植树挖坑机坑形控制与挖坑阻力计算方法研究.pdf

第 5卷 第 3期 2007年 9月167226553 /2007 /05 /26724动 力 学 与 控 制 学 报JOURNAL OF DYNAM ICS AND CONTROLVol. 5 No. 3Spe. 2007200625215收 到 第 1稿 , 2007207204收 到 修 改 稿 .3 国 家 计 委 产 业 化 项 目 “西 部 沙 区 大 型 深 坑 联 合 植 树 技 术 研 究 “资 助 项 目植 树 挖 坑 机 坑 形 控 制 与 挖 坑 阻 力 计 算 方 法 研 究 3马 岩(东 北 林 业 大 学 林 业 与 木 工 机 械 工 程 中 心 ,哈 尔 滨 150040)摘 要 提 出 了 利 用 钻 头 下 钻 时 受 到 的 阻 力 和 挖 坑 连 杆 机 构 的 固 有 频 率 控 制 生 态 植 树 机 钻 头 运 行 轨 迹 的 控制 方 法 . 首 先 ,采 用 近 似 方 法 计 算 挖 坑 过 程 中 钻 头 下 钻 时 受 到 的 阻 力 ,得 到 了 分 叉 型 尖 入 土 阻 力 公 式 . 然 后 ,推 导 出 了 一 般 情 况 下 弹 性 挖 坑 连 杆 机 构 的 固 有 频 率 ,并 给 出 了 在 其 他 条 件 不 变 的 情 况 下 ,只 改 变 油 缸 推 程速 度 控 制 钻 尖 轨 迹 的 计 算 程 序 . 分 析 表 明 :油 缸 推 程 (下 行 )速 度 越 大 ,坑 形 随 之 变 小 ;但 是 当 推 程 速 度 增 大时 ,钻 头 的 挖 坑 速 度 增 加 ; 利 用 机 构 的 运 动 控 制 来 进 行 坑 形 的 几 何 控 制 ,可 以 提 高 挖 坑 机 构 的 运 动 特 性 和 结构 特 性 .关 键 词 植 树 机 , 挖 坑 , 动 态 控 制 , 机 构 , 坑 形引 言我 国 土 地 沙 漠 化 非 常 严 重 ,根 治 沙 尘 暴 是 我 国 面临 的 严 重 问 题 1 .因 此 ,提 高 森 林 覆 盖 率 ,保 护 生 态 环境 ,防 风 固 沙 ,必 须 从 植 树 造 林 开 始 ,而 且 需 要 高 速 造林 .因 而 ,利 用 机 械 化 高 速 植 树 造 林 ,实 现 植 树 的 连 续化 作 业 ,在 动 态 行 走 中 控 制 挖 出 的 坑 形 满 足 植 树 的 最佳 要 求 ,考 虑 挖 土 阻 力 对 坑 形 的 影 响 ,是 植 树 机 设 计现 代 化 的 重 要 一 环 2 .植 树 机 坑 形 控 制 系 统 的 输 入 是驱 动 力 、 油 缸 推 力 、 苗 盘 转 角 、 六 杆 机 构 主 动 杆 转 角 ,输出 是 坑 形 、 落 入 坑 内 的 树 苗 和 培 土 力 . 本 文 将 主 要 讨论 输 出 坑 形 控 制 的 结 果 与 分 析 的 结 论 .1 生 态 植 树 机 结 构 和 性 能 设 计 简 介生 态 植 树 机 ( Ecoplanter)是 连 续 植 树 的 专 用 设备 ,它 对 生 态 的 适 应 性 好 ,对 生 态 破 坏 极 小 3 .该 机 用连 续 挖 坑 机 构 挖 土 ,土 坑 周 围 破 坏 小 ,使 树 苗 有 更 高的 成 活 率 和 更 高 的 植 树 速 率 .而 且 可 以 有 选 择 的 在 适宜 的 植 树 点 挖 坑 和 植 树 ,提 高 了 机 器 的 机 动 性 、 对 不同 地 面 的 适 应 性 和 机 械 化 程 度 .这 种 植 树 机 对 土 壤 的破 坏 是 最 小 的 ,它 避 免 了 大 多 数 植 树 机 所 采 用 的 开 沟器 连 续 开 沟 植 树 ,减 少 了 土 地 营 养 流 失 、 土 壤 破 坏 及地 表 生 态 环 境 的 破 坏 ,也 降 低 了 机 器 的 损 伤 率 4 .图 1为 生 态 植 树 机 样 机 图 ,其 工 作 过 程 为 :种 植时 ,容 器 树 苗 先 被 置 于 植 树 机 的 转 动 苗 盘 的 苗 筒 内 ,当 树 苗 转 到 投 苗 位 置 时 ,靠 重 力 落 入 植 树 头 中 准 备 种植 .挖 坑 机 构 在 指 定 位 置 进 行 松 土 挖 坑 ,植 树 头 在 四杆 机 构 的 作 用 下 下 降 ,插 入 土 中 以 后 ,植 树 头 松 开 ,将树 苗 置 于 植 树 坑 中 ,植 树 头 再 抬 起 来 ,最 后 由 压 实 机构 将 树 苗 压 实 .同 时 ,苗 盘 转 动 ,新 的 树 苗 又 被 送 入 植树 头 中 以 备 下 次 使 用 . 如 此 ,完 成 一 次 种 植 过 程 5 在研 究 植 树 机 挖 坑 机 构 的 轨 迹 分 析 之 前 ,假 设 生 态 植 树机 挖 坑 机 构 可 简 化 为 等 效 六 杆 机 构 .求 解 杆 组 最 低 点的 位 置 就 是 坑 形 的 轨 迹 分 析 和 方 程 6 8 .生 态 植 树 机的 照 片 和 六 杆 机 构 的 照 片 将 图 1,杆 组 的 机 构 简 图 如图 2所 示 .植 树 机 由 牵 引 拖 拉 机 行 走 规 定 距 离 以 后 ,液 压 系 统 启 动 ,带 动 松 土 马 达 旋 转 ,六 杆 机 构 松 土 马达 下 移 ,挖 坑 铲 在 松 土 中 挖 出 规 定 的 坑 形 ,插 苗 头 将苗 盘 放 入 的 苗 插 入 土 中 . 苗 盘 转 动 一 个 角 度 ,准 备 下一 次 动 作 .系 统 的 动 态 方 程 见 文 献 5 .图 1 生 态 植 树 机 样 机Fig. 1 Prototype of ecological p lanting tree machine动 力 学 与 控 制 学 报 2007年 第 5卷图 2 生 态 植 树 机 挖 坑 机 构 的 等 效 六 杆 机 构Fig. 2 Six equivalent mechanism s of the hangs system of theecological p lanting tree machine organization for loosening the soil2 挖 坑 阻 力 近 似 计 算由 于 挖 坑 过 程 太 复 杂 ,有 很 多 影 响 因 素 . 在 此采 用 近 似 方 法 计 算 挖 坑 过 程 中 钻 头 下 钻 时 受 到 的阻 力 . 钻 头 入 土 的 土 壤 阻 力 Rz 等 于 钻 尖 和 刀 片 入土 阻 力 可 由 在 垂 直 轴 上 的 投 影 之 和 4 .Rz = R尖 z + iR刀 z (1)式 中 , i是 刀 片 数 , R尖 z是 钻 尖 阻 力 , R刀 z是 钻 刀 阻 力 .钻 头 入 土 阻 力 与 进 给 量 成 正 比 . 经 实 验 证 明 ,分 叉 型 钻 尖 入 土 阻 力 最 小 ,锥 形 小 螺 旋 型 最 大 ,三角 型 次 之 . 分 叉 型 尖 入 土 阻 力 可 由 经 验 公 式 确 定 :R尖 z = ( q3 + K3 S ) D尖 (2)式 中 , D尖 是 钻 尖 直 径 ,本 设 计 中 为 0. 06m , S是 钻尖 每 转 进 给 量 ,本 设 计 中 为 0. 07m / r, q3、 K3 是 系数 ,对 坚 实 土 壤 : q3 = 5. 39kN /m; K3 = 343kPa 5 .刀 片 上 单 元 入 土 阻 力 在 垂 直 轴 上 投 影 如 图 3所 示 .图 3 挖 坑 阻 力 分 析Fig. 3 Aanalysis on p itting resistanceR刀 z = ( qsin - K2 Si cos( 0 + 1 ) ) r0r1dr =( qsin - K2 Si cos( 0 + 1 ) ) ( r0 - r1 ) (3)dR刀 z = qdrsin - K2 Si drcos( 0 + 1 ) (4)式 中 , 0 是 刀 片 的 名 义 前 角 , r0 是 刀 片 的 回 转 半 径 ,r1 是 刀 尖 半 径 , q是 土 壤 阻 力 比 例 系 数 , q = 1. 8 -3. 5kN /m , K2 是 土 壤 变 形 阻 力 系 数 , K2 = 166. 8 -250kPa,对 于 坚 实 土 壤 取 大 值 ,对 于 疏 松 土 壤 取 小值 , 是 土 壤 切 削 阻 力 与 水 平 面 的 夹 角 , = 30 . -58 .对 于 坚 实 土 壤 取 大 值 ,对 于 疏 松 土 壤 取 小 值 , 1是 土 壤 对 钢 的 摩 擦 角 .将 式 (2)、 式 (3)代 入 式 (1)中 ,则Rz = ( q3 + K3 S ) D尖 + ( iqsin -K2 S cos( 0 + 1 ) ) ( r0 - r1 ) (5)3 油 缸 推 力 和 固 有 频 率 计 算由 液 压 原 理 :F = p A = p D2 /4 (6)式 中 , p是 油 缸 压 力 ( Pa) , A 是 油 缸 活 塞 有 效 面 积(m2 ) , D是 油 缸 活 塞 直 径 (m ).一 般 情 况 下 弹 性 挖 坑 连 杆 机 构 有 三 种 基 本 参量 ,即 :结 构 参 量 、 截 面 参 量 和 材 料 参 量 ,它 们 从 本 质上 决 定 了 机 构 的 动 力 特 性 . 机 构 的 固 有 频 率 是 评 估其 内 在 特 性 的 一 个 重 要 指 标 ,机 构 的 基 本 参 量 与 其特 性 指 标 之 间 存 在 着 一 定 的 内 在 联 系 ,如 下 式 11 e 1l2 JA E (7)式 中 , e 是 单 元 固 有 频 率 , l是 单 元 长 度 , A是 单 元的 截 面 面 积 , J是 单 元 的 惯 性 矩 , 是 杆 件 材 料 的质 量 密 度 , E是 杆 件 材 料 的 弹 性 模 量 .机 构 的 固 有 频 率 是 由 其 上 各 单 元 的 固 有 频 率所 直 接 决 定 的 . 当 采 用 振 型 叠 加 法 进 行 相 应 分 析时 ,需 要 求 出 系 统 的 固 有 频 率 和 主 振 型 ,求 解 多 自由 度 系 统 的 固 有 频 率 和 主 振 型 归 结 为 求 解 如 下 线性 方 程 组 :K = 2M (8)式 中 , K是 实 对 称 矩 阵 , M 是 实 对 称 正 定 矩 阵 , 是固 有 频 率 . 求 解 这 类 问 题 也 称 为 K和 M 的 广 义 特征 值 问 题 .4 植 树 机 挖 坑 机 构 的 轨 迹 分 析在 其 它 条 件 不 变 的 情 况 下 ,只 改 变 油 缸 推 程 速度 ,观 察 其 钻 尖 轨 迹 如 下 : 当 油 缸 速 度 v油 缸 =50mm / s(推 程 )时 ,在 h = 0时 刻 ,在 上 下 一 个 循 环中 ,两 点 钻 头 绝 对 位 置 点 F (0, 0)和 F“ (212. 7135,0) ;油 缸 下 行 到 极 限 位 置 ( s = 470mm )时 ,并 可 得 钻头 离 地 高 度 h = - 292. 2291mm,得 钻 头 绝 对 位 置 点862第 3期 马 岩 :植 树 挖 坑 机 坑 形 控 制 与 挖 坑 阻 力 计 算 方 法 研 究F (152. 0364, - 292. 2291) ;及 另 一 关 键 点 (217. 37,- 59. 178) ,即 曲 线 最 右 点 .其 坑 形 如 图 4所 示 .图 4 植 树 机 坑 形 分 析 ( v油 缸 = 50mm / s)Fig. 4 Analysis on p it2shape ofthe p lanting tree machine ( voil2cylinder = 50mm / s)当 油 缸 速 度 v油 缸 = 80mm / s(推 程 )时 ,同 理 可 得钻 头 离 地 高 度 h = - 292. 2291mm,得 钻 头 绝 对 位 置点 F (98. 858, - 292. 2291) ;及 另 一 关 键 点 (144. 2,- 95. 131) ,即 曲 线 最 右 点 .其 坑 形 如 图 5所 示 .图 5 植 树 机 坑 形 分 析 ( v油 缸 = 80mm / s)Fig. 5 Analysis on p it2shape ofthe p lanting tree machine ( voil2cylinder = 80mm / s)图 6 植 树 机 坑 形 分 析 ( v油 缸 = 100mm / s)Fig. 6 Analysis on p it2shape ofthe p lanting tree machine ( voil2cylinder = 100mm / s)当 油 缸 速 度 v油 缸 = 100mm / s(推 程 )时 ,可 得 钻头 离 地 高 度 h = - 292. 2291mm,得 钻 头 绝 对 位 置 点F ( 81. 1319, - 292. 2291 ) ; 及 另 一 关 键 点 ( 120.53, - 107. 73) ,即 曲 线 最 右 点 . 其 坑 形 如 图 6所 示 .由 此 可 以 看 出 ,当 油 缸 推 程 (下 行 )速 度 越 大 ,坑 形 随 之 变 小 ,但 是 当 推 程 速 度 增 大 时 ,钻 头 的 挖坑 速 度 也 增 加 ,所 受 的 挖 坑 阻 力 随 之 增 加 5 . 对 前面 三 种 情 况 比 较 ,我 们 选 取 油 缸 推 程 为 80mm / s.当 第 二 杆 组 ADEB采 用 非 平 行 四 杆 机 构 时 ,比 较坑 形 和 钻 头 的 挖 坑 进 给 速 度 ,并 考 虑 到 结 构 设 计 和 实现 供 苗 等 功 能 的 难 易 程 度 ,仍 采 用 平 行 四 杆 机 构 .本 论 文 所 设 计 的 生 态 植 树 机 挖 坑 机 构 悬 挂 机构 等 效 六 杆 机 构 各 杆 尺 寸 为 : a = 165. 5mm, b =440mm , c = 150mm, d = 73mm, e = 70mm, f =450mm, l5 = 150mm, l6 = 450mm, g1 = 175mm, g2= 766mm, k = 455mm, 370 s 470mm. 当 取 s =370,经 过 迭 代 ,便 可 得 机 构 在 此 任 意 时 刻 的 位 置 .5 结 论1)对 生 态 植 树 挖 坑 机 构 进 行 了 动 态 分 析 ,提 出了 机 构 位 置 及 钻 尖 轨 迹 的 相 对 位 移 、 绝 对 位 移 的 数值 解 ,这 对 下 一 步 的 动 力 优 化 分 析 作 好 了 理 论 准 备 .2)采 用 动 态 位 置 计 算 得 到 了 各 构 件 的 转 角 和位 移 ,并 用 数 值 仿 真 计 算 了 各 个 点 的 结 果 .3)研 究 各 个 坑 形 曲 线 分 析 ,讨 论 不 同 参 数 时 对杆 组 机 构 及 油 缸 的 推 行 速 度 和 坑 形 的 关 系 ,并 应 用到 实 际 植 树 机 的 设 计 和 制 造 中 . 为 实 际 植 树 挖 坑 机设 计 提 供 了 关 键 参 数 .4)本 文 提 出 了 对 植 树 机 挖 坑 机 构 的 坑 形 轨 迹分 析 的 一 种 动 态 研 究 方 法 ,这 也 为 今 后 对 该 类 机 构的 改 进 设 计 、 参 数 确 定 指 明 了 方 向 .参 考 文 献1 姜 爱 林 . 西 部 沙 漠 的 开 发 、 利 用 与 保 护 . 国 家 行 政 学 院 学报 , 2000, ( 4 ) : 46 49 ( J iang A ilin. Exp loring, utilizingand p rotecting deserts in west areas. Journal of N ationalSchool of A dm inistration, 2000, (4) : 46 49 ( in Chinese) )2 潘 天 丽 ,王 蓝 . 在 退 耕 还 林 中 应 大 力 发 展 林 业 机 械 . 陕 西林 业 科 技 , 2000, (4) : 1 3 ( Pan Tianli,W ang Lan. Devel2op ing forestry machinery during returning land for farm ingto forestry. Shanxi Forestry Science and Technology, 2000,962动 力 学 与 控 制 学 报 2007年 第 5卷(4) : 1 3 ( in Chinese) )3 王 玉 霞 ,郭 连 生 ,邹 受 益 等 .科 尔 沁 沙 地 杨 树 深 松 插 干 造 林技 术 研 究 .内 蒙 古 林 学 院 学 报 (自 然 科 学 版 ) , 1999, 21 (3) :38 43 (Wang Yuxia, Guo Liansheng, Zou Shouyi. Test and a2nalysis on afforestation technology of poplarmedial deep p lant2ing in Keerqin sand land. Journal of N eim enggu Forestry For2estry College, 1999, 21 (3) : 38 43 ( in Chinese) )4 俞 国 胜 ,顾 正 平 ,钱 桦 等 . 半 干 旱 沙 地 深 栽 造 林 钻 孔 机 的性 能 试 验 与 研 究 . 林 业 科 学 , 2001, 37 (3) : 112 117 ( YuGuosheng, Gu Zhengp ing, Q ian Hua. The function and re2search of deep p lanting earth auger in sem iarid sand. Scien2tia S ilvae S inicae, 2001, 37 (3) : 112 117 ( in Chinese) )5 马 岩 . 生 态 植 树 机 松 土 机 构 运 动 特 性 分 析 . 动 力 学 与 控制 学 报 , 2005, 3 (1) : 90 95 (Ma Yan. Analyse on the dy2nam ic athletics characteristic of ecop lanter. Journal of D y2nam ic and Control, 2005, 3 (1) : 90 95 ( in Chinese) )6 孟 宪 举 ,黄 永 强 . 具 有 刚 性 运 动 的 弹 性 梁 单 元 动 力 学 微分 方 程 的 精 确 表 达 式 . 河 北 理 工 学 院 学 报 , 1998, 20 (3) :34 41 (Meng Xianju, Huang Yongqiang. The accurate e2quation of elastic beam element with rigid movement. Jour2nal of Hebei Institute of Tech