全流程一體化植樹工程車及其關鍵部件設計

　　摘 要：基于Solidworks軟件設計了一種可以實現樹苗儲運、移苗、挖坑、覆土、澆水等功能的全流程一體化植樹工程車。其中，該工程車的儲苗裝置一次可儲備99棵樹苗，可實現大批量植樹;通過限制移苗裝置的左右旋轉極限位置進行定位實現了移苗與栽苗工作，從而使樹苗定位更為準確。采用螺旋錐狀鉆頭，進行螺旋式挖掘，利用Simulation模塊對螺旋刀片強度進行仿真分析，滿足實際使用要求。該植樹工程車的研制將有助于提高植樹工作效率，節省了人力物力，提升樹苗成熟率。

　　關鍵詞：集成一體化;一體化植樹工程車;Solidworks;挖坑裝置;強度分析;儲苗裝置

　　侯榮國; 王湘田; 盧萍; 張國棟， 機械設計與制造 發表時間：2021-10-08

　　1 引言

　　我國荒漠化面積占國土總面積的27.32%，植樹造林、種草恢復植被是防治荒漠化的最有效的手段。因此，要想解決我國土地荒漠化問題，提高森林覆蓋率，改善生態環境，必須大力開展機械化和智能化植樹造林，提高植樹造林效率[1，2]。保護環境、植樹造林是一場持久戰。傳統的人工造林方法勞動強度大、工作效率低，在進行較大規模的林業生態系統建設的過程中，如果不采用機械設備，將耗費大量的人力資源，提高進行林業生態建設的成本，機械化造林是發展趨勢，實現林業工程的自動化勢在必行[3，4，5]。在工業生產中針對植樹作業機械化相關裝備越來越多，國內外相關機構開展了大量研究，研究的主要植樹作業裝備類型有挖坑機、挖穴機、深栽造林鉆孔機[7]等機械裝備;連續開溝植樹作業機有 JZX-30 型懸掛式植樹機和 KDZ 型開溝大苗植樹機等[8～10]，主要為單棵樹苗類的移植與種植，一般為中等大小樹木的移植，對于以大面積植樹為方向的植樹機的發展還比較薄弱。不論從我國國情、還是從國家的有關政策而言，全自動植樹機都具有很大的市場潛力[11]。為此對植樹機進行改進優化，利用集成一體化的優勢，選擇性挖坑，樹苗定位更準確，儲苗裝置一次可儲備 99棵樹苗，能夠實現批量植樹，提高了工作效率與樹苗成熟率、節省了人力物力，對提高種植精度與效率具有重要意義。

　　2 總體設計

　　2.1 整機主要結構組成

　　一體化植樹工程車主要是以工程車為車體，在上面依次放置鉆坑裝置、移苗及覆土裝置、澆水裝置、儲苗裝置，以上裝置按照不同的使用功能與使用順序進行合理的放置，從而組合成一個完整的植樹機，如圖1所示。

　　2.2 工作流程設計

　　新型一體化植樹工程車的工作流程，如圖2所示。工作人員駕駛植樹車到達種植點位后，首先由挖坑機構進行工作，采用螺旋錐狀鉆頭，螺旋式挖掘保證了樹坑的深度以及樹苗的直立性，保證了成活率。

　　在挖坑的同時，儲苗機構通過機械運動方式將樹苗移動到指定位置，如圖3所示，當挖坑裝置進行挖坑時，儲苗板上的運動撥棍將旋轉撥棍移開，擋板自由下落，阻擋作用消失，然后在彈簧的作用下，阻擋樹苗下落的擋桿落下來，樹苗失去阻擋作用后在重力的作用下自由滑落，下落到指定位置;然后移苗機構通過機械手夾取樹苗，移苗裝置的左右旋轉分別根據實際所需要的旋轉角度進行限定，使得移苗裝置在向右(向左向右均是在控制室方向看)旋轉到極限位置時，正好達到樹苗所在的位置，通過機械手的張合就可以直接夾取樹苗，然后進行栽苗工作;在進行栽苗時，回轉機構帶動機械臂向左旋轉，同時調整機械手臂前臂豎直向下，在向左到極限位置時，樹苗會正好處在挖坑裝置所挖的坑的上方，然后將樹苗放入所挖的坑中，挖坑裝置與移苗裝置采用相同的手臂半徑，來進行旋轉角度的配合，保證了樹苗定位的準確性。

　　再由覆土裝置進行覆土、壓實，此時機械手就可以松開樹苗返回，進行下一棵樹苗的抓取工作。最后，由澆水裝置通過輸水管道對樹苗進行澆水工作，從而完成一次樹苗的種植工作。

　　2.3 各組成部分主要功能及其結構實現

　　車體需要滿足一定的尺寸大小要求與強度要求，此次設計使用的是普通平板形狀的工程車，由駕駛員進行駕駛，完成運載工作以及進行植樹點位的確定。挖坑裝置是整個植樹工作的第一步，要確保所挖樹坑的直立性以及樹坑的深度與直徑。儲苗裝置要求具有一定的儲苗能力，以便使得植樹機能夠進行連續作業，同時儲苗裝置進行儲苗、運苗的同時還應具有將所需要的樹苗運送到指定位置的功能。儲苗裝置整體由儲苗板支架和儲苗板組成，儲苗板在支架上傾斜一定的角度，以便樹苗能夠在儲苗板上依靠自身的重力進行滑落。立體式結構的儲苗裝置能夠提高每次運苗的數量。儲苗板支架共分為九層，每層支架上的儲苗板可以存儲11棵樹苗，整個儲苗裝置可一次性存儲 99棵樹苗用于種植。

　　移苗裝置要求能夠準確地夾取樹苗并能夠將樹苗準確無誤地放入到樹坑之中。為了應對某些特殊情況，在移苗裝置后臂處增加了一個操作室用于對整個植樹過程進行操作，增加實用性。在前臂上安裝下述的樹苗抓取裝置，如圖4所示，所使用的機械裝置為機械手，液壓裝置為其運動提供動力，機械手自由張合的控制是通過類似V型的導軌與滾輪間的相互配合來實現的，來完成樹苗的抓取，根據V型板的移動來實現夾子的確定運動，兩個夾子相互配合，從而完成放置工作。

　　覆土的成功與否會直接影響到整個植樹過程的成敗，要求覆土裝置完成覆土之后，樹苗能達到直立不倒的效果，并且要對覆土后的土壤進行壓實，以保證土壤對樹苗具有足夠的支撐能力。如圖5覆土部分為半圓形，上半部分比較窄，下半部分相對比較寬，保證覆土工作的完成，69°的倒角實現對土的壓實作用，覆土、壓實合并為一體，在一定程度上簡化了機械裝置。澆水是植樹過程中必不缺少的一步，對提高樹苗成活率有重要作用。水箱整體設計是為長1m，寬1m，高0.75m的長方體，夠滿足一次裝載種植99棵樹苗所需要的水量。

　　3 螺旋刀片的設計與校核

　　鉆頭是挖坑裝置的核心工作部件，其工作性能直接影響挖坑裝置的工作質量和效率，確定合理的結構參數至關重要。這里所面對的植樹對象為直徑5cm左右的小楊樹樹苗，所需要的挖坑直徑大約為20cm，深度為50cm左右。將鉆頭設計為錐狀，并帶有螺旋刀片進行螺旋式挖掘。文獻[12]運用有限元理論和基于軟件ANSY/Workbench，建立不同結構參數值條件下的葉片有限元模型并進行仿真分析，確保葉片足夠的強度剛度，為螺旋刀片的合理使用提供了重要理論依據。根據所挖土壤能被順利排除刀坑外并且能順利進行覆土工作，進行設計計算。鉆頭螺旋刀片是鉆頭的主要工作表面，通過主軸旋轉進行升運和旋拋土壤，受力較為復雜，且磨損較快，通過理論分析方法很難進行校核，因此有必要利用有限元軟件進行仿真分析。

　　3.1 螺旋刀片的設計計算

　　土壤在鉆頭離心力的作用下被拋出，落在周邊地面上，若離心力過大即主軸轉速過大，則土壤被距離坑中心的距離越大，不利于后續覆土工作的進行，合適的主軸轉速對植樹工作起著重要的決定作用[13]。

　　假設土壤單元被拋出落到地面的運動過程為斜拋運動，初始速度為v0，分解為豎直向上的速度vy和沿螺旋外圓切線水平方向的vx，斜拋過程中受重力，空氣阻力忽略不計，經過時間t落地，則： t = 2vy g (1)被拋出的水平距離： x = vx t = 2vx vy g (2)則距離坑中心拋出距離： S = R2 + x2 = R2 + 4vx 2 vy 2 g2 = 1 2g R2 g2 + 16vx 2 vy 2 (3)螺旋刀片最外側的線速度： vx = ωR (4)豎直向上的速度： vy = πRtanβ π ω = ωRtanβ (5)代入式(3)： S = R 4g g2 + 2ω4R2 tan2 β ≤ Smax (6)式中：g-重力加速度，取9.8m/s2;R-螺旋刀片外半徑，m;ω-角速度，rad/s;β-螺旋升角，°;β = arctan np πD;Smax-距離坑中心允許拋出最大距離，取500mm。經計算得到S=370.30mm，滿足條件。螺旋刀片主要幾何參數，如表2所示。

　　3.2 螺旋刀片有限元分析

　　利用SolidWorks對螺旋刀片進行三維建模，僅對螺旋刀片進行有限元分析，在建模的過程中忽略了一些對結果影響的次要 因素，如安裝孔等，簡化后的模型如圖6所示。采用Simulation模塊進行強度仿真分析，螺旋刀片選用的材料為合金鋼，其彈性模量為 E=2.1×105 MPa，抗剪模量為 G=7.9× 104 MPa，泊松比為µ=0.28，且認為鉆軸為剛體，其與刀片焊接處不發生變形。根據鉆頭工作的實際狀態，對螺旋刀片有限元模型進行約束和加載，刀片與鉆軸相交曲面上采用固定鉸鏈約束，添加自下至上依次減小的非均勻力，在鉆頂部添加均布力，采用曲面的殼網格，如圖7所示。

　　靜應力云圖如圖8所示，可以看出最大應力為66.52MPa，遠小于屈服應力620.4MPa，所設計的螺旋刀片符合強度要求。進而發現應力集中主要發生在刀片與主軸焊接部分，最大應力發生在刀片下端與主軸焊接處，這是因為該處受力較多明顯大于刀片其他部位，易發生疲勞斷裂，應做好加固措施。

　　4 結語

　　(1)針對傳統植樹工作所需的機械裝置不足，設計改進了一種可以實現運載樹苗、鉆坑、移苗、覆土、澆水等功能的一體化植樹工程車，實現植樹作業的集成一體化;

　　(2)通過限制移苗裝置的左右旋轉極限位置進行定位實現移苗與栽苗工作，使其定位在同一點位，從而樹苗定位更為準確;

　　(3)采用螺旋錐狀鉆頭，進行螺旋式挖掘，通過對螺旋刀片進行設計計算得到拋土距離遠小于最大允許距離，用Simulation模塊進行刀片強度分析，應力小于屈服力，滿足設計要求;

　　(4)儲苗裝置一次可儲備99棵樹苗，可實現批量植樹，極大的提高了工作效率、節省了人力物力。