小型液压挖树机的设计与研究

赵德金 郭艳玲 李志鹏 周杰

（1.东北林业大学，黑龙江哈尔滨 150040；2.延边大学，吉林延吉 133002）お

摘要 液压挖树机采用液压作为动力完成挖树，举升带土球树木以及栽树等过程，能有效提高树木移栽效率、树木成活率和降低成本。利用三维CAD软件Creo2.0对挖树机挖树装置机构进行了设计并且对挖树铲部件挖树过程和起苗过程的受力情况作了分析，最后使用ansys-workbench进行求解，为今后该机械的结构设计以及参数优化提供依据。

关键词 液压；挖树机；设计

中图分类号 SB776.24+6文献标识码 A文章编号 0517-6611（2014）19-06448-04

Design and Research of the Small瞫ized Tree Spade

ZHAO De瞛in, GUO Yan瞝ing et al

(Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040; Yanbian University, Yanji, Jilin 133002)

Abstract Hydraulic tree spade adopts hydraulic pressure as power to complete digging, lifting and transplanting a tree which can effectively improve the survival rate of trees, efficiency of tree transplant and reduce the cost of tree transplant. The tree spade was designed with three瞕imensional modeling software of Creo2.0. The force data of the spade while digging and lifting a tree dug by the tree spade was calculated through formula, and then the spade was analyzed with ansys瞱orkbench. The result can provide the basis for the structural design of the machine and parameters optimization.

Key words Hydraulic; Tree spade; Design

基金项目 国家林业局948项目（2011421）。

作者简介 赵德金（1975- ），男，在读博士生，研究方向：林业工程自动化。

*通讯作者，教授，博导，美国密歇根大学研修生，从事机电一体化、特种加工技术和现代设施农业研究。

收稿日期 20140521

改善中国城市环境质量，依然是中国当前和今后面临的问题。树在城市绿化中起着关键的作用，近年来中国城市的绿化面积明显提高，而中国的园林机械发展相对滞后，目前大多城市绿化工作依然主要依靠人力完成。造成绿化劳动强度大，效率低，成本高。随着劳动力短缺问题的加剧，采用挖树机械进行树木移植的技术已成为中国今后树木移植的主要发展趋势。该文研究的挖树机械与拖拉机配套使用，采用液压作为动力完成挖树，举升树和树根土球、运输以及栽树等全过程，能有效的提高挖树效率和降低树木移植的成本［1-3］。

1 国内外挖树机的类型和研究现状

1.1 树木移植机的类型

树木移植机种类很多，具体分类方法如果按挖掘铲的形状可分为直铲式、弧形铲式、U形铲和半圆球形铲。按照铲的数量可分为两铲式、三铲式、四铲式和六铲式。

1.2 国内外挖树机的研究现状

国外挖树机械的研究起步早，技术比较成熟，产品一般与装载机、汽车、拖拉机等动力机械配套使用，制造树木移植机械的公司有美国Big睯ohn公司、加拿大Holt Tree Spades公司、加拿大Lemar Tree Spades公司、加拿大的Dutchman Industries公司、德国的Optimal公司，还有荷兰的Damcon公司。另外俄罗斯和日本也制造了先进的树木移植机械［4-9］。

在国内，树木移植机研究工作大约在20世纪70年代末期，20世纪80年代北京林业大学顾正平和张英彦对树木移植机进行了试验研究。21世纪初，我国内蒙古赤峰市赤田农林机械制造厂研制的可用于苗圃、园林工程绿化的大树移栽挖树机，江苏省丰垒果蔬特种机械研制有限公司也研制出了新型挖树机械。

2 挖树机结构参数和工作原理

2.1 挖树机结构参数的确定

该设计的这款是与轮式拖拉机配套使用的小型挖树机，挖掘树木最大土球直径为60 cm，铲刀厚度为6 mm，铲刀入土角为60度。挖树树木胸径为6 cm左右，安装在拖拉机后悬挂装置上。液压动力来源于拖拉机动力输出轴驱动的齿轮泵。为满足挖树铲动力性采用四铲式结构，挖树铲采用直铲式。

2.2 挖树机的工作原理

该小型挖树机主要应用于苗圃树木胸径为60 mm左右的树木带土球移栽的一种装置，具有结构简单，操作方便等特点（图1）。工作原理主要是整个装置悬挂于拖拉机后悬架机构上，首先开合液压缸将两个活动机架张开，然后操控升降液压缸将挖树装置下降到合适位置移动到将要移栽的树苗根部区域，闭合两个活动液压缸，当树苗处于4个树铲的中心位置时，操控4个挖树铲液压缸完成挖树操作，再次操控升降液压缸将带土球的树抬起，运送到指定位置，一般对于近距离可直接移植到用本机械挖好的树坑内。对于远距离批量移栽，一般将带土球树木放入保护土球的塑料袋或编制袋中。然后再运输到指定地点进行移植。

注：1.开合液压缸；2.铲刀组件；3.活动机架；4.固定机架；5.升降机架；6.升降液压缸。

图1 挖树机总体结构示意图

2.3 挖树机活动机架转动控制液压缸行程的确定

挖树机机架装图如图2所示。挖树机开口大小由左右两个活动机架绕A和B转动完成的，根据图2a中的挖树机机架的结构，建立如图2（2）所示的坐标系XOY，并且以线段的形式代替图2（1）图中Y轴右边的结构，可以根据坐标变换的方法在XOY坐标系B（a，b）建立一个局部坐标系xBy，设D（X，Y）点为挖树铲活动机架张开到最大的位置点。那么D（X，Y）在xBy坐标系中的坐标为D（x，y），建立XOY坐标系中D（X，Y）点的运动方程：

玐=a+x2+y2玞osβ

Y=b+x2+y2玸inβ（1）

设BD=〗x2+y2=R，那么a，b，R和D（X，Y）坐标都是已知量，那么只有β是变量，当挖树机活动铲从闭合C点张开到D点，利用坐标变换通过β在这两点角度值可以确定液压缸的H点在液压缸控制挖树机活动铲闭合C点张开到最大D点两个坐标值，这两点的距离就是控制活动挖树铲开合液压缸的工作行程。

图2 挖树机机架装配图

2.4 挖树土球和树的相关参数确定

为了研究的方便，对土球和树木的参数采用了近似计算，由于挖树机的实际作业环境土壤情况多变，将土的重度取值为19 kN/m3；树木生材密度取1 g/cm3；树干的重力玏璵按树木直径都是6 cm近似计算；整棵树的重力的大小近似等于树干重力大小的两倍。

根据设计参数的三角函数关系可确定土球如图3所示的参数值如下：

图3 土球参数

玂B=OA玹anα=30玹an60=52 cm

獳B=OA/玞osα=30/cos60=60 cm

玍=1 3π（OA）2（OB）=48 984 cm3

玏=γV=0.019×48 984=930.7 N

玍璵=π玶2h=3.14×9×300=8 478 cm3

玏璵=ρg玍璵=1×9.8×10-3×8 478=83.1N

表1 土球和树木的相关参数

OA 土球半径 cm

OB 土球深度 cm

AB 树铲入土长度 cm

玏 土球重力 N

玍 土球体积 cm3

ρ 树木生材密度 g/cm3

γ 土的重度 KN/m3

玶 树木胸径 cm

玍璵 树木生材体积 cm3

玥 树木高度 cm

玏璵 树主干的重力 N

3 基于Creo2.0软件的挖树机建模

根据设计参数使用PTC公司推出的Creo2.0软件利用前文所述理论和机构参数对挖树机进行结构设计，实现挖树铲曲面建模、实体建模，机架设计以及液压缸的设计，然后利用Creo2.0软件的虚拟装配模块进行对挖树机各零部件进行虚拟装配如图4（1）是挖树机俯视图。图4（2）为挖树机树铲闭合视图，同时还可以对挖树机进行仿真分析，干涉检验，确定挖树机的结构尺寸的合理性。

图4 挖树机俯视图

4 挖树铲力学分析及Ansys瞱orkbench求解

4.1 挖树铲工作过程受力分析

挖树机的主要工作部件是挖树铲组件，主要对挖树铲挖树过程和起树苗过程挖树铲受力情况如图5所示进行分析。首先假定挖树过程挖树铲以匀速运动并且土壤与挖树铲相互作用的基本量，如土壤的重度以及土壤与挖树铲的铲面和切削刃的摩擦系数μ在整个挖树过程中保持不变，挖树铲在匀速刺入土壤时，认为液压缸动力与来自挖树铲的刺入土壤的剪切破坏阻力相等。在此过程中挖树铲受力如图5（a）所示，受到土壤的重力獹，土壤侧向压力㏄1，土壤与挖树铲正面、反面以及刀刃的摩擦力为μ㎞1、μ㎞2和μ㎞3刀刃受到土壤的压力N（Nx，Ny，Nz），由于土壤的实际情况多变，成分复杂，理论上的计算方法很难反映农机具与土壤的受力情况的通用公式，目前多采用经验公式计算，挖树铲土壤阻力采用经验公式［10］：

图5 挖树铲受力分析

P=0.048 23R1.616 9獂1.138 4γ0.755 3猚0.244 7（2）

=（13.927 5+0.563 3×100.024 3β）(kN)

式中：P—下铲阻力；x—铲刀下铲的位移量（m）；γ—土壤容重（g/cm3）；玞—土壤内聚力（Pa）；β—铲刀体围角的半角（度）；R—土球半径(cm)。

树木挖掘工作完成，要进行起树苗的操作，那么挖树铲四铲式从静止到以一定的速度玍向上移动过程中，对挖树铲和与铲接触的土球而言在这一过程中的受力分析如图5（b）所示，树铲受到土壤和树的重力獹，土壤侧向压力㏄1，土球给挖树铲正面摩擦力μ㎞2，挖树铲给土球的摩擦力μ㎞2′，土球的惯性力F，土球惯性力对挖树铲产生的反作用力〧′。 以土球为研究对象根据理论力学达朗伯原理可以列出土球在垂直方向上力的平衡方程：

N玞osα+F+μN2玞os(90-α)-G=0（3）

挖树铲工作面所受到土球压力的作用，由于挖树铲在土球的作用下有向外移动的趋势，所以可以按照土压力的主动土理论近视计算挖树铲所受到的土压力，如图6所示挖树铲是倾斜的，那么挖树铲所受到的土压力可以看做土球和树木的重力和图6AB面受到主动土压力的合力，土球重力利用“2.4”项下方法计算的数值来计算：

图6 挖树铲工作面受力分析

獹=W+W璵=（930.7+2×83.1）/4=0.274 2 kN（4）

AB面受到的主动土压力可按照朗金主动土压力公式计算：

玴璦=1 2γzK璦-2cK璦（5）

E璦=1 2（H-h0）（γHK璦-K璦（6）

（5）（6）

式中：E璦是静止土压力；h0=2c γK璦是拉力区的高度；p璦是主动土压力强度；z是计算点的深度；γ是土的容重；H是挡土墙的垂直高度；K璦是主动土压力系数；c是土的黏┚哿Α＊

挖树铲所受到的侧压力强度玴璦按照北京林业大学张超波［11］研究的根土复合体中的土壤和树根的黏聚力系数和土壤内摩擦角再结合朗金主动土公式（5）计算发现p璦<0并且利用公式（6）计算E璦时h0>H(AB)的高度，说明根土复合体改变了土的力学性能，提高了土的黏聚力系数，增强了土的抗剪强度，也就是说挖树铲在挖树过程和起苗过程中土壤对挖树铲的侧压力很小可以忽略，说明挖树铲在挖树和起苗过程中主要受到土球树木的重力的作用。另外土壤和金属材料的黏附和摩擦大约占土壤切削总能量的30%~50%［12］。挖树铲刀刃的厚度也对土壤切削阻力产生较大的影响。

4.2 Ansys瞱orkbench对挖树铲挖树过程受力求解

挖树铲材料采用nm500耐磨钢板，弹性模量獷=2.06×1011狽/m2；密度ρ=7.85×103 kg/m3，屈服强度δ璼=1 000 MPa；泊松比0.3。

图7 挖树铲模型

挖树铲起苗过程中液压缸的动力加载刚开始时，挖树铲受到土球和树苗重力和他们的惯性力的冲击作用。下面利用Ansys workbench对这一过程进行瞬间动力学分析。瞬间动力学的一般方程为：

［M］珄玿*}+［C］{玿′}+［K］{玿}={F(t)}（6）

式中:［M］是质量矩阵；［C］是阻尼矩阵；［K］是刚度矩阵；珄F(t)}力矢量；{x*}是加速度矢量；{x′}速度矢量；{x}位移矢量。

图8 挖树铲的静力与瞬时动力学分析

挖树铲起苗过程，首先假定挖树铲将所有树的根都切断，忽略土球与挖树铲的摩擦作用以及铲背面与土壤的黏附力，认为挖树铲在这一过程只受到土壤的重力和树木的重力和它们的惯性力的作用。结合公式（3）和（6）计算的力对图7挖树铲正面与土壤接触的区域进行力的加载进行挖树铲的瞬间动力学分析，Ansys瞱orkbench求解结果如图8（b）所示。

4.3 受力结果分析

挖树铲图8（a）静力分析（1）所示最大变形发生在铲尖端，其变形量4.7 mm；图8（a）（2）图最大应力为163 MPa。图8（b）起苗瞬间动力学分析（3）最大变形量为0.73 mm，图8（b）（4）最大应力为27 MPa。在挖树和起苗过程中的变形量对于挖树铲而言较小，不影响挖树操作，满足使用要求和最大应力也都远远小于挖树铲材料的屈服极限，也满足要求。

5 结论

（1）根据树木移植要求确定挖树机设计参数，利用软件creo2.0对挖树机进行 设计，虚拟装配仿真确立了各部件的装配和相对位置关系。

（2）对挖树铲主要工作部件的挖树工作过程和起苗过程的受力情况进行了分析，并作了相关设计计算，利用计算结果结合Ansys瞱orkbench对挖树铲的挖树过程受力和起苗过程初期瞬间动力进行了模拟，其结果符合设计要求。

参考文献

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［8］ Holt Tree Spades ltd［EB/OL］.http：//www.holttreespades.com/.

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