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内容简介：

小型枣树移栽机铲斗组件的仿真分析（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）摘要: 本设计的小型枣树移栽机，用于挖掘直径在2-6cm的较小树木，挖掘土球直径为50cm，土球高度为60cm。关键词：小型枣树移栽机；铲斗组件；安全系数；仿真；等量应力变化中图分类号： 文献标识码：ASmall jujube tree transplanting machines bucket assembly simulation analysisChangYinPeng(Mechanical Electrical Engineering College of Tarim University, Xinjiang Alar 843300)Abstract : The design of small jujube transplanting machine, used for mining2-6cm in diameter, smaller trees, digging soil ball diameter is 50cm, height 60cm soil ball.Keywords: Small jujube tree transplanting machines Blade assembly Bucket assembly Blade wall Hydraulic cylinderCLC: Document Code: A1.引言随着经济和科学技术的发展，加强科学技术的投入和技术创新。加大宣传力度，提高农民的积极性。同时要使栽植的稳定性和栽植速度大大提高，降低生产成本和劳动强度。我国在移栽机研制过程中，农机与农艺明显脱节，需要进一步完善与育苗设施及相应的配套技术。在引进基础上要克服不足，尽量设计出适合经济作物的移栽机，加强自动喂苗栽植器1的研究，增加检测与传感装置，适时地控制栽植过程。力求达到预期的栽植效果。同时还要加强自动提苗机构的设计，应将通用移栽机2与专用移栽机相结合，增强移栽机的环境适应性，提高其通用性。枣树在栽植过程中都是沿用传统的人工栽植的方法，传统栽植法劳动力大、强度大，机器的机动性、适应性低，能耗高、效率较低等问题。要实现由传统栽植技术向现代栽植技术的转变。需因地制宜，大力发展枣树栽植机械化3。为了充分利用资源减少自然灾害，争取高产，机械化移栽是有效途径。这样可以解决人工栽植过程中的栽植劳动强度大，所需劳动力较多，产品粗大笨重，成本高、效率低，质量难以保证的问题。现代设计方法不仅要考虑机械静强度，而且还要考虑机械的动态性，这样才能提高机械设备的性能和效率。随着移栽技术的作用日益突出，降低了农民的劳动强度、提高工作效率，机械移栽的行距、株距和深度保持一致，质量稳定可靠，为枣树种植的规模化提高了前提，为生态作业打下了良好的基础。生态果业机械化发展已经步入新的历史起点4，生态果业机械化作为发展现代化农业的主要内和主要标志，适合地区生产需要的栽植机植种类较少、单一，科技含量不高，不能满足果业生产发展的要求。人工移栽劳动强度大，需劳动力多，效率低，严重影响了经济作物的发展，不能较快地推进种植果林业的发展。新型的栽植机的改造和设计提高了机具的性能和效率5，并为其他的林业与木工机械动态设计开辟新的道路，使得我国的机械赶得上时代并达到世界的水平，这对于提高我国植树造林机械化的进程有巨大的推动作用，同时对于我国林业的经济效益和生态效益具有重大意义。也对枣果业的发展具有重要的现实意义。2.结构原理和工作过程本实用新型涉及一种液压小型枣树移栽机，属于园林机械技术领域。此小型树木移栽机由提升架滑道、 提升架液压缸、提升架、铲斗组件滑道、铲斗组件和铲斗滑块等部件组成 ，挖树的动作是由各组件配合完成，铲斗组件用来铲断树木的侧根并使根球与周围土壤分离机架刚性固定在配套拖拉机或其他动力机械上；提升架由1个提升油缸来驱动，铲斗组件由两铲斗液压缸驱动铲斗组件的开合由开合盖板驱动大致工作作流程如下：驾驶林木移栽机靠近要移栽的树木，在快接近的时候停下，驾驶枣树移栽机使被移栽树木木处于铲斗组什中间位置，合上开合盖板，使铲斗组件闭合包围枣树，铲斗组件在铲斗组件液压缸作用下压下切断树木的根部，打开提升油缸把所挖树木提升上来，完成枣树的挖掘工作。本设计结构简单、操作简便、机动灵活、作业效率高，适用于苗圃、林场、园林等场所的树坑挖掘、小型树木带土起挖移栽、短距离树木运输。其总体结构示意图如下图所示：1铲斗 2架子一侧 3六角厚螺母 4特大垫圈 5闭合盖板 6六角厚螺母 7拉杆垫圈 8机架滑轨 9提升架曲柄 10提升架液压刚 11机架 12摇杆 13拉杆14提升架 15铲斗液压缸桶套 16六角头螺栓图1 小型枣树移栽机总体结构示意图枣树移栽机的挖掘主要靠铲斗组件，铲斗组件的作用是在挖掘工作时切断树木的根部，保证挖掘的顺利进行。从受力分析的角度看铲斗组件受到的载荷也较大，而且铲斗组件的空间位置随时间不断变化。所以铲斗组件的性能直接影响枣树移栽机的寿命和作业性能，必须合理的设计铲斗组件的结构，提高刚度，使应力分布合理，尽量达到结构的最优化。随着有限元技术和通用有限元软件的发展，利用CAE技术对零件的结构进行工程数值模拟，结构优化仿真等有限元分析逐渐成为结构设计的有效工具。3.铲斗组件有限元模型的建立3.1铲斗组件的受力分析铲斗组件安装在架子一侧的滑块外生杆上并与铲斗液压缸活塞杆刚性的焊接在一起，由于移栽机铲斗液压缸活塞杆在工作过程中启动瞬间是匀速运动的，所以所受内力与外力是相互平衡的，可以用静力学代替动力学分析。铲斗组件所受的驱动力只有铲斗组件液压缸对它的正压力，同时受到土壤对铲斗顶部的作用力，土壤对铲斗组件的腹部压力及铲斗组件与土壤的摩擦力，在分析时我们可以抓主忽次，可以忽略土壤的摩擦力的作用。3.2铲斗组件的有限元建模首先，用solidworks2010进行铲斗组件的三维实体造型，然后用Solidworks SimulationXpress6模块对铲斗组件进行网格划分，图3为划分网格后，施加力和约束的有限元模型，在solidworks中对实体模型进行网络划分后共有15884个节点，7736个单元数。图3 铲斗组件网络划分4.铲斗组件仿真方案与结果分析4.1方案汇总方案一假设原始建模铲斗组件上的每个面都受到铲斗液压缸的最大理论推力20100N，土壤对铲斗的压强为 2 0000N/方案二假设原始建模铲斗组件上的每个面都受到均布载荷，即三个面分别收到的力均为20100/3=6700N,土壤对铲斗的压强为20000N /方案三对铲斗模型进行改变，改变铲斗模型的支撑厚度，在每个面上添加铲斗液压缸的最大理论推力，土壤对铲斗的压强为 20000N/方案四在案例三的模型上对铲斗组件上的每个面施加均布载荷，即三个面分别收到的力均为20100/3=6700N,土壤对铲斗的压强为20000N /方案五综合分析案例一至案例四，对模型再次更改，对原始模型在支撑部位增加厚度同时对支撑边缘添加圆角。4.2结果分析方案一结果分析：针对方案一假设每个施加力的面都是施加最大理论力值可以得出如下结果： （1）Stress（-vonMises-）等量应力变化情况虽然大部分应力变化比较小，但是铲斗组件连接点附近的等量应力变化较大，存在不稳定因素；（2）铲斗组件的底部的Displacement变化幅度太大，其中部至上不过度的安全颜色趋于零，处于危险状态；（3）Deformation中部位移变化较大，没有达到理想的变形要求；（4）Factor of Safety安全系数大部分呈现蓝色，符合要求，但是支撑部位出现红色的安全警告因此极易断裂，因此还需要对此进行改进。 方案二结果分析：在方案一的基础上建立方案二，假设每个施加力的面都是施加最大理论力值的平均值可以得出如下结果：（1）Stress（-vonMises-）等量应力变化情况虽然大部分应力变化比方案一要低，但是仍然存在不稳定因素；（2）铲斗组件的上部边缘的Displacement变化幅度太大趋于红色最大值；（3）Deformation中部位移变化较大，没有达到理想的变形要求；（4）Factor of Safety安全系数全部呈现蓝色，符合要求。因此还需要对此方案进行改进，对模型进行改进。方案三结果分析：方案三是在方案二的基础上对铲斗模型进行改变，改变铲斗模型的支撑厚度，然后在每个面上施加最大理论力值可以得出如下结果：（1）Stress（-vonMises-）等量应力变化情况明显比方案一小的多，但比方案二要稍大；（2）铲斗组件的底部的Displacement变化幅度太大，其中部至上不过度的安全颜色趋于零，处于危险状态；（3）Deformation中部位移变化较小，近乎达到理想的变形要求；（4）Factor of Safety安全系数大部分呈现蓝色，符合要求，但是支撑部位出现红色的安全警告因此极易断裂所以还需要改进。方案四结果分析：在方案三的基础上建立方案四，每个施加力的面都是施加最大理论力值的平均值可以得出如下结果： （1） Stress（-vonMises-）等量应力变化情况明显的比前三个方案变化程度小，因此方案四的等量应力变化情况是趋于合理的；（2）铲斗组件的上部的Displacement变化幅度稍有些大，其中部至上部过度的安全颜色逐渐增加，危险状态明显减少；（3）Deformation中部位移变化较大，没有达到理想的变形要求；（4）Factor of Safety安全系数全部呈现蓝色，符合要求。接着在分别分析方案一至方案四的和位移及位移变化情况，可以得出以下结论，在方案一中铲斗组件顶部位移变化很大；在方案二中铲斗组件顶部位移变化达到要求，但是侧部位移存在隐患；在方案三中铲斗组件顶部位移达到要求，但支撑处部分位移存在潜在隐患；在方案四中铲斗组件顶部位移和侧部位移均达到要求。然后再分别分析方案一至方案四的安全系数变化情况，在方案一中安全系数大部分是合格的，支撑部位附近的安全因数是小于1的，因此支撑部位是不合格的；在方案二中安全系数均是大于等于1的，因此是合格的；在方案三中安全系数大部分是合格的，支撑部位附近的安全因数是小于1的，因此支撑部位是不合格的；在方案四中安全系数均是大于等于1的，因此安全系数变化符合要求的。综合比较可知方案四的Stress（-vonMises-）等量应力变化情况、合位移、位移、及安全系数的变化相对于前三个方案是最优的，但是其Stress（-vonMises-）等量应力变化情况任然存在不稳定因素，因此还需要对方案四进行优化。 方案五结果分析：再对铲斗组件进行建模，对原始模型在支撑部位增加厚度同时对支撑边缘添加圆角后再次进行分析，最后得出其Stress（-vonMises-）等量应力完全达到要求，其合位移、位移、及安全系数的变化也相当合理，因此方案五是最优的。5结论1）用有限元分析方法变连续结构为离散结构，代替了传统的理论分析方法，节省了大量的计算时间，并提高了计算的准确性、科学性和可靠性，缩短了设计周期。2）根据有限元应力分析、位移分析、合位移分析及安全系数分析对铲斗组件进行改进设计，使铲斗组件的应力分布更趋于合理符合作业工况的要求。6.参考文献1胡军,封俊,曾爱军.大葱移栽机的发展现状与移栽