1、第 25 卷 第 3 期 农 业 工 程 学 报 Vol.25 No.360 2009 年 3 月 Transactions of the CSAE Mar. 20094YS-600 型 树木 移栽机 铲刀臂的 改进 设计李耀明，徐立章，陈航（ 江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室 /江苏省重点实验室 ， 镇江 212013）摘 要 ： 为了解决 4YS-600 型树木 移栽机 铲刀臂出现局部断裂的问题 ， 该 文 从受力 、 运动和空间几何的角度 ， 确定了铲刀臂的空间位置和改进方案 ， 并运用 Pro/E 和 ADAMS 对树木移栽机进行了三维建模和运动仿真 ， 仿真结果表明
2、铲刀臂的设计方案在结构上可行 。 对树木移栽机样机进行了挖掘移栽试验 ， 试验 结果表明树木移栽机铲刀臂的结构设计方案可行 。 铲刀臂受力和 位移的仿真结果与实地测试数据基本相符 ， 表明改进方案可行 。关键词 ： 树木移栽机 ， 结构设计 ， 运动 ， 仿真中图分类号 ： S776.24+7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1002-6819(2009)-3-0060-04李耀明 ， 徐立章 ， 陈 航 . 4YS-600型树木 移栽机 铲刀臂的改进设计 J. 农业工程学报 ， 2009， 25(3)： 60 63.Li Yaoming, Xu Lizhang, Chen Hang. Im
3、proved design of spade arm in 4YS-600 tree transplanterJ. Transactions of the CSAE,2009,25(3)： 60 63.(in Chinese with English abstract)0 引 言目前 中国 植树造林多采用人海战术 ， 劳动强度大 、效率低 、 成本高 。 日本洋马公司的 YM-60R 型树木移栽机 ， 售价 16 万 元 人民币 ， 超过 中 国普通农民的购买能力 ，不适合 中 国国情 。 欧美等国的林木移栽机械 主要针对大型树木 ， 且价格昂贵 1,2。 国内用于树木移栽的机械尚在研究 开
4、发 初期 ， 典型机 型主要有 湖南林业工业研究所自行研制的 2QT-50型树木移栽机 和 杭州园林机械厂生产的2ZS-150 型树木移栽机 等 。 江苏大学 与 徐州 丰县果蔬特种机械厂 也 联合研制开发 了 一种新型的 中小型 树木移栽机 4YS-600 型树木移栽机 ， 主要用于城市园林部门 、 果园 、 林场 、 苗圃等处 ， 挖土球直径 600 mm， 移植树木径级 90 150 mm。 本 文 针对 4YS-600 型 树木移栽机在试验中 铲刀臂局部断裂 等问题 ， 通过 对其运动仿真和理论计算 ， 提出 机械结构 改进方案 ， 从而 保证 其 工作可靠 。1 铲刀臂的运动学分析1
5、.1 树木移栽机结构组成及工作原理树木移栽机是一种将选定的 苗 木从其生长的 苗圃 移植到指定位置的机械 ， 为了提高移栽成活率 ， 须带土球移栽 3。 4YS-600 型 树木移栽机 由 主框架 、 提升架滑道 、铲刀油缸 、 铲刀臂 、 提升架 、 铲斗组件滑道 、 铲斗组件和 铲刀组件等 部件组成 ， 其总体结构如图 1 所示 ， 其中 A为 铲刀油缸支撑座铰接点 ， B 为铲刀油缸与主框架的铰接点 ， O 为原点 。 挖树的动作是由铲刀组件和铲斗组件配收稿日期 ： 2007-12-29 修订 日期 ： 2009-02-20基金 项目 ： 江苏省农机三项工程项目 （ NJ200606）作
6、者简介 ： 李耀明 （ 1959） ， 男 ， 江苏张家港人 ， 博士 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事现代农业装备研究 。 镇江 江苏大学农业工程研究院 ， 212013。Email: 通讯作者 ： 徐立章 （ 1979） ， 男 ， 江苏宿迁人 ， 博士生 ， 助理研究员 ，主要从事现代农业装备研究 。 镇江 江苏大学农业工程研究院 ， 212013。Email: 合完成 ， 铲刀组件用来铲断树木的底根 ， 铲斗组件用来切 断树木的侧根并使根 部形 成 圆 锥 型 土球 。 主框架刚性固定在配套拖拉机或其他动力机械上 ； 提升架 、 铲刀组件和铲斗组件 均分别 由 液压油缸独立驱动
7、 。 树木移栽机的 工作流程 为 ： 将树木移栽机行至要移栽的树木 旁 ， 操纵 开合油缸使铲斗组件 张 开 ， 让 移栽树木处于铲斗组件中间位置时 收缩 开合油缸 。 然后操纵 铲刀油缸 ， 使铲刀组件切断树木的底根 ， 同时铲斗组件下压切断树木的侧根 ， 再 由 提升油缸将 已 挖掘 树木 提升至地面 ， 最后 张 开铲斗组件 及 铲刀组件 ， 完成树木的挖掘工作 。 实地挖掘时发现铲刀组件中的铲刀臂与铲刀 （ 图 1 中 4 与 8） 的 连接处 容易出现局部断裂 ， 因此需要对铲刀臂结构进行改进设计 。图 1 树木移栽机总体结构示意图Fig.1 General structure of
8、 the tree transplanter1.2 建立坐标系为满足 圆 锥 型 土球大端直径 600 mm， 下挖深度815 mm的 要求 ， 铲刀臂的旋转半径 a=1000 mm， 主框架到被挖树木的中心距离 b=550 mm， 铲刀臂的总长度2 2 =1141 mmc a b 。 建立如图 2所示坐标系 ， 以铲刀臂第 3 期 李耀明等 ： 4YS-600 型树木移栽机铲刀臂的改进设计 61的旋转轴为原点 ， 垂直地面方向为 Y轴 ， 旋转轴为 Z轴 ， X轴垂直于 Y轴和 Z轴 。 设 AO=l， A1点坐标 A1（ AX1， AY1，AZ1）， B点坐标为 B（ BX， BY， BZ
9、） 。 当铲刀臂绕 Z轴转过 角度后 ， A2点的坐标 A2（ AX2， AY2， AZ2）， OA1与 OXZ平面的夹角为 ， OA1在 OXZ平面的投影与 X轴的夹角为， OA1在 OXZ平面的投影与 Z轴的夹角为 。图 2 铲刀臂空间坐标示意图Fig.2 Space coordinates of the spade arm1.3 铲刀臂的运动方程由图 2 可得 ：111cos cossincos cosXYZA lA lA l （ 1）根据 空间旋转变换矩阵 4：X12 1 Y1Z1cos sin 0 A = sin cos 0 A0 0 1 A(cos cos cos -sin sin
10、 )(cos cos sin + sin cos )cos cosA R Alll （ 2）当铲刀臂绕 Z 轴转过 角度后 ， A 点的坐标为 A3（ AX3， AY3， AZ3） 。333(cos cos cos - sin sin )(cos cos sin sin cos )cos cosXYZA lA lA l （ 3）为保证铲刀油缸能顺利工作 ， BA1、 BA2、 BA3 需在同一平面内 。 3 条直线共面的充要条件是它们线性相关 ，即存在不全为 0 的实数 、 、 使得1 2 3 0BA BA BA （ 4）则 系数行列式等于 0， 即cos cos sin cos cos(co
11、s cos cos -sin sin ) (cos cos sin +sin cos ) cos cos 0(cos cos cos -sin sin ) (cos cos sin +sin cos ) cos cosX Y ZX Y ZX Y Zl B l B l Bl B l B l Bl B l B l B （ 5）由式 （ 5） 可知当 coscosl-BZ=0 时 ， 即主框架与铲刀油缸的结合点 B 的 Z 坐标与铲刀油缸支撑座的 Z 坐标相同 ， 可满足系数行列式等于 0。当 coscosl-BZ 0时 由 式 （ 5） 可 知 当 =时才可满足条件使系数行列式等于 0， 这不符合
12、实际工作的要求 。以上分析可得出 ： 主框架与铲刀油缸的结合点 B 的 Z 坐标与铲刀油缸支撑座的 Z 坐标相同 。 因此需要对铲刀臂结构进行改进 ， 修改铲刀臂与铲刀连接位置 ， 保证铲刀臂液压缸运动始终在同一平面内 。2 三维实体模型的建立2.1 铲刀臂的实体模型考 虑到结合点 B安装在提升架铲斗连接件支撑架上 ，B 点的空间位置受到装配的限制 ， 所以 B 点 Z 坐标为 0，则铲刀油缸支撑座 A 的 Z 坐标也为 0。 根据以上分析 ，需 改变原铲刀臂的铲刀油缸支撑座 A 的位置 ， 使其 Z 坐标 与 B 点 Z 坐标 相同 。 用 Pro/E 建立 铲刀臂三维实体模型 ， 如图 3
13、 所示 。2.2 树木移栽机铲刀臂的装配在 Pro/E 软件中选择销钉连接 ， 选取铲刀臂上的旋转轴 1 与提升架上的轴线 1 对齐 ， 如图 4 所示 ；Translation 选取如图 4 的基准平面 后 铲刀臂相对与提升架就只有一个绕 Z 轴旋转的自由度 5-8。 同理 ， 铲刀臂与铲刀油缸也 如此装配 ， 树木移栽机整机虚拟装配如图 4所示 。图 3 铲刀臂的三维模型Fig.3 Three-dimensional model of the spade arm图 4 树木移栽机整机虚拟装配Fig.4 Virtual assembly of the tree transplanter62
14、农业工程学报 2009 年3 铲刀臂运动仿真 与 分析将树木移栽机的整机装配件模型从 Pro/E 导入到ADAMS9,10， 添加约束与驱动 ， 输入时间和步长后 ， 对树木移栽机空载时的运动过程进行运动仿真 ， 仿真结果表明铲刀臂的设计方案在结 构上可行 。利用 ADAMS/PostProcessor 可得出铲刀臂受力点 （ 铲刀油缸支撑座 ） 在工作过程中随时间变化的受力 ， 如图 5所示 。 从图 5 可知 ， 液压缸对铲刀臂的作用力随时间不断增加 。图 5 铲刀油缸支撑座受力的仿真结果Fig.5 Simulation results of the force on the clampi
15、ngsupport of the spade arm cylinder图 6 为 铲刀臂的受力点 （ 铲刀油缸支撑座 ） 在铲刀臂工作过程中 ， 位移随时间的变化情况 ， 从图中 可 知 铲刀油缸支撑座 的运动为匀速运动 。图 6 铲刀油缸支撑座受力点的位移仿真结果Fig.6 Simulation results of the displacement on theclamping support of the spade arm cylinder4 树木移栽机 实地 试验为验证树木移栽机设计 方案 和运动仿真分析的正确性 ， 对样机进行了挖掘移栽试验 。 结果表明 ， 树木移栽机可将胸径分别
16、为 50、 80、 100 mm 的树木挖出并运输 ，在挖掘中能保持土球的形状 ， 证明树木移栽机铲刀臂的结构设计方案可行 。 根据油 缸直径 40 mm 将铲刀油缸的油压在试验中的实测值 换算成压力并 拟合后 的曲线如图 7 所示 。从图 7 可看出 ， 铲刀臂在下挖过程中铲刀油缸的压力逐渐增大 ， 这与运动仿真分析的结果是一致的 。 对比图 5 和图 7 可知 ， 压力曲线走向相似 ， 都是逐渐增大 ，且前半段增加较快 ， 后半段增加趋缓 。 但主要由于实际工作情况在计算机软件中无法准确的表示出来 ， 仿真分析的油压值和实际测量的油压值存在一定差异 。图 7 铲刀油缸内油压实测值的拟合曲线
17、Fig.7 Fitting curve of the hydraulic pressure values in thespade arm cylinder according to the measured values5 结 论1） 建立了树木移栽机铲刀臂 的 运动学方程 ， 得出铲刀臂运动 必要 条件为 ： 主框架与铲刀油缸的结合点 B 的 Z坐标与铲刀油缸支撑座 A 的 Z 坐标相同 ， 保证 铲刀油缸始终在同一平面内 运动 ， 对 铲刀臂 的结构进行了改进设计 。2） 建立 了 树木移栽机整机的三维实体模型 ， 运用ADAMS 对 铲刀臂 进行了 运动仿真 ， 得出了铲刀臂受力和位移的
18、曲线 图 ， 仿真结果与 实地测试数据基本相符 ， 表明 结构 改进 方案可行 。参 考 文 献 1 顾正平 ， 沈瑞珍 树木栽植与养护机械发展概况 J 世界林业研究 ， 2005， 18(4)： 40 44Gu Zhengping, Shen Ruizhen. Development of tree plantingand trimming machineryJ. World Forestry Research， 2005，18(4)： 40 44 (in Chinese with English abstract)2 于建国 ， 屈锦卫 国内外挖坑机的研究现状及发展趋势 J.农机化研究 ，
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22、4YS-600 型树木移栽机铲刀臂的改进设计 63Yan Yunhui, Zhang Haiyan, Yang Huilin, et al. Modeling,interference checking and simulation of virtual assemblysystemsJ. Journal of Northeastern University(NaturalScience)， 2004， 25(2)： 153 155 (in Chinese with Englishabstract)7 Maclhav Ponamgi, Dinesh Manocaia, Ming C Lin.
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26、n order to solve the partial fracture of the spade arm for 4YS-600 type tree transplanter, the spatial locationand the improvement scheme were optimized based on the force, motion and space geometry. Three-dimensionalmodeling and motion simulation of the tree transplanter were finished by Pro/E and
27、ADAMS. The simulation resultsshowed that the design scheme of spade arm was feasible with structure, while the results of prototype test indicated thatthe structural design scheme of the spade arm was feasible. So the improvement scheme is basically feasible because thesimulation results of the force and displacement on the spade arm are basically the same as the practical test results.Key words: tree transplanter, structure design, kinematics, simulation
