陳文彬
摘 要:現(xiàn)在市場(chǎng)上有多種水草切割船,但并不適合于小型水域的淡水養(yǎng)殖,而且水草切割船體積大、消耗高,購(gòu)買需要花費(fèi)較大資金。針對(duì)這種情況,淡水養(yǎng)殖人員需要一種可以安裝在普通船只的切割器,而且具備裝拆方便,簡(jiǎn)單廉價(jià)的特點(diǎn)。在對(duì)淡水養(yǎng)殖地區(qū)進(jìn)行調(diào)研后,本著以簡(jiǎn)單實(shí)用、可靠廉價(jià)為目的,設(shè)計(jì)了一種能用于養(yǎng)殖戶現(xiàn)有小型船只的水草切割裝置。本文介紹了可拆卸組合式水草切割裝置的方案、結(jié)構(gòu)、尺寸和材料,并用Solid Works軟件對(duì)該裝置進(jìn)行了三維建模,用Adams軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,分析了割刀在運(yùn)行過程中的受力和碰撞,以對(duì)割刀進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。
關(guān)鍵詞:水面清潔設(shè)備 水草切割船 刀 動(dòng)力
中圖分類號(hào):U67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2017)12(a)-0123-03
1 課題研究的背景
目前市場(chǎng)上有多種水草切割機(jī),它們的切割裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)。因此對(duì)于不同的水域和水生植物,有其合適的切割裝置。許多研發(fā)者致力于水草切割裝置的優(yōu)化和改進(jìn)以提高其性能。隨著研究的深入和發(fā)展,水草切割裝置越來(lái)越成熟,性能越來(lái)越優(yōu)良。隨著水域生態(tài)景觀的開發(fā)和養(yǎng)殖事業(yè)的迅猛發(fā)展,水草切割裝置在中國(guó)小型水域中具有廣泛的應(yīng)用前景,因此水草切割裝置的研究和發(fā)展也越來(lái)越重要。
因?yàn)閷iT的水草切割船體型大、消耗高、不適合在小型水域工作且一般的養(yǎng)殖戶無(wú)法承擔(dān)水草切割船的費(fèi)用。針對(duì)這種情況,需要專門設(shè)計(jì)可快速拆卸式水草切割裝置。
2 初步設(shè)計(jì)方案
2.1 研究目標(biāo)
設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)、可靠的小型便攜可拆卸式水草切割設(shè)備,可安裝在養(yǎng)殖戶的普通船只上,當(dāng)池塘需要割草時(shí),可以實(shí)現(xiàn)快速安裝;當(dāng)不需要割草時(shí),可以快速拆卸,以免切割裝置在露天環(huán)境中被侵蝕破壞,延長(zhǎng)使用壽命。
在可以快速拆卸組合的基礎(chǔ)上,通過調(diào)節(jié)刀架的高度,可以實(shí)現(xiàn)刀的上下移動(dòng),這樣就可以在不同的水域,根據(jù)所要的水草高度,進(jìn)行切割。
2.2 研究?jī)?nèi)容
(1)切割器的類型和選擇。
(2)切割裝置在水中的工作特性,包括用Solid Works軟件進(jìn)行建模后,導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行水中模擬,得出切割器在水中的受力情況;綜合水的阻力與水草的阻力,在Adams軟件中進(jìn)行受力分析,查看割刀運(yùn)行過程是否穩(wěn)定,有無(wú)較大碰撞力。
2.3 主要問題
環(huán)保、割刀形式的選擇和盡可能降低產(chǎn)品的成本。
2.4 關(guān)鍵技術(shù)
實(shí)現(xiàn)割刀上下調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同水域。
2.5 解決方案
動(dòng)力初步擬定為汽油機(jī),汽油機(jī)體積小、振動(dòng)低、啟動(dòng)簡(jiǎn)單,最重要的是萬(wàn)一有泄漏汽油易揮發(fā),不會(huì)污染水域。
刀具初步擬定為往復(fù)式割刀,采用兩動(dòng)刀片的方式進(jìn)行切割,刀片安置在托刀盒內(nèi),托刀盒焊接在刀架上。
支撐結(jié)構(gòu)盡量采用型材,通過改造型材,刀架可以實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。
傳動(dòng)軸采用可拉伸花鍵軸,以實(shí)現(xiàn)刀的移動(dòng)。
在本設(shè)計(jì)中,刀配體材料初步擬定為不銹鐵,它具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能,刀架采用不銹鋼,其焊接性良好,適用于作結(jié)構(gòu)材料。
3 設(shè)計(jì)過程
3.1 船
池塘的一般水深為500mm,最深處可達(dá)800mm,擬定船高為400mm,無(wú)載荷時(shí)吃水深度為50mm,船寬900mm。其Solid Works三維設(shè)效果圖如圖1所示。
3.2 刀
選擇往復(fù)式切割器則能避免切割器被纏繞和堵轉(zhuǎn)的問題,即使遇到強(qiáng)度、韌性比較大的水草,切割器的刀片也能依靠高速運(yùn)動(dòng)將水草割斷。在參考大量切割器資料后,最適宜的可直接購(gòu)買的切割器刀具長(zhǎng)度為1100mm。比船稍寬,以保證船前面的水草切割干凈。其Solid Works三維效果圖如圖2所示。
因?yàn)橥鶑?fù)式割刀的動(dòng)刀片在速度為0.7m/s時(shí)最穩(wěn)定,按照廠家生產(chǎn)的刀具,切割部分寬a=30.89mm,刀長(zhǎng)b=1m,擬定輸入轉(zhuǎn)速n=500r/min:
8小時(shí)割=8=22.2畝
船的適合速度v=2a×500/60=0.5m/s。
為了提高效率,暫擬定切割部分寬35mm,8小時(shí)割=8=25畝;
刀的移動(dòng)速度=0.58m/s;
船的適合速度v=2a×500/60=0.58m/s;
因?yàn)槭芰Σ淮?,材料初步擬定為301不銹鋼,它具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。
平板是最簡(jiǎn)單的構(gòu)件,當(dāng)平板被順著平行來(lái)流方向安置時(shí),由于水的粘滯性引起的水動(dòng)力僅為摩擦阻力。而平板與來(lái)流成角度時(shí),會(huì)受到形狀阻力等。因此擬定本設(shè)計(jì)中刀平面與來(lái)流方向平行,以減少水的阻力。
3.3 刀架
初步擬定刀片焊接在刀架上,為了實(shí)現(xiàn)刀的高度調(diào)節(jié),刀架和支撐部分要同時(shí)設(shè)計(jì)。支撐部分初步設(shè)計(jì)為開有槽的鋼板,刀架可以裝配在鋼板的槽中以上下進(jìn)行高度調(diào)節(jié)。為了加強(qiáng)刀架的穩(wěn)定性,同時(shí)阻止刀架旋轉(zhuǎn),初步設(shè)計(jì)刀架為三角形鋼管焊接件。其Solid Works三維效果圖如圖3。
刀架整體均是由直徑20mm的鋼管焊接,垂直距離為230mm,因?yàn)槭芰Σ淮?,材料初步擬定為316不銹鋼,其焊接性良好,適用于作結(jié)構(gòu)材料。
3.4 支撐部分
8號(hào)槽鋼高80mm,寬43mm,厚8mm。根據(jù)上面設(shè)計(jì)的刀架,其垂直距離為230mm,那么可以設(shè)計(jì)第一個(gè)槽口圓形中心據(jù)離頂部為80+80+350-230=280mm。那么刀架的移動(dòng)范圍可達(dá)80×5=400mm,完全可以滿足池塘水草的切割。其Solid Works三維效果圖如圖4。
3.5 動(dòng)力部分
由于汽油機(jī)體積小,容易啟動(dòng)的特點(diǎn),擬定動(dòng)力部分為汽油機(jī),轉(zhuǎn)速為1500r/mim。配合減速比為1∶3的單級(jí)齒輪減速器。
3.6 偏心輪
由于設(shè)計(jì)采用一定刀片一動(dòng)刀片的形式,刀片中刀齒間距為35mm,為了使刀片在運(yùn)行過程中盡可能的增大切割面積,設(shè)計(jì)偏心半徑為35mm。這樣偏心輪運(yùn)轉(zhuǎn)一周,動(dòng)刀片完成一個(gè)往復(fù)動(dòng)作。
3.7 受力分析
割刀承受的力F主要由摩擦力、切割阻力、慣性力和流體阻力組成。
慣性力F=m×a=0.52×19.3=10N。
鋼與鋼的摩擦系數(shù):靜摩擦無(wú)潤(rùn)滑劑0.15,有潤(rùn)滑劑0.1~0.12;動(dòng)摩擦無(wú)潤(rùn)滑劑0.15,有潤(rùn)滑劑0.05~0.10。這里取動(dòng)摩擦無(wú)潤(rùn)滑劑0.15。
刀片之間的摩擦力f=0.15mg=0.15×5.2=0.78N。
3.8 系統(tǒng)建模與仿真分析
3.8.1 割刀裝配體基于ADAMS仿真分析及輸出結(jié)果
在這個(gè)Adams模擬中,要輸出動(dòng)刀片的速度和加速度曲線,驗(yàn)證動(dòng)刀片速度是否滿足設(shè)計(jì)要求,看加速度曲線是否平滑,以驗(yàn)證刀的運(yùn)行時(shí)平穩(wěn)的。最后要輸出動(dòng)刀片與刀盒的接觸力曲線,驗(yàn)證動(dòng)刀片與刀盒之間是否有異常沖擊力。
3.8.2 輸出結(jié)果分析
由動(dòng)刀片和托刀盒的碰撞曲線可以看出,在動(dòng)刀片在運(yùn)行過程中,與托刀盒無(wú)明顯異常碰撞,說明偏心輪和連桿的設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求。
綜上Adams軟件運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,可以得出本文所設(shè)計(jì)的可快速拆卸組合式水草切割裝置基本滿足要求,有些地方還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。
3.9 方案確定
汽油機(jī)型號(hào)的選擇,由3.7節(jié)受力分析可知,偏心輪每轉(zhuǎn)一周,耗費(fèi)時(shí)間0.12s,割刀前進(jìn)0.12×0.58=0.0696m,W=306.64×0.0696+10.78×0.035×2=22J,功率P=22/0.12=0.2kW。雖然托刀盒中有潤(rùn)滑,但偏心輪與連桿的摩擦?xí)牟糠止β省?/p>
4 結(jié)語(yǔ)
通過受力分析和模擬,切割裝置基本滿足設(shè)計(jì)要求。有動(dòng)刀片的加速度曲線可知,存在較大沖擊力,說明偏心輪的設(shè)計(jì)還存在問題,需要進(jìn)一步修正改進(jìn)。還有很多方面需要進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。
本文對(duì)水草切割進(jìn)行了基礎(chǔ)研究,進(jìn)行了初步的探索,并主要針對(duì)可快速拆卸組合式水草切割裝置進(jìn)行了深入研究,同時(shí)概述了其控制系統(tǒng)。由于各條件的限制,可快速拆卸組合式水草切割裝置還存在大量問題,如傳動(dòng)系統(tǒng)不穩(wěn)定,接下來(lái)我們應(yīng)該把重點(diǎn)放在可快速拆卸組合式水草切割裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)研究上,這樣將對(duì)我們了解傳動(dòng)系統(tǒng)如何避開水草纏繞問題和甩動(dòng)幅度大等問題有很大幫助,對(duì)水草切割裝置的具體工作過程有一個(gè)更深層次的認(rèn)識(shí)。正是由于我國(guó)在養(yǎng)殖業(yè)機(jī)械化技術(shù)方面的落后,我們更加應(yīng)該花費(fèi)人力物力去研究學(xué)習(xí),并最終實(shí)現(xiàn)水草切割裝置的國(guó)產(chǎn)化。讓我們?yōu)橹圃斐鲎约旱膿碛凶灾髦R(shí)產(chǎn)權(quán)并且簡(jiǎn)單可靠廉價(jià)的可快速拆卸組合式水草切割裝置而努力。
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