中国农业科技导报 ›› 2025, Vol. 27 ›› Issue (3): 122-132.DOI: 10.13304/j.nykjdb.2023.0691
• 智慧农业 农机装备 • 上一篇
收稿日期:
2023-09-16
接受日期:
2023-11-28
出版日期:
2025-03-15
发布日期:
2025-03-14
通讯作者:
宁辰阳
作者简介:
冯长龙E-mail:changlong_feng0919@126.com;
基金资助:
Changlong FENG(), Chenyang NING(
), Yixin ZHU, Shuping LI, Chunguang HUANG
Received:
2023-09-16
Accepted:
2023-11-28
Online:
2025-03-15
Published:
2025-03-14
Contact:
Chenyang NING
摘要:
随着各地风景绿化建设引入外来树木数量的增多,对不耐寒树木进行绷带包裹是避免其在寒冷天气下冻伤的重要举措。为实现绷带包裹的高效、高质量和低能耗,计算了绷带最优重叠量,设计了环形缠绕机构,并优化了参数。通过离散元法建立绷带模型,借助EDEM中的Heat Conduction模块对树干在-19 ℃(253 K)的环境温度下进行8 h的热传递仿真,设置多组不同绷带重叠量,得到树干不被冻伤所需的绷带重叠量的最小值为1/2。利用Solid Works软件对缠绕机构关键部件C形转动环进行建模,将模型导入ADAMS进行缠绕转动的动力学仿真。以环宽、环厚和模数为设计因素,以所受应力和质量为响应值,设计响应面试验方案。根据ADAMS仿真得到的数据,构建应力和质量的回归方程并对试验数据进行方差分析,得到最优结构参数:环宽为109.352 mm、环厚为70 mm、模数为4.5 mm,此参数组合下应力为15.589 MPa、质量为51.905 kg。通过验证试验和样机试验证明了运动学仿真和优化设计的可行性。以上研究结果可为树木保温防护和绷带缠绕装置设计研发提供一定参考。
中图分类号:
冯长龙, 宁辰阳, 朱艺鑫, 李树平, 黄春光. 树干绷带环形缠绕机构设计与优化研究[J]. 中国农业科技导报, 2025, 27(3): 122-132.
Changlong FENG, Chenyang NING, Yixin ZHU, Shuping LI, Chunguang HUANG. Research on Design and Optimization of Ring Winding Mechanism for Trunk Bandages[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2025, 27(3): 122-132.
材料 Material | 比热容 Specific heat J/(kg·K) | 导热系数Thermal conductivity | 密度 Density g/cm3 |
---|---|---|---|
空气 Air | ∞ | 0.041 | 1.29×10-3 |
绷带 Bandage | 1.25 | 0.28 | 1.15 |
树干 Trunk | 2.4 | 0.3 | 0.76 |
树皮 Bark | 1.25 | 0.19 | 0.386 |
表1 EDEM颗粒参数[12]
Table 1 EDEM particle parameters[12]
材料 Material | 比热容 Specific heat J/(kg·K) | 导热系数Thermal conductivity | 密度 Density g/cm3 |
---|---|---|---|
空气 Air | ∞ | 0.041 | 1.29×10-3 |
绷带 Bandage | 1.25 | 0.28 | 1.15 |
树干 Trunk | 2.4 | 0.3 | 0.76 |
树皮 Bark | 1.25 | 0.19 | 0.386 |
图1 缠绕机构模型注:1—C形转动环;2—从动V带轮;3—主动齿轮;4—主动V带轮;5—承载平台;6—驱动电机。
Fig. 1 Winding mechanism modelNote:1—C shape rotation ring; 2—Driven V-belt wheel; 3—Driving gear; 4—Active V belt wheel; 5—Bearing platform; 6—Drive motor.
部件1 Component 1 | 部件2 Component 2 | 约束类型 Constraint type |
---|---|---|
主动齿轮 Driving gear | 承载平台 Bearing platform | 转动副 Revolute joint |
C形转动环 C-shaped rotating ring | 承载平台 Bearing platform | 转动副 Revolute joint |
承载平台 Bearing platform | 大地 Ground | 固定副 Fixed joint |
表2 缠绕机构运动约束副
Table 2 Kinematic restraint pairs of winding mechanism
部件1 Component 1 | 部件2 Component 2 | 约束类型 Constraint type |
---|---|---|
主动齿轮 Driving gear | 承载平台 Bearing platform | 转动副 Revolute joint |
C形转动环 C-shaped rotating ring | 承载平台 Bearing platform | 转动副 Revolute joint |
承载平台 Bearing platform | 大地 Ground | 固定副 Fixed joint |
接触名称 Contact name | 部件1 Component 1 | 部件2 Component 2 | 接触类型 Contact type |
---|---|---|---|
碰撞 Impact | C形转动环 C-shaped rotating ring | 主动齿轮 Driving gear | 柔性体对刚体 Flexible body To Rigid body |
碰撞 Impact | C形转动环 C-shaped rotating ring | 承载平台 Bearing platform | 柔性体对刚体 Flexible body To Rigid body |
碰撞 Impact | 主动齿轮 Driving gear | 承载平台 Bearing platform | 刚体对刚体 Rigid body To Rigid body |
表3 缠绕机构接触类型
Table 3 Contact types of winding mechanism
接触名称 Contact name | 部件1 Component 1 | 部件2 Component 2 | 接触类型 Contact type |
---|---|---|---|
碰撞 Impact | C形转动环 C-shaped rotating ring | 主动齿轮 Driving gear | 柔性体对刚体 Flexible body To Rigid body |
碰撞 Impact | C形转动环 C-shaped rotating ring | 承载平台 Bearing platform | 柔性体对刚体 Flexible body To Rigid body |
碰撞 Impact | 主动齿轮 Driving gear | 承载平台 Bearing platform | 刚体对刚体 Rigid body To Rigid body |
参数 Parameter | 值 Value |
---|---|
接触刚度 Contact stiffness | 3.51×1011 |
碰撞系数 Impact coefficient | 1.5 |
阻尼系数 Damping coefficient | 50 |
穿透深度 Penetrating coefficient | 0.1 |
静摩擦系数 Static friction coefficient | 0.1 |
表4 动力学仿真基本参数
Table 4 Basic parameters of dynamic simulation
参数 Parameter | 值 Value |
---|---|
接触刚度 Contact stiffness | 3.51×1011 |
碰撞系数 Impact coefficient | 1.5 |
阻尼系数 Damping coefficient | 50 |
穿透深度 Penetrating coefficient | 0.1 |
静摩擦系数 Static friction coefficient | 0.1 |
水平 Level | A:环宽 Ring width/mm | B:环厚 Ring thickness/mm | C:模数 Module number |
---|---|---|---|
-1 | 100 | 70 | 4 |
0 | 150 | 106 | 6 |
1 | 200 | 141 | 8 |
表5 试验因素水平
Table 5 Test factor level
水平 Level | A:环宽 Ring width/mm | B:环厚 Ring thickness/mm | C:模数 Module number |
---|---|---|---|
-1 | 100 | 70 | 4 |
0 | 150 | 106 | 6 |
1 | 200 | 141 | 8 |
编号 ID | 水平 Level | S:应力 Stress /MPa | M:质量 Mass/kg | ||
---|---|---|---|---|---|
A:环宽 Ring width | B:环厚 Ring thickness | C:模数 Module | |||
1 | -1 | -1 | 0 | 24.40 | 46.48 |
2 | 1 | -1 | 0 | 1.51 | 106.83 |
3 | -1 | 1 | 0 | 4.64 | 93.63 |
4 | 1 | 1 | 0 | 3.66 | 215.19 |
5 | -1 | 0 | -1 | 7.51 | 71.13 |
6 | 1 | 0 | -1 | 6.14 | 161.00 |
7 | -1 | 0 | 1 | 17.30 | 66.20 |
8 | 1 | 0 | 1 | 17.70 | 154.85 |
9 | 0 | -1 | -1 | 5.87 | 72.77 |
10 | 0 | 1 | -1 | 3.98 | 146.58 |
11 | 0 | -1 | 1 | 13.70 | 70.60 |
12 | 0 | 1 | 1 | 7.84 | 142.21 |
13 | 0 | 0 | 0 | 5.37 | 108.22 |
14 | 0 | 0 | 0 | 5.37 | 108.22 |
15 | 0 | 0 | 0 | 5.37 | 108.22 |
16 | 0 | 0 | 0 | 5.37 | 108.22 |
17 | 0 | 0 | 0 | 5.37 | 108.22 |
表6 仿真试验方案和结果
Table 6 Simulation test scheme and results
编号 ID | 水平 Level | S:应力 Stress /MPa | M:质量 Mass/kg | ||
---|---|---|---|---|---|
A:环宽 Ring width | B:环厚 Ring thickness | C:模数 Module | |||
1 | -1 | -1 | 0 | 24.40 | 46.48 |
2 | 1 | -1 | 0 | 1.51 | 106.83 |
3 | -1 | 1 | 0 | 4.64 | 93.63 |
4 | 1 | 1 | 0 | 3.66 | 215.19 |
5 | -1 | 0 | -1 | 7.51 | 71.13 |
6 | 1 | 0 | -1 | 6.14 | 161.00 |
7 | -1 | 0 | 1 | 17.30 | 66.20 |
8 | 1 | 0 | 1 | 17.70 | 154.85 |
9 | 0 | -1 | -1 | 5.87 | 72.77 |
10 | 0 | 1 | -1 | 3.98 | 146.58 |
11 | 0 | -1 | 1 | 13.70 | 70.60 |
12 | 0 | 1 | 1 | 7.84 | 142.21 |
13 | 0 | 0 | 0 | 5.37 | 108.22 |
14 | 0 | 0 | 0 | 5.37 | 108.22 |
15 | 0 | 0 | 0 | 5.37 | 108.22 |
16 | 0 | 0 | 0 | 5.37 | 108.22 |
17 | 0 | 0 | 0 | 5.37 | 108.22 |
来源Source | 应力 Stress | 质量 Mass | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
平方和 Sum of square | 自由度Freedom | 均方 Mean square | F | P | 显著性 Significance | 平方和 Sum of square | 自由度 Freedom | 均方 Mean square | F | P | 显著性 Significance | |
模型 Model | 522.38 | 9 | 58.04 | 4.55 | 0.029 2 | * | 28 712.42 | 9 | 3 190.27 | 1 334.12 | <0.000 1 | ** |
A | 77.13 | 1 | 77.13 | 6.04 | 0.043 6 | * | 16 238.72 | 1 | 16 238.72 | 6 790.80 | <0.000 1 | ** |
B | 80.39 | 1 | 80.39 | 6.30 | 0.040 4 | * | 11 319.86 | 1 | 11 319.86 | 4 733.80 | <0.000 1 | ** |
C | 136.46 | 1 | 136.46 | 10.69 | 0.013 7 | * | 38.81 | 1 | 38.81 | 16.23 | 0.005 0 | ** |
AB | 120.01 | 1 | 120.01 | 9.40 | 0.018 2 | * | 936.67 | 1 | 936.67 | 391.70 | <0.000 1 | ** |
AC | 0.78 | 1 | 0.78 | 0.06 | 0.811 5 | 0.372 1 | 1 | 0.37 | 0.16 | 0.705 0 | ||
BC | 3.94 | 1 | 3.94 | 0.31 | 0.595 8 | 1.21 | 1 | 1.21 | 0.51 | 0.499 9 | ||
A2 | 59.17 | 1 | 59.17 | 4.63 | 0.068 3 | 166.25 | 1 | 166.25 | 69.53 | <0.000 1 | ** | |
B2 | 1.35 | 1 | 1.35 | 0.11 | 0.754 5 | 4.46 | 1 | 4.46 | 1.86 | 0.214 5 | ||
C2 | 39.01 | 1 | 39.01 | 3.06 | 0.124 0 | 6.15 | 1 | 6.15 | 2.57 | 0.152 8 | ||
残差 Residual | 89.37 | 7 | 12.77 | 16.74 | 7 | 2.39 | ||||||
失拟项 Lack of fit | 89.37 | 3 | 29.79 | 2.33 | >0.05 | 16.74 | 3 | 5.58 | 2.34 | >0.05 | ||
纯误差 Pure error | 0 | 4 | 0 | 0 | 4 | 0 | ||||||
R2 | 0.853 9 | 0.999 4 | ||||||||||
调整R2 Adjusted R2 | 0.666 1 | 0.999 8 |
表7 方差分析结果
Table 7 Results of variance analysis
来源Source | 应力 Stress | 质量 Mass | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
平方和 Sum of square | 自由度Freedom | 均方 Mean square | F | P | 显著性 Significance | 平方和 Sum of square | 自由度 Freedom | 均方 Mean square | F | P | 显著性 Significance | |
模型 Model | 522.38 | 9 | 58.04 | 4.55 | 0.029 2 | * | 28 712.42 | 9 | 3 190.27 | 1 334.12 | <0.000 1 | ** |
A | 77.13 | 1 | 77.13 | 6.04 | 0.043 6 | * | 16 238.72 | 1 | 16 238.72 | 6 790.80 | <0.000 1 | ** |
B | 80.39 | 1 | 80.39 | 6.30 | 0.040 4 | * | 11 319.86 | 1 | 11 319.86 | 4 733.80 | <0.000 1 | ** |
C | 136.46 | 1 | 136.46 | 10.69 | 0.013 7 | * | 38.81 | 1 | 38.81 | 16.23 | 0.005 0 | ** |
AB | 120.01 | 1 | 120.01 | 9.40 | 0.018 2 | * | 936.67 | 1 | 936.67 | 391.70 | <0.000 1 | ** |
AC | 0.78 | 1 | 0.78 | 0.06 | 0.811 5 | 0.372 1 | 1 | 0.37 | 0.16 | 0.705 0 | ||
BC | 3.94 | 1 | 3.94 | 0.31 | 0.595 8 | 1.21 | 1 | 1.21 | 0.51 | 0.499 9 | ||
A2 | 59.17 | 1 | 59.17 | 4.63 | 0.068 3 | 166.25 | 1 | 166.25 | 69.53 | <0.000 1 | ** | |
B2 | 1.35 | 1 | 1.35 | 0.11 | 0.754 5 | 4.46 | 1 | 4.46 | 1.86 | 0.214 5 | ||
C2 | 39.01 | 1 | 39.01 | 3.06 | 0.124 0 | 6.15 | 1 | 6.15 | 2.57 | 0.152 8 | ||
残差 Residual | 89.37 | 7 | 12.77 | 16.74 | 7 | 2.39 | ||||||
失拟项 Lack of fit | 89.37 | 3 | 29.79 | 2.33 | >0.05 | 16.74 | 3 | 5.58 | 2.34 | >0.05 | ||
纯误差 Pure error | 0 | 4 | 0 | 0 | 4 | 0 | ||||||
R2 | 0.853 9 | 0.999 4 | ||||||||||
调整R2 Adjusted R2 | 0.666 1 | 0.999 8 |
图15 单因素对应力、质量的影响A:单因素对应力的影响;B:单因素对质量的影响
Fig. 15 Influence of single factor on stress and massA: Effect of single factors on stress; B: Effect of single factors on mass
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