我国树木移栽机械化发展速度缓慢,引进国外现有装备不能有效解决国内需求;传统靠人力利用锹铲作业,成本高、效率低、劳动强度大。近年来,振动弯刀挖树机成为我国主要树木移栽机械之一,其利用振动特性减小挖掘阻力。但对挖掘过程中挖树弯刀振动研究较少,振动过大易造成土球破裂。因此,开展挖树弯刀的振动测试及模态试验分析具有实际意义。本文针对振动弯刀挖树机,首先通过挖树弯刀在多工况下的振动试验,对激励频率及振动幅值进行分析;建立挖树弯刀实体模型,对挖树弯刀进行有限元模态仿真分析;基于试验模态分析,对有限元模态仿真结果进行验证,并得出挖树弯刀的固有频率;通过正交试验和静应力分析对挖树弯刀结构参数进行优化;最后通过离散元法对优化前、后弯刀的振动减阻特性进行对比验证。主要研究内容与结果如下:(1)不同工况下挖树弯刀振动试验对挖树弯刀在空载、满载等6种工况下,各测点测得的数据进行频域分析。分析可知:工况为挖树机空载仅发动机怠速时,振动频率在45 Hz引起的振幅最大,为2.54 m/s~2;在挖树机空载仅柴油机大油门时,振动频率90 Hz时振幅最大为0.56 m/s~2;在满载挖树大油门工况下,振动频率在40 Hz时引起的振幅最大为36.91 m/s~2。通过分析,发现挖树弯刀的激振频率在40.00~70.50 Hz时振动幅值较大,其在满载挖树大油门工况下最大振幅为36.91 m/s~2。(2)挖树弯刀有限元模态分析及其试验研究通过Handyscan-3D扫描仪对挖树弯刀进行扫描,使用Solidworks软件对挖树弯刀的扫描结果进行处理并重构模型,进而通过ANSYS对模型进行有限元模态分析,计算出挖树弯刀前6阶固有频率和振型。利用试验仪器对挖树弯刀进行试验模态测试。将有限元仿真与试验模态测试的结果对比,发现固有频率最大误差为6.8%,进而验证了有限元对挖树挖刀的模态分析是可靠的。并从中发现挖树弯刀的第1阶固有频率为66.55 Hz,与挖树弯刀的激振频率40.00~70.50 Hz重合,这可能是挖树弯刀共振所引起的。(3)挖树弯刀结构参数优化研究以现有挖树弯刀结构参数为基础,选择弯刀窄端刀宽、窄端刀厚、宽端刀厚3个因素,以第1阶固有频率和第1阶最大形变量为评价指标,进行正交试验设计。使用先前有限元模型仿真分析得出,窄端刀厚是对各指标影响极为显著的参数,窄端刀宽次之,而宽端刀厚影响较小。要提高第1阶固有频率避免与激励频率重合,以及降低第1阶最大形变量,可以适当增加窄端刀厚,同时适当减小窄端刀宽。得出挖树弯刀最优结构参数:窄端刀宽为12.18 cm、窄端刀厚为8 mm、宽端刀厚为28 mm。将优化后的挖树弯刀结构模型进行有限元模态分析,得出第1阶固有频率为76.65 Hz,第1阶最大形变量为24.70 mm,且优化后挖树弯刀的振型与优化前基本保持一致;通过静应力分析发现,优化后挖树弯刀最大应力5.93 MPa,远小于挖树弯刀结构本身的屈服强度,故推断优化后的挖树弯刀满足工作强度的需求。(4)挖树弯刀减阻特性研究通过分析土壤颗粒结构特点及力学特性,选取Hertz-Mindlin with Bonding接触模型,分别对优化前、后挖树弯刀挖掘的过程进行离散元仿真,在EDEM离散元系统中进行仿真分析,对比研究两种挖树弯刀在分别在振动与非振动情况下所受阻力之间的差异。其中优化后的挖树弯刀在非振动作业过程中所受平均阻力为894 N,较优化前减小约30%,在振动作业过程中所受阻力为418 N,较优化前减小约6%。