一種便捷型一體化植樹機設計及分析

李園奇 萬文濤 徐袁宏 李 雯 趙 妍 曾右鵬

（重慶機電職業技術大學，重慶 402760）

在日漸嚴重的沙漠環境下，荒漠化已經不再是一個單純的生態環境問題，而是演變為經濟問題和社會問題，給人們帶來貧困和社會不穩定。沙漠化給生態環境和社會經濟帶來了極大危害，因此如何有效治理荒漠化一直是世界性難題。2019年2月26日，《聯合國防治荒漠化公約》[1]第十三次締約方大會在鄂爾多斯舉行，肯定《聯合國防治荒漠化公約》2018—2030戰略框架的重要意義，鼓勵各國采取行動設定履約自愿目標，在2030年之前實現土地退化零增長。可見，防沙、治沙成為人類急需解決的重要任務。但是，人工植樹需要大量的人力物力，效率較低，無法滿足日益發展的社會要求。

目前，市面上的植樹機種類很多。植樹機的關鍵在于如何挖坑，所以市面上的植樹機重點在挖坑。按動力的鏈接方式分類，它主要分為手提式挖坑機、牽引式挖坑機、懸掛式挖坑機和自走式挖坑機[2]。手提式挖坑機的均價在300～1 000元，挖坑機結構緊湊，機體與汽油發動機裝配成整體，動力強勁有力，外形美觀，操作簡單易上手，勞動強度低，省時省力，適宜于拖拉機不能通過的復雜山地、溝壑丘陵地區，且體積小，方便攜帶，重量較輕，挖坑效率高。但是，該類挖坑機不附帶種苗機構，功能單一，不能自動，對勞動力需求較大。懸掛式挖坑機均價在3 000～9 000元。這種植樹機與拖拉機為三點懸掛，最大開溝深度可達30 cm，但需要大功率拖拉機作牽引動力，體積大，笨重，不靈活，操作較為困難。

鑒于對市面上植樹機的調查，多數人對植樹自動化、便捷化提出了自己的觀點。陳麗專發明了一種自動植樹機，實現了植樹機自動挖坑的功能[3]。此外，該裝置旋轉托盤上附有若干個夾持單元夾住樹苗，通過第三電機驅動凸輪推動助推塊，使投放單元可以準確地將樹苗投放到樹坑中，提高了植樹效率，降低了成本。王玉環發明一種植樹機挖坑裝置，轉動桿的表面固定連接有絞龍葉片，遠離電機的一端固定連接有鉆頭，整個挖坑裝置可上下移動，快速定位鉆孔[4]。漆向軍[5]等發明了一種沙漠植樹機，采用履帶底盤驅動，很好地解決了在沙漠中行進時車輪凹陷的問題。廖偉平等發明的車體式植樹機，行車方便快捷，鉆孔覆土一體化，采用夾苗臂機械爪，但操作困難，在沙漠地區行車時沙塵飛揚[6]。

綜上所述，設計的植樹機優化了市面上現存的植樹機的不足，成本低，精巧便捷，能全自動化操作，保證樹苗存活率，在沙漠地區行進自如，解決了市面上沙漠植樹時植樹機存在的缺陷，對治理沙漠意義重大。

1 機械說明

1.1 機械結構的設計

種植機由履帶式底盤、一體化多功能種植機構、樹苗傳送機構、覆土機構以及澆水儲水裝置組成，可以自動完成打洞、分苗、種植、覆土、澆水、定位以及巡航功能，具體結構及工作原理如圖1所示。

圖1 種植機

1.1.1 履帶式底盤

兩側履帶輪都采用獨立電機驅動，在保證動力穩定輸出的情況下，可以通過電機的差速轉動實現原地轉彎，靈活性極佳，如圖2所示。在沙地應用時，履帶與地面接觸面積大，單位壓力小，下陷小，附著能力強，行駛通過能力強。

圖2 履帶式底盤

1.1.2 一體化多功能種植機構

該結構由兩個電動推桿、一個套筒和擋板組成，如圖3所示。套筒底部呈倒三角形，且安裝有擋板。套筒與1號電動推桿連接，擋板與2號電動推桿連接。套筒底部呈倒三角形，接觸面積小，壓力大，以便套筒深入沙土。整個種植機構由電動推桿1帶動實現下壓挖坑，隨后2號電動推桿帶動擋板打開，撐開沙土。

圖3 一體化多功能種植機構

1.1.3 樹苗傳送機構

該機構由置苗框、電機、滑軌和齒輪齒條組成，如圖4所示。每個置苗框內各放一株樹根向下的樹苗，待種植機構完成挖坑工作后，電機驅動齒輪齒條實現置苗框的直線移動，使置苗框與載物板的通孔對齊，隨后樹苗通過套筒垂直落入由種植機構挖好的沙坑中。

圖4 樹苗傳送機構

1.1.4 覆土機構

該機構由電機、絲桿、覆土卡爪、連桿和導軌組成，如圖5所示。連桿連接在絲桿螺母上，電機旋轉帶動絲桿螺母后移，連桿帶動覆土卡爪合攏，從而完成覆土壓實。

圖5 覆土機構

1.1.5 澆水儲水裝置

該裝置由水箱、水泵和噴頭組成。在完成種植任務后，水泵開始運行，噴頭開始澆水。

1.2 作業方式

整體安裝及功能區分布，如圖6所示。種植機按照指定路線前進，約30 s到達起始種植位置，隨后1號電動推桿開始運作，驅動種植機構下降插入沙土。在種植機構下降7 s后，2號電動推桿開始運作收回，4 s后帶動擋板撐開沙土，隨后樹苗傳送機構運行。每個單元格運動3.5 s后對齊套筒上端，樹苗在重力的作用下1 s內會掉落到撐開的沙坑，隨后1號電動推桿回收，種植機構5 s內復位、擋板合攏，覆土機構運作5 s后合攏，將沙土壓實并復位，同時水泵開始運行噴頭澆水，完成整個植樹動作。

圖6 整體安裝及功能區分布

2 電子控制

系統擬采用stm32f103c8t6作為主控，用大功率直流電機驅動控制小車的移動，機構正常運行。采用一路超聲波用于檢測前方是否有障礙物，當有障礙物時，避開障礙。采用UM220-Ⅳ作為全球定位系統（Global Positioning System，GPS）模塊，并通過esp8266內網穿透將GPS采集的數據上傳到云端，遠程定位和控制小車。小車采用全自動模式，使用時指定工作片區即可。多傳感器融合使小車位置、檢測障礙以及自動轉向集于一體進行全自動作業。手機端App可獲取esp8266上傳的云端數據，方便檢測小車的運行狀況和所在位置，如圖7所示。

圖7 電路控制流程圖

3 植樹機的有限元分析

3.1 植樹機材料定義

根據實際情況，植樹機材料選擇鋁合金，材料參數如表1所示。土壤的材料模型參數，來源為ANSYS材料庫。Cam-clay的相關參數，如表2所示。多孔彈性的相關參數，如表3所示。

表1 植樹機的材料分析

表2 植樹機的材料分析

表3 多孔彈性的相關參數

3.2 模型的簡化

考慮到計算量較大，把裝置簡化為一個80 mm×80 mm×100 mm、厚為3 mm的方孔。

3.3 單元的選擇

選用ANSYS Workbench默認的實體單元Solid186。Solid186是高階3維20節點固體結構單元，通過20節點來定義，每個節點有3個沿著xyz方向平移的自由度，具有任意的空間各向異性。單元支持塑性、超彈性、蠕變、應力鋼化、大變形和大應變能力，還可采用混合模式幾乎不可壓縮彈塑性材料和不可完全壓縮的超彈性材料。

3.4 顯示動力學網格的劃分

為了提高計算效率和計算精度，節省計算時間，將網格劃分為單元尺寸為25 mm的六面體網格。經過網格劃分后的有限元模型，如圖8所示，節點數目為39 428，單元數目為49 737。

圖8 有限元模型

3.5 求解條件的設定

因為計算需要把整體模型簡化，電動推桿給種植機的力為100 N，所以在有限元模型中省略了電動推桿部分，直接給種植機垂直于地面向下、大小為100 N的力。為了接近實際工況，給出土壤有限元模型與地面的一個固定副。

3.6 結果

經計算，獲得土壤模型的總變形（位移）云圖，如圖9所示。計算結果表明，種植機落在土壤的位移為236.35 mm，樹苗落在土壤里的距離為80～120 mm，可以達到樹苗的種植深度約10 cm。

圖9 土壤模型總變形云圖

4 機械效率

植樹效率受1號電動推桿、2號電動推桿、齒輪驅動電機以及履帶行進時間影響。1號推桿運作效率為45 mm·s-1，2號推桿運作效率為45 mm·s-1，齒輪驅動電機運作效率為20 r·min-1，履帶行進速率為0.18 m·s-1。因為齒輪驅動電機可以與1號電動推桿同時進行，所以忽視齒輪驅動電機運作時間，計算顯示植苗效率為每棵55 s。

5 結語

從機械結構看，履帶行走能適應不同的沙漠地況，適應性強。一體化多功能種植機能高效種植，裝置總質量為50 kg，精巧便捷，方便植樹人員攜帶。從電子控制看，該種植機能夠通過手機、平板等電子設備智能控制植樹機，自動規劃行進方向，實現了全自動化植樹。從機械效率結果來看，該種植機平均每分鐘種植一株樹苗，植樹效率高。