挖树铲的结构设计与有限元分析

赵德金，郭艳玲，李志鹏

(1.东北林业大学机电工程学院，哈尔滨150040;2.延边大学工学院，吉林省延吉133002;3.东北林业大学交通学院，哈尔滨150040)

目前，利用挖树机实施城市绿化、是保证城市的生态，加速城市乡镇绿化建设最有利的工具，挖树铲是挖树机的重要工作部件，挖树铲在含有碎石、树根、杂草以及其根茎的土壤中作业，所受的工作阻力较大，对挖树铲的刚度和抗磨损能力要求很高，目前常用的挖树铲按照结构和入土形式可分为U形铲、弧形铲和直铲，直铲按形状又分为V字形铲和曲面铲等［1－3］。本文主要对直铲进行设计和有限元分析。

挖树铲在挖树过程中所受的阻力计算很复杂，采用传统的计算方法很难计算，主要受树木周围的土壤的实际情况影响很大，对于直铲而言，挖树阻力主要是挖树铲与土壤的切削阻力、挖树铲与土壤摩擦阻力、挖树铲与树木根茎以及草根的切断阻力，再就是对于含有碎石的土壤的碎石对挖掘铲所产生的阻力等，挖树铲受到阻力后，发生变形以及应力分布的情况，采用传统的方法也很难确定，一般采用分组实验确定经验公式，并且计算结果主要适用于实验所采用的土壤条件，一般可计算出挖树铲的受力情况，对于挖树铲的应力分布及变形仍然不明确。对于这种情况，本文采用有限元软件对挖树铲进行静力学分析来解决挖树铲在工作过程中应力分布及变形情况［4－7］。

1 建立挖树铲模型与有限元静力学分析

挖树铲是树木移植机的主要工作部件之一，其结构应该简单，制造方便，应经可能保留树木的根茎，从而保证被移植树木的成活率，直铲具有结构简单，容易制造的特点，在国内外树木移植机械中已经得到了广泛的应用。

图1 曲面铲和V字形铲结构图Fig.1 The structure of surface spade and V-shaped spade

1.1 挖树铲的设计

利用PTC Creo软件建立挖树直铲三维实体模型如图1所示。根据树木移植机的设计要求确定铲的结构尺寸，利用PTC Creo的曲面功能设计曲面，然后利用曲面加厚功能生成挖树铲实体模型。然后保存为IGES格式，用于Ansys Workbench进行有限元分析。

1.2 挖树铲的网格划分

在进行有限元分析之前，首先将挖树铲的IGES模型读入Ansys Workbench系统中，如图2所示。在进行网格划分之前，首先定义材料属性。

图2 Ansys中挖树铲模型Fig.2 The IGES model of the tree spade in Ansys Workbench

材料与属性:采用Q235碳素结构钢，弹性模量E=2.06×105N/mm2;密度ρ=7.8×10－6kg/mm3;泊松比0.3。

本次设计挖掘铲的厚度尺寸为6 mm，根据机械设计手册，碳素结构钢的钢材厚度小于等于16 mm时，其屈服极限σS=235 MPa。

采用Ansys Workbench对挖树铲进行网格划分，默认方式自动划分网格如图3所示，曲面挖树铲有限元模型产生2477个单元，5342个节点。V字形挖树铲有限元模型产生2159个单元，4705个节点。

图3 Ansys Workbench中挖树铲模型网格划分Fig.3 The meshes of the tree spade in Ansys Workbench

1.3 挖树铲有限元静力学分析

对于V字形铲和和曲面铲而言，铲上表面的任意点的法线都与下铲阻力互相垂直，这样就使铲的下铲阻力主要是铲刀刃与土壤以及树木根茎等的阻力，而挖树铲上下铲面与铲的土壤切削阻力相比很小，本次研究将载荷加在铲的切削刃上，方向与挖树铲动力方向相反，可以使用PTC Creo软件的分析功能计算V字形挖树铲的截面的面积如图4所示。同样的方法也可以计算曲面铲的截面面积。

在施加载荷和求解之前，先假定挖树铲刃口各处所受阻力方向和大小一致，施加载荷的大小可以参考下铲阻力经验公式［8］:

图4 V字形铲横截面面积Fig.4 The cross-section area of the V-shaped spade

式中:x为铲刀下铲的位移量，m;γ为土壤容重，g/cm3;c为土壤内聚力，Pa;β为铲刀体围角的半角，°。

表1 入土角为60度是土壤对两种挖树铲刃的压强Tab.1 The pressures on the tree spade when the digging angle is 60°

通过计算取下铲阻力为27，这样就可以确定挖树铲刃口压强见表1，然后将挖树铲驱动销轴孔曲面固定，限定挖树铲的自由度，然后将计算好的压强施加在挖树铲刃上，使用Static Structural求解。

2 挖树铲的应力计算结果

经过求解得到曲面挖树铲应力图如图5所示，应变图如图6所示。V字形铲的应力图如图7所示，应变图如图8所示。应力应变极限值见表2。

图5 曲面挖树铲的应力图Fig.5 The stress distribution of surface tree spade

图6 曲面挖树铲的变形图Fig.6 The strain of surface tree spade

图7 V字形挖树铲的应力图Fig.7 The stress distribution of V-shaped spade

图8 V字形挖树铲的变形图Fig.8 The strain of surface V-shaped spade

表2 挖树铲应力应变极限值α(60°)Tab.2 The limit value α of the stress and the strain of the tree spade(digging angle=60°)

3 结论

(1)从两个挖树铲的应力分布情况出，应力和最大应力主要分布在施加驱动载荷的销轴孔附近，曲面挖树铲铲最大应力为0.45 MPa，符合设计要求，V字形铲最大应力为1.659 MPa，也符合设计要求，从数值上看曲面挖树铲性能要优于V字形铲。但从结构上看V字形铲结构简单，与曲面铲相比，容易制造。

(2)最大变形量V字形铲为9.1431×10－6m，主要在发生铲尖局部区域。曲面挖树铲1.283×10－5m，主要发生在铲尖和切削刃口上，两者相对于铲的长度而言，变形量很小，可以忽略不计。

(3)总体上看，曲面铲虽然制造困难一些，但是从保留树根量和承载能力上看都优于V字形铲。

［1］ Lemar Tree Spades［EB/02］.http://www.lemarweb.com/site/

［2］ Dutchman Truck Spade［EB/02］.http://www.dutchmantreespade.com/

［3］ I Dutchman Truck Spade［EB/02］.http://www.dutchmantreespade.com/

［4］贾晶霞，杨德秋，王昕伟，等.基于Solidworks的各型马铃薯挖掘铲应力研究［J］.农业工程，2011，1(1):102－104.

［5］吕金庆，陈春富，李世柱.马铃薯挖掘机挖掘铲的设计［J］.农业机械化研究，2006，26(3):105 －106.

［6］贾晶霞，刘汉武，郝新明，等.马铃薯收获机挖掘铲有限元静力学分析［J］.农业机械学报，2006，37(9):86 －88.

［7］张 凡，鲍际平.重卡离合器压盘热应力有限元分析与改进［J］.林业机械与木工设备，2011，39(4):23 －26.

［8］张英彦，顾正平.直铲式树木移植机下铲阻力的探讨［J］.北京林业大学学报，1988，10(2):38 －45.