全流程一体化植树工程车及其关键部件设计

　　摘 要：基于Solidworks软件设计了一种可以实现树苗储运、移苗、挖坑、覆土、浇水等功能的全流程一体化植树工程车。其中，该工程车的储苗装置一次可储备99棵树苗，可实现大批量植树;通过限制移苗装置的左右旋转极限位置进行定位实现了移苗与栽苗工作，从而使树苗定位更为准确。采用螺旋锥状钻头，进行螺旋式挖掘，利用Simulation模块对螺旋刀片强度进行仿真分析，满足实际使用要求。该植树工程车的研制将有助于提高植树工作效率，节省了人力物力，提升树苗成熟率。

　　关键词：集成一体化;一体化植树工程车;Solidworks;挖坑装置;强度分析;储苗装置

　　侯荣国; 王湘田; 卢萍; 张国栋， 机械设计与制造 发表时间：2021-10-08

　　1 引言

　　我国荒漠化面积占国土总面积的27.32%，植树造林、种草恢复植被是防治荒漠化的最有效的手段。因此，要想解决我国土地荒漠化问题，提高森林覆盖率，改善生态环境，必须大力开展机械化和智能化植树造林，提高植树造林效率[1，2]。保护环境、植树造林是一场持久战。传统的人工造林方法劳动强度大、工作效率低，在进行较大规模的林业生态系统建设的过程中，如果不采用机械设备，将耗费大量的人力资源，提高进行林业生态建设的成本，机械化造林是发展趋势，实现林业工程的自动化势在必行[3，4，5]。在工业生产中针对植树作业机械化相关装备越来越多，国内外相关机构开展了大量研究，研究的主要植树作业装备类型有挖坑机、挖穴机、深栽造林钻孔机[7]等机械装备;连续开沟植树作业机有 JZX-30 型悬挂式植树机和 KDZ 型开沟大苗植树机等[8～10]，主要为单棵树苗类的移植与种植，一般为中等大小树木的移植，对于以大面积植树为方向的植树机的发展还比较薄弱。不论从我国国情、还是从国家的有关政策而言，全自动植树机都具有很大的市场潜力[11]。为此对植树机进行改进优化，利用集成一体化的优势，选择性挖坑，树苗定位更准确，储苗装置一次可储备 99棵树苗，能够实现批量植树，提高了工作效率与树苗成熟率、节省了人力物力，对提高种植精度与效率具有重要意义。

　　2 总体设计

　　2.1 整机主要结构组成

　　一体化植树工程车主要是以工程车为车体，在上面依次放置钻坑装置、移苗及覆土装置、浇水装置、储苗装置，以上装置按照不同的使用功能与使用顺序进行合理的放置，从而组合成一个完整的植树机，如图1所示。

　　2.2 工作流程设计

　　新型一体化植树工程车的工作流程，如图2所示。工作人员驾驶植树车到达种植点位后，首先由挖坑机构进行工作，采用螺旋锥状钻头，螺旋式挖掘保证了树坑的深度以及树苗的直立性，保证了成活率。

　　在挖坑的同时，储苗机构通过机械运动方式将树苗移动到指定位置，如图3所示，当挖坑装置进行挖坑时，储苗板上的运动拨棍将旋转拨棍移开，挡板自由下落，阻挡作用消失，然后在弹簧的作用下，阻挡树苗下落的挡杆落下来，树苗失去阻挡作用后在重力的作用下自由滑落，下落到指定位置;然后移苗机构通过机械手夹取树苗，移苗装置的左右旋转分别根据实际所需要的旋转角度进行限定，使得移苗装置在向右(向左向右均是在控制室方向看)旋转到极限位置时，正好达到树苗所在的位置，通过机械手的张合就可以直接夹取树苗，然后进行栽苗工作;在进行栽苗时，回转机构带动机械臂向左旋转，同时调整机械手臂前臂竖直向下，在向左到极限位置时，树苗会正好处在挖坑装置所挖的坑的上方，然后将树苗放入所挖的坑中，挖坑装置与移苗装置采用相同的手臂半径，来进行旋转角度的配合，保证了树苗定位的准确性。

　　再由覆土装置进行覆土、压实，此时机械手就可以松开树苗返回，进行下一棵树苗的抓取工作。最后，由浇水装置通过输水管道对树苗进行浇水工作，从而完成一次树苗的种植工作。

　　2.3 各组成部分主要功能及其结构实现

　　车体需要满足一定的尺寸大小要求与强度要求，此次设计使用的是普通平板形状的工程车，由驾驶员进行驾驶，完成运载工作以及进行植树点位的确定。挖坑装置是整个植树工作的第一步，要确保所挖树坑的直立性以及树坑的深度与直径。储苗装置要求具有一定的储苗能力，以便使得植树机能够进行连续作业，同时储苗装置进行储苗、运苗的同时还应具有将所需要的树苗运送到指定位置的功能。储苗装置整体由储苗板支架和储苗板组成，储苗板在支架上倾斜一定的角度，以便树苗能够在储苗板上依靠自身的重力进行滑落。立体式结构的储苗装置能够提高每次运苗的数量。储苗板支架共分为九层，每层支架上的储苗板可以存储11棵树苗，整个储苗装置可一次性存储 99棵树苗用于种植。

　　移苗装置要求能够准确地夹取树苗并能够将树苗准确无误地放入到树坑之中。为了应对某些特殊情况，在移苗装置后臂处增加了一个操作室用于对整个植树过程进行操作，增加实用性。在前臂上安装下述的树苗抓取装置，如图4所示，所使用的机械装置为机械手，液压装置为其运动提供动力，机械手自由张合的控制是通过类似V型的导轨与滚轮间的相互配合来实现的，来完成树苗的抓取，根据V型板的移动来实现夹子的确定运动，两个夹子相互配合，从而完成放置工作。

　　覆土的成功与否会直接影响到整个植树过程的成败，要求覆土装置完成覆土之后，树苗能达到直立不倒的效果，并且要对覆土后的土壤进行压实，以保证土壤对树苗具有足够的支撑能力。如图5覆土部分为半圆形，上半部分比较窄，下半部分相对比较宽，保证覆土工作的完成，69°的倒角实现对土的压实作用，覆土、压实合并为一体，在一定程度上简化了机械装置。浇水是植树过程中必不缺少的一步，对提高树苗成活率有重要作用。水箱整体设计是为长1m，宽1m，高0.75m的长方体，够满足一次装载种植99棵树苗所需要的水量。

　　3 螺旋刀片的设计与校核

　　钻头是挖坑装置的核心工作部件，其工作性能直接影响挖坑装置的工作质量和效率，确定合理的结构参数至关重要。这里所面对的植树对象为直径5cm左右的小杨树树苗，所需要的挖坑直径大约为20cm，深度为50cm左右。将钻头设计为锥状，并带有螺旋刀片进行螺旋式挖掘。文献[12]运用有限元理论和基于软件ANSY/Workbench，建立不同结构参数值条件下的叶片有限元模型并进行仿真分析，确保叶片足够的强度刚度，为螺旋刀片的合理使用提供了重要理论依据。根据所挖土壤能被顺利排除刀坑外并且能顺利进行覆土工作，进行设计计算。钻头螺旋刀片是钻头的主要工作表面，通过主轴旋转进行升运和旋抛土壤，受力较为复杂，且磨损较快，通过理论分析方法很难进行校核，因此有必要利用有限元软件进行仿真分析。

　　3.1 螺旋刀片的设计计算

　　土壤在钻头离心力的作用下被抛出，落在周边地面上，若离心力过大即主轴转速过大，则土壤被距离坑中心的距离越大，不利于后续覆土工作的进行，合适的主轴转速对植树工作起着重要的决定作用[13]。

　　假设土壤单元被抛出落到地面的运动过程为斜抛运动，初始速度为v0，分解为竖直向上的速度vy和沿螺旋外圆切线水平方向的vx，斜抛过程中受重力，空气阻力忽略不计，经过时间t落地，则： t = 2vy g (1)被抛出的水平距离： x = vx t = 2vx vy g (2)则距离坑中心抛出距离： S = R2 + x2 = R2 + 4vx 2 vy 2 g2 = 1 2g R2 g2 + 16vx 2 vy 2 (3)螺旋刀片最外侧的线速度： vx = ωR (4)竖直向上的速度： 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-螺旋刀片外半径，m;ω-角速度，rad/s;β-螺旋升角，°;β = arctan np πD;Smax-距离坑中心允许抛出最大距离，取500mm。经计算得到S=370.30mm，满足条件。螺旋刀片主要几何参数，如表2所示。

　　3.2 螺旋刀片有限元分析

　　利用SolidWorks对螺旋刀片进行三维建模，仅对螺旋刀片进行有限元分析，在建模的过程中忽略了一些对结果影响的次要 因素，如安装孔等，简化后的模型如图6所示。采用Simulation模块进行强度仿真分析，螺旋刀片选用的材料为合金钢，其弹性模量为 E=2.1×105 MPa，抗剪模量为 G=7.9× 104 MPa，泊松比为µ=0.28，且认为钻轴为刚体，其与刀片焊接处不发生变形。根据钻头工作的实际状态，对螺旋刀片有限元模型进行约束和加载，刀片与钻轴相交曲面上采用固定铰链约束，添加自下至上依次减小的非均匀力，在钻顶部添加均布力，采用曲面的壳网格，如图7所示。

　　静应力云图如图8所示，可以看出最大应力为66.52MPa，远小于屈服应力620.4MPa，所设计的螺旋刀片符合强度要求。进而发现应力集中主要发生在刀片与主轴焊接部分，最大应力发生在刀片下端与主轴焊接处，这是因为该处受力较多明显大于刀片其他部位，易发生疲劳断裂，应做好加固措施。

　　4 结语

　　(1)针对传统植树工作所需的机械装置不足，设计改进了一种可以实现运载树苗、钻坑、移苗、覆土、浇水等功能的一体化植树工程车，实现植树作业的集成一体化;

　　(2)通过限制移苗装置的左右旋转极限位置进行定位实现移苗与栽苗工作，使其定位在同一点位，从而树苗定位更为准确;

　　(3)采用螺旋锥状钻头，进行螺旋式挖掘，通过对螺旋刀片进行设计计算得到抛土距离远小于最大允许距离，用Simulation模块进行刀片强度分析，应力小于屈服力，满足设计要求;

　　(4)储苗装置一次可储备99棵树苗，可实现批量植树，极大的提高了工作效率、节省了人力物力。