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塔里木大學畢業(yè)設計
小型果樹移栽機及其鏟斗組件的仿真分析
學生姓名
學 號
所屬學院 機械電氣化工程學院
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級
指導教師
日 期 2012.6
xx大學教務處制
29
前 言
果業(yè)發(fā)展是人類生存和社會經(jīng)濟發(fā)展的經(jīng)濟基礎，一個能夠持續(xù)發(fā)展的果業(yè)應該是一個既能滿足當前需要又不危后繼需求的產業(yè)。因而，隨著世界性果業(yè)日益發(fā)展，節(jié)約成本和尋找新移植植方式就擺在了人們的面前。
我國幅員遼闊，具有豐富的土地資源和良好的開發(fā)基礎。隨著科技的進步，人們生活水平的提高，對果品的消費需求呈增長趨勢。因此發(fā)展果業(yè)勢在必行。
棗業(yè)是果業(yè)中的一種，在南疆一帶種植廣泛，但是移栽效率低，我國的移栽技術剛剛處于起步試驗階段，目前仍以人工移栽為主。人工移栽難以實現(xiàn)大規(guī)模種栽植，從而導致生產規(guī)模小，生產效益低，不利于移栽技術的推廣。從長遠來看，機械化移栽可以實現(xiàn)育苗移栽一體化?，F(xiàn)階段我國移栽技術發(fā)展極不平衡。我國針對不同的果樹及其它作物分別研制了相應的栽植機，由于栽植作業(yè)質量與農藝要求還有一定差距，未能大面積推廣。隨著林果業(yè)種植面積和生產規(guī)模的擴大，在有人工作業(yè)方式使用，已不能滿足林果產業(yè)化的步伐。我國在引進國外技術的基礎上開發(fā)自己的產品，以緩解勞動力緊張和提高生產效率。因此棗樹移栽機的發(fā)展已成為棗樹移栽的趨勢。
目錄
1.緒論 1
1.1課題研究的目的和意義 1
2.機械化移栽目前存在的問題 2
2.1移栽前應考慮的因素 2
2.2移栽過程中應該注意的事項 3
2.3移栽后的管理與維護 3
3.設計方案的選擇 3
3.1方案一 3
3.2方案二 4
3.3方案三 6
3.4方案四 7
4.總體方案的確定 8
5.小型果樹移栽機總體結構的設計 9
5.1鏟斗組件的設計 9
5.2開合機架的設計 9
5.3提升機構的設計 10
5.4提升架的設計 10
5.5液壓裝置 10
6.小型果樹移栽機的工作過程 10
7.挖樹機構鏟斗的有限元分析 10
7.1案例一 10
7.2案例二 14
7.3案例三 17
7.4案例四 19
7.5案例五 21
8.液壓傳動系統(tǒng)結構 23
8.1液壓傳動系統(tǒng)的作用 23
8.2液壓傳動系統(tǒng)的組成 23
8.3液壓基本回路圖 23
8.4液壓傳動系統(tǒng)的工作原理 24
8.5液壓泵 24
8.5.1液壓泵的基本原理 24
8.5.2液壓泵的工作特點 24
8.6液壓缸 25
8.6.1液壓缸的結構 25
9.技術經(jīng)濟性分析 25
10.結論 25
致謝 27
參考文獻 28 1.緒論
1.1課題研究的目的和意義
果樹在栽植過程中都是沿用傳統(tǒng)的人工栽植的方法，傳統(tǒng)栽植法勞動力大、強度大，機器的機動性、適應性低，能耗高、效率較低等問題。要實現(xiàn)由傳統(tǒng)栽植技術向現(xiàn)代栽植技術的轉變。需因地制宜，大力發(fā)展果樹栽植機械化。為了充分利用資源減少自然災害，爭取高產，機械化移栽是有效途徑。這樣可以解決人工栽植過程中的栽植勞動強度大，所需勞動力較多，產品粗大笨重，成本高、效率低，質量難以保證的問題。紅棗種植過程機械化程度的提高，大大降低了勞動強度，大量解放勞動生產力向二三產業(yè)轉移，有助于農村城市化、工業(yè)化，對提高農民素質和生活質量，實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化具有重要的作用。紅棗生產中的移栽是果樹撫育機械之一，是實現(xiàn)棗業(yè)全程機械化的一個重要一環(huán)。因此移栽機研究的目的毋庸置疑。
生態(tài)果業(yè)機械化發(fā)展已經(jīng)步入新的歷史起點，生態(tài)果業(yè)機械化作為發(fā)展現(xiàn)代化農業(yè)的主要內和主要標志，適合地區(qū)生產需要的栽植機植種類較少、單一，科技含量不高，不能滿足果業(yè)生產發(fā)展的要求。因此在此大好的趨勢之下發(fā)展小型果樹移栽機是非常有意義的。
1.2國內外研究現(xiàn)狀分析[1]
國內對農作物的機械化育苗移栽技術的研究早在20世紀50年代未60年代初就已經(jīng)開始。由于沒有突破育苗移栽機械化過程中的技術難題，使這一技術擱淺。
近年來由于農業(yè)生產的發(fā)展，新技術、新工藝的出現(xiàn)，為移栽機具的發(fā)展提供了很好的發(fā)展前景，20世紀80年代以后近年來由于農業(yè)生產的發(fā)展，移栽機具發(fā)展迅速，從不到l 000臺上升到將近8 000臺。東北等大型農場多采用工廠化營養(yǎng)缽苗和機械化栽植技術，總體水平相對較高。
我國長期以來，樹苗移植一直沿用傳統(tǒng)的手工勞動方式，勞動強度大，生產效率低。由于果樹移植面積的增加和農村勞動力的轉移，移栽技術落后、效率低已成為果樹增產的制約因素，果樹移栽自動化和機械化已成為農民越來越迫切的要求。與水稻、玉米、小麥生產機械化發(fā)展速度相比，果樹移栽機械化的發(fā)展速度比較緩慢。這種狀況與當前加快實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化的形式要求不適應。有關資料顯示，美國、法國、英國和日本等國在自動移栽機的研制方面均取得了很大的成績。我國從在20世紀60年代開始研制移栽機，初期主要用來移栽棉花和玉米等作物，我國在這方面的研究起步晚，技術進步緩慢，目前整體技術水平還比較低。植樹造林方面的機械也是很少，我國于1953年開始引進移栽植樹機，在東北地區(qū)西部營造防護林。1960年開始設計和制造拖拉機牽引式半自動投苗植樹機。為了適應沙區(qū)防風固沙植樹造林的要求，國家不斷投資科研經(jīng)費來研制植樹機，2001年研制成功的深栽造林鉆孔機在我國西部、尤其是在干旱和半干旱地區(qū)植樹具有廣闊和特殊的應用前景。2001年填補我國機械化造林空白的新型液壓植樹機（JYZ-80）在內蒙古達拉特旗白土梁林場研制成功并批量投入生產。這種植樹機由履帶式拖拉機牽引，采用液壓系統(tǒng)調節(jié)耕深，開溝深度隨意調節(jié)，最大開溝深度為80cm，主要適用于沙區(qū)、荒漠地區(qū)栽植帶根苗、扦插苗、沙柳等。
我國的移栽技術剛剛處于起步試驗階段，目前仍以人工移栽為主。人工移栽難以實現(xiàn)大規(guī)模種栽植，從而導致生產規(guī)模小，生產效益低，不利于移栽技術的推廣。從長遠來看，機械化移栽可以實現(xiàn)育苗移栽一體化?，F(xiàn)階段我國移栽技術發(fā)展極不平衡。我國針對不同的果樹及其它作物分別研制了相應的移栽機，由于移栽作業(yè)質量與農藝要求還有一定差距，未能大面積推廣。隨著林果業(yè)種植面積和生產規(guī)模的擴大，在有人工作業(yè)方式使用，已不能滿足林果產業(yè)化的步伐。我國在引進國外技術的基礎上開發(fā)自己的產品，以緩解勞動力緊張和提高生產效率。在我國，果樹的栽植具有季節(jié)性和區(qū)域性特點，機具作業(yè)時間短，單一性能機具的年使率降低，因此在今后的設計中，應盡量考慮一機多用的問題。具體要改進的措施：一是研制適用不同的土壤條件和工作條件的機具；二是設計通用機架，在更換其他工作部件后即可完成其他果樹林作業(yè)項目，提高其使用率和互換性；三是要考慮人機的工程學原理，要讓人舒服，健康的工作，提高安全性能?，F(xiàn)在我們國家的移栽技術還不夠成熟，好多還是借鑒他國的，單一的機械不能通用到其他地區(qū)的工作，有待機械多樣性，不僅能夠適用種植果樹苗還要適用其他的樹種，更要發(fā)展到植樹造林的機械上一樣可以通用。種種的原因、地理位置及技術條件證明我們加大力度發(fā)展機械化勢在必行。
世界上移栽技術發(fā)展較早的發(fā)達國家和地區(qū)主要是歐美和日本等國，該技術在早期主要應用于蔬菜和經(jīng)濟作物的移栽，隨后逐步用于玉米等糧食作物的移栽。早在上世紀20 年代初期就開展了缽苗移栽的生產工藝研究，研制出結構簡單的秧苗移栽機具，在一定程度上減輕了人工移栽勞動強度；到1930年代出現(xiàn)手工喂苗的移栽機械，移栽技術得到實質性發(fā)展，使秧苗送入溝中這一過程實現(xiàn)機械化。上世紀50 年代開始，歐洲國家研制出不同結構形式的半自動移栽機和制缽機；到了1970年至1980年，半自動移栽機在前蘇聯(lián)、歐美等農業(yè)較發(fā)達的國家和地區(qū)得到廣泛應用，使制缽、育苗、移栽技術有機結合。目前，國外的移栽技術已基本成熟，移栽后的農作物達到農藝要求，工作可靠性也較高。歐美一些農業(yè)較發(fā)達的國家，如美國、荷蘭、德國、法國等國家，大部分的蔬菜生產和幾乎全部的大地花卉生產都采用育苗移栽種植模式和生產工藝。日本在20 世紀80 年代，90％的甜菜已實現(xiàn)移栽種植，移栽機自動化程度較高。從移栽機的工作過程看，這些農業(yè)機械水平較高的國家多采用缽體苗半自動移栽機械，作業(yè)過程中采用人工喂苗，并根據(jù)作業(yè)對象的不同通過更換或調節(jié)栽植器來實現(xiàn)機械移栽，擴大機械移栽的作業(yè)范圍，提高其通用性。
2.機械化移栽目前存在的問題
2.1移栽前應考慮的因素
通過在樹木移植過程中的長期實踐，列樹木的成活機里和移植技術要領等進行了研究與總結。
①移植近似生境原理。若移植后的生境近似于原生生境，則移植的成活率較高，移植在近似生境中的樹木期生長情況往往能恢復到原生生境狀態(tài)。樹木的生長環(huán)境主要包括溫度、光照、水分等小氣候條件和土壤條件等，如果把處于不同生境中的樹木進行移植，光度、溫度、濕度、及土壤等任一條件發(fā)生變化，其樹木的植株生長就會受到影響或發(fā)生差異，有的甚至枯萎死亡，所以定植地的土壤條件進行判定或測試，根據(jù)檢測結果改善定植地的土壤生境條件，以提高樹木移植的成活率。樹木移植近似生境的原理一定程度上也是樹木移植宜近不宜遠、適地適樹實踐經(jīng)驗。
②樹勢平衡原理。樹木移植時，樹木的地上部分和地下部分須保持平衡，樹木移植如對根系造成傷害，就必須根據(jù)其根系分布情況，對地上部分進行修剪，使地上部分和地下部分的生長情況基本保持平衡。閃為供給根系發(fā)育的營養(yǎng)物質主要來副阻上部分，對枝葉修剪過多不但會影響樹木的景觀，也會影響根系的生長發(fā)育，所以在移植樹木時必須慎重考慮枝葉和根系的去留權衡問題，盡量使地上部分和地下部分保持平衡。如地上部分所留比鍘超過地下部允昕留比例，則須通過人工養(yǎng)護彌補這種不平衡。
基本條件：
①季節(jié)適時。移植樹木的成功率高低在很大程度上取決于移植樹木季節(jié)的選擇，而考慮適時選擇主要是因為此時樹木的生理代謝較易得到平衡。一般情況下，常綠樹移植選擇在春季，即3月下旬至5月上旬。這段時期氣溫回升，雨量充足，光照適中，常綠樹在此期問枝葉、根系處于生理生長發(fā)育期，移植受損的傷口能及時產生愈合組織，即新芽新根能在短期內得到恢復或修復。落葉樹—般則選擇在秋冬季，即樹木落葉后到發(fā)芽前。因此時樹木處于休眠期，而落葉樹大多數(shù)季相明顯，移植時都以保持全冠為宜，所以相對春季選擇秋冬季更為妥當，但具體時間的選擇還需根據(jù)樹木的習性和物候特點來確定。適時選擇樹木的移植時間是建立在樹勢平衡這個基本原理之上的。
②斷根縮坨。從樹木薪防；代謝括動的生理危度來看，樹木移植經(jīng)過挖掘、搬運、再種植，其根系大量受損，樹木的水分和有機物質大量消耗，這就打破了地上部分和地下部分的平衡，因為維持樹木地上部分枝葉平衡主要依靠地下部分的根系來供給養(yǎng)分，而根系則主要通過大量的毛根和須根來完成，所以毛須根的數(shù)量和生理質量起著至關重要的作用。鏘決樹木移植中確保毛須根完整的有效辦法就是采用科學的傳統(tǒng)技法—斷根縮坨，也稱同根法，盤根法，—般在樹木移植前1-3年通過挖溝斷根、對根徑lcm以上的粗根進行環(huán)狀剝皮、覆士等步驟來完成對樹木的斷根縮坨處理，斷根是提高移植樹木成活率的核心因素之一。
2.2移栽過程中應該注意的事項[2]
在樹木移植前，應根土壤的干濕情況進行澆水，以防挖掘后因土壤過于而使土球松散或樹木脫水，以樹干為中心，沿外緣挖掘土球，土球的大小應為移植樹木胸徑的7-8倍，土球的厚度不小于土球直徑的2/3，特別有要求的樹木，其土球規(guī)格可適當放大，遇到直徑超過2cm的根系應剪斷或鋸斷，但不可用鐵鍬斬斷，以防震裂土球，挖到一定深度后，將士球四周的土進行修削，上大下心，肩部圓滑，形狀規(guī)整，同時挖掘過程中應對樹木進行適當疏枝與修剪。
土壤的選擇和處理：要選擇通氣、透水性好，有保水保肥能力，土內水、肥、氣、熱狀況協(xié)調的土壤。經(jīng)多年實踐，用泥沙拌黃土(3:1為佳)作為移栽后的定植用土比較好，它有三大好處，—是與樹根有“親和力”。在栽培大樹時，根部與土往往有無法壓實的空隙，經(jīng)雨水的侵蝕，泥沙拌黃土易與樹根貼實；二是通氣性好。能增高地溫，促進根系的萌芽，三是排水性能好。雨季能迅速排掉多余的積水。遭水漚，造成根部死亡，旱季澆水能迅速吸收、擴散。
2.3移栽后的管理與維護[3]
7-9月，大部分時間氣溫在28攝氏度以上，且濕度小，是最難管理的時期。如果管理不當造成根干缺水、樹皮龜裂，會導致樹木死亡。這時的管理要特別注意：—是遮陽防曬，可以樹冠外圍東西方向“幾’字型，蓋遮陽網(wǎng)，這樣能較好的擋住太陽的直射光，使樹葉免遭灼傷；二是根部灌水，預埋的塑料管或竹筒內灌水，此方法可避免澆“半截水”能一次澆透，平常能使土壤見干見濕，也可往樹冠外的洞穴灌水，增加鉗木周圍土壤的濕度；三是甜南面架設三角支架，安裝—個高了樹l米的噴灌裝置，盡量調成霧狀水，因為夏、秋季大多吹南風，密裝在南面可經(jīng)常給樹冠噴水，使樹干樹葉保持濕潤，也增加了樹周圍的濕度，并降低了溫度，減少了樹木體內有限水分、養(yǎng)分的消耗。沒條件對可采“滴灌法”，即在樹旁搭—個三角架，上面吊一只儲水梗，在桶下部打若干孔，用硅膠將塑料管粘在孔上，另一端用火燒后封死，將管螺旋狀繞在樹干和樹枝上，按需要從沒方向在管上打孔至滴水，同樣可起到濕潤樹干樹枝、減少水分養(yǎng)分消耗的作用。其次在寒冷季節(jié)要加強抗寒、保暖措施。一是要用草繩繞干，包裹保暖，這樣能有效地低御低溫和寒風的侵害；二是搭建簡易的塑料薄膜溫室，提高樹木的溫度、濕度；三是選擇一天中溫度相對較高的中午澆水或葉面噴水。
果樹的施肥應該注意第一年不能施肥，第二年根據(jù)樹的生長情況施農家肥或葉面噴肥。移栽后病蟲害的防治：移載樹木的病蟲害一般由原生境附帶而來的居多，所以在移載前須對樹木進行病蟲害的治理和健康植株樹木的挑選，在移載地應特別注意對土壤和移載果樹樹木損傷的處理，盡量減少病菌的滋生和感染。移載后的果樹一旦發(fā)現(xiàn)蟲害可采用捕殺、誘殺、化學施藥法等進行處理，發(fā)現(xiàn)病害一般采用人工清除、化學施藥進行防治?？捎枚嗑`或托布津、敵殺死等農藥混合噴施。分4月、8月、9月三個階段，每個階段連續(xù)噴幾次藥，每星期一次，正常情況下可達到防治的目的。 樹木移栽后，一定要加強養(yǎng)護管理。俗話說得好，“兩分種，八分管”，由此可見，養(yǎng)護管理環(huán)節(jié)在移栽過程中的重要性。當然，要切實提高果樹移栽后的成活率，還要在田地規(guī)劃設計、果樹樹種選擇等方面多動腦筋。
3．設計方案的選擇[4]
3.1方案一
這是一種樹木挖掘移栽機。該移栽機有一個十字形升降機架，它安裝在固定機架內；升降機架的頂端向下順序與切土鏟油缸及切土鏟連接；切土鏟的兩側與切土鏟活動臂固定連接，切土鏟活動臂的兩端與固定切土鏟臂框架鉸連接；升降機架的中部固定連接一個橫向的切土桶活動臂及固定器臂，并順序與切土桶固定臂、切土桶油缸缸體及桶狀的切土桶連接；固定器臂中部與升降機架連接，兩端與切土鏟活動臂連接固定；切土桶框架的底端橫向的連接一個分合油缸。 該機是全機械化作業(yè)，它結構復雜，成本高、它能和多種型號的拖拉機或其它動力機械配套安裝，適用于各種樹、苗木的挖掘移植。如下圖3.1所示：
圖2.1 方案一
圖3-1 方案一機構圖
1升降機架 2固定機架 3升降油缸 4切土鏟油缸 5切土鏟活動臂 6切土桶油缸 7切土桶活動臂 8切土桶 9固定切土鏟臂框架 10滑輪 11切土鏟 12切土桶分合油缸 13固定器 14切土桶固定架 15固定器臂 16切土桶活動臂 17切土桶固定臂
該裝置主要由升降機架(1)、固定機架(2)、升降油缸(3)、切土鏟油缸(4)、切土鏟活動臂(5)、切土桶油缸(6)、切土桶活動臂(7、16)、切土桶(8)、固定切土鏟臂框架(9)、滑輪(10)、切土鏟(11)、切土桶分合油缸(12)、固定器(13)、切土桶固定架(14)及固定器臂(15)組成；其特征是：該移栽機有一個十字形的豎向安裝的升降機架(1)，它滑動配合的安裝在固定機架(2)內，固定機架(2)為一個前面開口的管狀結構，它通過后部的連接架與動力機連接固定使用；固定機架(2)的底端向前伸出與升降油缸(3)的伸縮軸連接，升降油缸(3)的頂端與升降機架(1)的頂部連接，支持升降機架(1)的上下運動；升降機架(1)的頂端平向的向前伸出，該伸出端向下順序與切土鏟油缸(4)及切土鏟(11)連接；切土鏟(11)為一個弧形的板狀結構，它的上部兩側與“n”形的切土鏟活動臂(5)的中部固定連接，切土鏟活動臂(5)的兩端各與一側開口的管狀形固定切土鏟臂框架(9)上端鉸連接，它的作用是使切土鏟(11)定位切入到被移樹的底部；升降機架(1)的中部順序圓定連接有橫向的切土桶固定臂(17)、切土桶活動臂(7、16)及固定器框架(15)；切土桶固定臂(17)伸向兩邊呈十字型，其兩端，各鉸連接著向外伸出的切土桶活動臂(7、16)，并順序與直桿式的切土桶固定架(14)及切土桶油缸(6)的缸體固定連接；切土桶油缸(6)的伸出軸連接著桶狀的切土桶(8)，切土桶(8)的外測，連接有滑輪(10)及滑塊，它與切土桶固定架(14)滑動配合安裝；固定器臂(15)中部與升降機架(1)連接，兩端各與固定切土鏟臂框架(9)的頂端連接固定；切土桶固定架(14)上安裝有分合臂，兩個分臺臂之間橫向的連接一個切土桶分合油缸( 12)。
3.2方案二
帶土移樹機，它主要解決在環(huán)境綠化植樹造林中，需要移栽樹木，但目前大都采取移栽裸露根部的樹木，不但易損傷根部，而且容易喪失水分，返青慢，影響成活率，對于因城市建設而無地容身的較大的樹木由于沒有專用機械，大多數(shù)被砍伐等問題，本實用新型包括單斗裝載機和切割裝置，其特征是切割裝置設有與單斗裝載機搖臂和翻轉頂桿連接的箱體，箱體內組裝與裝載機油壓系統(tǒng)連通的油缸，油缸的活塞桿傳動聯(lián)接相對的一對刀具，刀具固定聯(lián)接在導套或導軌上，導套或導軌活動組裝在箱體內的導柱或導槽上。優(yōu)點是實現(xiàn)帶土移栽苗木機械化，提高移栽樹木成活率和移栽效率，滿足城市綠化和成樹移栽的需要。
圖3-2 方案二機構圖一
1箱體 2搖臂 3翻轉頂桿4單斗裝載機
圖3-3 方案二機構圖二
6導套 7撥叉 8支撐架 9杠桿端頭 10鉸接刀具 11杠桿12鉸軸 13活塞桿 14單油缸15聯(lián)接耳
圖3-4 方案二機構圖三
5導柱 6導套 9杠桿端頭 10鉸接刀具 11杠桿 12鉸軸 14單油缸 16杠桿 17鉸軸
如圖3-2,3-3,3-4，本方案采用現(xiàn)有的裝載機來保證其運輸能力，將裝載機4的鏟斗部分改設為切割裝置，切割裝置設有箱體l，箱體1通過其上的聯(lián)接耳15與單斗裝載機4的搖臂2和翻轉頂桿3活動連接。箱體1的底部四角組裝四個支腳螺釘，用來調整箱底與地面的距離，可以調整土墩切割深度，以獲得不同大小的土墩。箱體l內組裝與裝載機4油壓系統(tǒng)連通的單油缸14，單油缸14的活塞桿13鉸接左右兩套杠桿11，杠桿11通過鉸軸12鉸接在箱體1上，杠桿11的另一端為撥叉7，它撥動另一杠桿16的一端頭9，杠桿16通過鉸軸17鉸接在箱體上，杠桿16的另一端鉸接刀具10，刀具10的兩側固定聯(lián)接兩個導套6，導套6滑動組裝在箱體內的導柱5上，兩側的刀具10是相對的。刀具可采用半圓錐形，一對刀具即組成一個圓錐形，當一對刀具相對斜向切入，獲得圓錐形土墩。也可以采用棱錐形一對刀具，雙向斜切到底，兩刀具合成一起為止，獲得四棱錐體形土墩。還可以采用一對棱楔形刀具，其切割的土墩為棱楔形。
3.3方案三
本實用新型涉及一種液壓小型果樹移栽機，屬于園林機械技術領域。該機包括固定機架，還包括兩個活動機架，兩活動機架分別通過兩銷軸從兩側與固定機架鉸接，相鄰固定機架和活動機架分別與開閉油缸的缸體和活塞軸連接，各機架上分別固定向下傾斜的滑槽，滑槽內裝有可以沿槽滑移的弧形鏟，滑槽和弧形鏟分別與升降油缸的缸體和活塞軸連接。挖掘時，機具就位后，分別啟動各機架上弧形鏟升降油缸，使直鏟沿滑槽向下運動，插入土壤中至預定位置即可。本實用薪型結構簡單、操作簡便、機動靈活、作業(yè)效率高，適用于苗圃、林場、園林、公路、街道等場所的樹坑挖掘、中小樹木帶土起挖移栽、短距離樹木運輸，亦可用于伐木后的樹根挖掘作業(yè)等。如下圖所示：
圖3-5 方案三機構圖一
2滑槽 3弧形鏟 4開閉油缸軸 5機架開閉油缸 6垂直轉軸 7固定機架 8鏟升降油缸軸 9可調腳撐 10鏟升降油缸 11多路換向控制閥 12掛接架
本實施例的液壓小型果樹移栽機上圖所示，由活動機架1、滑槽2、帶有滑塊的弧形鏟3、機架開閉油缸軸4、機架開閉油缸5、垂直轉軸6、固定機架7、鏟升降油缸軸8、可調腳撐9、鏟升降油缸10、多路換向控制閥11、掛接架12等部件組成。左、右兩活動機架1通過轉軸6與固定機架7鉸接，兩機架開閉油缸5的缸體以及活塞軸4分別連接在活動機架1和固定機架7外側。各機架按一定傾斜角度分別焊有三個滑槽2，形成上開下收的形狀。下尖上寬的鏟與
滑塊焊接或鉚接為一體，從而使帶有滑塊的弧形鏟3裝入滑槽2中，并通過裝在滑塊內的鏟升降油缸1 0及其兩端的鏟升降活塞軸8分別與滑槽2相連。左、右兩只可調腳撐9置于固定機架
兩側，保證機具停放時的穗定性和調節(jié)挖掘深度。裝有操縱桿的多路換向控制閥1 1通過液壓管路分別與各油缸的接口及主機液壓油泵相連，形成液壓控制系統(tǒng)。掛接架12通過銷軸將機具與具有液壓輸出裝置和行走系統(tǒng)的主機掛接，組合成完整的機組。
圖3-6 方案三機構圖二
1機架 4活塞軸 5機架開閉油缸7固定機架
3.4方案四
本實用新型涉及一種液壓小型果樹移栽機，屬于園林機械技術領域。此小型樹木移栽機由提升架滑道、 提升架液壓缸、提升架、鏟斗組件滑道、鏟斗組件和鏟斗滑塊等部件組成 ，挖樹的動作是由各組件配合完成，鏟斗組件用來鏟斷樹木的側根并使根球與周圍土壤分離．機架剛性固定在配套拖拉機或其他動力機械上；提升架由1個提升油缸來驅動，鏟斗組件由兩鏟斗液壓缸驅動．鏟斗組件的開合由開合蓋板驅動．大致工作作流程如下：駕駛林木移栽機靠近要移栽的樹木，在快接近的時候停下，駕駛果樹移栽機使被移栽樹木木處于鏟斗組什中間位置，合上開合蓋板，使鏟斗組件閉合包圍果樹，鏟斗組件在鏟斗組件液壓缸作用下壓下切斷樹木的根部，打開提升油缸把所挖樹木提升上來，完成果樹的挖掘工作。本設計結構簡單、操作簡便、機動靈活、作業(yè)效率高，適用于苗圃、林場、園林等場所的樹坑挖掘、小型樹木帶土起挖移栽、短距離樹木運輸。其總體結構示意圖如下圖所示[5]：
圖3-7 方案四結構簡圖
1鏟斗 2架子一側 3六角厚螺母 4特大墊圈 5閉合蓋板 6六角厚螺母 7拉桿墊圈 8機架滑軌 9提升架曲柄 10提升架液壓剛 11機架 12搖桿 13拉桿14提升架 15鏟斗液壓缸桶套 16六角頭螺栓
4.總體方案的確定
根據(jù)設計要求，選定方案四，確定本設計為液壓小型果樹移栽機，主體結構有三點懸掛裝置掛在拖拉機的尾部，動力系統(tǒng)是液壓傳動。
5.小型果樹移栽機總體結構的設計[6]
5.1鏟斗組件的設計
由于挖掘直徑在2-5cm的小型，挖掘土球直徑為50cm，土球高度為60cm。為了使下挖深度達到500mm，滿足挖掘土球的要求，設計兩側對稱的鏟斗組件，該鏟斗上端直徑為50cm，下端直徑為27cm，壁厚為5mm，其總體結構如下圖所示：
圖5-1 鏟斗總體結構圖
5.2開合機架的設計[7]
為了滿足鏟斗在工作時開合而包圍樹木，特設計一開合機架，此機架設計有鏟斗液壓缸驅動鏟斗用的滑道。此機架的高度是有設計所決定，其高度為1.75米低端寬度為80mm，側面寬度為50mm。而架子上側和下側是經(jīng)不規(guī)側草圖的拉伸和掃描而成其三維建模如下如所示：
圖5-2 開合機架
5.3提升機構的設計[8]
提升機構是由安裝在機架上的液壓曲柄搖桿機構和與提升架機構共同組成，機架中部有一滑道，提升架與此滑道相連，在液壓曲柄搖桿機構的作用下完成整機的上下運動，實現(xiàn)在果樹移栽的提升。
5.4提升架的設計
提升架有提升架上蓋板和下蓋板組成，上蓋板與下蓋板通過螺栓的連接于鏟斗組件機架融為一體。
5.5液壓裝置
液壓裝置由油泵、油箱、多路換向閥及液壓油缸組成。
6.小型果樹移栽機的工作過程
駕駛果樹移栽機靠近要移栽的樹木，在快接近的時候停下，駕駛果樹移栽機使被移栽果樹處于鏟斗組什中間位置，合上開合蓋板，使鏟斗組件閉合包圍果樹，鏟斗組件在鏟斗組件液壓缸作用下壓下切斷果樹的根部，打開提升油缸把所挖果樹提升上來，完成果樹的挖掘工作。駕駛果樹移栽機靠近要栽植的樹坑，打開開合蓋板使鏟斗打開使果樹調入樹坑內。完成樹木的移栽。然后蓋上閉合蓋板提升架回位為下一次的移栽做準備。
7.挖樹機構鏟斗的有限元分析
Solidworks SimulationXpress利用設計分析向導為我們提供了一個易用的，按步驟進行設計的方法[9]。要求用戶提供零件分析的信息，如夾具，載荷和材料，這些信息代表了零件的實際應用情況，Solidworks SimulationXpress會自動對模型進行網(wǎng)格劃分，這些網(wǎng)格我們成為單元，系統(tǒng)通過對單元的分析從而去逼近對真實系統(tǒng)的分析。以便于設計的優(yōu)化，從而減少設計周期，減少成本。
7.1案例一
（1）添加夾具 添加夾具的目的是固定零件在分析過程中保持不變。添加夾具后的圖例如下圖所示：
圖7-1 夾具仿真
（2）添加載荷 在零件表面上添加外部力和壓力。在零件上選擇添加力的部位和方向效果如下圖所示：
圖7-2 載荷仿真
（3）添加壓力
圖7-3 壓力仿真
（4）選擇材料 根據(jù)設計要求從材質庫中選擇材料為可鍛鑄鐵，如下圖所示：
圖7-4 材料選擇
（5）運行模擬產生仿真分析結果
仿真結果1：Stress（-vonMises-）等量應力變化情況
圖7-5 應力仿真
仿真結果2.：Displacement（合位移變化情況）：
圖7-6 合位移仿真
仿真結果3：Factor of Safety安全系數(shù)變化情況
圖7-7 安全系數(shù)
仿真結果4：deformation（位移）變形情況
圖7-8 位移變形仿真
7.2案例二
將力平均加與3個面，壓力不變的情況下，有限元分析結果如下：
仿真結果1：Stress（-vonMises-）等量應力變化情況
圖7-9 等量應力仿真
仿真結果2.：Displacement（合位移變化情況）：
圖7-10 合位移仿真
仿真結果3：Factor of Safety安全系數(shù)變化情況：
圖7-11 安全系數(shù)
仿真結果4：deformation（位移）變形情況：
圖7-12 位移仿真
7.3案例三
更該更改鏟斗模型支撐厚度后的有限元分析，任然讓施加最大的力，分析結果如下：
仿真結果1：Stress（-vonMises-）等量應力變化情況：
圖7-13 應力仿真
仿真結果2.：Displacement（合位移變化情況）：
圖7-14合位移仿真
仿真結果3：Factor of Safety安全系數(shù)變化情況：
圖7-15 安全系數(shù)
仿真結果4：deformation（位移）變形情況：
圖7-16 位移仿真
7.4案例四
更改鏟斗模型支撐厚度后的有限元分析，施加三個面上的平均力，壓力不變，分析結果如下：
仿真結果1：Stress（-vonMises-）等量應力變化情況：
圖7-17 應力仿真
仿真結果2.：Displacement（合位移變化情況）：
圖7-18 合位移仿真
仿真結果3：Factor of Safety安全系數(shù)變化情況：
圖7-19 安全系數(shù)
仿真結果4：deformation（位移）變形情況：
圖7-20 位移仿真
7.5案例五
綜合以上分析，再一次對鏟斗模型進行改進，加支撐厚度同時加圓角仿真結果1：Stress（-vonMises-）等量應力變化情況：
圖7-21 應力仿真
仿真結果2.：Displacement合位移變化情況：
圖7-22 合位移仿真
仿真結果3：Factor of Safety安全系數(shù)變化情況：
圖7-23 安全系數(shù)
仿真結果4：deformation位移變形情況：
圖7-24 位移變形仿真結果分析
方案一結果分析：
針對方案一假設每個施加力的面都是施加最大理論力值可以得出如下結果：
方案一結果分析：
（1）Stress（-vonMises-）等量應力變化情況雖然大部分應力變化比較小，但是鏟斗組件連接點附近的等量應力變化較大，存在不穩(wěn)定因素；
（2）鏟斗組件的底部的Displacement變化幅度太大，其中部至上不過度的安全顏色趨于零，處于危險狀態(tài)；
（3）Deformation中部位移變化較大，沒有達到理想的變形要求；
（4）Factor of Safety安全系數(shù)大部分呈現(xiàn)藍色，符合要求，但是支撐部位出現(xiàn)紅色的安全警告因此極易斷裂，因此還需要對此進行改進。
方案二結果分析：
在方案一的基礎上建立方案二，假設每個施加力的面都是施加最大理論力值的平均值可以得出如下結果：
（1）Stress（-vonMises-）等量應力變化情況雖然大部分應力變化比方案一要低，但是仍然存在不穩(wěn)定因素；
（2）鏟斗組件的上部邊緣的Displacement變化幅度太大趨于紅色最大值；
（3）Deformation中部位移變化較大，沒有達到理想的變形要求；
（4）Factor of Safety安全系數(shù)全部呈現(xiàn)藍色，符合要求。因此還需要對此方案進行改進，對模型進行改進。
方案三結果分析：
方案三是在方案二的基礎上對鏟斗模型進行改變，改變鏟斗模型的支撐厚度，然后在每個面上施加最大理論力值可以得出如下結果：
（1）Stress（-vonMises-）等量應力變化情況明顯比方案一小的多，但比方案二要稍大；
（2）鏟斗組件的底部的Displacement變化幅度太大，其中部至上不過度的安全顏色趨于零，處于危險狀態(tài)；
（3）Deformation中部位移變化較小，近乎達到理想的變形要求；
（4）Factor of Safety安全系數(shù)大部分呈現(xiàn)藍色，符合要求，但是支撐部位出現(xiàn)紅色的安全警告因此極易斷裂所以還需要改進。
方案四結果分析：
在方案三的基礎上建立方案四，每個施加力的面都是施加最大理論力值的平均值可以得出如下結果：
（1） Stress（-vonMises-）等量應力變化情況明顯的比前三個方案變化程度小，因此方案四的等量應力變化情況是趨于合理的；
（2）鏟斗組件的上部的Displacement變化幅度稍有些大，其中部至上部過度的安全顏色逐漸增加，危險狀態(tài)明顯減少；
（3）Deformation中部位移變化較大，沒有達到理想的變形要求；
（4）Factor of Safety安全系數(shù)全部呈現(xiàn)藍色，符合要求。
接著在分別分析方案一至方案四的和位移及位移變化情況，可以得出以下結論，在方案一中鏟斗組件頂部位移變化很大；在方案二中鏟斗組件頂部位移變化達到要求，但是側部位移存在隱患；在方案三中鏟斗組件頂部位移達到要求，但支撐處部分位移存在潛在隱患；在方案四中鏟斗組件頂部位移和側部位移均達到要求。然后再分別分析方案一至方案四的安全系數(shù)變化情況，在方案一中安全系數(shù)大部分是合格的，支撐部位附近的安全因數(shù)是小于1的，因此支撐部位是不合格的；在方案二中安全系數(shù)均是大于等于1的，因此是合格的；在方案三中安全系數(shù)大部分是合格的，支撐部位附近的安全因數(shù)是小于1的，因此支撐部位是不合格的；在方案四中安全系數(shù)均是大于等于1的，因此安全系數(shù)變化符合要求的。綜合比較可知方案四的Stress（-vonMises-）等量應力變化情況、合位移、位移、及安全系數(shù)的變化相對于前三個方案是最優(yōu)的，但是其Stress（-vonMises-）等量應力變化情況任然存在不穩(wěn)定因素，因此還需要對方案四進行優(yōu)化。
方案五結果分析：
再對鏟斗組件進行建模，對原始模型在支撐部位增加厚度同時對支撐邊緣添加圓角后再次進行分析，最后得出其Stress（-vonMises-）等量應力完全達到要求，其合位移、位移、及安全系數(shù)的變化也相當合理，因此方案五是最優(yōu)的。
8.液壓傳動系統(tǒng)結構
液壓系統(tǒng)是一套機械能與液壓能互相轉化的機構，是液壓牽引（懸掛）裝置的動力和控制部分。液壓系統(tǒng)具有元件質量輕、結構緊湊、操作省力、反應靈敏、動作平穩(wěn)、便于遠距離操縱和實現(xiàn)自動控制的優(yōu)點。液壓元件分別裝在移栽機的不同部位上，相互之間用油管聯(lián)結起來為液壓傳動系統(tǒng)。
8.1液壓傳動系統(tǒng)的作用
液壓傳動主要是利用液體的壓力來傳遞能量，液壓系統(tǒng)用于農具升降和耕深調節(jié)，實現(xiàn)驅動輪加載及液壓功率輸出。通過液壓操縱系統(tǒng)控制某些工作部件的位置和速度的轉換，該設計目的是控制好機架的升降。
8.2液壓傳動系統(tǒng)的組成
一個完整的液壓系統(tǒng)由一下幾部分組成：
（1）液壓泵（動力元件）：是將原動力所輸出的機械能轉換成液體壓力能的元件，其作用是向液壓系統(tǒng)提供壓力油，液壓泵是液壓系統(tǒng)的心臟。
（2）執(zhí)行元件：把液體壓力能轉換成機械能以驅動工作構件的元件，執(zhí)行元件是液壓缸。
（3）控制元件：包括壓力、方向、流量控制閥，是對系統(tǒng)著那個油液壓力、流量、方向進行控制和調節(jié)元件。
（4）輔助元件：上述三個組成部分以外的其他元件，如油管、管接頭、油箱、濾油器等為輔助元件。
完整的液壓傳動系統(tǒng)為了產生并傳遞液壓能，以提升或維持農具處于某工作狀態(tài)，液壓系統(tǒng)除工作介質（液壓油）外一般由油泵、油缸、分配器和輔助裝置（如油箱、油管、濾清器等）組成一個循環(huán)的液壓回路。由操縱機構控制液壓系統(tǒng)處于各種不同的狀態(tài)，來滿足各種動作要求。
8.3液壓基本回路圖
圖8-1 液壓基本回路
1.液壓泵 2換向閥 3液壓缸
如圖8-1所示，換向閥2處于原位時，液壓泵1輸出的液壓油同時與液壓缸3的左右兩腔相通，兩腔壓力相等。由于液壓缸無桿腔的有效面積A1大于有桿腔的有效面積A2，使活塞受到的向右作用力大于向左的作用力，導致活塞向右運動，于是無桿腔排出的油液與泵1輸出的油液合流進入無桿腔，亦即相當于在不增加泵的流量的前提下增加了供給無桿腔的有液量，使活塞快速向右運動。這種回路比較簡單也比較經(jīng)濟，但液壓缸的速度加快有限。值得注意的是：在差動回路中，泵的流量和液壓缸有桿腔排出的流量合在一起流過的閥和管路應按合流流量來選擇其規(guī)格，否則會產生較大的壓力損失，增加功率消耗。
8.4液壓傳動系統(tǒng)的工作原理
為了產生并傳遞液壓能，以提升或維持農具處于某工作狀態(tài)，液壓系統(tǒng)除工作介質（液壓油）外一般由油泵、油缸、分配器和輔助裝置（如油箱、油管、濾清器等）組成一個循環(huán)的液壓回路。由操縱機構控制液壓系統(tǒng)處于各種不同的狀態(tài)，來滿足各種動作要求。
油泵由發(fā)動機或其他傳動系統(tǒng)驅動，從油箱經(jīng)過濾清器吸油，在外界負荷作用下，無壓力的油液經(jīng)過油泵變成了有壓力的油液，然后把壓力油壓送到分配器并經(jīng)過分配，再送往油缸，使農具提升或是下降。液壓系統(tǒng)就是這樣先由油泵把發(fā)動機的機械能轉換成液壓能，再由油缸重新把液壓能轉換成操縱農具的機械能，從而完成能量轉換的作用，對外輸出足夠的提升能力、提升行程和提升速度，并能有效地實現(xiàn)驅動輪加載和方便地輸出液壓功率。
8.5液壓泵
液壓泵是液壓傳動系統(tǒng)中的能量轉換元件，是由原動力驅動，把輸入的機械能轉換成為油液的壓力能，再以壓力、流量的形式輸送到系統(tǒng)中去，是液壓傳動系統(tǒng)的心臟，也是液壓系統(tǒng)的動力源。
8.5.1液壓泵的基本原理[10]
下圖是液壓泵的工作原理圖，凸輪1旋轉時，柱塞2在凸輪和彈簧3的作用下，在缸體的柱塞孔內左、右往復移動。柱塞2向右移動時，缸體的柱塞孔和柱塞構成的密封工作腔4容積變大，產生真空，油液便在大氣壓的作用下，通過吸油閥5吸入；柱塞2向左移動時，工作腔4容積變小，已吸入的油液便通過排油閥6排到系統(tǒng)中去；在工作過程中，吸、排油閥5、6在邏輯上互逆，不會同時開啟，由此可見，液壓泵是靠密封工作腔的容積變化進行工作的。
圖8-2 液壓泵的工作原理
1. 凸輪 2. 柱塞 3. 彈簧 4. 密封工作腔 5. 吸油閥 6. 排油閥
8.5.2液壓泵的工作特點[11]
（1）液壓泵的吸油腔壓力過低將會產生吸油不足，異常噪聲，甚至無法工作。因此，除了在泵的結構設計上盡可能減小吸油管路的液阻外，為了保證泵的正常運行，應該使泵的安裝高度不超過允許值；避免吸油濾油器及管路形成過大的壓降；限制泵的使用轉速在額定轉速以內。
（2）液壓泵的工作壓力取決外負載，若負載為零，則泵的工作壓力為零。隨著排油量的增加，泵的工作壓力根據(jù)負載大小自動增加，泵的最大工作壓力主要受結構強度和使用壽命的限制，為了防止壓力過高而使泵、系統(tǒng)受到損害，液壓泵的出口常常要采用限壓措施。
（3）變量泵可以通過調節(jié)排量來改變流量，定量泵只有用改變轉速的辦法來調節(jié)流量，但是轉速的增大，受到吸油性能、泵的使用壽命、效率等的限制。
（4）液壓泵的流量具有某種程度的脈動性質，其脈動情況取決于泵的形式及結構設計參數(shù)。為了減小脈動的影響，除了從造型上考慮外，必要時可在系統(tǒng)中設置蓄能器或液壓濾清器。
（5）液壓泵靠工作腔的容積變化來吸、排油，如果工作腔處在吸、排油之間的過渡密封區(qū)時存在容積變化，就會產生壓力急劇升高或降低的“困油現(xiàn)象”，從而影響容積效率，產生壓力脈動、噪聲及工作構件上的附加動載荷，這是液壓泵設計中需要注意的一個共性問題。
8.6液壓缸
液壓缸是液壓傳動系統(tǒng)的執(zhí)行元件之一，它是將油液的壓力能轉換為機械能、實現(xiàn)往復直線運動或擺動的能量轉換裝置（輸出力或扭矩），也是液壓系統(tǒng)中應用最多的執(zhí)行元件。
8.6.1液壓缸的結構
液壓缸通常由端蓋、缸筒、活塞桿、活塞組件、前端蓋等主要部分組成；為防止油液向液壓缸外泄或由高壓腔向低壓腔泄露，在缸筒與端蓋、活塞與活塞桿、活塞與缸筒、活塞桿與前端蓋之間均設置有密封裝置，在前端蓋外側，還裝有防塵裝置；為防止活塞快速退回到行程終端時撞擊缸蓋，有時液壓缸端部還設置緩沖裝置；有時還需設置排氣裝置。
結構形式有：活塞式液壓缸、柱塞式液壓缸、擺動式液壓缸及組合液壓缸。
9.技術經(jīng)濟性分析
（1）一般企業(yè)引進小型果樹移栽機，功能性很強，但經(jīng)濟成本較高，很多場合下，很多功能和高精度都浪費了，形成經(jīng)濟損失。
（2）本設計的機構構成比較簡單可行，制造成本不高，摒棄了照搬照抄他人設計，不具體問題具體分析的弊端，避免盲目選擇高精度、高性能、高價格的先進元件和設備，從而導致很多功能根本用不著，“大材小用”，造成資源浪費的老設計“套路”和老方法。本設計在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量使結構簡單化，使成本大為降低，具有顯著的技術經(jīng)濟性。
（3）本設計的動力系統(tǒng)為液壓，而拖拉機本身有自帶液壓系統(tǒng)，可以通過外接的方式，實現(xiàn)功能，具有很好的經(jīng)濟效益。
10.結論
（1）運用CAD2007繪制了相關部件的零件圖；
（2）建立了小型果樹移栽機的三維實體模型，運用solidworks對移栽機的核心部件鏟斗組件進行了運動仿真及有限元分析，最終表明結構的改進方案可行；
（3）用有限元分析方法變連續(xù)結構為離散結構，代替了傳統(tǒng)的理論分析方法，節(jié)省了大量的計算時間，并提高了計算的準確性、科學性和可靠性，縮短了設計周期；
（4）根據(jù)有限元應力分析、位移分析、合位移分析及安全系數(shù)分析對鏟斗組件進行改進設計，使鏟斗組件的應力分布更趨于合理符合作業(yè)工況的要求。
致 謝
本次設計是在我的導師老師的指導下完成的，從最初我對本次設計的不了解到能夠整體把握再到比較順利的完成本次設計，這一步一步的走來，其中都包含了老師耐心的指引和教導。通過本次設計，我從宏觀上把握了小型果樹移栽機的發(fā)展趨勢發(fā)展現(xiàn)狀和結構的設計，加深了以往學習的專業(yè)知識。同樣在本次設計中老師始終踐行著“授人以魚，不如授之以漁”的原則，他經(jīng)常教導我們遇到問題先自己解決，解決不了的再找老師一起討論。這種學習模式的大大提高了學習的自主能動性。在此，我向老師表示我最誠摯的謝意。在設計的過程中，也得到了許多同學寶貴的建議，在此一并致以誠摯的謝意。
最后，衷心的感謝機械電氣化工程學院的每位老師，謝謝你們在學習上、生活中給予我的關心與支持。衷心祝愿xx大學的明天更加美好！更加輝煌！
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