植树机挖坑机构螺旋式钻头性能特性优化研究

摘要：为实现植树机挖坑机构的低能耗和轻简化，对钻头进行了结构设计和参数优化。应用离散元法建立土壤模型，通过EDEM软件对钻头钻土过程进行动力学仿真。采用Design-Expert软件进行响应面试验方案设计，以切刀刃角、螺旋翼片升角、转速3个因素为自变量，以钻头受到的阻力矩为响应值，构建阻力矩的回归方程并进行方差分析。得出最优参数组合为：切刀刃角为32.778°、螺旋翼片升角为28.316°、转速为160.346 r·min-1，以上参数组合下阻力矩为275.137 N·m，通过验证试验得出误差仅4.38%。通过ANSYS对钻头进行参数优化，优化后质量减轻了34.39%，应力增大了76.28%，此时的安全系数为2.61；变形增大了59.79%，但仍小于1 mm。对优化后钻头进行模态分析发现，各阶固有频率均避开了主要激励频率，避免了共振的发生。以上研究结果可为挖坑机构参数优化提供参考。

关键词：挖坑机构；螺旋式钻头；离散元法；响应面法；模态分析doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0635

中图分类号：S776.2 文献标志码：A 文章编号：1008‐0864（2025）02‐0089‐10

我国森林资源比较匮乏，全国人工林面积为46 666.7万 hm2，人均森林面积远低于世界平均水平[1-3]。人工植树造林质量差、效率低且劳动强度大，而机械化植树造林不仅能保证挖坑质量，还能提高效率、减轻劳动强度、降低造林成本。近年来，随着生态绿色理念的深入人心，植树造林也得到了社会各界人士的参与，植树机械的研究受到广泛关注。挖坑机构是植树机的重要部件，钻头又是挖坑机构的关键部件。在挖坑过程中，钻头经常与泥土、石块及土中杂质发生摩擦，且由于其深入土中，需要承受较大的冲击力，因此，钻头结构参数决定着挖坑作业质量以及消耗的功率-5]。在入土工作时，钻头会受到土壤的阻力及反作用扭矩，容易产生磨损和形变[6]。基于此，提高钻头的减阻性能和钻头材料的利用率是实现挖坑机构低能耗和轻简化的重点。

目前，有关挖坑机构钻头的优化设计多针对钻头的某一结构参数，缺乏对钻头整体的研究[7-9]。俞国胜等[10]通过多组对比试验分析了钻尖、切土刀刃角对钻孔阻力矩的影响，发现钻孔阻力矩的主要因素是升土阻力；赵静等[11] 通过ANSYS分析不同螺旋升角的钻头应力变化发现，随着螺旋升角的增加，翼片所承受的应力也在增加，这为升角的进一步优化提供了理论依据；郭贵生等[12]基于钻头的动力学分析研究了螺旋升角对钻头工作性能的影响规律，得出了升角的最优范围；任工昌等[13]基于有限元进行多组对比试验，分析螺旋翼片升角和翼片厚度对螺旋面强度的影响，得到了合理的升角和厚度；Huang等[14]采用有限元分析方法得到形状参数对钻孔力的影响，确定了最小钻削力的钻削速度和进给速度组合;Wang等[15]利用EDEM软件进行仿真，分析了钻头螺旋角、进给速度和坡度对输土效率和抛土距离的影响，通过响应面进行分析，得到了各因素的最优组合。

为实现植树机挖坑机构的低能耗和轻简化，本文采用离散元法、有限元法、响应面法对钻头所受阻力和应力进行分析，得出最优的机构参数，并对钻头使用的材料量进行优化，可为挖坑钻头的优化设计提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 挖坑机构物理结构设计

1.1.1 装置结构与工作原理 挖坑机构主要由丝杆滑块模组、钻杆、螺旋翼片、钻尖等组成，如图1所示。双路平移电机驱动滑块上下运动，进而带动固连在滑块横梁支架上的钻头完成提升与下降动作；挖坑电机驱动钻头完成螺旋转动，钻头在滑块与双路平移电机的协同驱动下进行匀速下钻，土壤在翼片刀刃转动切割下进入螺旋翼片，随着螺旋翼片的旋转不断上升，最终被带出地面。