鉆頭主要受電推桿的推力、電機的扭轉(zhuǎn)力和工作時沙土的反作用力，且考慮到鉆頭可能遇到鉆到石塊等特殊情況，施加載荷時對這些載荷加以整合簡化，添加到螺旋鉆頭的最終載荷如圖4 所示。

圖4 螺旋鉆頭載荷分布圖

對螺旋鉆頭施加載荷后，經(jīng)過ANASYS Workbench軟件的求解分析得出螺旋鉆頭受載時的位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖5 和圖6 所示。從圖中可以看出：最高位移點位于螺旋片外圈處，最高位移量為0.074 784 mm；極限應(yīng)力位于螺旋片靠近中間軸處，極限應(yīng)力值為80.788 MPa。因為螺旋鉆頭選定的材料是Q235 結(jié)構(gòu)鋼，Q235結(jié)構(gòu)鋼的屈服強度為235 MPa。為了確保螺旋鉆頭在鉆沙土?xí)r的安全性，鉆沙土?xí)r不會發(fā)生破壞或者失效，設(shè)置螺旋鉆頭的安全系數(shù)為1.5，設(shè)置安全系數(shù)后Q235 結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力值[σ]為156.67 MPa。從上可以得出，螺旋鉆頭在工作時的極限應(yīng)力值80.788 MPa 遠小于設(shè)置安全系數(shù)后得到的許用應(yīng)力值156.67 MPa，故此螺旋鉆頭在鉆土?xí)r不會發(fā)生損壞或疲勞失效，符合設(shè)計要求。

圖5 螺旋鉆頭位移云圖

圖6 螺旋鉆頭應(yīng)力云圖

2.2 車架分析

車架分析中的前期準備工作，例如定義材料、網(wǎng)格劃分、添加載荷等都與前述螺旋鉆頭分析一樣，效果如圖7、圖8 所示。再由模態(tài)分析得到車架前6 階的模態(tài)固有頻率并且得到與之相對應(yīng)的振型，前6 階對應(yīng)的振型位移云圖如圖9 所示，而對應(yīng)的固有頻率如表2 所示。

圖7 車架有限元模型圖

圖8 車架載荷分布圖

圖9 車架前6 階振型位移云圖

表2 車架前6 階固有頻率

從圖9 和表2 可以看出：車架的前6 階固有頻率中1 階的固有頻率相對于其他幾階頻率較低，5、6 階頻率較高，總的來看車架的固有頻率集中在293～496 Hz。而植樹機的工作環(huán)境主要在沙漠中，且植樹機的移動速度不快，所以植樹機工作環(huán)境的激勵頻率通常在1～10 Hz 范圍內(nèi)[8]，而車架的固有頻率遠高于此范圍，故車架在機械工作時不會發(fā)生共振破壞。

3 實物驗證

以植樹機初步方案及SolidWorks 軟件制作的植樹機三維模型為參照，制作出實物模型與有限元分析的結(jié)果進行對比來驗證方案是否合理，分析結(jié)果是否準確。將螺旋鉆頭、電機及電推桿組裝起來組成鉆坑機構(gòu)實物（如圖10 所示），再將鉆坑機構(gòu)等各個工作部件安裝固定在車架上組成植樹機整體實物(如圖11 所示)。最終實物驗證結(jié)果表明：鉆坑機構(gòu)能夠順利工作，鉆出合適大小、深度的樹坑而不發(fā)生斷裂或疲勞破壞；車架也能夠支撐起各個工作部件，保證各個工作部件在工作時的相對位置且不發(fā)生疲勞損壞。實物測試的結(jié)果與模擬分析的結(jié)果是一致的，螺旋鉆頭和車架都達到了設(shè)計要求。

圖10 鉆坑機構(gòu)實物圖

圖11 植樹機實物圖

4 結(jié)論

（1）螺旋鉆頭在受載情況下最高位移量為0.074 784 mm，極限應(yīng)力值為80.788 MPa，最高位移量在可接受范圍以內(nèi)，且應(yīng)力值遠小于許用應(yīng)力值[σ]，符合設(shè)計方案的要求。

（2）車架前6 階固有頻率為293～496 Hz，而植樹機工作環(huán)境的激勵頻率通常為1～10 Hz，車架的固有頻率遠高于此范圍，因此不會產(chǎn)生共振破壞。

（3）制作實物后驗證所得的結(jié)果與仿真分析所求結(jié)果一致，故植樹機整體結(jié)構(gòu)符合設(shè)計方案的要求。本文為自動化智能植樹機的機械設(shè)計提供理論借鑒。