履帶式果園除草機(jī)除草裝置的設(shè)計(jì)與仿真分析

邱進(jìn)棟， 岳元滿， 黃曉鵬， 萬芳新

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

雜草對(duì)營養(yǎng)和水分的吸收能力較強(qiáng)，還會(huì)寄生病蟲害，果園管理中除草問題十分突出[1-4]。近年來，隨著人口老齡化問題越來越嚴(yán)重，勞動(dòng)力資源匱乏的問題日漸突出，很多地區(qū)出現(xiàn)了老果園無人管理的現(xiàn)象，極大地影響了我國果業(yè)的發(fā)展[5-7]。傳統(tǒng)的化學(xué)除草方式對(duì)土壤和水體造成不可修復(fù)的傷害，采用人工除草方式勞動(dòng)強(qiáng)度較大、效率低[8]。應(yīng)用機(jī)械除草方式較為環(huán)保，效率一般為人工除草的10～15倍，可有效節(jié)約勞動(dòng)力成本。我國傳統(tǒng)果園多位于淺山丘陵地帶，果園內(nèi)雜草具有分布廣、繁殖快和難清除等特征[9]。因此，亟需對(duì)果園除草裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高果園管理效率、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入[10-13]。

在前期實(shí)地調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種履帶式果園除草裝置，通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)除草刀及刀軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，研究了三種除草刀的可靠性，確定了除草刀在刀軸上的合理安裝方式和參數(shù)，最終選擇出適宜的除草刀型。

1 履帶式果園除草裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

履帶式果園除草機(jī)具有操控方便、轉(zhuǎn)彎靈活、越障能力強(qiáng)、能量消耗低、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，是淺山丘陵地帶果園除草的有力機(jī)具。履帶式果園除草機(jī)整機(jī)三維模型如圖1所示，除草工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 除草機(jī)三維模型

圖2 除草工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

除草工作裝置由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)皮帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞至除草機(jī)后部離合器，然后經(jīng)雙排主動(dòng)鏈輪傳遞至除草工作裝置。除草工作裝置的升降由液壓系統(tǒng)控制，整體升舉液壓裝置主要調(diào)節(jié)草的留茬高度，便于在合適的區(qū)域、合理的深度進(jìn)行除草。除草刀通過除草刀軸連接在除草裝置連接架上，通過單排鏈傳遞動(dòng)力，構(gòu)成作業(yè)裝置的主要部件。除草裝置作為一個(gè)可移動(dòng)的整體與“快速拆裝架”連接，實(shí)現(xiàn)除草的目的。除草裝置掛在快速拆裝架上，并通過連接卡鎖將除草裝置整體連接在快速拆裝架上，橫向位調(diào)節(jié)液壓裝置用于除草裝置連接位置的調(diào)節(jié)以及橫向作業(yè)位置的調(diào)節(jié)。除草裝置在安裝架上安裝完畢后，通過整體升舉液壓裝置可調(diào)節(jié)除草裝置整體的高度，通過縱向深度調(diào)節(jié)液壓裝置可進(jìn)行深度和角度的微調(diào)。

2 除草裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 除草刀設(shè)計(jì)

為了獲得良好的除草效果，設(shè)計(jì)了T型、Y型、直型三種類型除草刀，對(duì)比尋優(yōu)獲得適宜于實(shí)際作業(yè)的型式。

T型除草刀兼有砍切和滑切兩種切斷方式，刀片用螺絲固定在刀架上，更換刀片非常方便，并且在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受離心力的作用最終作用在刀片上的力較大，便于完成除草作業(yè)，刀片的總重量適中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中平穩(wěn)性好，能耗損失低，適合長(zhǎng)期推廣使用。T型刀的結(jié)構(gòu)如圖3所示，除草刀支架的總高度為158 mm，刀片安裝座的實(shí)際長(zhǎng)度為110 mm，寬度為36 mm，安裝刀片的孔徑為10 mm，刀片支撐架與刀座安裝的孔徑為20 mm，橫向安裝的刀片與支撐架相連接的孔徑為12 mm。

Y型除草刀由兩片彎刀組合成Y字型，將割草的一側(cè)開刃，安裝在刀座上，刀片在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中完成除草任務(wù)。Y型除草刀結(jié)構(gòu)如圖4所示，整體長(zhǎng)度尺寸為115 mm，寬度為50 mm，除草刀安裝孔中心位置與刀片端部的尺寸為80 mm，安裝孔直徑為20 mm，單個(gè)刀片的彎曲角度為45°。

直型除草刀結(jié)構(gòu)如圖5所示，刀體整體長(zhǎng)度115 mm，厚度12 mm，刀體兩面都開刃，長(zhǎng)時(shí)間工作磨損后可以調(diào)換方向，提高除草刀的使用壽命。除草刀刀尾部寬度為75 mm，除草刀與刀軸連接孔的直徑為20 mm。

2.2 刀軸設(shè)計(jì)

將刀軸的連接方式設(shè)計(jì)為分體螺栓連接式，刀軸花鍵套與軸管分別用法蘭盤連接，兩端法蘭通過凹凸卡口與光潔平整的平面連接，確保花鍵軸與軸管的連接同軸度。花鍵與法蘭鍛造為一個(gè)整體，軸管與法蘭在確保同軸度的前提下焊接在一起。刀軸在作業(yè)時(shí)承受較大轉(zhuǎn)矩與沖擊，在軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算條件可以估算出軸的半徑尺寸。

圖3 T型除草刀結(jié)構(gòu)

圖4 Y型除草刀結(jié)構(gòu)

圖5 直型除草刀結(jié)構(gòu)

(1)

式中：τT為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa)；T為軸所受的扭矩(N·mm)；ωT為軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)(mm2)；n為軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；P為軸傳遞的功率(kW)；d為計(jì)算截面處軸的直徑(mm)；[τT]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa)。

考慮到除草軸的強(qiáng)度要求，本設(shè)計(jì)中軸的材料選45鋼，且采用空心軸，初步估算軸的直徑：

(2)

因軸承受較大的載荷和彎矩，A0取最大值126。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取軸的最小載荷直徑為dmin=30 mm。

通過設(shè)計(jì)計(jì)算，整個(gè)刀軸分為連接鏈輪軸段、支撐軸承座軸段、連接刀座軸段三部分。除草刀軸結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 除草刀軸結(jié)構(gòu)

3 除草裝置關(guān)鍵部件有限元分析

3.1 除草刀的有限元分析

將用Solidsworks作圖軟件設(shè)計(jì)好不同類型除草刀裝配體的三維圖導(dǎo)入到有限元分析軟件中，選擇自由網(wǎng)格化進(jìn)行劃分[14-18]，網(wǎng)格化后的除草刀分別如圖7(a)、圖8(a)和圖9(a)所示。對(duì)除草刀進(jìn)行指標(biāo)約束，選擇除草刀與刀軸連接處孔的內(nèi)圓面進(jìn)行固定約束，對(duì)刀片施加266 N與刀片平行并與刀刃相反的力。

通過 ANSYS 分析軟件對(duì)三種類型除草刀進(jìn)行靜態(tài)分析研究。T型除草刀在外力作用下的變形如圖7(b)所示，產(chǎn)生的最大變形量為8 mm，發(fā)生在刀片兩端邊緣處；產(chǎn)生的應(yīng)變?nèi)鐖D7(c)所示，最大應(yīng)變?yōu)?.15×10-6，最小應(yīng)變?yōu)?.80×10-7；發(fā)生的應(yīng)力變化如圖7(d)所示，最大受力為0.17 N。通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較為集中的危險(xiǎn)截面主要集中在刀片兩端邊緣處。根據(jù)對(duì)T型刀片的靜力分析，發(fā)現(xiàn)可以選擇更換刀片的材料來提高強(qiáng)度，避免在刀片兩端邊緣處發(fā)生刀片折斷的現(xiàn)象。

Y型除草刀在相同外力作用下的變形量如圖8(b)所示，產(chǎn)生的最大變形量為4.5 mm，發(fā)生在兩面刀片作用面上；產(chǎn)生的應(yīng)變?nèi)鐖D8(c)所示，最大應(yīng)變?yōu)?.4×10-6，最小應(yīng)變?yōu)?.7×10-7；產(chǎn)生的應(yīng)力如圖8(d)所示，最大受力為0.49 N。通過分析，應(yīng)力主要集中在刀片中部邊緣處。

圖7 T型除草刀有限元分析

直型除草刀在相同外力作用下的變形量如圖9(b)所示，產(chǎn)生的最大變形量為8.5 mm，發(fā)生在刀片外邊緣處；產(chǎn)生的應(yīng)變?nèi)鐖D9(c)所示，最大應(yīng)變?yōu)?.56×10-6，最小應(yīng)變?yōu)?.73×10-7；產(chǎn)生的應(yīng)力如圖9(d)所示，最大受力為0.3 N。應(yīng)力較為集中的危險(xiǎn)截面主要集中在刀片中部邊緣處。

圖8 Y型除草刀有限元分析

圖9 直型除草刀有限元分析

綜合分析，在相同的作用力下，T型除草刀的刀片最大受力較小，最大應(yīng)變量最小，應(yīng)力集中不明顯，具有較好的工作可靠性；T型刀最大變形量雖較Y型刀略大，但變形量處于兩端邊緣處，且面積較小，對(duì)除草率的影響不大。因此，選用T型刀作為最終刀型。

3.2 除草刀軸的有限元分析

將建立好的除草刀軸三維圖導(dǎo)入到有限元分析軟件中，選擇自由網(wǎng)格化劃分方式進(jìn)行劃分，網(wǎng)格化后的除草刀軸如圖10(a)所示。由于軸的兩端受重力和支持力的作用，假設(shè)作用于軸的兩端固定，經(jīng)計(jì)算，除草刀軸所受的主動(dòng)扭矩為159.6 N·m。

通過 ANSYS 分析軟件對(duì)除草刀軸進(jìn)行靜態(tài)分析研究，除草刀軸在設(shè)定外力作用下的變形量如圖10(b)所示，產(chǎn)生的最大變形量為3.4 mm，發(fā)生在刀軸的中間位置；產(chǎn)生的應(yīng)變?nèi)?0(c)所示，最大應(yīng)變?yōu)?.7×10-5，作用位置為刀軸左側(cè)軸承座處；產(chǎn)生的應(yīng)力如圖10(d)所示，最大受力為9.8 N。應(yīng)力較為集中的危險(xiǎn)截面主要集中在刀軸左端。

圖10 除草刀軸有限元分析

經(jīng)分析，刀軸在工作過程中存在安全隱患，為避免應(yīng)力集中引起斷裂，建議在軸管內(nèi)部軸向焊接鋼筋，加強(qiáng)軸管整體強(qiáng)度，減小刀軸工作過程中的變形量，在刀軸與軸管的連接處進(jìn)行加強(qiáng)筋輔助焊接。

4 結(jié)論

在前期實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，通過深入研究，設(shè)計(jì)了一種履帶式果園除草裝置。

(1)該履帶式果園除草裝置動(dòng)力強(qiáng)勁，通過性強(qiáng)，轉(zhuǎn)彎靈活，操作方便，適宜在淺山丘陵地帶的老果園作業(yè)。除草裝置結(jié)構(gòu)緊湊，易于拆裝，工作平穩(wěn)。T型除草刀刀片成本經(jīng)濟(jì)，更換方便，能夠滿足除草的要求。

(2)通過有限元分析軟件對(duì)T型除草刀、Y型除草刀、直型除草刀及刀軸的受力進(jìn)行分析，結(jié)果表明施加同樣大小的作用力，T型除草刀的刀片最大應(yīng)變量最小，應(yīng)力集中不明顯，最大變形發(fā)生在刀片兩端邊緣處，且面積較小，具有較好的工作可靠性；刀軸在加工過程中需改變軸管與刀軸的連接方式，在焊接過程中利用加強(qiáng)筋輔助即可滿足工作要求，具有較強(qiáng)的工作穩(wěn)定性。