仿生減阻樹木移植機鏟片設計與試驗

趙 雄，馬行瀟，高巧玲，陳成錦，陳建能※

（1. 浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018；2. 浙江三鋒實業股份有限公司，金華 321300）

0 引 言

中國人均森林占有面積只有世界水平的 16%，且近幾年來，土地沙漠化問題日益嚴重[1-2]，據統計，20世紀70年代以來，僅土地沙漠化面積擴大速度，每年就有2 460 hm2[3-4]。因此，改善土地沙化是中國目前亟需解決的問題，樹木栽植是快速綠化造林的有效途徑，但也是一項勞動強度很大的作業，人工栽植效率低、成本高[5-6]，機械化移植可以減輕勞動強度、提高經濟效益[7]，目前樹木移植機多由通用挖掘機變形開發，整機功率大、能耗高，需要從整機功率匹配和挖掘部件減阻降耗兩方面開展性能提升研究。市場上投入使用的樹木移植機通常都是由鏟片組來完成挖土的工作，鏟片是樹木移植機的重要工作部件，其尺寸參數、形狀以及數量分布直接影響著樹木移植機整機挖土性能，分析鏟片的受力特性并減小鏟片切削阻力可有效提高樹木移植機的挖土效率和減小整機能耗。

在挖掘部件減阻技術研究方面,石林榕等應用逆向工程方法來提取螻蛄脛節上第一趾的側面曲線信息，設計出馬鈴薯挖掘機仿生鏟片[8]。崔占榮等基于逆向工程技術和仿生學原理，建立野豬頭部的三維幾何模型并對其特征曲線進行了分析，試驗結果表明仿生研究工作對于降低觸土部件土壤阻力和改善農機部件工作質量具有重要作用[9]。白景峰等利用仿生學原理將狗獾爪趾的曲線應用到深松鏟的結構設計中，設計了一種鏟柄刃口為多項式曲線、鏟尖為圓弧形的新型深松鏟，試驗證明仿生深松鏟減阻效果明顯[10]。一些長期生活在泥土中的動物，經過億萬年的變異和進化，逐漸形成了減黏降阻的特性，研究發現體表分布的幾何非光滑單元是土壤動物減黏降阻的主要原因之一。劉慶懷等對生活在土壤中的動物步甲進行了長期的實地觀察，并對其進行了活體取樣及表面分析，發現步甲體表分布有大量的幾何非光滑單元，這些幾何非光滑單元在其用來挖土的器官—大顎上的表現尤為明顯[11]。因此,對傳統挖掘機鏟片進行仿生研究有望在移植機整體技術不變的情況下實現節能降耗。

本文基于工程仿生學理論，從動物挖削土壤中獲得啟發，在分析樹木移植機鏟片受力特性的基礎上，對樹木移植機觸土部件進行仿生改形設計，以提高其減阻性能。首先運用ANSYS/LS-DYNA模擬鏟片切削土壤的動態過程，分析切削土壤過程中土壤的應力變化及鏟片切削阻力的變化情況，以尋找能夠最大程度減小切削阻力的鏟片入土角。然后仿照土壤動物步甲的掘土器官大顎的體表結構設計非光滑仿生鏟片，即在原型鏟片表面設計規律分布的球冠形凸起單元，并利用計算機數值仿真檢驗仿生鏟片減小切削阻力的有效性，通過對鏟片參數的優化達到有效減小挖掘阻力和整機能耗的效果。

1 移樹機鏟片組的工作原理與受力分析

樹木移植機鏟片組結構簡圖如圖 1所示，其主要由懸掛架1、開合油缸2、開合架3、鏟片4和滑動導軌5組成。樹木移植機工作時，先打開開合架，然后移動移植機使苗木位于鏟片組的正中央，再關閉開合架，控制液壓油缸使4個鏟片依次切入土壤，將苗木與土壤分離，最后操縱樹木移植機大臂機構將鏟片組和土塊包裹的苗木抬升一定高度，將移植機開到指定地點，卸下苗木，完成移植。

圖1 鏟片結構及參數示意圖Fig.1 Diagram of shovel structure and round angle

鏟片在切入土壤過程中受力情況很復雜，且鏟片在切削土壤及苗木根莖時需克服較大阻力，導致鏟片發生微小變形，應力分布情況復雜[12]。另外，由于受到土壤力學研究水平的限制，傳統的理論方法并不能準確求解鏟片在工作過程中所受阻力[13]。因此，理論計算通常采用以相似理論為基礎的模型試驗建立的鏟片切削阻力經驗公式[14~16]。

式中F為鏟片的受力，kN；X為鏟片切削位移量，mm；γ為土壤密度，g/cm3；C為土壤內聚力，Pa；β為鏟片圍角的半角，(°)。

但這種理論計算所得結果并不能準確反映鏟片在切削土壤過程中真實的受反情況，因此不能作為結構設計的依據。本文運用 ANSYS軟件模擬鏟片切削土壤的過程，然后運用軟件LS-ProPos中直觀分析鏟片各個部分的受力情況，以此確定鏟片的最大和最小受力點，為鏟片的改進設計提供數據和理論依據，并且預測鏟片可能出現的問題。

2 鏟片切削土壤過程的數值優化

2.1 切削模型建立

選擇合理的土壤本構模型，對于保證鏟片切削土壤過程仿真分析的正確性具有重要意義[16~18]。本文選用ANSYS/LS-DYNA提供的第 147號材料，即 MAT147（MAT_FHWA_SOIL）材料模型，這是一種適用于實體單元、考慮損傷的各向同性材料模型。本文對試驗場地土壤進行實際測量所得的部分土壤模型參數值如表 1所示，其余參數取值參照 LS-DYNA971關鍵字手冊中的*MAT_FHWA_SOIL模型。土壤單元類型選用 3D Solid 164單元。

表1 土壤模型的主要參數Table 1 Main parameters of soil model

在 Solidworks中建立弧形鏟片及土壤三維模型，如圖2所示。鏟片組采用四瓣式，即鏟片圍角的半角β=45°，鏟片厚度為0.8 mm。運行ANSYS15.0，導入已完成的三維模型。單元類型選用Thin shell 163單元，鏟片材料設定為線彈性材料Elastic模型，鏟片材料為鋼材，仿真時材料參數依次輸入：密度為7.85E+03 kg/m3、彈性模量為 2.1E+11 Pa、泊松比為 0.3（文中采用 g-cm-s單位制）。

圖2 鏟片與土壤模型Fig.2 Model of shovel and soil

2.2 數值分析的條件設定

網格劃分時，土壤采用六面體網格繪制，手動控制線條單元個數，鏟片采用四面體網格繪制，手動設置單元體的大小，網格劃分后的模型如圖 3所示[19]。為了得到更準確的仿真結果，必須固定土壤單元，使其在切削過程中不會竄動，故設置土壤單元底面自由度為全約束[20~21]，為了使土壤模型能達到無限大地面的效果，對土壤模型四周采用無反射邊界條件約束。在LS-DYNA中設置鏟片與土壤之間為面面接觸的侵蝕分析，即ESTSEroding類型，該接觸類型為當單元可能失效時所用的接觸，目的是在模型外部單元失效被刪除后，剩下的單元仍會接觸。

圖3 鏟片與土壤網格模型Fig.3 Gridding model of shovel and soil

因鏟片為弧形鏟，不能直接設定其直線速度，文中設定鏟片為勻轉速運動，角速度為0.108 rad/s，求解時間為 2 s，根據挖樹的工作要求直徑為 1 m，挖出土塊近似為球形，根據鏟片是四瓣型且其支撐滑軌面弧度值為0.247，設定鏟片入土深度為350 mm，當達到指定入土深度時，計算自動停止。

2.3 數值優化及結果分析

2.3.1 鏟片切削土壤最佳入土角的確定

鏟片勻速切削土壤，在0 s時尖端首先接觸土壤（如圖3所示），隨著鏟片與土壤的接觸面積逐漸增大，鏟片對土壤的剪切和擠壓作用增強，致使與其直接接觸的土壤單元遭到破壞而失效變形[22~27]。通過后處理軟件LS-ProPost查看計算結果，結果顯示在鏟片切削土壤的過程中，鏟片切削過程中土壤相對于鏟片是沿鏟片表面向上滑動，同時受到前方和上部土壤壓力及鏟片的擠壓，促使土壤應力集中在刃口上部而不是在鏟片刃口處。

在其他條件不變的情況下，只改變鏟片的入土角，分別求解一定范圍內入土角不同時鏟片受力情況，其求解結果如表2所示。由表2可知，當鏟片的入土角度為83°時，鏟片所受土壤最大瞬時反作用力最小，平均反作用力也最小。在鏟片入土角度為83°條件下，鏟片入土過程的受力情況如圖4所示，橫坐標表示鏟片的運動時間，1.27 s之后鏟片受力不再變化，此時鏟片入土深度已達到設定值350 mm，計算停止。

表2 不同切削角度時鏟片受力情況Table 2 Force of shovel at different digging angles

圖4 切削角為83°時鏟片受力圖Fig.4 Diagram of shovel force when digging angle is 83°

2.3.2 鏟片外形的仿生設計

為了減小鏟片在切削土壤過程中所受阻力，仿照土壤動物步甲的掘土器官大顎的體表結構，在原有鏟片表面設計球冠形的凸起，以起到減小鏟片與土壤的接觸面積從而減小鏟片切削阻力的作用。步甲大顎體表的凸起單元分布較為雜亂，根據鏟片的實際工作情況，設計中選取凸起按矩形分布，凸起的尺寸包括凸起的高度、凸起的直徑和凸起中心距。建立如圖 5所示的仿生鏟片模型，通過仿真計算發現，凸起的高度超過4 mm以上，對鏟片減阻沒有明顯影響，故選擇凸起高度為4 mm，以方便鏟片加工。為了確定凸起直徑和中心距，對這 2個因素進行正交試驗，通過ANSYS/LS_DYNA軟件虛擬仿真鏟片切削土壤的過程，從而求解鏟片所受土壤反作用力，仿真中鏟片入土角設定為83°，表3給出了不同凸起直徑和中心距條件下仿生鏟片最大受力和平均受力的情況。

圖5 仿生鏟片三維模型Fig.5 3D model of bionic shovel

表3 仿生鏟片受力最大值和平均值Table 3 Maximum and average force of bionic shovel kN

由表3可知，當鏟片表面凸起直徑為14 mm、凸起中心距28 mm時，鏟片所受瞬時最大作用力最小，平均作用力也最小。將原型鏟片和仿生鏟片的計算結果導出，以鏟片平均受力為參考，運用MATLAB軟件繪制出圖6所示的鏟片受力對比圖。由圖6可知，與原型鏟片相比，仿真結果證實仿生鏟片相比原型鏟片有效減阻13.88%。

圖6 鏟片受力對比圖Fig.6 Comparison diagram of shovel force

3 鏟片試驗測試與分析

3.1 試驗條件與測試方法

根據仿真結果研制仿生鏟片如圖7a所示，鏟片表面凸起為球冠形，高度4 mm，凸起直徑14 mm，凸起中心距 28 mm，將仿生鏟片安裝在樹木移植機樣機上進行移植作業對比試驗，試驗地點選為校內的一處園林，上文仿真所用土壤模型的主要參數也是取自此處土壤實測所得，綜合考慮鏟片尺寸和樹枝的分叉程度，為避免損壞枝葉，試驗選取主桿直徑小于10 cm的樹木進行挖掘。由于鏟片要深入土壤作業，用普通的測力傳感器測其受力比較困難，若在鏟片表面黏貼應變片，應變片會在切削土壤的過程中變形，且鏟片每個部位的受力大小不同，無法準確測量其受力情況。因此，文中通過測量驅動鏟片的液壓缸壓力來間接反映整塊鏟片的受力情況，即鏟片受力等于液壓缸進油口壓力與進油口面積的乘積。數據測量采用型號為 SR-PPT-600-05-OC的雷諾-流量/壓力傳感器，量程為60 MPa，測量誤差小于0.3 MPa；數據采集設備采用型號為TAQ2-480的雷諾-智能液壓測試儀，其每秒最高可獲取25萬個數據樣點。

試驗中通過流量/壓力傳感器在液壓缸進油口測得流量和壓力，再通過數據線導入液壓測試儀，分析計算得到液壓。計算機再通過數據線采集得到液壓測試儀的數據，并通過數據分析軟件AMEsim得到試驗結果進行比較，測試流程如圖7c所示。

圖7 鏟片試驗設備與流程圖Fig.7 Diagram of shovel test equipment and test flow

試驗重復 5次，用同種型號的壓力傳感器對驅動原型鏟片和仿生鏟片的液壓缸進行進油口壓力測量，并采集保存測量結果，將 5次測試所得數據導出求平均值，由公式FPs=（其中F為鏟片受力，N；P為液壓缸進油口壓力，MPa；s為液壓缸進油口面積，m2，直接測量得到）計算得到鏟片受力值。

3.2 測試結果與分析

5次試驗測試結果見表4。

表4 園間測試對比結果Table 4 Comparative results of garden tests kN

將 5次測試所得數據導出求平均值，仿生鏟片的最大受力為 2.474 kN，比原型鏟片的 2.783 kN減小0.309 kN，平均受力減小了0.512 kN，以仿生鏟片與原型鏟片測試結果繪制圖8所示曲線，圖8可見，仿生鏟片整體上受力較小，最大受力值降低了 11.11%。將仿生鏟片的測試結果與仿真結果繪制曲線如圖9所示，圖9可知，數值計算結果與試驗測試結果存在一定誤差，誤差的產生的原因主要有：試驗中操作人員通過手柄操作控制鏟片近似勻速切入土壤,與仿真條件略有偏差；土體受力產生了變形對鏟片的受力起到卸載作用, 使得試驗土壤與數值計算所用土壤模型有所差別。

圖8 原型鏟片和仿生鏟片的試驗受力曲線Fig.8 Experimental force curves of original shovel and bionic shovel

圖9 仿生鏟片仿真與試驗受力曲線Fig.9 Simulation and test force curve of bionic shovel

4 結 論

1）應用Solidworks、ANSYS/LS-DYNA軟件建立鏟片與土壤相互作用的數值計算模型，仿真計算了鏟片在切削土壤過程中受力隨時間的變化情況。通過鏟片在不同切削角時受力分析，得到最優的鏟片切削角為83°。

2）仿照土壤動物步甲的掘土器官大顎的體表結構設計新型仿生鏟片。在鏟片切削角為83°及其它條件不變的情況下，通過數值優化得到仿生鏟片最佳參數為：表面凸起直徑為 14 mm，凸起中心距為 4 mm，凸起高度為4 mm。

3）根據最佳參數研制仿生鏟片，將仿生鏟片安裝在已有的樹木移植機樣機上進行移栽作業對比試驗，測試結果表明仿生鏟片能有效減小阻力 11.11%，說明所設計的仿生鏟片具有較好的減阻效果。

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