基于Workbench 的植樹機結構設計與研究

孔維安，邢宏根，蔡 力，宋盼盼，魏 政，李相洋，裴建雨，王子倫

（湖北大學知行學院 機械與自動化學院，430011，湖北武漢）

全世界土地荒漠化面積為3 600 萬km2，約占整個地球陸地總面積的1/41[1-4]。土地荒漠化和土地沙化是土地退化的直觀表現，會直接影響當地動植物生存和人類經濟與生產力發展，是危及生態平衡和生態環境的重大問題。全世界約有100 多個國家和地區都存在此問題，而植樹造林就是解決土地荒漠化和土地沙化這一問題的關鍵辦法。但從我國實施植樹造林綠化工程建設的方式來看，其主要由人工作業來完成，成效不高，種植質量也相對較差，在進行更大范圍的綠化生態修復工程中人工種植的方法就顯得十分乏力，因此，在植樹造林綠化工程中急需用自動化機械代替人工，提高植樹造林的效率和質量，減少人力資源在綠化工程中的浪費。因此，用來加快生態系統建設、提高植樹造林綠化質量和效率的智能植樹機械應運而生。

針對植樹機的設計研究，殷勁松等設計的一種小型全自動植樹機，采用挖穴裝置、填土裝置、儲苗裝置等多個部分合為一體的組合方式，并巧妙結合自動化技術，使得植樹機實現全自動作業，減少了植樹工作上的人力資源損耗。[5]周克媛等提出一種自動化的植樹機開溝器結構設計，開溝犁和拓溝犁各自由液壓驅動裝置帶動，大大提高了植樹造林的效率和植樹機自動化的程度。[6]孟繁偉等將回轉間歇式投苗機構、分苗機構、落苗機構組合成扦插種植沙棘機器，實現提高沙棘種植的存活率和種植質量的目的[7]。以上學者的設計研究為后續自動化智能植樹機的結構設計提供了科學參考。

1 整體結構設計及工作原理

1.1 植樹機的整體結構設計

此植樹機主要由鉆坑機構、樹苗運輸裝置、存儲樹苗庫、樹苗導向裝置、驅動機構、培土澆水裝置等部分組成，首先根據設計方案，運用Solidworks 三維建模軟件對智能植樹機各部件建模并裝配成一體，之后再對其進行分析，植樹機的整體結構和組成如圖1 所示。

圖1 結構示意圖

1.2 植樹機的工作原理

此植樹機能夠存儲大量的樹苗，并搭載了自動控制模塊可以自主地進行植樹工作，能夠很好地將樹苗種到指定的區域，且保證一定的存活率。整個的植樹機靠電力來驅動，通過單片機來控制每個部件的運作。當植樹機到達指定位置時，鉆坑機構通過電推桿的伸縮和螺旋鉆頭的旋轉來鉆出樹坑，樹苗庫的閥門開啟落下樹苗，落到樹苗運輸裝置上，通過運輸裝置將樹苗運到樹苗導向裝置，樹苗便通過樹苗導向裝置栽入事先鉆好的樹坑當中，再由車身后的培土裝置將分布在樹坑外的土埋進坑內，最后由水泵為剛種下的樹苗澆水，使得樹苗生長時有充足的水分，這樣就可以保證種下去的樹處在很好的生長環境當中。

2 重要構件的有限元分析

植樹機在工作時，電機帶動螺旋鉆頭開始旋轉，同時螺旋鉆頭受推桿的推動向下鉆沙土，因此受力最大的部分是螺旋鉆頭。而整個鉆坑機構是通過螺栓固定在植樹機的車架上的，在鉆坑機構工作時車架受沙土的反向作用力。為研究結構的可靠性和是否產生共振問題，本文對螺旋鉆頭進行靜力學分析和對車架進行模態分析，并后續制作實物進行模擬運作，以此來驗證整個機構的可行性。

2.1 鉆坑機構分析

鉆坑機構由電推桿、電機和螺旋鉆頭三部分組成，螺旋鉆頭通過夾頭固定在電機軸上，電機連接到推桿，三個部分拼裝成鉆坑機構后再固定到車架上，鉆坑機構結構示意圖如圖2。

圖2 鉆坑機構示意圖

利用SolidWorks 軟件將螺旋鉆頭的模型建立后，導入ANSYS Workbench 軟件中再對螺旋鉆頭進行靜力學分析。因為螺旋鉆頭主要是受電機的扭轉力和推桿的推力，再根據鉆頭所處的工作環境，所以選取鉆頭的材料為Q235，而車架起到支撐所有部件、保證各個部件工作時的相對位置的作用，車架材料選用Q345。相關材料屬性如表1。

表1 材料屬性表

選定材料后再對其進行網格劃分，模型網格劃分的質量在有限元分析中會直接影響求解的精確度和計算量。網格劃分過于密集，求解成本和計算時間都會上升；但過于稀疏會導致求解結果不精確。在劃分網格時劃分的形式、單元格的形狀和大小都會對結果產生影響。為了避免網格劃分不當導致結果異常，在靜力學分析鉆頭時采用了自動分析的網格劃分方式，最終劃分出來的效果見圖3。

圖3 螺旋鉆頭有限元模型圖

再根據工況對螺旋鉆頭施加載荷。螺旋鉆頭主要受電推桿的推力、電機的扭轉力和工作時沙土的反作用力，且考慮到鉆頭可能遇到鉆到石塊等特殊情況，施加載荷時對這些載荷加以整合簡化，添加到螺旋鉆頭的最終載荷如圖4 所示。

圖4 螺旋鉆頭載荷分布圖

對螺旋鉆頭施加載荷后，經過ANASYS Workbench軟件的求解分析得出螺旋鉆頭受載時的位移云圖和應力云圖，如圖5 和圖6 所示。從圖中可以看出：最高位移點位于螺旋片外圈處，最高位移量為0.074 784 mm；極限應力位于螺旋片靠近中間軸處，極限應力值為80.788 MPa。因為螺旋鉆頭選定的材料是Q235 結構鋼，Q235結構鋼的屈服強度為235 MPa。為了確保螺旋鉆頭在鉆沙土時的安全性，鉆沙土時不會發生破壞或者失效，設置螺旋鉆頭的安全系數為1.5，設置安全系數后Q235 結構鋼的許用應力值[σ]為156.67 MPa。從上可以得出，螺旋鉆頭在工作時的極限應力值80.788 MPa 遠小于設置安全系數后得到的許用應力值156.67 MPa，故此螺旋鉆頭在鉆土時不會發生損壞或疲勞失效，符合設計要求。

圖5 螺旋鉆頭位移云圖

圖6 螺旋鉆頭應力云圖

2.2 車架分析

車架分析中的前期準備工作，例如定義材料、網格劃分、添加載荷等都與前述螺旋鉆頭分析一樣，效果如圖7、圖8 所示。再由模態分析得到車架前6 階的模態固有頻率并且得到與之相對應的振型，前6 階對應的振型位移云圖如圖9 所示，而對應的固有頻率如表2 所示。

圖7 車架有限元模型圖

圖8 車架載荷分布圖

圖9 車架前6 階振型位移云圖

表2 車架前6 階固有頻率

從圖9 和表2 可以看出：車架的前6 階固有頻率中1 階的固有頻率相對于其他幾階頻率較低，5、6 階頻率較高，總的來看車架的固有頻率集中在293～496 Hz。而植樹機的工作環境主要在沙漠中，且植樹機的移動速度不快，所以植樹機工作環境的激勵頻率通常在1～10 Hz 范圍內[8]，而車架的固有頻率遠高于此范圍，故車架在機械工作時不會發生共振破壞。

3 實物驗證

以植樹機初步方案及SolidWorks 軟件制作的植樹機三維模型為參照，制作出實物模型與有限元分析的結果進行對比來驗證方案是否合理，分析結果是否準確。將螺旋鉆頭、電機及電推桿組裝起來組成鉆坑機構實物（如圖10 所示），再將鉆坑機構等各個工作部件安裝固定在車架上組成植樹機整體實物(如圖11 所示)。最終實物驗證結果表明：鉆坑機構能夠順利工作，鉆出合適大小、深度的樹坑而不發生斷裂或疲勞破壞；車架也能夠支撐起各個工作部件，保證各個工作部件在工作時的相對位置且不發生疲勞損壞。實物測試的結果與模擬分析的結果是一致的，螺旋鉆頭和車架都達到了設計要求。

圖10 鉆坑機構實物圖

圖11 植樹機實物圖

4 結論

（1）螺旋鉆頭在受載情況下最高位移量為0.074 784 mm，極限應力值為80.788 MPa，最高位移量在可接受范圍以內，且應力值遠小于許用應力值[σ]，符合設計方案的要求。

（2）車架前6 階固有頻率為293～496 Hz，而植樹機工作環境的激勵頻率通常為1～10 Hz，車架的固有頻率遠高于此范圍，因此不會產生共振破壞。

（3）制作實物后驗證所得的結果與仿真分析所求結果一致，故植樹機整體結構符合設計方案的要求。本文為自動化智能植樹機的機械設計提供理論借鑒。