鄧小雷，李　欣，夏鑫鑫，楊　震，許天偉，邱志偉（衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，衢州 324000）

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DX1B型竹根挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鄧小雷，李欣，夏鑫鑫，楊震，許天偉，邱志偉
（衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，衢州 324000）

摘要：為了解決竹根挖掘過程中機(jī)械化程度低的問題，針對(duì)竹林復(fù)雜的地形條件和農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種DX1B型自動(dòng)竹根挖掘機(jī)。該文闡述了該機(jī)器主要的工作原理、主要結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主要參數(shù)計(jì)算，并對(duì)刀筒及其內(nèi)部的壓力彈簧進(jìn)行有限元力學(xué)分析，對(duì)機(jī)器的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，對(duì)支架進(jìn)行模態(tài)分析獲得前四階固有頻率和振型，并進(jìn)行機(jī)器的動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性分析以便結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)避開共振頻率激勵(lì)。最后，制作小型的物理樣機(jī)進(jìn)行竹林間性能試驗(yàn)來驗(yàn)證竹根挖掘性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：樣機(jī)的刀筒外徑為40～120 mm，挖掘竹徑為30～70 mm的竹根，最大挖掘深度為250 mm，大多數(shù)竹根挖掘到150～200 mm左右的深度時(shí)，就可將竹底部根須扭斷從而將竹根帶出，且竹根形狀保持良好；當(dāng)樣機(jī)掘根的速度為2 mm/s左右時(shí)，工作機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性和效率最優(yōu)，整個(gè)掘根工作過程一般需要2～5 min，竹根挖掘效率相對(duì)于手工挖掘提高60%以上。該機(jī)器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掘進(jìn)挖根和自動(dòng)取根的效果，還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排土、排根的功能，整個(gè)挖掘過程無需人與竹根或者土壤接觸。該研究可為丘陵山區(qū)等復(fù)雜地況的竹根清除問題提供解決方案，為竹根挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)仿真；竹根；自動(dòng)挖掘；自動(dòng)排根；竹根挖掘機(jī)；性能試驗(yàn)

鄧小雷，李欣，夏鑫鑫，楊震，許天偉，邱志偉. DX1B型竹根挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（2）：29－35.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.005http://www.tcsae.org

Deng Xiaolei， Li Xin， Xia Xinxin， Yang Zhen， Xu Tianwei， Qiu Zhiwei. Design and experiment of DX1B bamboo root excavator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 29－35. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.005http://www.tcsae.org

0　引　言

竹子具有稈形通直、材性優(yōu)良、速生豐產(chǎn)、再生能力強(qiáng)、一般三年已成材可采伐等優(yōu)點(diǎn)，使得竹的用途非常廣泛[1]。中國(guó)竹林總面積420萬 hm2，年產(chǎn)量1.8×108t[2-3]。由于有著良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和良好的生態(tài)環(huán)保意義，中國(guó)竹產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展和壯大，也帶動(dòng)了竹林資源的開發(fā)利用[4-6]。但是，竹在生產(chǎn)作業(yè)中存在下述問題也就顯得尤為突出，即竹子砍伐后，竹根留在土壤中，一個(gè)竹根的直徑約為50～120 mm，濃密的根須占去直徑為0.5～0.7 m的圓形區(qū)域范圍，腐爛的時(shí)間為5～10 a。如果不將竹根挖去，其所占據(jù)的土地資源就被浪費(fèi)[7-8]。

竹資源主要分布在亞、非、拉的一些國(guó)家，近百年來，國(guó)外一些產(chǎn)竹國(guó)家引種了大量的竹種。例如，美國(guó)從中國(guó)引種的剛竹屬竹種就有35種[9-12]。但是，至今歐美和澳洲等國(guó)家的市場(chǎng)上未見竹子采伐、栽培系列裝備，更未見竹根挖掘的機(jī)器。俄羅斯雖有一種人型的挖樹根機(jī)器，但沒有挖竹根機(jī)械[7]；日本有一種挖穴裝置[13]，但無法完整挖取竹根。

20世紀(jì)90年代前期，中國(guó)浙江的竹農(nóng)采用一種裝置將竹根鉆爛再取出的方案，但取出竹根不完整，無法滿足工藝品市場(chǎng)需要。華文禮等[14]用化學(xué)腐蝕法的方法來清理竹根，但對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一定污染。2005年有學(xué)者提出了一種有連桿往復(fù)鏟式方案[15]和支架環(huán)挖式方案[9]。但是連桿往復(fù)鏟式設(shè)計(jì)方案存在工作時(shí)振動(dòng)很大，人的手臂難以承受機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間的反作用力；支架環(huán)挖式方案存在作業(yè)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率相對(duì)較低。張京平[16]設(shè)計(jì)了一種筒形竹根挖掘機(jī)，但是該機(jī)通過在安裝在圓筒內(nèi)的竹爪將竹根取出，竹筒與竹爪之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致該機(jī)穩(wěn)定性較差，且無法保證竹根的完整性。

北京林業(yè)機(jī)械研究所研制了一種竹蒲頭挖掘機(jī)[17]，可通過機(jī)械方式將竹根粉碎，但清除后其腐爛時(shí)間仍需1～2 a，且粉碎是對(duì)竹根的完全破壞，浪費(fèi)了資源。劉婧婧等[18]設(shè)計(jì)出了一種能在地形土質(zhì)復(fù)雜的稠密竹林內(nèi)移動(dòng)作業(yè)的竹蔸清理設(shè)備，但其通過抓鉤來拔取竹蔸的方式，適合小徑級(jí)根系作業(yè)，且存在自動(dòng)程度低，人工勞動(dòng)強(qiáng)度很大的問題。

針對(duì)上述一系列問題，本文采用理論與仿真相分析結(jié)合的方法，研制出了一種DX1B型自動(dòng)竹根挖掘機(jī)，旨在實(shí)現(xiàn)竹根挖掘過程的自動(dòng)掘進(jìn)挖根、取根、排土、排根的功能。通過對(duì)機(jī)器的挖掘性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)機(jī)器在不同進(jìn)給速度、土壤屬性、根徑尺寸等情況下的性能，以期提高挖掘效率和挖掘質(zhì)量。

1　設(shè)備研制

1.1機(jī)構(gòu)組成和工作原理

DX1B型竹根挖掘機(jī)主要由支撐機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)、操作面板以及工作機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。其中，工作機(jī)構(gòu)由刀筒8，氣動(dòng)排土裝置9，工作電機(jī)10，滑塊11，氣缸12構(gòu)成。當(dāng)該機(jī)工作時(shí)，先將支撐機(jī)構(gòu)的安裝支架的支腿1調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到合適高度使工作機(jī)構(gòu)能進(jìn)行正常挖根作業(yè)。然后，打開汽油發(fā)電機(jī)4的開關(guān)，發(fā)電機(jī)開始運(yùn)行工作，待電壓達(dá)到220 V，打開發(fā)電機(jī)罩殼上的輸出電壓開關(guān)，通過電纜線輸出220 V電壓。接著，打開氣泵3開關(guān)，氣泵開始工作向外輸出氣體，待氣壓達(dá)到一定值，打開出氣閥門，機(jī)架上的氣缸12準(zhǔn)備就緒；打開操縱面板2上的電源開關(guān)，電機(jī)10以額定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，待電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，操控控制面板上的掘進(jìn)通氣閥，使氣缸進(jìn)氣，氣缸推動(dòng)滑塊緩慢往下運(yùn)動(dòng)，工作機(jī)構(gòu)電機(jī)10啟動(dòng)帶動(dòng)刀筒8高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行破土竹根挖掘，土壤可以沿著刀筒外壁的螺旋槽14向外排出，刀筒進(jìn)行持續(xù)挖掘；當(dāng)挖根動(dòng)作結(jié)束時(shí)，電機(jī)10停轉(zhuǎn)，操作控制面板使氣缸收縮，電動(dòng)機(jī)10和刀筒8快速向上運(yùn)動(dòng)，直至刀筒完全離開地面，刀筒內(nèi)置壓力彈簧17恢復(fù)原長(zhǎng)從而推動(dòng)圓形推盤18可將刀筒8內(nèi)殘留的土壤和竹根從中排出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排土和排根效果。

圖1　DX1B型自動(dòng)竹根挖掘機(jī)Fig. 1　Type of DX1B bamboo roots grab

同時(shí)，工作機(jī)構(gòu)還配有自動(dòng)排土裝置9，當(dāng)?shù)锻矁?nèi)彈簧力不足時(shí)，打開工作機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣閥門，氣泵通過連軸中心的導(dǎo)氣孔16，將壓縮氣體打到刀筒內(nèi)部封閉腔中輔助自動(dòng)排土和排根，使得整個(gè)工作過程達(dá)到干凈、高效、不接觸人的效果。

1.2工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

DX1B型竹根挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)安裝在支架上，工作電機(jī)固定在滑塊上，刀筒與工作電機(jī)通過螺旋接頭連接。當(dāng)控制面板打開時(shí)，氣缸驅(qū)動(dòng)滑塊帶動(dòng)刀筒向下運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)挖掘竹根；當(dāng)挖掘結(jié)束時(shí)，氣缸收縮帶動(dòng)工作結(jié)構(gòu)向上移動(dòng)，將刀筒從土壤縮回，從而竹根從土中帶出。支架的初始高度為1 100 mm，工作機(jī)構(gòu)的最大有效行程為250 mm，可以根據(jù)挖掘深度需要調(diào)節(jié)支架支腿長(zhǎng)度。

1.3排土（根）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在刀筒內(nèi)安裝有壓力彈簧和與之相連的圓形滑塊，如圖1c所示。當(dāng)?shù)锻矎耐寥乐忻撾x時(shí)，壓力彈簧回復(fù)原長(zhǎng)，從而推動(dòng)圓形推盤向外將刀筒內(nèi)的竹根和土壤排出至刀筒外。此外，刀筒中設(shè)置有導(dǎo)氣孔，通過氣管連接氣泵，當(dāng)彈簧回彈力不足時(shí)，可以進(jìn)氣開關(guān)，將壓縮氣體打到刀筒內(nèi)部封閉腔中，推動(dòng)刀筒內(nèi)的彈簧和圓形推盤將竹根和土壤排出，操作者無需與土壤接觸。

1.4主要參數(shù)計(jì)算

1.4.1發(fā)電機(jī)的選用及功率參數(shù)

DX1B型竹根挖掘機(jī)的工作場(chǎng)所一般是在野外竹林，汽油發(fā)電機(jī)使用調(diào)配汽油作燃料，工作可靠，輸出電源穩(wěn)定，可長(zhǎng)時(shí)間地提供電源，不受環(huán)境因素限制，適合野外作業(yè)。根據(jù)樣機(jī)模型最大尺寸（≤1 200 mm），選用輸出電壓為220 V、最大功率3 kW的汽油發(fā)電機(jī)作為工作原動(dòng)機(jī)，然后進(jìn)行汽油發(fā)電機(jī)的安裝布置和下一步整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.4.2氣泵和氣缸參數(shù)

考慮氣缸動(dòng)力需要和排土要求，選擇額定壓力為0.3 MPa、輸出功率為0.55 kW的氣泵作為氣缸和工作機(jī)構(gòu)提供輸出氣源。通過支架滑塊與氣缸相連，氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)。由于竹根的深度為200～400 mm，限于樣機(jī)尺寸，選擇□ 80 mm的氣缸，行程為250 mm。

式中F為氣缸推力，N；P氣缸為氣缸工作壓力，105Pa；D為氣缸活塞桿直徑，mm。

由式（1）可得氣缸的最大推力為1 510 N，但實(shí)際掘根過程中只需500 N即可完成掘進(jìn)動(dòng)作。

1.4.3掘根功率和刀筒直徑等參數(shù)

實(shí)際工作過程中，刀筒將竹根周圍的須根切斷，刀筒轉(zhuǎn)速為500～1 000 r/min為佳[19-22]。

式中P電機(jī)為工作機(jī)構(gòu)電機(jī)功率，kW；P發(fā)電機(jī)為外部動(dòng)力發(fā)電機(jī)功率，kW；P氣泵為氣泵功率，kW。

根據(jù)式（3）可求出所需工作機(jī)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩[23]。

式中T為工作機(jī)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，N·m；P電機(jī)為工作機(jī)構(gòu)電機(jī)功率，kW；n電機(jī)為轉(zhuǎn)速，r/min。

限于樣機(jī)最大尺寸要求以及竹徑的大小，樣機(jī)模型的刀筒外徑可為40～120 mm，內(nèi)徑為36～116 mm，長(zhǎng)度為370 mm，氣缸行程為250 mm，可以挖掘直徑范圍為20～116 mm、根深為100～300 mm的竹根。

1.4.4刀筒扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

由于刀筒在高速旋轉(zhuǎn)掘根時(shí)，刀筒會(huì)承受較大的扭矩作用而發(fā)生斷裂，因此需要對(duì)刀筒強(qiáng)度進(jìn)行校核，可以根據(jù)式（4）[24]計(jì)算扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

式中Tr為扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，Pa；[Tr]為許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，Pa；P軸為軸承受的外部電機(jī)傳遞功率，kW；n軸為軸轉(zhuǎn)速，r/min。

1.5整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

DX1B型挖掘機(jī)主要應(yīng)用于江浙丘陵山區(qū)，竹子密、坡度大等條件地塊，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合山區(qū)不同土壤性質(zhì)、不同竹根直徑、不同竹根深度等竹根挖掘的過程要求，該機(jī)采用動(dòng)力源與工作機(jī)構(gòu)分離結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)山地林間作業(yè)，避免了挖掘過程中機(jī)器難以搬運(yùn)的問題。另外，采用電氣作為挖掘動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)竹根自動(dòng)挖掘，提高了挖掘效率，降低了竹農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度。該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　主要性能指標(biāo)參數(shù)Table 1　Main performance parameter

2　主要零部件的有限元力學(xué)仿真分析

2.1刀筒的力學(xué)分析

刀筒是DX1B型挖掘機(jī)的主要工作部件，有必要采用有限元法和專業(yè)軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析[25-27]。以外徑63 mm刀筒為例，刀筒材料選擇合金鋼，其參數(shù)為：屈服強(qiáng)度E＝620 MPa、密度ρ＝7 700 kg/m3、泊松比μ＝0.28。邊界條件為約束刀筒底部沿基準(zhǔn)軸的徑向運(yùn)動(dòng)和刀筒沿X軸方向的運(yùn)動(dòng)，模擬刀筒與地面的挖掘。刀筒的載荷主要為工作電機(jī)的額定扭矩10 N·m，設(shè)置在刀筒頭部的六面體表面處，并考慮刀筒自重影響。圖2a為刀筒應(yīng)力云圖，由圖2a可知最大應(yīng)力在刀筒的螺旋槽上面，最大的馮米賽斯應(yīng)力值約為195.6 MPa，發(fā)生在刀筒底部螺紋槽與刀齒連接處，材料的屈服強(qiáng)度為620 MPa，則安全系數(shù)可達(dá)3.2，刀筒的強(qiáng)度符合要求；圖2b為刀筒位移云圖，由圖2b可知刀筒的最大合位移發(fā)生在刀筒與機(jī)軸連接處，最大位移約為0.05 mm。

圖2　刀筒有限元靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.2　Finite element static analysis results of cylinder cutter

2.2壓力彈簧的應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度分析

對(duì)刀筒內(nèi)的壓力彈簧進(jìn)行了靜力分析和疲勞分析。材料為65號(hào)鋼，其參數(shù)為：屈服強(qiáng)度E≥410 MPa；密度ρ＝7 850 kg/m3；泊松比μ＝0.3；抗剪模量τ＝8×1010Pa。約束設(shè)置在彈簧兩端的圓柱體上，零部件接觸為全局接觸，約束類型設(shè)置為下端圓形推盤固定和上端活塞圓柱面上徑向位移為0，約束沿圓柱面的徑向運(yùn)動(dòng)。彈簧的主要載荷是最大氣缸推力1 510 N，并考慮自身質(zhì)量影響。圓柱彈簧截面所受的主要是剪切力作用[28]，如圖3所示為彈簧YZ基準(zhǔn)面Z方向的抗剪應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力結(jié)果約為4.6×109Pa。圖4所示為壓力彈簧的疲勞應(yīng)力-壽命曲線，當(dāng)應(yīng)力幅為200 MPa時(shí)，循環(huán)次數(shù)近100萬次。

圖3　彈簧抗剪應(yīng)力云圖Fig.3　Contour of spring shear stress

圖4　疲勞應(yīng)力-壽命曲線Fig.4　Fatigue stress-life curve

2.3支架的模態(tài)分析

支架是竹根挖掘機(jī)工作裝置中最主要的支承部件，其的模態(tài)特性對(duì)整個(gè)工作裝置的動(dòng)態(tài)性能有很大影響，容易受到電機(jī)的振動(dòng)頻率影響發(fā)生共振，因此要對(duì)支架進(jìn)行模態(tài)分析獲得其固有頻率和振型，在設(shè)計(jì)過程中避開共振頻率激勵(lì)?？紤]自重影響并約束設(shè)置為支架腿底部位移約束，其前四階的固有頻率和振型如圖5所示。

圖5　支架前4階模態(tài)分析結(jié)構(gòu)Fig.5　Modal analysis results of holder

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知：第一階振型的固有頻率為33.23 Hz，如圖5a所示，支架的振型主要是前后擺動(dòng)；第二階振型的固有頻率為36.23 Hz，如圖5b所示，支架的振型主要是左右擺動(dòng)；第三階振型的固有頻率為91.30 Hz，如圖5c所示，支架的振型主要是在豎直方向上的扭轉(zhuǎn)；第四階振型的固有頻率為106.98 Hz，如圖5d所示，支架的振型主要是3條支腿的內(nèi)外彎曲變形。本文中的挖掘機(jī)電機(jī)的頻率約為50 Hz，與支架的前四階固有頻率存在一定差距，所以該支架設(shè)計(jì)方案具有較好的動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性。

3　性能試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)設(shè)備及條件

圖6為DX1B型自動(dòng)竹根挖掘機(jī)的物理樣機(jī)圖。2015 年5月，為了驗(yàn)證該機(jī)的實(shí)際操作性能和工作能力，課題組在浙江衢州的山區(qū)林地對(duì)土壤中殘留的竹根進(jìn)行了挖掘試驗(yàn)[29-31]，選取挖掘的竹根直徑為30～70 mm。同時(shí)，考慮竹鞭和竹須對(duì)竹根挖掘過程的影響，挖掘試驗(yàn)中的竹根中還包括有活竹根（當(dāng)場(chǎng)砍伐竹根）進(jìn)行了挖掘試驗(yàn)。竹根挖掘機(jī)配套動(dòng)力為重慶維斯特3.0 kW汽油發(fā)電機(jī)。

圖6　DX1B型竹根挖掘機(jī)實(shí)物圖Fig.6　DX1B bamboo roots grab equipment model

圖7為在山地竹林中開展竹根挖掘的試驗(yàn)情況照片，其中圖7a為試驗(yàn)而新砍伐后殘留在土壤中的活竹根；圖7b為挖掘機(jī)自動(dòng)工作過程；圖7c為挖掘結(jié)果；圖7d為經(jīng)過多次試驗(yàn)挖掘出來的部分竹根。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖7　樣機(jī)竹林試驗(yàn)Fig.7　Pictures of experiments

3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）由表2可知，通過更換不同筒徑的刀筒對(duì)不同根徑的竹根以及不同干燥程度的土壤進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了該機(jī)可以很好地實(shí)現(xiàn)多種不同的工況下的竹根挖掘，挖掘出的竹根結(jié)果對(duì)應(yīng)圖7d。試驗(yàn)中有些竹根深度達(dá)到300～400 mm左右，而該機(jī)最大有效行程為250 mm，但是經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)竹根只需要到達(dá)150～200 mm左右的深度時(shí)，即可將竹底部根須扭斷從而將竹根帶出，節(jié)省了大量的工作時(shí)間和能源。

2）該機(jī)可自動(dòng)挖掘竹根直徑為30～70 mm的竹根，挖掘過程時(shí)長(zhǎng)平均為2～5 min，相對(duì)于傳統(tǒng)的手工挖掘一個(gè)竹根所需時(shí)間大約為5～15 min，挖掘效率提高60%以上。而且，整個(gè)過程無需與土壤接觸，可以替代人工作業(yè)。此外，可折疊式伸縮支架設(shè)計(jì)不僅起到了支撐的作用更方便搬運(yùn)和調(diào)整行程。

3）不同干燥程度和土壤組成對(duì)掘根的效果影響有所不同，如圖7d所示。本文進(jìn)行了不同類型土壤的竹根挖掘，圖7d中對(duì)應(yīng)的1號(hào)竹根為較為潮濕土壤的挖掘結(jié)果，此土壤中大部分為黃土，挖掘后土壤比較碎，竹根有可能需要手動(dòng)從土中摘出；圖7d中對(duì)應(yīng)的2號(hào)竹根為中等干燥土壤的挖掘結(jié)果，此土壤中有少量砂石顆粒，竹根被挖掘后竹根被土壤包裹較為緊密，呈較為完整的圓柱形，可以順利地從土壤中自動(dòng)帶出；圖7d中對(duì)應(yīng)的5號(hào)竹根為干硬土壤的挖掘結(jié)果，此土壤中甚至帶有較大的砂石，但是該機(jī)器依然可以成功地實(shí)現(xiàn)竹根自動(dòng)挖掘并將竹根從土中帶出，而且竹根除靠近地表的部分有點(diǎn)碎之外其余部分形狀保持良好，砂石顆粒也被完整切割。

4）工作機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度對(duì)整個(gè)挖跟機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)給速度過大，則挖掘反作用力較大，使整個(gè)支架和工作機(jī)構(gòu)被反頂，影響掘根進(jìn)行；反之，進(jìn)給速度太小導(dǎo)致掘根時(shí)間過長(zhǎng)，嚴(yán)重影響掘根的效率。經(jīng)過多次調(diào)速試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)速度為2 mm/s左右時(shí)，工作機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性和效率最優(yōu)。

4　結(jié)　論

1）研制了一種能夠適應(yīng)丘陵山地等復(fù)雜地況以及不同土壤性質(zhì)的集自動(dòng)掘進(jìn)挖根、取根、排土、排根一體化的DX1B型竹根挖掘機(jī)，并進(jìn)行了竹根挖掘機(jī)的仿真分析與試驗(yàn)。

2）通過有限元分析得出了刀筒最大的Von mises應(yīng)力值為195.6 MPa，安全系數(shù)可達(dá)3.2；刀筒內(nèi)壓力彈簧的最大應(yīng)力結(jié)果約為4.6×109Pa，而當(dāng)應(yīng)力幅為200 MPa時(shí)，循環(huán)次數(shù)可達(dá)近100萬次；支架的前四階固有頻率不易受到外部激勵(lì)影響，設(shè)計(jì)方案具有較好的動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性。

3）林間性能試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析與設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與合理性。該樣機(jī)最佳的掘進(jìn)速度約為2 mm/s，最大有效行程為250 mm，可挖掘竹根直徑為30～70 mm，挖掘過程時(shí)長(zhǎng)平均為2～5 min，效率比人工挖掘提高60%，且竹根外形保持良好。

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Design and experiment of DX1B bamboo root excavator

Deng Xiaolei, Li Xin, Xia Xinxin, Yang Zhen, Xu Tianwei, Qiu Zhiwei
（College of Mechɑnicɑl Engineering, Quzhou Universtiy, Quzhou 324000, Chinɑ）

Abstract:There are more than 40 genera and 500 species of bamboo plants in China. Bamboo forest total area is up to 4.2 million hm2， and annual production is 18 million tons. Bamboo processing industry in China has been expanding and growing quickly because of good social and economic benefits as well as better environment protection significance， and this will drive the exploitation and use of bamboo resource. However， the bamboo roots hewn occupy a round range with a diameter of about 0.5-0.7 m and rot in several years in the land， which thus will block the growth of underground bamboo roots system if not be cleaned out in short time. Then the rapid comeback and progress of bamboo resource will be influenced， and meanwhile the land resource will also be wasted. In order to solve the low level of mechanization in the process of bamboo root grabbing， in view of the key factors affecting the bamboo root grabbing in the complex areas of bamboo forest and the different agronomy requirements， we researched and designed the automatic bamboo root excavator to solve the related problems. The main working principle of the bamboo root excavator was described. The design of the main structure and key parts was proposed. And the critical parameters were calculated. In addition， the cylindrical cutter and the pressure spring were analyzed by the finite element method. Theory analysis and simulation were presented to testify that the strength of the machine could satisfy the requirements of bamboo root grabbing. The analysis results showed that the von Mises stress of cylindrical cutter was about 195.6 MPa and its safety coefficient was 3.2. Besides， the maximum stress of pressure string was 4.6×109Pa. Meanwhile，the modal analysis was carried out on the holder of machine to obtain the first four-order natural frequencies and mode shapes; the first four-order nature frequencies were 33.227， 36.23， 91.297 and 106.98 Hz， respectively. The first order and the second order frequency were close， so they could be seen as the multiple roots of the vibration equation. The analysis of the dynamic stability was proposed in order to avoid the resonance frequency during the structural design. Finally， the experiments with small prototype were carried out in bamboo forest to verify the performance of the machine. In the experiments， the diameters of cylindrical cutters were from 40 to 120 mm， and the diameters of the corresponding grabbed bamboo roots were from 30 to 70 mm. The maximum grabbing depth was 250 mm. The experiments showed that the majority of the bamboo roots could be grabbed by digging down about 150 to 200mm rather than digging to their bottom. And the shapes of bamboo roots were kept well. When the grabbing speed was about 2 mm/s， the stability and efficiency of the prototype were optimal. The entire grabbing process needed 2-5 min. The efficiency was improved by more than 60% compared with the manual grabbing. The results show that the designed bamboo root excavator realizes the automatic feeding and picking， and has the functions of automatically discharging soil and grabbing roots. During the grabbing， the worker does not need to contact with bamboo roots and soil. The research can offer a solution for the bamboo root grabbing in the complicated hilly and mountainous area. It can provide a reference for the development of full automation of bamboo root grabbing.

Keywords:agriculture machinery; design; computer simulation; bamboo roots; automatic feed; automatic discharge grabbed roots; bamboo roots grab; performance experiment

作者簡(jiǎn)介：鄧小雷，副教授，博士，主要從事機(jī)電一體化產(chǎn)品CAD/CAE/CAM技術(shù)及數(shù)控技術(shù)與裝備自動(dòng)化技術(shù)研究。衢州衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，324000。Email：dxl@qzu.zj.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51505253）；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（LY16E050011）；浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目（KG2015383）；衢州學(xué)院中青年學(xué)術(shù)骨干培養(yǎng)項(xiàng)目（XNZQN201203）

收稿日期：2015-08-14

修訂日期：2015-12-10

中圖分類號(hào)：S281

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6819（2016）-02-0029-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.005