（机械制造及其自动化专业论文）小型振动式树木移植机设计与仿真.pdf

摘要 论文题目：小型振动式树木移植机设计与仿真 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：孙斌签名： 指导教师：肖继明教授签名： 摘要 m i i i i i i i ii i i i t l h l l l l l l l l l l l m i i i i 、t2 12 8 6 2 7 在城市建设中，一方面随着住宅区、公园、及公路两侧绿地的不断发展，要求所栽植 的树木能迅速成长，快速收到绿化效果；另一方面，城市的特定环境条件，如较差的土质 和日照，严重的大气污染等，都不利于小树的生长，因此只有径级较大的树木才能适应城 市绿化的要求。为提高成活率，必须带土球移植，而树木的带土移植在我国一直靠手工作 业，劳动强度大，作业安全性差，成活率也不高。树木移植机的出现将会在很大程度上改 变目前窘境，使用树木移植机可以提高生产率、减轻工人的劳动强度等。 本文结合一种新的小型振动式树木移植机的研究开发，首先确定了所设计树木移植机 的整体构成，重点对其液压系统、树铲机构及振动功能模块进行了设计；其次分析了树铲 的受力情况及影响因素；运用u g 软件建立了树铲机构各零部件的实体模型及装配模型， 并利用a d a m s 软件进行了相关仿真分析；此外，通过分析确定了适应土壤切削模拟的 m a t l 4 7 ( m a tf h w as o i l ) 的本构模型及参数取值，建立了树铲铲刀切削土壤的有限 元模型，进行了基于a n s y s l s d y n a 的树铲铲刀切削土壤的数值分析。 所设计小型树木移植机的主要结构由树铲机构、开闭机构、升降机构、液压传动系统、 振动控制模块、液压支腿等组成；运用a d a m s 对树铲机构进行运动仿真分析，结果表 明树铲机构的设计方案在结构上可行，各构件不会产生运动干涉，模拟了树铲机构的工作 过程；从理论上论证了液压振动铲的可行性，制定了振动铲的控制方案：设计由a t 8 9 c 5 1 单片机作为核心部件的控制原理图，设定振动频率为1 h z ，采用硬件计数与软件计数相结 合的方式，从而产生0 7 s 、o 3 s 的时间信号，并形成相关程序；基于l s d y n a 的树铲切 削土壤的三维动力学仿真，构建的树铲切削土壤有限元模型应用于树铲与土壤之间相互作 用研究是可行的，采用修正的d r u c k e r - p r a g e r 塑性模型作为土壤的有限元模型，适合于土 攘切削的数值仿真；有效地揭示了树铲铲刀切削土壤的工作过程，得出铲刀刀刃端面处受 到的等效应力最大。 关键词：小型树木移植机；振动铲；结构设计；仿真分析 西安理工大学硕士学位论文 i i a b s t r a c t t i t l e ：t h ed e s i g na n ds i m u l a t l o no fs m a l lv i b r a t i o n t y p e t r e et r a n s p l a n t e r m a j o r ：m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i z a t i o n n a m e ：s u nb i n s u p e r v i s o r ：p r o f x i a oj i m i n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：缸垦洫 s i g n a t u r e i nt h ec i t y sc o n s t r u c t i o n ，o nt h eo n eh a n d ，w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h e r e s i d e n t i a la r e a s ，p a r k sa n dg r e e ns p a c eo nb o t hs i d e so fr o a d s ，r e q u i r i n gt h ep l a n t i n go ft r e e s c a ng r o wr a p i d l y , q u i c k l yr e c e i v et h eg r e e n i n ge f f e c t 。o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec i t y ss p e c i f i c e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，s u c ha sp o o rs o i la n ds u n s h i n e ，s e r i o u sa i rp o l l u t i o n ，a r en o t c o n d u c i v et ot h eg r o w t ho ft r e e s s oo n l yt h el a r g e rd i a m e t e rt r e e st oa d a p tt ot h er e q u i r e m e n t s o fu r b a ng r e e n i n g i no r d e rt oi m p r o v et h es u r v i v a lr a t e ，m u s tt a k es o i lb a l lt r a n s p l a n t a t i o n b u t t r e e s 谢t l ls o i li no u rc o u n t r yh a sb e e nt r a n s p l a n t e db ym a n u a lo p e r a t i o n ，l a b o ri n t e n s i v e ， h o m e w o r kp o o rs a f e t y , t h es u r v i v a lr a t ei sn o th i g h t h ee m e r g e n c eo ft r e e st r a n s p l a n t e rw i l lb e l a r g e l yt oc h a n g et h ep r e s e n td i l e m m a t r e et r a n s p l a n t e rc a nb eu s et oi m p r o v ep r o d u c t i v i t y , r e d u c el a b o ri n t e n s i t y , e r e b a s e do nan e ws m a l lv i b r a t i o n t y p et r e e st r a n s p l a n tm a c h i n e sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t d e s i g n e dt od e t e r m i n et h eo v e r a l lc o m p o s i t i o no ft r e et r a n s p l a n t i n gm a c h i n e ，f i r s t l y e m p h a s i s o ni t s h y d r a u l i cs y s t e m ，t r e es p a d e sa n dv i b r a t i o nf u n c t i o nm o d u l eh a v eb e e nd e s i g n e d s e c o n d l y , t oa n a l y z et h ef o r c e sa c t i n go nt h et r e es p a d ea n di n f l u e n c ef a c t o r s t h eb o d yp a r t so f t r e es p a d e sa n da s s e m b l ym o d e la r ee s t a b l i s h e db yu gs o f t w a r e ，a l s oc a r r y i n go u tr e l a t e d s i m u l a t i o na n a l y s i sb ya d a m ss o f t w a r e i na d d i t i o n ，t h r o u g ha n a l y s i st od e t e r m i n em a t l 4 7 ( m a t _ f h w as o i l ) c o n s t i t u t i v em o d e la n dp a r a m e t e rv a l u e sw h i c hb ea d a p t e dc u t t i n gs o i l e s t a b l i s h e daf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft r e es p a d e sc u t t i n gt h es o i l t om a d en u m e r i c a la n a l y s i s a b o u tt r e es p a d e sc u t t i n gs o i lb ya n s y s l s d y n as o f t w a r e t h em a i ns t r u c t u r eo fs m a l lt r e et r a n s p l a n t e ri sm a d eo ft r e es p a d e s ，o p e n i n ga n dc l o s i n g m e c h a n i s m ，l i f t i n gm e c h a n i s m ，h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，v i b r a t i o n c o n t r o lm o d u l e ， h y d r a u l i cl e g s ，e t c t oe a r l yo u tt r e es p a d e s d y n a m i cs i m u l a t i o nb ya d a m ss o f t w a r e ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g ns c h e m eo ft r e es p a d e si nt h es t r u c t u r ei sf e a s i b l e ，e a c hc o m p o n e n t w o n tp r o d u c em o v e m e n ti n t e r f e r e n c e t os i m u l a t e dt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h et r e es p a d e s t h e o r e t i c a l l yp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo fh y d r a u l i cv i b r a t i o n - t y p es p a d e s ，f o r m u l a t e dc o n t r o l s c h e m eo ft h ev i b r a t i o n - t y p es p a d e s d e s i g nt h ec o n t r o ls c h e m a t i ci sm a d eo fa t 8 9 c 51 m i c r o c o n t r o l l e ra st h ec o r ec o m p o n e n t s t os e tt h ev i b r a t i o n 仔e q u e n c yf o r1h z ，u s eh a r d w a r e l 西安j e _ x 大学硕士学位论文 a n ds o f t w a r et e c h n o l o g yc o m b i n a t i o n ，t h u sp r o d u c e0 7s ，0 3st i m es i g n a l ，a n df o r m a t i o n r e l a t e d p r o c e d u r e s t oc a l t yo u t3 dd y n a m i cs i m u l a t i o no ft r e es p a d e sc u t t i n gs o i lb y l s - d y n a ，c o n s t r u c tf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft r e es p a d e sc u t t i n gs o i la p p l i e dt oi n t e r a c t i o n a b o u tb o t ht r e es p a d e sa n ds o i li sf e a s i b l e t oa d o p tt h em o d i f i e dd r u c k e r - p r a g e rp l a s t i c i t y m o d e la saf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h es o i l ，s u i t a b l ef o rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u ts o i l c u t t i n g ；e f f e c t i v e l yr e v e a l sw o r k i n gp r o c e s so ft h et r e es p a d e sc u t t i n gs o i l ，o b t a i n e de q u i v a l e n t s t r e s sw h i c hi nt h ef a c eo fk n i f ee d g ei st h el a r g e s t k e yw o r d s ：s m a l lt r e et r a n s p l a n t e r ；v i b r a t i n gs p a d e s ；s t r u c t u r ed e s i g n ；s i m u l a t i o na n a l y s i s i l 目录 目录 1 绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 树木移植机国内外的研究进展2 1 2 1 树木移植机国外现状2 1 2 2 树木移植机国内现状和发展趋势3 1 2 3 现有树木移植机存在的不足5 1 3 本文的主要研究内容5 2 树木移植机的总体方案设计7 2 1 树木移植机分类7 2 1 1u 形铲刀式树木移植机7 2 1 2 弯铲式树木移植机8 2 1 3 锹铲式树木移植机9 2 2 整体结构和相关参数的确定1 3 2 2 1 树木移植机的工作对象1 3 2 2 2 树木移植机的总体设计1 4 2 2 3 树木移植机的液压系统1 6 2 3 本章小结：18 3 树铲机构的运动学分析1 9 3 1 锹铲设计1 9 3 1 1 锹铲切土原理1 9 3 1 2 锹铲的结构设计2 0 3 1 3 锹铲的工作阻力2 4 3 1 4 树铲液压缸的选型2 7 3 2 锹铲式树铲机构的导轨和导轨支架2 8 3 2 1 导轨及树铲与导轨的配合2 8 3 2 2 导轨支架2 9 3 3 树铲机构的虚拟装配3 0 3 4 树铲机构运动仿真与分析3 1 3 4 1 动力学仿真环境选择3 1 3 4 2 树铲机构运动仿真分析3 2 3 5 本章小结3 4 4 振动功能的实现与控制3 5 4 1 液压振动铲的可行性分析3 5 西安理工大学硕士学位论文 4 2 树铲机构振动铲液压系统简介3 5 4 3 液压振动铲的控制方案及原理3 6 4 3 1 振动控制系统的硬件设计3 6 4 3 2 振动控制系统的软件设计3 9 4 4 电磁换向阀的工作特性4 2 4 5 本章小结4 2 5 树铲切削土壤的数值模拟4 3 5 1a n s y s l s d y n a 软件简介一4 3 5 2 数值模拟中采用土壤模型简介4 4 5 2 1 土壤的本构理论4 4 5 2 2 数值模拟中所采用的土壤本构模型4 4 5 2 3 土壤模型参数介绍及取值4 6 5 3 树铲切削土壤有限元模型的建立4 7 5 3 1 单元和材料参数设置4 7 5 3 2 切削模型的简化建立4 7 5 3 3 网格划分和接触参数设置4 8 5 3 3 约束和载入4 9 5 3 4 切削模型k 文件输出及关键字修改5 0 5 4 树铲切削土壤数值模拟结果分析5 0 5 4 1 切削过程分析51 5 4 2 铲刀匀速切削力分析。5 2 5 5 小结5 2 6 总结与展望5 4 6 1 主要成果与结论5 4 6 2 不足与建议5 5 致谢5 6 参考文献5 8 攻读硕士期间发表的论文及科研成果。6 0 附j 录6 ：1 第l 章绪论 量绪论 盖。羹研蠢背景与意义 树木移植逶根据鼷林规划的需要，将已选定的树木，从其生长擅移植到园林绿地的不 阂位鬣，增掬景观效应，如屠民区、风景区、公圆或街头圆林小晶等所需要麴移入；以及 当市政蘸设、道骆改造时，将陵造范鼷肉的珍贵树木移出，另择蝇种藕或暂时镰存【酣。这 些德搋群需将已戚的树木移植，为提高戚活率，必须带土球移植，这是一件劳动强度很大 的作业。 在我国，带土树木| l 勺移植工作邋常蠢人工完感，工人道过锹铲、镐头等简单工具将树 木从霆林或茁圆挖出来，在这期间需要羟过捆绑土球、超重机黼装带土树木、汽车运输、 挖坑、栽种等多道作业工序，工序繁琐，树木黝成活率低，特别是移植大树时容爨出现安 全羼卷患，工人的劳动强度大，对于当今社会劳动力成本的攫离，徽不戈| j 算的黼。在这垦需 要强调的是，到圈前为止，虽然我震大力提倡植树造林、懑耕还林，据有关部门统计，我 霹每年的造林速度是世界上最快的，我国的入工林面积也已位届世羿第一。但是多年来我 圆遴蒋的撵木藏活率滞不舞，对于扩大森栋资源、改善生态环境和缓解中圆木材供需矛盾 这露标趋实现还存在差距。掇本原因，一方面是遴撩瀚茁木比较小，植树后没有及时管 理，甚至擞本没有涯专人对其避行管理维护，在环壤恶劣驰沙漠或是荒山中更不容荔成活； 另一方面则是没有合适的营造棒机槭，楼槽造林作业绝大程度上由人工来完成，这些都严 重影穗了造林的发展。最近，“大林业专家樵继提出了搬多有关提高植树造林成活率，掬速 绿化建设的提议，其中有条很重耍，就是尽可能地采阙繁土移穗腩蒲木。而树木移檀机 却正好熊适应这种作业褊需求。近些年阉外使篇树木移植机的实践也已经诠释应雳树木移 德枫在蘸出、林菊等地进行带士树术的移辍，对提商造林质量效果显著，不仅耩木的成活 率高，而陵管纛维护也相对篱单，造棒的成林速鹰快，赞矧低，是一4 种稷好躺造林机槭1 3 l 。 瓣木移植飙( t r e et r a n s p l a n t e r ) ，又名树铲( t r e es p a d e s ) ，是用于树木带土秽寺童 於机械。它可以次性完成挖栽植坑、起撼带土树木、运输、栽种等全部( 戴部分) 作业。 阗内和鏖外的大量试验和实际应篇韶裹礁，使用树木移植机主纂有如下优点； ，q ) 采用机械化移栽作业，可摄离工效s 巧倍以上，丽赞硐可降低5 0 以上，提高 了经济簸益，瓣木径级越大擞檗越显藩； ( 塞) 移植的树木，穰少出魏死亡的情况，成活率几乎可达1 0 0 ； ( 3 ) 艇长树木移植熬作业季节，。年辩任何时期都麓进行移植，夏天蔫季和秋季移 植时成活率也徽高鸭 ( 4 ) 在恶劣躺蓖质条件，含石块、瓦砾躺土壤环境下也能作业； ( 5 ) 大大撼轻工人的劳动强度，并显著增加工人的安全保护程度。在城市，瓣木移 植瓿无论对道路两旁以及居民区的绿化，还是对公园等地躺建谖都很适应，并能充分发挥 其优越性。此外，在蘸瓣的苗木培育中，带土移植苗木熊作业繁重，工作量大，甄需要树 西安理工大学硕士学位论文 木移植机发挥其机械化作业的优越性。 总而言之，对于我国城乡和整个国家的植树造林事业，树木移植机都起着不言而喻的 重要作用，是应该大力发展的。 1 2 树木移植机国内外的研究进展 1 2 1 树木移植机国外现状 树木移植机于二十世纪六十年代首次出现在美国，它是一种新的植树机械。在美国、 日本、德国等国发展比较迅速。刚开始，它只在城市的园林部门使用，主要用以移植胸径 较大的树木；到了七十年代后期，它的使用范围又迅速扩展到了林场、苗圃、果园，用于 一般带土苗木的移植。按照配用动力的种类，树木移植机可分为自行式、牵引式和悬挂式 三类，美国、德国等国大量发展的都为自行式树木移植机，它主要由车辆底盘和工作装置 两大部分构成。这些国家已生产了数十种型号的树木移植机，有些已成系列，使其适用于 不同地面条件和工作环境的需要。 其中国外最具有代表性的是美国生产的大约翰( b i gj o h n ) 树木移植机【5 1 ，如图1 1 所 示。北京市园林局于1 9 7 9 年购买了一台美国大约翰树木移植机，绿化二大队通过近两年来 的使用实践表明，它具有移植效率高、费用成本低、树木容易成活等一系列优点。这种树 木移植机自此便引起了我国园林、林业、园艺等部门的广泛注意和兴趣。 图1 - 1 b i g j o h n 树木移植机 f i g 1 1b i gj o h nt r e et r a n s p l a n t e r 大约翰树木移植机是以万国( i n t e r n a t i o n a l ) 载重汽车作为底盘，它直接把货车箱去 掉了，移植树木的工作装置直接安装在汽车后部的大梁上。但是由于它的体积、重量都很 大，它因此只能在空旷地区使用，遇到不能开过去的地方就无法使用。 日本洋马公司生产的y m d - 5 0 型树木移植机【6 】，如图1 2 所示。其工作装置设置在小型 拖拉机前方，由液压马达通过减速装置带动切土部件转动，切入土壤完成树木挖掘工作。 此树木移植机功率为6 3 4k w ，挖掘土球直径5 0 0m m ，正常条件下挖掘一棵树，仅仅需要 1m i n 。该机外形尺寸小、结构紧凑、挖掘速度快，适合在林地中选择挖掘带土苗木。 第1 章绪论 图1 - 2y m d 一5 0 型树木移栽机 f i g 1 - 2 y m d 一5 0t r e et r a n s p l a n t e r 意大利研制的好马克( h o l m a c ) 树木移植机【7 】，如图1 3 所示。2 0 0 8 年在北京小汤 山苗圃进行了挖掘树木表演，该机在3m i i l 内就将一棵树龄1 8 年、树高6m 、地径0 2 2m 的 桧柏从苗圃地里挖出。目前，好马克专业移树机有三种型号，树根土球直径可在0 2 5 - 1 4 0 m 范围内操作。根据被移植的树木的生长密度、地形等条件及对树根部土球的尺寸要求， 选择不同型号的移树机和刀具，就能高效、省力、高质量地完成大批量挖掘移植树木的工 作。 图1 - 3 好马克树木移栽机 图1 - 4o p t i m a l 树木移栽机 f i g 1 3 h o l m a c ot r e et r a n s p l a n t e r f i g 1 - 4 o p t i m a lt r e et r a n s p l a n t e r 德国生产的o p t i m a l 树木移植机【8 】，如图1 4 所示。其工作装置安装在轮式拖拉机的 前部，其结构类似前置式装载机，挖树铲代替了铲取物料的铲斗。 1 2 2 树木移植机国内现状和发展趋势 国内用于树木移植的机械目前还处于研究开发阶段，主要机型有湖南林业工业研究所 气 西安理工大学硕士学位论文 白行研制的2 q t - 5 0 型树木移植机、杭州园林机械厂生产的2 z s 一1 5 0 型树木移植机以及江 苏大学与徐州丰县果蔬特种机械厂联合研制的4 y s 6 0 0 型树木移植机等。 2 q t - 5 0 树木移植机是二十世纪九十年代由湖南林业工业研究所自行研制【9 1 ，在当时 是国内唯一一种弧形三铲式全液压驱动带土起苗机械，如图1 5 所示。该机以通用的f c l 型前翻斗车作为底盘，不仅可以移植地径8 0m m 以下的苗木，还能挖坑和栽植苗木。 图1 - 52 q t - 5 0 型树木移植机 图1 - 64 y s - 6 0 0 型树木移植机 f i g 1 52 q t - 5 0t r e et r a n s p l a n t e rf i g 1 6 4 y s 一6 0 0t r e et r a n s p l a n t e r 4 y s 一6 0 0 型树木移植机是一种新型的中小型树木移植机，主要用于城市园林部门、果 园、林场等处，挖土球直径6 0 0 m l n ，移植树木径级9 0 15 0 i n m 【lo 】，如图1 - 6 所示。它采 用通用装载机( 或拖拉机) 作为母机，充分利用原有的动力，可大大降低成本。具有较高 程度作业自动化，减少操作人员数量及劳动强度。易于控制开挖深度、土球直径，做到“挖 最少的土、保留最多的根系”，减少手工移植过程对树木的损伤，提高树木成活率；整台 移植机械依据苗圃特点设计，小巧灵活，解决苗圃中、小型树木选择性移植的难题。 2 z s 1 5 0 型树木移植机是杭州园林机械厂生产的车载四铲式树木移植机，该机与大约 翰树木移植机结构相似。树木移植机工作装置通过专门机架固定于汽车后部。运输时工作 装置平放在汽车底板上，工作时直立于车尾部。该机可完成挖掘、起吊、搬运、栽植等多 道工序作业，效率高，特别适合于城市道路、庭院及绿地移植大中型树木，树根土球直径 达1 3 0 0 1 5 0 0m i l l ，土球深度1 0 0 0 1 0 5 0m n 。 目前欧美国家发展的基本上都为自行式树木移植机，根据我国的具体国情和特点，我 们究竟该发展什么类型的树木移植机呢? 树木移植机越先进，不一定就适合我国的园林部 门和普通老百姓使用。它既要能满足当前生产的需要，又要考虑现实的可能性，还要考虑 到将来的发展。根据北京林业大学等部门的初步调查，目前上海、北京、西安等地城市园 林部门带土移植的树木径级都比较大，主要以胸径8 0 1 2 0r n l t l 左右的树木居多，很少有 超过2 0 0i n i 1 的树木。苗圃、果园、橡胶园主要以移植大苗居多，树木径级比城市园林部 4 第1 章绪论 门要小，基本上为5 0 - - - 6 0m n l 左右的苗木，1 0 0i i l t i 左右的已比较少，2 0 - - 3 0n l l l l 以下的苗 木移植数量虽然比较大，但由于人工移植不太费力，树木移植机的使用需求不是太强烈， 费用成本上也不一定划算。 针对上述情况，北京林业大学等研究部门通过多种方案的设计比较，他们认为在我国 目前主要发展三种型号的树木移植机，分别是可以移植土球直径1 6 0 01 1 1 1 的大型机，1 0 0 0 删m 的中型机和6 0 0n l m 左右的小型机。 大型机主要供城市园林部门使用，它可以移植树木径级1 6 0 - 2 0 0m m 以下的树木。为 了适应城市交通的要求和地形条件较好的特点，可以选择将载重汽车作为车辆底盘。因为 它可以与移植树木的工作装置相互匹配，经济性较好，功率利用系数较高，工作装置安置 在汽车底盘上也比较容易。 中型机不但可以供城市园林部门需要，而且也适合苗圃、橡胶园、果园等地的使用需 求。它主要用于移植径级1 0 0 - 1 2 0l l l l 1 以下的树木，是用途很广的一种机型。 小型机主要用于苗圃、果园、橡胶园、林场移植径级6 0 8 0i l r n 左右的大苗。 1 2 3 现有树木移植机存在的不足 现在市场上出现的各种类型树木移植机都有些少许缺憾：有的是因为价格昂贵，对于 国内城市园林部门和苗圃、果园、橡胶园、普通农民来说，是不能负担的起，像日本洋马 公司的y m 一6 0 r 型树木移栽机，售价1 6 万元人民币，超过中国园林部门和普通农民的购 买能力，不适合中国国情【l l 】；欧美等国的林木移栽机械主要针对大型树木，且价格昂贵； 还有一部分是因为树木移植机的工作性能不能满足城市园林等部门的要求。像美国生产的 大约翰树木移植机，由于它的体积、重量都很大，因此它只能在空旷地区使用，遇到不能 开过去的地方就无法使用；弯铲式树木移植机只适合在土壤疏松，深厚的地方挖小树，且 需要起重设备及运输工具帮助装运；而u 型铲刀式树木移植机作业时，首先必须借助辅 助机具在离目的树木一定尺寸处开出一条定位坑，然后拖拉机将工作部件降至沟底等等。 而这些不足都将削弱树木移植机在我国城乡和整个国家绿化事业中的重要作用。 1 3 本文的主要研究内容 本课题针对树木移植的实际需求，经查阅大量资料和方案论证，开展小型振动式树木 移植机的总体机构和振动功能设计，并借助a d a m s 和a n s y s l s d y n a 软件对相关机 构进行仿真模拟。主要研究内容如下： ( 1 ) 提出小型振动式树木移植机的整体结构 根据园林技术要求，确定树木移植机移植的工作对象。通过对大约翰、2 q t 一5 0 型及 2 z s 1 5 0 型等树木移植机的整体结构分析和功能分析，提出所设计树木移植机的主要结 构，并设计了液压传动系统。 ( 2 ) 树铲机构的设计成型及其与土壤切削过程中运动学分析 通过分析确定树铲机构的关键参数取值，利用u g 软件建立树铲机构( 菱形铲式和匙 西安理工大学硕士学位论文 形铲式) 虚拟装配模型，并交由a d a m s 进行运动仿真分析，在运动仿真过程中观察树 铲机构的各部件相互之间是否会发生干涉，为所设计树铲机构的可行提供依据。 ( 3 ) 建立树铲机构液压振动铲的控制方案 将树铲液压缸作为树铲振动插入的激振组件，通过控制电磁换向阀两端电磁铁的通电 时间，从而控制树铲液压缸往复运动的位移及换向频率。以单片机a t 8 9 c 5 1 作为核心部 件设计三极管驱动电磁换向阀电磁铁的控制电路，完成程序设计。 ( 4 ) 树铲切削土壤的数值模拟 采用a n s y s l s d y n a 软件来进行树铲切削土壤的数值模拟：确定土壤材料的本构 模型及参数取值，建立树铲铲刀切削土壤有限元模型，交由l s d y n a 求解器进行求解。 得出其土壤破坏的过程，分析铲刀力学特性等。 根据以上的研究内容，制定本文的研究技术路线如图1 7 所示。 6 否 小型振动式树木移植 机的仿真分析 确定树木种类 确定土球规格 。_ _ - _ _ 。_ _ - _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ - _ 一 圭 确定树木移植机 整体结构 确定树铲机构关键jj 设计液压系统 参数取值 l 广一 么西a m s 对其进 行仿真分析，结 构合理? 苎圭 基于a n s y s l s - d y n a 开展树铲切削土壤的数值模拟 运用单片机进行 控制模块设计 图1 - 7 技术路线 f i g 1 - 7 t e c h n i c a lr o u t eo f t h es t u d y 第2 章树木移植机的总体方案设计 2 树木移植机的总体方案设计 本部分主要是根据林业技术规定的设计参数要求，针对市场上现有树木移植机出现的 诸多不足，并依据我国发展树木移植机的趋势，进行了一种新的小型振动式树木移植机的 设计。 2 1 树木移植机分类 树木移植机根据所用工作部件的形式可分为链刀式和铲刀式两大类。链刀式树木移植 机是利用拖拉机动力输出轴通过传动装置带动链刀，刨切树木根部四周一定距离的土壤， 使之形成一个带根的土球；铲刀式树木移植机则是利用各种铲式工作部件切入根部，挖掘 带根的树木【1 2 1 。由于链刀式树木移植机只适合挖掘树木径级较小的树木，并且它的应用 场合范围有局限性，没有铲刀式树木移植机的适用范围广，故这里只展开介绍铲刀式树木 移植机。 2 1 1u 形铲刀式树木移植机一 a 结构 ( a ) 工作状态 ( b ) 运输状态 l 啦拉机：2 _ 支架；3 - 双臂杠杆；4 - u 形铲刀；承装箱；“支承板；7 - 限位板； 8 - 连接架；p 支承板液压缸；1 蝴l 向进给液压缸；1 l n 型机架。 图2 iu 形铲刀式树木移植机 f i g 2 1 u - b l a d et r e et r a n s p l a n t e r 这种移植机由悬挂机构、挖掘装置和液压缸、支撑板和液压缸、双臂杠杆、滑脚和液 压缸、机架、起重架等组成，如图2 1 所示。移植机用半悬挂方式与功率为5 6 k w 的履带 拖拉机连接。连接架前端与拖拉机机架纵梁铰接，连接架后部与兀型架相接，并通过吊 7 西安理工大学硕士学位论文 杆与提升杠杆连接，提升杠杆由拖拉机的动力液压缸操纵。 移植机的工作部件是一个可水平移动的u 形铲刀，u 形铲刀有两把侧刀和一把底刀 组成。u 形铲刀后部装有可替换的承装箱，承装箱靠在限位板上。u 形铲刀在机架的轨道 中滑动，一个双向液压缸完成推动u 形铲刀的任务。u 形刀在铲切树根和根部土团时产 生很大的反作用力，为了使机器保持平衡，实现有效挖掘，该机设有支撑板。在开始工作 之先需用其它机具切出定位坑，当机器置入该坑以后，由支撑板控制液压缸拉支撑板双臂 杠杆一端，支撑板即压紧在坑壁上，以建立一个可靠地支撑点。 该机在作短距离运输时需要放下滑脚，而在工作时滑脚又要收起。滑脚装在双臂杠杆 一端，另一端与液压缸的活塞杆相接，利用此双向液压缸的动力可以实现滑脚的升降。在 机架上安装有支架，它可在液压缸的作用下起吊挖出的小树。 b 工作过程 首先利用辅助机具在离目的树木一定尺寸外开出一条定位坑，然后拖拉机将工作部件 降至沟底。双臂杠杆将滑脚收至与机架平行位置，限位支板液压缸活塞杆收缩，支板杠杆 转动，使支板压紧在坑壁上。u 形铲刀动力液压缸推动铲刀切削树根周围的土壤，并将带 土球的树装入箱内。在完成了铲切动作以后，拖拉机一面前进，一面提升下悬挂架。当滑 脚到达坑边缘时，滑脚液压缸推动双臂杠杆使滑脚与地面接触，将u 形铲刀和装有树的 箱子从坑内抬出。用支架将挖出的树装在运输设备上运至定植点。 2 1 2 弯铲式树木移植机 a 结构 1 一横梁；扣转铲液压缸；3 一动臂；4 _ 动臂液压缸； 支臂；6 - - 铲) 3 。 图2 - 2 弯铲式树木移植机 f i g 2 - 2 c u r v e db l a d et r e et r a n s p l a n t e r 这种树木移植机安装在轮式拖拉机的前部，它由横梁、动臂及动臂液压缸、挖树铲及 铲液压缸和支臂构成，其结构类似前置式装载机，挖树铲代替了铲取物料的铲斗，如图 第2 章树木移植机的总体方案设计 2 2 所示。左右两个动臂与转铲液压缸支架及支臂、横梁焊合成为一个结构件。动臂一端 铰接于车架的支轴上，中部与动臂液压缸的活塞杆相接，动臂液压缸的缸筒与车架铰接。 挖树铲为弯铲，它由两个侧板及与地面成一定角度的底板构成，底板的前部开有刃口。 铲的下部后方安有铰轴，用它与支臂连接。两侧板均有加强肋板，以增加机构件刚度。两 侧板上部加宽构成箱形断面，并开有销轴孔，以便安装与转铲液压缸活塞杆相接的销轴， 转铲液压缸的缸筒铰装于动臂前端的支架上【l3 1 。 b 工作过程 动臂液压缸将动臂下降到一定高度，同时铲液压缸活塞杆伸长使铲刀底部与地面成一 定角度，拖拉机前进，利用拖拉机的推力将铲刀切入树根底部，接着铲液压缸活塞杆收缩， 铲刀即绕支臂下端的支轴转动，松动或抬起土团，此时动臂也可配合动作，帮助挖掘。若 在一侧不能将根部土团挖出，可在对面重复上述过程。 这种移植机只适合在土壤疏松、深厚的地方挖小树，且需要起重设备及运输工具帮助 装运。 一 2 1 3 锹铲式树木移植机 利用锹铲插入土中挖取树木的移植机，已在园林生产中得到较为普遍的应用。大约翰、 2 z s 1 5 0 型、2 q t - 5 0 型树木移植机都属于锹铲式树木移植机。 a 大约翰树木移植机 l 一树铲；2 - 铲轨；3 一升降机构；4 _ 倾斜机构；5 - 水箱；6 - 车辆底盘；7 一液压操纵阀； 8 一液压支腿；9 - 框型底架；l 肛开闭液压缸；l1 - 调平垫；】2 一锁紧装置。 图2 - 3大约翰树木移植机结构简图 f i g 2 3 g e n e r a ls t r u c t u r eo fb i gj o h n 大约翰树木移植机主要工作装置包括纵向倾斜机构、升降机构、树铲机构和液压支腿 西安理工大学硕士学位论文 四部分，如图2 3 所示。 倾斜机构主要由倾斜液压缸组成，其作用是使提升到一定高度的树铲机构连同树木倾 倒一定角度，靠放在底盘车架上，以便于运输。 升降机构由门架、导轨和升降液压缸组成，其作用是使树铲机构整体能沿门架的导轨 升降，即在起树前把树铲机构放下，待树铲机构把被移植树木围在框架中央，锁紧框架， 待树铲全部处于最底位置时，升降机构将带土球树木和树铲机构一起向上提升，完成树木 起吊动作。 树铲机构由树铲、树铲液压缸、铲轨以及框型底架和底架的开闭机构、锁紧机构、开 闭液压缸等组成。该树木移植机树铲机构的底架是一个八角形框架，四根铲轨对称直立在 底架上，相应树铲安置在各自的铲轨上。树铲液压缸置于铲轨与树铲之间。在铲液压缸的 作用下，树铲可沿铲轨作弧形运动，以实现树铲的挖掘运动，如图2 4 、图2 - 5 所示。大 约翰树木移植机的四把树铲和对应铲轨形状均为曲面，当它们全部下到底时，树铲机构正 好能包容一个曲面圆锥体土球。框形底架有两个边是活动的，在开闭液压缸的作用下可以 开闭，以便在在起树前能让树木进入到八角框架里面。在底架的内部安装有两个调平垫， 它们分别由两个液压缸控制，当树铲机构下降到地面时，调节这两个调平垫，使树铲机构 的对称中心线与树干基本保持一致。除此以外，调平垫还能压住土球和调节土球规格。 l 一铲轨；2 一树铲；3 一树铲液压缸；4 _ 框型底架。 图2 - 4 树铲机构工作原理图 f i g 2 4 t h ei l l u s t r a t i v ed i a g r a mo f t r e e s p a d e