祁玉卓 陳林 張亞振 高波*

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2、河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司

1 研究背景

中藥材在我國(guó)的醫(yī)療領(lǐng)域有著十分重要的地位。我國(guó)從80年代開始就對(duì)深根莖中藥材機(jī)械化收獲裝備進(jìn)行研究，目前已經(jīng)形成了幾大類中藥材收獲機(jī)械，但結(jié)構(gòu)偏簡(jiǎn)單，功能較單一，工作效率不高，隨著中藥種植規(guī)模化的不斷發(fā)展，對(duì)中藥材收獲機(jī)提出了更高的要求。在當(dāng)前主要的機(jī)型中，與振動(dòng)式收獲機(jī)相比，直拉式收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)，工作時(shí)只需要拖拉機(jī)的牽引力而不需要額外的機(jī)械傳動(dòng)，動(dòng)力利用率高。挖掘鏟是直接入土的工作部件，鏟型選擇對(duì)提升收獲機(jī)工作性能意義重大。本文選擇兩款常用鏟型進(jìn)行對(duì)比分析，在挖掘鏟工作狀態(tài)下進(jìn)行受力計(jì)算及其有限元分析，確定給定工況下的一款減阻效果明顯、使用壽命長(zhǎng)的挖掘鏟。

2 挖掘鏟對(duì)比分析

根據(jù)調(diào)查結(jié)果及研究表明，現(xiàn)階段挖掘鏟多采用分體式配置，采用這種方式有利于減小挖掘阻力，且在損壞時(shí)只更換單鏟，維修方便，節(jié)約成本[1]。因此設(shè)計(jì)了以下兩種固定式挖掘鏟進(jìn)行比較，以選取一種更適宜的挖掘鏟。兩鏟型的單鏟鏟面寬度均設(shè)計(jì)為200mm，在此次研究中收獲機(jī)工作幅寬選取為1600mm，在此幅寬下，每個(gè)收獲機(jī)需要8個(gè)單鏟。

2.1 兩鏟型的基本結(jié)構(gòu)

第一種為三階V形組合鏟。鏟面為平面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。采用的固定方式為挖掘鏟固定到支撐梁上，再通過支撐梁固定到機(jī)架上。挖掘鏟組合的結(jié)構(gòu)如圖1所示。鏟面由三階組成，每階鏟面傾角不同。

圖1 三階V形組合鏟單體

第二種為U形平面多鏟挖掘鏟。鏟面為平面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、更換方便。采用的固定方式為挖掘鏟直接固定到機(jī)架上。

圖2 U形平面多鏟挖掘鏟單體

兩種鏟型的挖掘鏟材料均選擇為65Mn鋼材料，在熱處理后，65Mn鋼強(qiáng)度比較高，耐磨性也有提升，且具有一定的柔韌性和可塑性[2]。

2.2 挖掘鏟工作時(shí)受力分析

挖掘鏟滿足以下條件：收獲機(jī)的挖掘深度達(dá)到最大作業(yè)范圍（最大挖掘深度為450mm）；全幅寬作業(yè)（幅寬為1600mm）；挖掘出來的藥材與土壤混合物的重力全部由挖掘鏟面承受。

根據(jù)以上假設(shè)條件，計(jì)算挖掘鏟面上的受力。挖掘鏟上藥材與土壤混合物重力F1：

式中：V——全幅寬工作時(shí)藥材與土壤混合物體積；D——挖掘鏟的最大挖掘深度；B——全幅寬1600mm；L——挖掘鏟的有效工作長(zhǎng)度；ρ——土壤與藥材混合物的密度（ρ=1500kg/m3）。

根據(jù)計(jì)算得F1=3240N.結(jié)合整機(jī)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)操作情況，確定挖掘鏟的入土角度α為30°，所以，垂直于挖掘鏟鏟面的重力分量即F1y=2935.4N；沿著挖掘鏟鏟面方向的重力分量，即F1x=1360.8N。挖掘鏟鏟面與土壤滑動(dòng)摩擦力Ff：

取土壤與鋼鐵的摩擦系數(shù)μ為0.6。

根據(jù)上式計(jì)算Ff為1967.9N。

在Autodeskinventor中創(chuàng)建兩種挖掘鏟的模型圖，單擊“環(huán)境”“應(yīng)力分析”，啟動(dòng)分析模塊。按照該軟件的應(yīng)力分析方法操作進(jìn)行分析，包括創(chuàng)建方案、指定材料、添加約束、添加載荷，設(shè)置網(wǎng)格對(duì)挖掘鏟進(jìn)行分析。運(yùn)用這種算例分析了兩種挖掘鏟的靜態(tài)應(yīng)力、合位移以及安全系數(shù)。

靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 三階V形組合鏟單鏟等效應(yīng)力圖

圖4 U形平面挖掘鏟單鏟等效應(yīng)力圖

分析顯示，三階V形組合鏟單鏟最大應(yīng)力30.96Mpa，U形平面多鏟挖掘鏟單鏟最大應(yīng)力235Mpa，均小于65Mn的屈服應(yīng)力430Mpa，應(yīng)力集中分布在挖掘鏟的焊接點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)對(duì)焊接后的挖掘鏟產(chǎn)品進(jìn)行細(xì)致抽檢，以免因焊接不牢導(dǎo)致挖掘鏟易損。通過分析比較，同等條件下三階V形組合鏟單鏟最大應(yīng)力較小，可靠性更高。

合位移的分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 三階V形組合鏟單鏟合位移

圖6 U形平面挖掘鏟單鏟合位移

通過分析結(jié)果中合位移的數(shù)字可以得出挖掘鏟在工作中受力情況下的變形量，由通過分析得到的合位移圖可以得出，三階V形組合鏟單鏟合位移為0~0.02342mm，U形平面多鏟挖掘鏟單鏟合位移為0~0.7307mm，由于本次分析是按照中藥材收獲機(jī)在工作中出現(xiàn)的極限情況下的合位移，所以實(shí)際工作中的挖掘鏟合位移會(huì)介于合位移區(qū)間內(nèi)，位移量會(huì)小于最大合位移。由分析結(jié)果得三階V形組合鏟單鏟極限情況下的合位移更小，可靠度更高。

安全系數(shù)的分析結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 三階V形組合鏟單鏟安全系數(shù)

圖8 U形平面挖掘鏟單安全系數(shù)

安全系數(shù)是考量一項(xiàng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，為極限應(yīng)力與許用應(yīng)力之比，安全系數(shù)關(guān)系著機(jī)械產(chǎn)品是否可以安全使用。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品，安全系數(shù)應(yīng)大于等于1，重要的部件安全系數(shù)應(yīng)大于等于2[3]。U形平面多鏟挖掘鏟單安全系數(shù)最小值為0.88，三階V形組合鏟單鏟安全系數(shù)最小值為6.69，最大值均為15，因此設(shè)計(jì)的U形平面多鏟挖掘鏟安全系數(shù)最小值小于1，不能進(jìn)行安全使用，三階V形組合鏟單鏟安全系數(shù)最小值大于2，滿足使用條件[4]。

3 結(jié)語

通過控制變量法在模擬工作狀態(tài)受力的情況下對(duì)此兩種挖掘鏟進(jìn)行分析，由模擬分析結(jié)果可以得出三階V形組合鏟單鏟工作狀態(tài)下應(yīng)力和應(yīng)變更小、安全系數(shù)最高，且三階V形組合鏟單鏟可替換性強(qiáng)。因此此類挖掘鏟具有更優(yōu)良的性能特征，更好的使用價(jià)值。