閆世風(fēng)，何予鵬，李明陽，吳建中

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002)

0 引言

人類的生存離不開土壤，土壤是我們種植農(nóng)作物、水果等不可或缺的基本條件[1]。從某種角度來說土壤也是有生命的，其質(zhì)量的好壞，與我們所種農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量緊密相連。隨著我國人口的增加，糧食的產(chǎn)量就必須加大以滿足人口需求，這就促使農(nóng)民大量地使用化肥，雖然能夠增加農(nóng)作物產(chǎn)量但也破壞了土壤結(jié)構(gòu)，造成土壤的營養(yǎng)不均衡甚至匱乏、土壤板結(jié)等現(xiàn)象[2-3]。隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家越來越重視土壤的保護(hù)和修復(fù)，以增加其動(dòng)力和活力，對土壤的研究有利于對土壤的保護(hù)及合理運(yùn)用，對環(huán)境保護(hù)也至關(guān)重要[4]。

土壤的研究有時(shí)在土地表面取樣，但大多數(shù)是在土地某深度進(jìn)行取樣[5]，而不管是在土地表面還是在地表某深度，土壤取樣都需要用到取土器。目前，所用取土器取土筒的直徑大多在100mm以下[6]，不同情況下對取土的直徑要求不一樣。以往換用不同直徑取土的方法是換不同的取土器[7]，需要做出不同規(guī)格的取土器。本文擬設(shè)計(jì)一種取土器，適用于不同取土直徑要求下的土壤取樣。

1 設(shè)計(jì)原理與結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)思路

以農(nóng)用機(jī)動(dòng)取土器為基礎(chǔ)，將取土桿取土部分做成可拆卸的不同直徑的取土筒，這樣在用不同直徑取土器取土?xí)r就不用換整個(gè)取土器，直接換入土端取土筒即可。該方法不僅節(jié)省了材料，降低了成本，且在實(shí)地使用時(shí)不必帶多個(gè)取土器，只需帶上所需取土筒即可，節(jié)省了人力的搬運(yùn)，降低了勞動(dòng)程度。圖1為機(jī)動(dòng)汽油機(jī)式取土器的整體結(jié)構(gòu)。

(a) 總體圖 (b) 動(dòng)力部分結(jié)構(gòu)圖1.動(dòng)力部分 2.取土桿 3.汽油機(jī) 4.氣缸 5.變速箱 6.手柄圖1 汽油機(jī)取土器整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the gasoline engine soil collector

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將取土桿的一端做成連接座，與變速箱的錘擊結(jié)構(gòu)相連；另一端加工成內(nèi)螺紋孔，螺紋直徑為20mm，孔深為25mm。取土筒為長度為300mm，直徑為30、40、60、80mm，一端開刃，另一端加工成帶有螺栓的端面，螺栓直徑為20mm，長為25mm,且在端面上加工3個(gè)直徑為2mm的圓孔，以防止取土筒在入土工程中，壓縮里面空氣對入土造成阻力。同時(shí)，在取土筒的側(cè)面開一個(gè)適當(dāng)?shù)腢型槽，以便于取土后收集土樣,如圖2所示。取土筒尺寸參數(shù)如表1所示。

1.螺柱 2.取土槽圖2 取土筒Fig.2 Soil tube表1 取土筒尺寸參數(shù)Table 1 Dimension parameters of the earth cylinder mm

內(nèi)徑d壁厚r長度L螺栓長度L1螺栓直徑D13033002516403300251660330025168033002516

取土?xí)r，先將取土筒和取土桿連接，以直徑為40mm的取土筒為例，將取土桿連接座部分與動(dòng)力機(jī)構(gòu)相連，然后發(fā)動(dòng)汽油機(jī)，進(jìn)行取土即可。其連接過程如圖3所示。

1.取土桿 2.取土筒圖3 取土桿與取土筒連接圖Fig.3 Connection diagram of soil rod and soil tube

2 受力分析及載荷計(jì)算

2.1 取土筒的受力分析與力學(xué)建模

取土筒實(shí)際是一段開口的鋼管，入土?xí)r所受外力一直向下，方向不變，因此在貫入土中時(shí)可以按照開口鋼管樁豎向承載力的計(jì)算方法計(jì)算[8]。其所受的力有：豎直向下的錘擊力F，取土筒內(nèi)壁與土壤的摩擦力f1，取土筒外壁摩擦力f2。其土壤同金屬接觸面之間的附著力幾乎完全因水膜張力所造成，附著力也與土壤的質(zhì)地、含水量、接觸面材料和光潔度等因素有關(guān)。附著力在有水分時(shí)才有，但隨土壤含水量的增加其值先增加后減少，其最大值與摩擦力相比小得很多，故可忽略不計(jì)。因取土桿與取土筒是空心的，力的傳遞都是通過桿壁傳到筒壁上，忽略傳遞過程中力的損失，得到簡化的取土筒入土?xí)r所受力的簡化圖，如圖4所示。

圖4 取土筒入土受力圖Fig.4 Take the earth cylinder into the soil

選擇土質(zhì)為粘土，根據(jù)“建筑樁基技術(shù)規(guī)范”中鋼管樁摩擦力的計(jì)算方法[9]：鋼管樁有效摩擦力f=樁周面積A×摩擦系數(shù)×土層厚度h。

此取土器取土深度在6m以內(nèi)，以直徑為30mm的取土筒為例，由表2可知：摩擦因數(shù)取16，取土器有效入土長度為取土筒長度為0.3m，忽略取土筒取土槽的面積，計(jì)算出f1和f2，故其和比實(shí)際摩擦力要大。

f1=π×0.03×0.3×0.3×16=135.5N

f2=π×0.033×0.3×0.3×16=150N

f1+f2=285.5N

2.2 動(dòng)力載荷分析計(jì)算

在實(shí)際情況下，因電鎬做功比汽油機(jī)輸出動(dòng)力穩(wěn)定，取土桿受到?jīng)_擊力更大，以電鎬為例進(jìn)行分析。采用高速?zèng)_擊鎬作為動(dòng)力源,電鎬的輸入功率為1 580W，錘擊頻率為2 980次/min。取土?xí)r,電機(jī)帶著其軸前端的一體式斜齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使傳動(dòng)斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，斜齒輪又將圓周轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給曲軸，使由曲軸和連桿組成的曲軸連桿機(jī)構(gòu)做偏心運(yùn)動(dòng)，然后連接在曲軸連桿上的活塞做直線往返運(yùn)動(dòng)；因活塞與撞錘之間為密封的空間，活塞壓縮空氣到一定程度時(shí)，撞錘也就跟著一起向后運(yùn)動(dòng)，直到撞擊到?jīng)_擊桿。如此這樣循環(huán)實(shí)現(xiàn)對沖擊桿的做功，如圖5所示。取土桿前端的沖擊座受沖擊桿的周期性沖擊力，其方向不變，大小在一定區(qū)間內(nèi)，所受應(yīng)力屬于脈動(dòng)循環(huán)。

表2 建筑鋼管樁基摩擦力參數(shù)Table 2 Friction parameters of building steel pipe pile foundation

1.連桿 2.曲軸箱蓋 3.曲軸 4.軸承 5.傳動(dòng)斜齒輪 6.活塞 7.撞錘 8.沖擊桿圖5 電鎬沖擊結(jié)構(gòu)裝配體圖Fig.5 Assembly drawing of shock structure of electric pickaxe

計(jì)算電鎬的沖擊功參數(shù)，然后對取土桿進(jìn)行受力分析，以電鎬為例進(jìn)行分析，使得取土桿所受沖擊力更大。通過分析電鎬沖擊原理簡圖，得出其運(yùn)動(dòng)原理與對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)相似，如圖6所示。

圖6 對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)Fig.6 Heart crank slider mechanism

圖6中，r為曲柄長度；ω為角速度；φ為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度；s為滑塊位移；L為連桿長度。

為方便分析將電鎬沖擊運(yùn)動(dòng)的原理簡圖畫出，簡化后如圖7所示。

圖7 電鎬沖擊原理簡圖Fig.7 Electric shock schematic

故根據(jù)“對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”計(jì)算公式[10]，則有

a=rω2(λcos2φ+cosφ)

s=λr/4[4/λr-cos2φ+1]

λ=r/L

式中a—滑塊加速度；

R—曲柄長度；

ω—曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；

φ—曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度；

s—滑塊位移。

由于活塞可以看作對心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的滑塊，假設(shè)活塞和撞錘做同步運(yùn)動(dòng)，則由變力做功公式有

把上面a和s帶入上述公式，則

W=

在0～2π區(qū)間內(nèi)求上式定積分，得

W=2m(ωr)2

其中，ω=πn/30，變形得

W=2m[(πrn)/30]2×10-7

式中W—沖擊功(J/次)；

r—曲軸偏心距(cm)；

m—撞錘質(zhì)量(g)；

n—偏心軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

對沖擊錘進(jìn)行數(shù)次稱重，然后算出質(zhì)量m的平均值，m=183g，測量出偏心軸的偏心距r=1.4cm，偏心軸轉(zhuǎn)速n=2 980r/min，代入上式得到?jīng)_擊功為

W≈6.98J

由于電鎬的活塞和撞錘在工作中是通過壓縮空氣傳動(dòng)的，不是剛性連接，所以活塞和撞錘的相位與運(yùn)動(dòng)曲線是不一樣的，故上面計(jì)算的值和實(shí)際的沖擊功有些許差別。

依據(jù)動(dòng)能守恒定律有

在一次沖擊過程中，活塞的錘擊速度由最大變?yōu)?，設(shè)單程經(jīng)歷時(shí)間為t，則

撞擊瞬間速度轉(zhuǎn)化為0 m/s，由碰撞過程的動(dòng)量定理得

mv=Ft

則可算出力F為

因在向下連續(xù)錘擊時(shí)，電鎬受重力作用也會(huì)對取土桿做功，且電鎬錘擊頻率越大，其做功越多。電鎬所受重力為F電=m電g=43N，則合力Ff=F+F電=361.4>f1+f2=285.5N，故取土器能夠順利入土。

3 取土筒的有限元分析

運(yùn)用Ansys軟件對取土筒進(jìn)行有限元建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件及結(jié)果后處理分析等，察看所設(shè)計(jì)的參數(shù)等是否符合要求，然后在試驗(yàn)中觀察其是否與上述理論分析相符合。假設(shè)作用在取土筒的力大小為380N,將土壤看作剛體，若在該假設(shè)下取土筒強(qiáng)度等依然符合要求，則在實(shí)際情況中絕對滿足條件。

取土筒采用201不銹鋼，其材料參數(shù)如表3所示。

表3 201不銹鋼參數(shù)Table 3 201 stainless steel parameters

對其進(jìn)行相應(yīng)操作后可得到總變形、應(yīng)力和塑性變形云圖，其結(jié)果如圖8～圖10所示。

由圖8可知：取土筒在380N力的作用下，最大變形量為4.83×10-3mm，與其壁厚相比小得多，故可以看作無變形。

由圖9可知：取土筒最大應(yīng)力離取土槽兩端較近，大小為2.81MPa,小于材料的屈服應(yīng)力275MPa，強(qiáng)度滿足，可以正常使用。

圖8 總變形云圖Fig.8 Total deformation cloud

圖9 應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud

圖10 塑性變形云圖Fig.10 Plastic deformation cloud

由圖10可知：該取土筒的最大塑性變形與最大應(yīng)力處在同一位置，最大變形量為1.46×10-5mm,因而相比與壁厚及長度不會(huì)對結(jié)構(gòu)造成影響。

對該模型進(jìn)行模態(tài)分析，分析在某處頻率結(jié)構(gòu)的變形量最大，即對取土筒破壞最大，以便于設(shè)計(jì)汽油機(jī)頻率時(shí)避開此范圍內(nèi)頻率。本次模態(tài)分析只分析其前6階模態(tài)(見圖11～圖16)，分析結(jié)果如表4所示。

圖11 1階振型云圖Fig.11 The first cloud mode

圖12 2階振型云圖Fig.12 The second cloud mode

圖13 3階振型云圖Fig.13 The third cloud mode

圖14 4階振型云圖Fig.14 The fourth cloud mode

圖15 5階振型云圖Fig.15 The fifth cloud mode

圖16 6階振型云圖Fig.16 The sixth cloud mode

從取土筒的前6階模態(tài)云圖中可以看出：取土筒的1階、2階、3階模態(tài)的振動(dòng)頻率對取土筒的前端，即受力端的破壞比較大，且隨著頻率的增加，變形量呈現(xiàn)了減小、增加、減小、增加的狀態(tài)；第5階變形量達(dá)到最大，隨后又減少；到4階模態(tài)時(shí)，取土筒結(jié)構(gòu)變形較大的地方從前端移到取土槽附近，5階、6階也是對取土槽處的破壞較大，而頻率到第5階時(shí)破壞最大。

表4 前6階模態(tài)分析結(jié)果Table 4 Results of the first six modal analysis

本文取土器的轉(zhuǎn)速n=2 980r/min,由公式n=60f計(jì)算得，f=48.2Hz,遠(yuǎn)小于前6階的模態(tài)振頻，這說明在該頻率下，取土筒不會(huì)出現(xiàn)共振，即不會(huì)因共振現(xiàn)象對其結(jié)構(gòu)造成較大破壞。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)采用機(jī)動(dòng)式汽油機(jī)為動(dòng)力，并用最大直徑為80mm的取土筒進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)三區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)結(jié)果表明：取土筒能夠順利入土，且相較于之前的取土方式，取土更快、更均勻，更易于將土壤從取土器中取出，不會(huì)因所取土樣過多造成取土費(fèi)時(shí)的現(xiàn)象，也減少了從取土筒取土?xí)r人力的消耗；通過更換不同規(guī)格的取土筒能夠滿足不同土樣直徑的要求，避免了換用整個(gè)取土桿的情況。本試驗(yàn)的取土效果圖如圖17所示，表5為試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖17 取土器取土效果圖Fig.17 Earthing equipment to take soil effect map

從表5可看出：隨著入土深度增加，在頻率不變的情況下，入土速度稍有加快，原因是因下面土壤比土表土壤濕度大，緊實(shí)度小，相對松散，土樣的原狀性也較第一次取土好。

表5 取土器入土的相關(guān)數(shù)據(jù)Table 5 Related data for earth ploughing

5 結(jié)論

1)根據(jù)取土器的自身特點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)了其取土桿的結(jié)構(gòu)，將取土部分改為可拆卸的取土筒，可通過更換取土筒滿足不同取土規(guī)格的條件，避免了更換整個(gè)取土器的麻煩。

2)通過對取土筒受力分析與建模，利用Ansys軟件對其進(jìn)行有限元分析，得到相應(yīng)條件下的總變形、應(yīng)力等云圖，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度等滿足各條件。分析了該結(jié)構(gòu)的前6階振型，驗(yàn)證所選用汽油機(jī)的頻率不會(huì)與取土筒結(jié)構(gòu)形成共振，避免了因共振對取土筒造成的破壞。

3)試驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)的取土桿結(jié)構(gòu)能夠滿足順利入土，且深度越深，取樣速度及土樣原狀性保持越好，能夠滿足取土性能的基本要求。