樹干繃帶環(huán)形纏繞機構設計與優(yōu)化研究

摘要：隨著各地風景綠化建設引入外來樹木數(shù)量的增多，對不耐寒樹木進行繃帶包裹是避免其在寒冷天氣下凍傷的重要舉措。為實現(xiàn)繃帶包裹的高效、高質(zhì)量和低能耗，計算了繃帶最優(yōu)重疊量，設計了環(huán)形纏繞機構，并優(yōu)化了參數(shù)。通過離散元法建立繃帶模型，借助EDEM 中的Heat Conduction 模塊對樹干在?19 ℃（253 K）的環(huán)境溫度下進行8 h的熱傳遞仿真，設置多組不同繃帶重疊量，得到樹干不被凍傷所需的繃帶重疊量的最小值為1/2。利用Solid Works軟件對纏繞機構關鍵部件C形轉(zhuǎn)動環(huán)進行建模，將模型導入ADAMS進行纏繞轉(zhuǎn)動的動力學仿真。以環(huán)寬、環(huán)厚和模數(shù)為設計因素，以所受應力和質(zhì)量為響應值，設計響應面試驗方案。根據(jù)ADAMS仿真得到的數(shù)據(jù)，構建應力和質(zhì)量的回歸方程并對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，得到最優(yōu)結構參數(shù)：環(huán)寬為109.352 mm、環(huán)厚為70 mm、模數(shù)為4.5 mm，此參數(shù)組合下應力為15.589 MPa、質(zhì)量為51.905 kg。通過驗證試驗和樣機試驗證明了運動學仿真和優(yōu)化設計的可行性。以上研究結果可為樹木保溫防護和繃帶纏繞裝置設計研發(fā)提供一定參考。

關鍵詞：樹木保溫；繃帶；熱能分析；ADAMS；響應面法

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0691

中圖分類號：S776 文獻標志碼：A 文章編號：10080864（2025）03012211

城市美化和綠化工程中樹種移栽和培育的關鍵是在冬季幫助樹木抵抗低溫、霜凍、寒潮等極端天氣，避免凍害使樹木無法成活[1-3]。在氣溫低于273 K（ 0 ℃）時，大多數(shù)樹木都會由于細胞間隙的水分結冰造成細胞結構損壞，導致植物組織死亡[4]。為減輕寒冷天氣對樹干造成的傷害，各地區(qū)采取不同的措施進行樹木防寒。采用保溫繃帶對不耐寒樹木進行一定厚度、高度的包裹可幫助樹木抵抗寒冷與蟲害，有效保障樹木的生長[56]。由于天氣變幻莫測，短時間內(nèi)進行大規(guī)模、快速和高質(zhì)量的人工包裹樹繃帶是不可能的。因此，確定繃帶最優(yōu)重疊量和提高C形轉(zhuǎn)動環(huán)的性能是實現(xiàn)繃帶包裹高效、高質(zhì)量和低能耗的關鍵。

雖然直接針對樹干繃帶纏繞的裝置設計較少，但對環(huán)形旋轉(zhuǎn)類機構進行了大量研究。史耀耀等[7]通過試驗和工程經(jīng)驗得到了關鍵參數(shù)對纏繞質(zhì)量的影響，確定了纏繞布帶的溫度、所受壓力和張力的組合。吳曉等[8]通過理論計算和多次試驗，對膠帶的剝離拉力進行力學分析，確定了最優(yōu)的膠帶剝離角。張慧敏等[9]利用ADAMS 軟件進行動態(tài)仿真，分析了摩擦因素和膠帶所受壓力對纏繞機構運動特性的影響。Deng 等[10]采用單參數(shù)敏感性分析的方法研究了膠帶溫度、張力和所受壓力對纏繞質(zhì)量的影響，通過響應面法確定最優(yōu)參數(shù)組合。以上研究對如何提高繃帶纏繞質(zhì)量有很大幫助，但研究對象均為小型纏繞機構，對于大體積、大口徑纏繞機構的研究尚有欠缺。

樹干的保溫效果主要取決于繃帶的重疊量，C形轉(zhuǎn)動環(huán)是纏繞機構的關鍵部件，由于其在工作過程中需帶動繃帶進行旋轉(zhuǎn)，受到較大應力而產(chǎn)生形變[11]。因此，本文通過離散元法建立繃帶模型，研究保溫效果與繃帶重疊量關系，利用ADAMS軟件對纏繞轉(zhuǎn)動進行動力學仿真，采用響應面法確定C形轉(zhuǎn)動環(huán)的最優(yōu)結構參數(shù)組合，對最優(yōu)結構參數(shù)進行有限元應力分析，確保強度上滿足安全要求，旨在為樹木保溫防護和繃帶纏繞裝置的研發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 EDEM 仿真建立

本文選取尼龍作為繃帶原材料，通過EDEM中的Heat Conduction模塊測定數(shù)據(jù)，得出繃帶重疊量對樹干保溫效果的影響。

1.1.1 樹干離散元模型 木材分子結構復雜，建立樹干的離散元所需粒子數(shù)目較多，為減少計算量，設置以下假設和初始條件。假設樹干屬性為各向同性且密度分布均勻；設定樹木溫度為288 K，環(huán)境溫度為253 K（?19 ℃）；由于EDEM無法設置恒溫粒子，因此將空氣粒子比熱容設為無窮大，此時空氣粒子近似作為恒溫源。樹干可近似看作規(guī)則圓柱，故選取樹干橫截面對繃帶保溫效果進行分析。根據(jù)樹干結構特征建立樹干層、樹皮層、繃帶層，樹干層厚度為300 mm，樹皮層厚度為10 mm，繃帶層厚度為10 mm。

1.1.2 樹干離散元參數(shù)設定 為了真實地模擬顆粒之間的接觸，繃帶層與樹皮層以及樹皮層與樹干層的接觸均選擇了Hertz-Mindlin（no slip）接觸模型。熱傳遞模型為Heat Conduction模型，主要參數(shù)有材料密度、導熱系數(shù)和比熱容。為模擬繃帶重疊量對樹干保溫效果的影響，采用 EDEM 軟件進行顆粒填充與參數(shù)設定，相關參數(shù)[12]如表1所示。

1.2 纏繞機構設計

1.2.1 裝置結構與工作原理 樹干繃帶環(huán)形纏繞機構是繃帶包裹裝置的關鍵結構，使繃帶環(huán)狀纏繞并固定在樹干上。纏繞機構主要由承載平臺、C 形轉(zhuǎn)動環(huán)、V 帶輪、主動齒輪等組成，如圖1所示。承載平臺作為支撐件承載整個機構，主動和從動V帶通過輪固連構成V帶傳動輪組，驅(qū)動電機作為動力來源，通過V 帶傳動和齒輪傳動使C形轉(zhuǎn)動做旋轉(zhuǎn)運動，進而完成繃帶包裹的任務。

1.2.2 基本尺寸設計 環(huán)形纏繞機構（圖2）適用于直徑550 mm及以下的樹干，圖中d 為C形轉(zhuǎn)動環(huán)內(nèi)徑，900 mm；W為開口寬度，600 mm；dd1 為主動V 帶輪直徑，180 mm;dd2 為從動V 帶輪直徑，360 mm；a0 為主從V帶輪軸間距，800 mm；L'為從動V帶輪軸間距，1 044 mm。

纏繞機構進行包裹工作時，C形轉(zhuǎn)動環(huán)運動可分解為單向轉(zhuǎn)動和豎直向上的勻速直線運動，要求載荷變化較為平穩(wěn)。本文選用尼龍繃帶寬度為120 mm，厚度為10 mm，包裹繃帶高度h為[1.6 m，1.8 m]，包裹總時長為[45 s，60 s]。