張艷靜，詹 華，馬小斌，王亦奇，汪瑞軍

（中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083）

0 引言

在耕作過程中，農(nóng)機(jī)入土部件對(duì)土壤進(jìn)行加工整理，使土壤破碎、翻轉(zhuǎn)或移動(dòng)[1]。入土部件常在露天環(huán)境下作業(yè)，與砂石和植物根莖等發(fā)生碰撞，會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損[2]。為了提高入土部件的耐磨性，國內(nèi)外學(xué)者在熱處理、表面增材制造和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行了大量的研究[3-5]。

在投入市場(chǎng)批量生產(chǎn)之前，需要對(duì)入土部件進(jìn)行耐磨性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法主要包括田間試驗(yàn)、磨粒磨損試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)和土槽試驗(yàn)等[6-9]。田間試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)不同入土部件磨損性能試驗(yàn)。蒲巖巖[10]將氧乙炔火焰噴焊的耐磨犁與65Mn 普通犁進(jìn)行了田間對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)噴焊犁比普通犁的耐磨性提高了2.89 倍。ER U 等[7]為探究滲硼、滲碳和未處理犁鏵的磨損性能，在兩塊不同的農(nóng)田進(jìn)行磨損性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)滲硼的犁鏵耐磨性更好。但是田間試驗(yàn)易受到外界因素的影響，并且能進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)間有限、重復(fù)性差。

近些年，研制出了一系列實(shí)驗(yàn)室內(nèi)磨損性能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)占地面積小，參數(shù)易控制，試驗(yàn)速度快，能夠達(dá)到縮短試驗(yàn)周期的目的[11]。王宏立等[8]針對(duì)農(nóng)機(jī)具耐磨材料的開發(fā)，研制了一臺(tái)農(nóng)機(jī)材料摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，仿形裝置能使試樣裝夾裝置和壓實(shí)裝置在遇到硬質(zhì)土塊時(shí)自動(dòng)抬起，通過后依靠彈簧回彈自動(dòng)落下，達(dá)到保護(hù)試樣和零件的目的。NAPIORKOWSKI J等[12]在研制的“旋轉(zhuǎn)碗”試驗(yàn)臺(tái)上，使用30 mm×25 mm×10 mm 規(guī)格的試樣探究了氮化物增強(qiáng)碳化硅、農(nóng)機(jī)耕作部件常用耐磨鋼、硼鋼3 種不同材料在土壤環(huán)境中的磨損性能，結(jié)果表明氮化物增強(qiáng)碳化硅耐磨性最優(yōu)。BEDOLLA P O 等[13]研制了一臺(tái)磨損試驗(yàn)設(shè)備，將固定形狀的試樣安裝在沙箱的托架上，在電機(jī)和齒條帶動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，模擬沙質(zhì)潮濕土壤環(huán)境下入土部件材料的磨損情況。王建蕭等[14]針對(duì)馬鈴薯等根莖收獲機(jī)械的挖掘鏟設(shè)計(jì)一種小型土槽試驗(yàn)臺(tái)，通過對(duì)挖掘鏟進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)挖掘結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)。孫新城等[15]設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)式土槽試驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)速度控制和調(diào)節(jié)問題，建立了模糊控制下旋轉(zhuǎn)式土槽試驗(yàn)臺(tái)的數(shù)學(xué)模型仿真和控制系統(tǒng)優(yōu)化，提高了農(nóng)機(jī)具部件試驗(yàn)的精度。但是上述試驗(yàn)機(jī)只能對(duì)固定尺寸的試樣或單一入土部件進(jìn)行磨損性能試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)利用率低。

本研究設(shè)計(jì)了一臺(tái)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的農(nóng)機(jī)入土部件磨損性能試驗(yàn)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)旋耕刀、圓盤耙及犁鏵3 種不同入土部件的磨損性能試驗(yàn)，并使得不同方法優(yōu)化后的入土部件同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，以下分別對(duì)試驗(yàn)機(jī)的工作原理、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、靜力學(xué)校核和測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

農(nóng)機(jī)入土部件磨損性能試驗(yàn)機(jī)由圓盤耙/旋耕刀磨損試驗(yàn)系統(tǒng)、犁鏵磨損試驗(yàn)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、振實(shí)臺(tái)和安全裝置等組成，如圖1 所示。以振實(shí)臺(tái)為底座，沙箱架固定在振實(shí)臺(tái)平臺(tái)上，沙箱架為分體結(jié)構(gòu)，左側(cè)為圓盤耙/旋耕刀試驗(yàn)部分，右側(cè)為犁鏵試驗(yàn)部分。圓盤耙/旋耕刀的傳動(dòng)系統(tǒng)位于沙箱左側(cè)，犁鏵試驗(yàn)的傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在振實(shí)臺(tái)的下端。

圖1 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of tester

1.2 工作原理

試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)犁鏵磨損試驗(yàn)、旋耕刀磨損試驗(yàn)和圓盤耙磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)前根據(jù)試驗(yàn)耕深，在沙箱中添加適量沙石，將試驗(yàn)對(duì)象安裝至指定位置，關(guān)閉保護(hù)裝置，防止試驗(yàn)過程中沙石飛濺。

犁鏵磨損試驗(yàn)原理：試樣安裝完成后，測(cè)控系統(tǒng)通過PLC 控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)輸出軸將動(dòng)力傳至行星減速器，通過聯(lián)軸器與中心固定轉(zhuǎn)軸連接，從而帶動(dòng)固定在中心固定轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)十字架轉(zhuǎn)動(dòng)。犁鏵和覆土壓實(shí)輪十字交錯(cuò)安裝在旋轉(zhuǎn)十字架上，旋轉(zhuǎn)十字架外圈通過4 個(gè)圓周向分布的單邊軌道車輪架在環(huán)形導(dǎo)軌上。旋轉(zhuǎn)十字架帶動(dòng)犁鏵在沙石中進(jìn)行磨損試驗(yàn)，覆土壓緊輪能夠準(zhǔn)確地將翻起的沙石撫平、壓實(shí)，沙箱下端的振實(shí)臺(tái)將松散的沙石振實(shí)恢復(fù)堅(jiān)實(shí)度。犁鏵在沙箱中繞中心固定轉(zhuǎn)軸做圓周運(yùn)動(dòng)，到達(dá)試驗(yàn)設(shè)定時(shí)間，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號(hào)傳至控制器，停止試驗(yàn)，取出犁鏵，完成犁鏵磨損試驗(yàn)。

圓盤耙/旋耕刀磨損試驗(yàn)系統(tǒng)使用一套傳動(dòng)系統(tǒng)，通過與圓盤耙/旋耕刀的轉(zhuǎn)軸相連接，實(shí)現(xiàn)兩種不同的入土部件能夠切換進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)旋耕刀或圓盤耙進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將SWC 型十字軸萬向聯(lián)軸器與試驗(yàn)對(duì)象的轉(zhuǎn)軸連接。試驗(yàn)前應(yīng)按照試樣安裝完成后，測(cè)控系統(tǒng)通過PLC 控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過聯(lián)軸器將動(dòng)力傳至減速器，在減速器和十字軸萬向聯(lián)軸器之間安裝扭矩傳感器用于測(cè)定試驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的扭矩，十字萬向軸帶動(dòng)旋耕刀/圓盤耙轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)旋耕刀/圓盤耙轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋耕刀/圓盤耙與沙箱中的砂石相互作用。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間，停機(jī)，完成磨損試驗(yàn)。

試驗(yàn)系統(tǒng)整體安裝在振實(shí)臺(tái)上，振實(shí)臺(tái)振動(dòng)使得沙箱中的試驗(yàn)沙石能夠及時(shí)恢復(fù)其堅(jiān)實(shí)度，并且振實(shí)臺(tái)產(chǎn)生的振動(dòng)能夠模擬入土部件在田間工作時(shí)由拖拉機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致的微動(dòng)磨損。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 圓盤耙/旋耕刀磨損試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)組成

圓盤耙/旋耕刀磨損試驗(yàn)系統(tǒng)由變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)、單型膜片聯(lián)軸器、硬齒面圓柱齒輪減速機(jī)、鎖緊盤式單型膜片聯(lián)軸器、扭矩傳感器、SWC 型十字軸萬向聯(lián)軸器、旋耕刀轉(zhuǎn)軸、旋耕刀試樣、圓盤耙轉(zhuǎn)軸和圓盤耙試樣組成，如圖2 所示。

圖2 圓盤耙/旋耕刀磨損系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)Fig.2 3D structure of disc rake/rotary tiller wear system

2.1.2 圓盤耙磨損試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圓盤耙工作過程中，在牽引力作用下，圓盤耙滾動(dòng)前進(jìn)，由于圓盤的刃口與機(jī)器前進(jìn)方向有一偏角，耙片的運(yùn)動(dòng)軌跡是純滾動(dòng)和平移的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)機(jī)在設(shè)計(jì)耙片的運(yùn)動(dòng)時(shí)，考慮到試驗(yàn)機(jī)尺寸和試驗(yàn)效率，將圓盤耙的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)被動(dòng)為主動(dòng)，使得轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)圓盤耙與試驗(yàn)沙石進(jìn)行相互作用。圓盤耙的轉(zhuǎn)軸參照J(rèn)B/T 6 279?2007《圓盤耙》選用32 mm×32 mm 的方軸，安裝兩片圓盤耙試樣，間距為20 cm，能夠使得不同優(yōu)化參數(shù)的圓盤耙同時(shí)試驗(yàn)，減少試驗(yàn)誤差[16]。

2.1.3 旋耕刀磨損試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)中，旋耕刀片一方面由拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面隨機(jī)器前進(jìn)做勻速直線運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)機(jī)旋耕刀試驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)方式，保留轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)旋耕刀做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋耕刀與試驗(yàn)沙石相互作用。旋耕刀的排列方式采用交錯(cuò)方式，在同一個(gè)平面上各安裝兩把彎刀，刀軸兩端的刀片全向里彎，使土塊不拋向兩側(cè)，耕后土地平整，避免試驗(yàn)過程中產(chǎn)生溝槽難以恢復(fù)。旋耕刀設(shè)計(jì)依據(jù)GB/T 5669?2017《旋耕機(jī)械 刀和刀座》，旋耕刀轉(zhuǎn)軸直徑選用76 mm，設(shè)置有16 個(gè)刀座，能夠?qū)崿F(xiàn)熱處理、增材制造、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等多種旋耕刀同時(shí)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)[17]。

2.1.4 傳動(dòng)系統(tǒng)選型及特點(diǎn)

旋耕刀田間工作參數(shù)為刀軸轉(zhuǎn)速200～300 r/min，旋耕刀所承載的最大轉(zhuǎn)矩85 N·m，為達(dá)到加速試驗(yàn)?zāi)康模囼?yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為100～500 r/min 可變轉(zhuǎn)速。由于圓盤耙的轉(zhuǎn)速和阻力均低于旋耕刀，因此，電機(jī)選型依據(jù)旋耕刀的試驗(yàn)參數(shù)。

旋耕刀磨損試驗(yàn)系統(tǒng)所需輸入功率 P′w為

式中 Tw?圓盤耙/旋耕刀試驗(yàn)系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩，N·m

nw?圓盤耙/旋耕刀試驗(yàn)系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)速，r/min

η ?試驗(yàn)系統(tǒng)的效率

電機(jī)至工作機(jī)的總效率ηΣ1為

式中 η1?圓盤耙/旋耕刀試驗(yàn)系統(tǒng)減速器效率

η2?圓盤耙/旋耕刀試驗(yàn)系統(tǒng)聯(lián)軸器效率

η3?萬向聯(lián)軸器效率

所需電動(dòng)機(jī)的功率 Pd為

所選電機(jī)額定功率 Ped為

根據(jù)所需電機(jī)功率選擇功率為5.5 kW 的電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為1 465 r/min，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，采用耐高頻脈沖電壓沖擊的絕緣材料和工藝，具有調(diào)速范圍寬，獨(dú)立風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)冷卻等特點(diǎn)。減速器選用標(biāo)準(zhǔn)ZDY 硬齒面圓柱齒輪減速機(jī)，具有傳動(dòng)效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、易于裝拆等特點(diǎn)。該傳動(dòng)系統(tǒng)共需安裝3 個(gè)聯(lián)軸器，在電機(jī)和減速器之間選用單型膜片聯(lián)軸器，減速器與扭矩傳感器之間選用鎖緊盤式單型膜片聯(lián)軸器，鎖緊盤式聯(lián)軸器相對(duì)于普通的膜片聯(lián)軸器來說，增加了脹套裝置，使用壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度高、方便拆卸，可以安全地傳遞扭矩，可重復(fù)使用。扭矩傳感器與十字轉(zhuǎn)軸萬向軸器之間通過單型膜片聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸進(jìn)行連接。配套安裝扭矩傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)圓盤耙/旋耕刀的扭矩參數(shù)，該傳感器不需要反復(fù)調(diào)零可連續(xù)測(cè)量正反扭矩，既可以測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩，也可以測(cè)量旋轉(zhuǎn)扭矩。傳動(dòng)系統(tǒng)選型及主要參數(shù)如表1 所示。

表1 傳動(dòng)系統(tǒng)選型及主要參數(shù)Tab.1 Transmission system selection and main parameters

2.2 犁鏵磨損試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)組成

犁鏵磨損試驗(yàn)系統(tǒng)由變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)、行星齒輪減速機(jī)、鎖緊盤式單型膜片聯(lián)軸器、中心固定轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸保護(hù)裝置、中心轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)十字架、環(huán)形導(dǎo)軌、覆土壓緊輪和犁鏵組成。傳動(dòng)部件從電機(jī)開始，經(jīng)過行星減速機(jī)換向，傳輸?shù)嚼珑f中心固定轉(zhuǎn)軸上，其中行星減速機(jī)固定在支架上，支架固定在振實(shí)臺(tái)下方，以此來傳遞動(dòng)力。犁鏵轉(zhuǎn)動(dòng)十字架由固定轉(zhuǎn)軸支撐，犁鏵和覆土壓緊輪十字對(duì)稱交錯(cuò)安裝在旋轉(zhuǎn)十字架上，如圖3 所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)十字架結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of rotating cross

2.2.2 犁鏵試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

犁鏵在田間工作時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)偏斜放置的兩面楔，楔刃與前進(jìn)方向夾角，形成三面楔（三面楔原理如圖4 所示），實(shí)現(xiàn)起土、側(cè)向推土和翻土的功能[18]。從工作過程來看，α 為載荷角（α 取值范圍為20°～30°），γ 為切土角（γ 取值范圍為0°～45°），θ 為犁鏵安裝角（θ 取值范圍為35°～45°）。參照三面楔原理設(shè)計(jì)了犁鏵的安裝結(jié)構(gòu)，其中載荷角α=21.4°，切土角γ=25°，犁 鏵 安 裝 角θ=40°。依 據(jù)GB/T 14225?2008《鏵式犁》，選用犁鏵為梯形犁鏵，耕幅為253 mm，因此覆土壓緊輪的寬度應(yīng)為300 mm[19]。

圖4 三面楔原理示意Fig.4 Schematic diagram of a three-sided wedge

2.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)選擇

犁鏵在田間實(shí)際工作時(shí)的前進(jìn)速度為0.7～4.0 km/h，阻力最大值為3.5 kN，為達(dá)到加速試驗(yàn)?zāi)康模囼?yàn)機(jī)犁鏵運(yùn)動(dòng)線速度設(shè)定0～14 km/h 可變轉(zhuǎn)速。犁鏵磨損試驗(yàn)系統(tǒng)所需輸入功率 P′

w 為

式中 Fw?犁鏵試驗(yàn)系統(tǒng)阻力，N

vw?犁鏵試驗(yàn)系統(tǒng)最大線速度，m/s

電機(jī)至工作機(jī)總效率 ηΣ2為

式中 η4?犁鏵試驗(yàn)系統(tǒng)減速器效率

η5?犁鏵試驗(yàn)系統(tǒng)聯(lián)軸器效率

所需電動(dòng)機(jī)功率 Pd為

所選電機(jī)額定功率 Ped為

根據(jù)所需電機(jī)功率選擇功率為15 kW 的電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為1 456 r/min。選用斜齒行星減速機(jī)，能實(shí)現(xiàn)90°換向功能，具有傳動(dòng)效率高、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、噪聲低等特點(diǎn)，減速機(jī)輸入端直接與電機(jī)相連，輸出端通過膜片聯(lián)軸器與犁鏵中心固定轉(zhuǎn)軸相連。

2.3 振實(shí)系統(tǒng)

振實(shí)系統(tǒng)包括振實(shí)器、沙箱框架、磨料沙石。依據(jù)鑄造振實(shí)原理，使用振實(shí)臺(tái)將試驗(yàn)過程中松散的沙石恢復(fù)堅(jiān)實(shí)。振實(shí)器選擇ZP-12-I 型號(hào)，依據(jù)主體試驗(yàn)單元的總體尺寸選擇3 000 mm×2 000 mm 的振實(shí)臺(tái)，12 個(gè)激振點(diǎn)，激振力為80 kN，功率為7.5 kW，振動(dòng)頻率為20～80 Hz。沙箱框架設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu)，左側(cè)為旋耕刀和圓盤耙試驗(yàn)部分，右側(cè)為犁鏵試驗(yàn)部分。沙箱的正前方安裝有泄沙門，左右開合，方便泄沙。試驗(yàn)沙石采用專業(yè)磨料，硬度高，能夠起到加速磨損的作用，除此之外，還可根據(jù)試驗(yàn)所需加入鵝卵石、作物根莖等，進(jìn)行多因素耦合環(huán)境的磨損試驗(yàn)。

2.4 安全裝置

在試驗(yàn)過程中，為防止沙石飛濺，或旋耕刀安裝不牢固等因素造成人員傷亡，在沙箱頂端使用合頁安裝的保護(hù)裝置。在各部分的傳動(dòng)系統(tǒng)中，安裝有鎖緊盤式聯(lián)軸器，具有過載保護(hù)功能，超過扭矩時(shí)及時(shí)切斷，防止機(jī)器失效。在犁鏵磨損試驗(yàn)機(jī)中，中心固定轉(zhuǎn)軸的中間部分埋在試驗(yàn)沙石中，通過螺釘固定在犁鏵沙箱底部，為防止沙石干擾轉(zhuǎn)動(dòng)、與沙石接觸造成磨損，在中心固定轉(zhuǎn)軸中間部分設(shè)計(jì)了保護(hù)裝置。安全裝置的設(shè)計(jì)不僅能夠保證試驗(yàn)過程中試驗(yàn)人員安全問題，也能延長(zhǎng)試驗(yàn)機(jī)的使用壽命。

3 關(guān)鍵部件靜力學(xué)校核

在試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行過程中，旋耕刀轉(zhuǎn)軸和圓盤耙轉(zhuǎn)軸按照其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選擇，本研究不再進(jìn)行靜力學(xué)校核。在犁鏵磨損試驗(yàn)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)十字架帶動(dòng)犁鏵和覆土壓實(shí)輪繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅起到傳遞動(dòng)力的作用，也承擔(dān)了較大的工作載荷。為避免在使用過程中旋轉(zhuǎn)十字架出現(xiàn)變形、損壞等問題，導(dǎo)致犁鏵磨損試驗(yàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，影響試驗(yàn)進(jìn)度。采用ANSYS Workbench 對(duì)旋轉(zhuǎn)十字架進(jìn)行靜力學(xué)分析，校核最大變形量和等效應(yīng)力以滿足工作需求。

3.1 旋轉(zhuǎn)十字架靜力學(xué)模型建立

建立旋轉(zhuǎn)十字架的三維實(shí)體模型是利用有限元分析的基礎(chǔ)，在inventor 軟件中建立旋轉(zhuǎn)十字架的三維實(shí)體模型，并將模型保存為.step 格式，導(dǎo)入ANSYS workbench 中進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。旋轉(zhuǎn)十字架材料為Q235，材料屬性參數(shù)如表2 所示。

表2 旋轉(zhuǎn)十字架材料屬性Tab.2 Rotating cross structure material property sheet

使用ANSYS Workbench 自動(dòng)模式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為四面體，整體網(wǎng)格尺寸為10 mm，最終網(wǎng)格劃分后節(jié)點(diǎn)總數(shù)為100 063，單元總數(shù)為43 693，如圖5 所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)十字架網(wǎng)格劃分Fig.5 Rotating cross grid division

考慮到旋轉(zhuǎn)十字架通過螺栓與中心旋轉(zhuǎn)軸固定連接，在旋轉(zhuǎn)十字架的底座添加固定約束。在旋轉(zhuǎn)十字架轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，與犁鏵安裝架和覆土壓緊輪連接的位置，為主要受力位置。在Workbench 中將作用力添加到圓孔和方孔處進(jìn)行運(yùn)算，方孔處連接覆土壓緊輪旋轉(zhuǎn)過程中收到向上的支持力約為3 000 N（滾動(dòng)摩擦力忽略不計(jì)），圓孔處連接犁鏵試樣與試驗(yàn)?zāi)チ舷嗷プ饔?，受到水平分力約為8 500 N，垂直分力約為3 500 N[20]。旋轉(zhuǎn)十字架為軸對(duì)稱模型，為了縮短計(jì)算時(shí)間，簡(jiǎn)化模型，僅對(duì)一對(duì)受力進(jìn)行分析。

3.2 旋轉(zhuǎn)十字架靜力學(xué)分析結(jié)果

完成模型分析計(jì)算后利用后處理模塊對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行提取?？紤]到主要分析靜力學(xué)結(jié)構(gòu)，因此只提取旋轉(zhuǎn)十字架的總體變形量和等效應(yīng)力的分布云圖，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果Fig.6 Results of static structural analysis

由圖6 可知，旋轉(zhuǎn)十字架在工作過程中的受力圖可理解為懸臂梁結(jié)構(gòu)，其變形最大處為犁鏵試樣安裝處靠近邊緣的位置，總變形量為0.19 mm。所受等效應(yīng)力最大處為靠近旋轉(zhuǎn)十字架底座附近，最大應(yīng)力為35.98 MPa。根據(jù)式（7）計(jì)算結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

式中n?安全系數(shù)

σb?材料屈服強(qiáng)度，MPa

σmax?實(shí)際承受最大應(yīng)力，MPa

經(jīng)計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)十字架的安全系數(shù)值為6.5，超過工程實(shí)踐中保障機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行可靠性的安全系數(shù)1.5。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該旋轉(zhuǎn)十字軸在實(shí)際工作過程中所承受的變形和應(yīng)力較小，能夠保障在實(shí)際試驗(yàn)過程中正常工作。

4 測(cè)控系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等單元，其測(cè)控系統(tǒng)如圖7 所示。傳感器模塊主要測(cè)試內(nèi)容包含轉(zhuǎn)速、扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)3 個(gè)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。計(jì)算機(jī)采用Advantech IPC-610 L 系列工控機(jī)，4U 高14 槽背板架裝工業(yè)機(jī)箱，支持水平安裝和豎直放置，配置6 個(gè)USB 插槽和7 個(gè)擴(kuò)展插槽，滿足數(shù)據(jù)傳輸和擴(kuò)展需求。試驗(yàn)軟件采用Dyna Test Expert，能夠在Win10 系統(tǒng)上運(yùn)行，可以方便地進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定、試驗(yàn)結(jié)果圖表儲(chǔ)存和輸出、試驗(yàn)機(jī)故障報(bào)警等。該軟件能夠進(jìn)行基本試驗(yàn)，也支持用戶進(jìn)行自定義設(shè)定試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

圖7 測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.7 Overall design of measurement and control system

在計(jì)算機(jī)操作界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，傳感器所采集的速度、扭矩和次數(shù)等信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由多串卡口將數(shù)據(jù)傳輸計(jì)算機(jī)主機(jī)中，最后在配置的Dyna Test Expert 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)軟件上以數(shù)據(jù)表和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)速、扭矩、總行程等測(cè)試數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可導(dǎo)入Excel 或記事本中，再通過U 盤或光盤進(jìn)行讀取。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一臺(tái)農(nóng)機(jī)入土部件磨損性能試驗(yàn)機(jī)，主要包括圓盤耙/旋耕刀磨損試驗(yàn)系統(tǒng)、犁鏵磨損試驗(yàn)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、振實(shí)臺(tái)和安全裝置。該試驗(yàn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)旋耕刀、圓盤耙和犁鏵3 種不同的入土部件進(jìn)行磨損性能試驗(yàn)，并且每個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)可安裝多個(gè)部件，使得不同材質(zhì)的部件同時(shí)試驗(yàn)。應(yīng)用ANSYS Workbench 軟件對(duì)試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵部件旋轉(zhuǎn)十字架進(jìn)行靜力學(xué)校核，其總變形量和最大應(yīng)力均滿足要求，安全系數(shù)為6.5，滿足機(jī)械工程中的基本要求。對(duì)該試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)速、扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)等參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和輸出。