手持式桉樹幼苗種植器動桿疲勞分析

溫曉霞，薛 忠，陳少雄，李 慧＊

(1.廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院信息系，廣東 湛江524094; 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江524091;

3.國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

手持式桉樹幼苗種植器動桿疲勞分析

溫曉霞1，薛 忠2，陳少雄3，李 慧3＊

(1.廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院信息系，廣東 湛江524094; 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江524091;

3.國家林業(yè)局桉樹研究開發(fā)中心，廣東 湛江 524022)

手持式桉樹幼苗種植器是一種簡易的苗木種植輔助工具，在林地面積較小、林地為山地時(shí)，由于常常不適宜使用大型機(jī)械化作業(yè)，此時(shí)有廣泛實(shí)用價(jià)值。本研究針對自行設(shè)計(jì)的手持式桉樹幼苗種植器動桿部分使用SolidWorks軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模并導(dǎo)入Ansys-Workbench軟件開展有限元靜力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞分析，找出其薄弱區(qū)域和壽命曲線，通過分析得出最大破壞應(yīng)力為3.677 2×108Pa, 最小安全因子僅為0.260 47, 100%載荷條件下循環(huán)壽命約為5 000次，各指標(biāo)的限制因素均出現(xiàn)在焊接部位。

苗木移栽器；疲勞；Workbench

桉樹(Eucalyptus)具有生長快、輪伐期短、適應(yīng)性廣、需肥量大等特點(diǎn)，其種植面積在世界范圍較大，截止目前，桉樹人工林面積已達(dá)2 100萬hm2，大部分集中在巴西、印度及中國[1]。在我國，目前種植區(qū)域多集中在廣西、廣東、福建等華南地區(qū)，該地區(qū)擁有充足的雨水和陽光，為林木速生豐產(chǎn)提供了良好的自然條件，但該地區(qū)的林業(yè)土壤多為農(nóng)業(yè)棄地，一般較為貧瘠[2]，在桉樹幼苗種植時(shí)常常會遇到種植區(qū)面積較小、山地較多的情況，不適合于大型機(jī)械化作業(yè)，存在施工較難、效率較低、有安全隱患等問題，同時(shí)機(jī)械作業(yè)對土壤往往有一定的破壞作用：一方面通過車胎輾壓，使大部分土壤塌實(shí)、降低土壤通透性、改變土壤容重；另一方面，由于機(jī)械作業(yè)挖穴較大，往往對挖穴處的土壤產(chǎn)生了機(jī)械擾動，容易造成土壤過分松動、降低土壤抗侵蝕和保水、蓄水的能力[3]，嚴(yán)重影響苗木成活率。而傳統(tǒng)的人工開穴、手工種植的方式則導(dǎo)致工作效率低下、勞動強(qiáng)度大[4]，同時(shí)使種植成本大大提高，對桉樹的營林極為不利。手持式桉樹幼苗種植器是一種簡易的苗木移栽輔助工具，它能在不改變土壤物理參數(shù)的前提下提高苗木種植效率，減少勞動強(qiáng)度，因此具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 手持式桉樹幼苗種植器工作原理及組成

手持式桉樹幼苗種植器規(guī)格為9 cm(管徑) × 40 cm(寬) × 100 cm(高)示意圖如圖1(b)所示，由入土部件鴨嘴AB、導(dǎo)苗管1、動桿2、腳踏板6、手柄7等部件組成。

進(jìn)行苗木種植時(shí)將鴨嘴緊閉的手持式桉樹幼苗種植器垂直插于松軟苗穴上，雙手扶持確保導(dǎo)苗管垂直，腳踩踏板使鴨嘴深入苗穴，然后將幼苗順著放入導(dǎo)苗管，雙手拉緊手柄使入土的鴨嘴張開，幼苗順著導(dǎo)苗管落入苗穴的同時(shí)提起移苗器完成植苗作業(yè)。

圖1 手持式桉樹幼苗種植器

2 動桿的受力分析與有限元模型

2.1 入土阻力

本文所研究的種植器動桿以入土鴨嘴為主要工作部件，其三維實(shí)體模型如圖2示。完成切土動作時(shí)與土壤的接觸面為鴨嘴的外表面。

圖2 入土鴨嘴的三維實(shí)體模型

在20世紀(jì)80年代，張彥英等[5]人提出中型直鏟式樹木移栽機(jī)下鏟阻力經(jīng)驗(yàn)公式：

桉樹幼苗種植器工作時(shí)的入土角度為 30°~ 45°，深度 150 mm，對于類似受力情況，工作阻力取1 430 N進(jìn)行分析[6-8]。

2.2 動桿的有限元模型

在Solidworks中先建立起三維實(shí)體模型如圖3所示，然后導(dǎo)入Ansys-Workbench中進(jìn)行分析。

圖3 三維模型

在靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析工具箱中進(jìn)行靜力學(xué)分析，找出最大破壞位置，再使用疲勞分析工具 Fatigue Tool進(jìn)行計(jì)算。

由于動桿結(jié)構(gòu)簡單，因此使用完整模型做有限元分析，將模型使用Mesh命令劃分網(wǎng)格，最終劃分結(jié)果為：節(jié)點(diǎn)數(shù)5 952個(gè)，單元數(shù)2 948個(gè)，劃分好網(wǎng)格的有限元模型如圖4所示。

材料使用的是Q235鋼，在模型中定義材料特性，彈性模量E=200 GPa，泊松比μ=0.3，密度使用Workbench中默認(rèn)的鋼密度ρ=7 850 kg·m-3[9]。

圖4 動桿有限元模型

3 靜力分析

使用Workbench中的static分析模塊進(jìn)行靜力學(xué)分析，動桿的約束端為轉(zhuǎn)動銷孔處，受力點(diǎn)為鴨嘴外表面和手柄位置。由受力平衡計(jì)算手柄處的力約為鴨嘴受力的1/4，約為350 N。由于土壤并不是均勻?qū)嶓w，且受力大小隨著入土深度增加而變化，情況較復(fù)雜，為解決問題，本文將入土鴨嘴處施加集中力代替原來的復(fù)雜分布載荷。分析結(jié)果如圖5 ~ 6。

圖5 等效應(yīng)力云圖

圖6 位移云圖

由圖 5可以看出最大應(yīng)力并不是出現(xiàn)在銷孔處，而是鴨嘴與手柄焊接位置及其過渡部分，最大可達(dá)到3.677 2×108Pa，焊接質(zhì)量將會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的整體質(zhì)量，因此在焊接工藝中應(yīng)采取一定措施，打磨焊接處表面，以減小由于表面不平整及焊接時(shí)高溫引起的變形等帶來的應(yīng)力影響。由圖6可以看出在手柄處位移最大，這是由杠桿作用產(chǎn)生的，以鴨嘴銷孔處為固定點(diǎn)，手柄處于杠桿的長端。考慮實(shí)際情況，以整個(gè)鴨嘴的位移為研究對象，最大位移小于5.207 2 mm。

圖7 安全因子云圖

由圖7可以看出，最小安全因子位置在焊接處及其過渡區(qū)域，最小值僅有0.260 47，結(jié)合圖5可知，焊接質(zhì)量的好壞是質(zhì)量控制的關(guān)鍵。另外在銷孔附近區(qū)域的安全因子也較低，在設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)考慮適當(dāng)放大安全系數(shù)。

疲勞破壞一般是有疲勞源，然后再從疲勞源逐漸擴(kuò)張，在交變載荷的持續(xù)作用下，擴(kuò)張到部件的靜強(qiáng)度不足時(shí)突然斷裂，但是整機(jī)或部件的設(shè)計(jì)壽命未到，因此其危害極大。疲勞源通常是難以準(zhǔn)確預(yù)知的，由圖8可以看出在焊接的過渡區(qū)域?qū)⒂锌赡艹霈F(xiàn)疲勞源，是壽命最薄弱的地方，由本文設(shè)定工況下的循環(huán)壽命最低僅為4 857.5次，其它部分最大循環(huán)壽命可以達(dá)到1× 106次。

圖8 疲勞壽命云圖

圖9為疲勞敏感性圖，描述的是在基本載荷的50% ~ 150%的范圍內(nèi)循環(huán)壽命的次數(shù)。由圖可知，在100%載荷條件下循環(huán)壽命約為5 000次，隨著載荷比例增加，壽命逐步降低。在50%的的載荷條件下有5× 1 05次以上的循環(huán)壽命。

圖9 疲勞敏感性圖

4 結(jié)論

(1) 手持式桉樹幼苗種植器動桿的薄弱位置是鴨嘴與手柄焊接位置及其過渡部分，在本文的設(shè)定工況下最大破壞應(yīng)力可達(dá)到3.677 2×108Pa。

(2) 動桿的最小安全因子位置在焊接處及其過渡區(qū)域，另外銷孔附近安全因子也較?。蛔钚“踩蜃觾H為0.260 5。

(3) 在100%載荷條件下循環(huán)壽命約為5 000次，主要在焊接處及其過渡區(qū)域出現(xiàn)疲勞源。

(4) 焊接工藝是動桿的設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素，焊接區(qū)域的質(zhì)量極大地影響了疲勞壽命。綜上所述，該種植器的受力限度、安全因子及循環(huán)壽命的限制因素均出現(xiàn)在焊接部位，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以此為最大考量，并著重考慮焊接處的焊接質(zhì)量。

[1] M idgley S J.Making a difference: celebrating success in Asia[J].Australian Forestry,2013,76(2):73?75.

[2] 陳少雄.不同施肥措施對桉樹優(yōu)勢高生長的影響[J].桉樹科技,1994(2):15?19.

[3] 李雪芹.機(jī)械擾動對土體穩(wěn)定性的影響研究[D].石河子:石河子大學(xué),2011.

[4] 劉新忠,高召民,李敬文.HHLJK-1型幼苗多用移栽器在黃河種植中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2011(4): 74?75.

[5] 張彥英,顧正平.直鏟式樹木移植機(jī)下鏟阻力的探討[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1988,10(2):38?45.

[6] 薛忠,黃暉,李明,等.4UMS–390Ⅱ型木薯收獲機(jī)的研制[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(8):79?81,85.

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Analysis of Rod Fatigue Dynam ic Hand-held Seed ling Planting Device

WEN Xiao-xia1, XUE Zhong2, CHEN Shao-xiong3, LI Hui3
(1. Department of Information, Cunjin College of Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524094, Guangdong, China; 2. Agricultural Machinery Institute of CATAS, Zhanjiang 524094, Guangdong, China; 3.China Eucalypt Research Centre, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)

The hand-held seedling planting device is a simple auxiliary tool which can be used in seedling transplantation; it w ill be widely used during to the unavailable mechanical operation under the small forest area and mountainous region. In this study, the rod part of the hand-held seedling planting device would be modeled through the SoldiWorks software and the Finite static analysis could be conducted w ith introducing the Ansys-Workbench software. Based on these works, the fatigue analysis can be conducted, the weak areas can be found and the life curve can be drew. According to the analysis, the maximum fail stress is 3.677 2 × 108Pa,the minimum safety factor is 0.260 47,the cycle life was about 5 000 times under full load. The limit factor is the welding position.

seedling planting device; fatigue analysis; Workbench

S223.9

A

2014-02-10

國家林業(yè)局948技術(shù)引進(jìn)項(xiàng)目“巴西桉樹雜種及標(biāo)準(zhǔn)化施肥技術(shù)引進(jìn)”(2013-4-36)

溫曉霞(1984— )，女，碩士，助教，主要從事MOCVD技術(shù)與光電子器件研究.E-mail:wenxiaoxia.8401@163.com

＊通訊作者：李慧(1984— )，男，碩士，助理工程師，主要從事桉樹培育研究.E-mail:li.hui.cool.love@163.com