程夢昊，張　云，梁建平

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018；2.內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，呼和浩特　010018)

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翻轉(zhuǎn)式犁式挖坑機(jī)深松刀的設(shè)計(jì)與ANSYS分析

程夢昊1，張?jiān)?，梁建平2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，呼和浩特010018)

摘要：針對翻轉(zhuǎn)式犁式挖坑機(jī)深松刀進(jìn)行了設(shè)計(jì)及ANSYS分析，首先根據(jù)資料確定出深松刀尺寸，建立了Pro/E三維模型，利用ANSYS對其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，最后得出了深松刀尺的應(yīng)力云圖，找到了深松刀易破壞的薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)果顯示：在設(shè)計(jì)深松鏟時(shí)，注意刀柄與刀刃的接口處的位置，只要保證了這個(gè)位置的強(qiáng)度，深松刀就能正常工作。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)式魚鱗坑開溝犁；深松刀；ANSYS；應(yīng)力云圖

0引言

為了改善我國北方干旱、半干旱地區(qū)[1]的生態(tài)環(huán)境，遏制住沙漠化擴(kuò)展的勢頭和治理水土流失工作中的被動(dòng)局面，需要有效地提高機(jī)械化集雨植被恢復(fù)技術(shù)。翻轉(zhuǎn)式犁式挖坑機(jī)是林業(yè)設(shè)備上一種常用的挖坑集雨機(jī)械，在工作過程中犁體將受到較大的耕深工作阻力。為了有效地減少犁體受力，在挖坑機(jī)上安裝深松刀，需要提前切出深500mm、寬400mm的溝墻，同時(shí)切斷土壤中的雜草以減少犁體所受阻力和脛刃的磨損[2]。因此，本文對深松刀進(jìn)行理論設(shè)計(jì)，選取合適的設(shè)計(jì)參數(shù)并利用有限元對設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行強(qiáng)度分析，為深松刀的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)[3-5]。

1翻轉(zhuǎn)式犁式挖坑機(jī)深松刀的設(shè)計(jì)

深松刀有圓犁刀和直犁刀兩種形式[2]，其應(yīng)用范圍如表1所示。

表1　圓犁刀與直犁刀特點(diǎn)

翻轉(zhuǎn)式犁式挖坑機(jī)主要用于林業(yè)上植樹挖坑，深松刀的工作環(huán)境惡劣，耕深較大，經(jīng)對比決定采用直犁刀，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　直立刀平面結(jié)構(gòu)圖

為滿足滑切要求：β≤90°-φ。

其中，β為深松刀與水平面夾角；φ為土壤與深松刀刃的摩擦角，且φ為23°～26°，故β≤64°～67°。

深松刀尖位于犁體水平面之上,其距離Δα=30～40mm，并在鏵尖前20～30mm。

犁刀總長為

刃部總長為

式中H—犁梁底面相對于水平面距離；

h—橫梁厚；

α—所設(shè)計(jì)的耕深；

β—水平面相對于刀刃夾角；

Δα—犁體水平面與刀尖距離；

ΔL—刃柄預(yù)留長度；

ΔL1—刀刃預(yù)留長度，取值范圍為100～150mm；

文中β取67°，Δα取35mm，ΔL取180mm。h為120mm,H為1 010mm,通過已知數(shù)據(jù)帶入公式可求得直立刀全長1 370mm,刃部長度為621mm。深松刀采用2個(gè)夾板及限位螺栓夾在機(jī)具的橋接板上，左右位置在犁體寬度的左側(cè)邊緣，且隨犁體一起起降。深松刀在工作過程中，磨損較快。為了保證刀體具有足夠的剛度和強(qiáng)度，選擇45#鋼制作深松刀，刀刃經(jīng)淬火處理。實(shí)體模型如圖2所示。

圖2　深松刀實(shí)體模型

2深松刀切割力的測定

2.1試驗(yàn)時(shí)間及地點(diǎn)

試驗(yàn)時(shí)間：2014年5-6月。

試驗(yàn)地點(diǎn)：內(nèi)蒙古包頭市昆區(qū)。

2.2試驗(yàn)設(shè)備及工具

1臺(tái)88.2kW輪式拖拉機(jī)、1臺(tái)翻轉(zhuǎn)式魚鱗坑挖坑樣機(jī)、田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)參數(shù)遙測儀(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制，上拉桿傳感器的量程-30～30kN，精度等級：0.1%；左右懸掛銷傳感器的量程0～30kN，精度等級：0.2%)、自行設(shè)計(jì)的左右懸掛銷掛接裝置、筆記本電腦1臺(tái)、土壤堅(jiān)實(shí)度儀(TYD-2型)、烘箱、取土鋁盒、取土鉆、取土環(huán)刀、小鏟撬、秒表，以及電子天平1臺(tái)(精度為0.01g)。

2.3試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)主要包括以下幾個(gè)步驟：

1)通過土壤堅(jiān)實(shí)度儀、取土鉆等工具對土壤進(jìn)行堅(jiān)實(shí)度的測定。

2)將上拉桿及左右懸掛銷傳感器與拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛方式進(jìn)行連接。上拉桿傳感器連接到拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛處的上鉸接與機(jī)具的上鉸接點(diǎn)；左右懸掛銷分別一端安裝在拖拉機(jī)的下拉桿上，另一端與犁體相連；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)線的連接。在軟件上需編好要測哪些力的數(shù)據(jù)與通道，程序的通道號要與傳感器連接無線動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器(見圖3)的接口通道號保持一致。

3)讓拖拉機(jī)以低Ⅱ擋勻速行駛，分別測出深松刀和深松鏟總的水平牽引阻力及只有深松鏟的水平牽引阻力。通過存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)(見圖4)存儲(chǔ)牽引阻力數(shù)值，進(jìn)行后續(xù)處理與分析。田間試驗(yàn)如圖5所示。

圖3　無線動(dòng)態(tài)參數(shù)遙測儀　　　　圖4　存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)

dynamic parameters

圖5　深松刀田間試驗(yàn)

2.4土壤堅(jiān)實(shí)度測定

土壤堅(jiān)實(shí)度是一個(gè)重要土壤物理特性指標(biāo)，農(nóng)業(yè)和林業(yè)機(jī)械進(jìn)行耕、載等試驗(yàn)過程中，要對土壤進(jìn)行堅(jiān)實(shí)度的測定。土壤堅(jiān)實(shí)度測定儀是常用的一種測定土壤堅(jiān)實(shí)度的儀器，采用五點(diǎn)法取樣對試驗(yàn)地進(jìn)行測定。

2.4.1五點(diǎn)法取樣

五點(diǎn)法取土示意圖如圖6所示。在圖示試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，取2條對角線上的4個(gè)頂點(diǎn)及對角線交點(diǎn)作為5個(gè)取樣點(diǎn)位進(jìn)行取樣或測量；每個(gè)測試點(diǎn)按10cm分層，取5個(gè)土壤深度等級的土壤，分別為0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm；分別計(jì)算各分層的平均值和全耕層平均值，以便測出土壤的堅(jiān)實(shí)度。

圖6　五點(diǎn)法取樣示意圖

2.4.2土壤堅(jiān)實(shí)度結(jié)果

試驗(yàn)地塊的土壤堅(jiān)實(shí)度如表2所示。由表2可知：土層深度為0～10cm時(shí)，土壤堅(jiān)實(shí)度在434N/m2左右；土層深度為10～20cm時(shí)，土壤堅(jiān)實(shí)度在921.2N/m2左右；土層深度為20～30cm時(shí)，土壤堅(jiān)實(shí)度在1 089.8N/m2左右；土層深度為30～40cm時(shí)，土壤堅(jiān)實(shí)度在1 932.8N/m2左右；土層深度為40～45cm時(shí)，土壤堅(jiān)實(shí)度在1 822.8N/m2左右。土壤堅(jiān)實(shí)度現(xiàn)場試驗(yàn)如圖7所示。

表 2　土壤含水率測量數(shù)據(jù)

2.5試驗(yàn)原理及深松刀的簡化受力模型

田間機(jī)械動(dòng)力學(xué)遙測儀可以對以三點(diǎn)懸掛為掛接方式的農(nóng)機(jī)具實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在拖拉機(jī)勻速工作過程中，上拉桿可看作是純二力桿結(jié)構(gòu)，通過其內(nèi)部的角度傳感器和拉壓力傳感器來同時(shí)測得上拉桿所受的拉力及與相對于水平地面的角度；再通過簡單換算求得上拉桿受到的水平牽引力和垂直分力；左右懸掛銷傳感器是利用相互平行的一對作用力產(chǎn)生的剪切力來測試力的大小。

試驗(yàn)中，上拉桿傳感器及左右懸掛銷傳感器將測得的土壤牽引阻力通過數(shù)據(jù)線以電信號形式傳遞給無線動(dòng)態(tài)參數(shù)遙測儀，再通過接收天線儲(chǔ)存計(jì)算機(jī)上會(huì)顯示相應(yīng)的牽引阻力大小。深松刀受力簡圖如圖8所示。

圖7　土壤堅(jiān)實(shí)度測定

1.下拉桿　2.上拉桿傳感器　3.機(jī)架　4.深松刀

2.6深松刀切割力的計(jì)算及結(jié)果

深松刀水平牽引阻力=深松刀和深松鏟總的水平牽引阻力-深松鏟水平牽引阻力；牽引力=左懸掛銷牽引力+右懸掛銷牽引力+上拉桿水平分力；上拉桿水平分力=上拉桿拉力×cosα；α為深松刀與相對水平面的夾角，α=30°。牽引阻力曲線如圖9所示。平均牽引力如表3所示。

3深松刀有限元模型的建立

將建好的深松刀Pro/E模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中，對其進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度分析，觀察應(yīng)力應(yīng)變圖看是否滿足設(shè)計(jì)要求[2]。

深松刀的結(jié)構(gòu)比較簡單，利用三維繪圖軟件Pro/E繪制圖形，去掉不必要的倒角，然后保存導(dǎo)入Workbench中；點(diǎn)擊Workbench中的Engineering Data，進(jìn)入材料屬性界面，深溝刀的材料用的45鋼。材料屬性如表4所示，網(wǎng)格劃分如圖10所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為1 460個(gè)，網(wǎng)格數(shù)量為655個(gè)。

圖9　深松刀牽引阻力

行走路程/m行走時(shí)間/s平均速度/m·s-1平均牽引力/N總牽引力/N正程3002201.4862.33反程3002251.4848.96850

表4　材料屬性

圖10　深松刀網(wǎng)格劃分圖

在Workbench中，以深松鏟炳作為固定約束，將測量的深松刀所受的阻力值850N施加在深松刀入土工作面，從而得出深松刀的應(yīng)力位移云圖，如圖11和圖12所示。

圖11　深松刀應(yīng)力圖

圖12　深松刀位移圖

4模型求解與分析

從深松刀應(yīng)力、位移圖可以看出：深松刀在工作工程中整個(gè)刀體上都承受應(yīng)力的作用，位移最大為2.15e-5m，發(fā)生在刀尖處；在刀柄與刀刃的接口處應(yīng)力最大，最大值為1.56e6Pa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力1.68e8，滿足使用要求。但其同樣存在強(qiáng)度太大所造成的材料浪費(fèi)的問題，因此可以通過適當(dāng)優(yōu)化刀體尺寸以減少材料損耗，為以后做刀體優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

5結(jié)論

通過對翻轉(zhuǎn)式犁式挖坑機(jī)深松刀的設(shè)計(jì)與有限元分析，獲得了深松刀所受應(yīng)力、位移最大的位置，分析表明：在設(shè)計(jì)深松鏟時(shí)，注意刀柄與刀刃的接口處的位置，只要保證了這個(gè)位置的強(qiáng)度，深松刀就能正常工作。

參考文獻(xiàn)：

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Design and Finite Element Analysis of Tilting and Scale-hole Deep Loosening Knife Digging Machines

Cheng Menghao1, Zhang Yun1, Liang Jianping2

(1.College of Machine and Electronics Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018,China; 2.Forestry Research Institute of Inner Mongolia Forestry Science Academy, Hohhot 010018,China)

Abstract：Based on tilting and scale-hole deep loosening earth auger knife has carried on the design and analysis of ANSYS, first determinng the deep loosening cutter size according to the data, the Pro/E 3 d model was established, using ANSYS on the grid, finally it is concluded that the deep loosening knife ruler of the stress nephogram, find the weak link in deep loosening knife is easy to damage.Results show that when designing deep loosening shovel, paying attention to the position of the handle and the blade outlet, as long as to ensure the strength of the position, deep loosening knife can work normally.

Key words：tilting and scale-hole furrow plough; deep pine knife; ANSYS; stress nephogram

文章編號：1003-188X(2016)07-0137-05

中圖分類號：S222.5+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：程夢昊(1986-)，男，河南許昌人，碩士研究生，(E-mail)651037013@qq.com。通訊作者：張?jiān)?1958-)，男，呼和浩特人，教授，(E-mail)zhangyund1958@163.com。

基金項(xiàng)目：國家農(nóng)業(yè)資金成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(2013GB2A400067)

收稿日期：2015-06-11