果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及有限元分析

何 超,李曉東,王同朝,劉存祥,金 聰

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué),鄭州 450000;2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站,哈爾濱 150030)

0 引言

傳統(tǒng)的施肥方式是把開溝、施肥、覆土分成3道工序完成,存在工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)械化水平低的問題,難以適應(yīng)現(xiàn)代果園種植管理[1-2]。本課題研制出一種農(nóng)家肥深施機(jī),可以一次性完成開溝、施肥、覆土3道工序,如圖1所示。

1.施肥系統(tǒng) 2.動(dòng)力系統(tǒng) 3.行走系統(tǒng) 4.果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)

開溝是施肥的必要環(huán)節(jié),近年來開溝設(shè)備的種類越來越多, 如犁鏵式開溝機(jī)、圓盤式開溝機(jī)、螺旋式開溝機(jī)和鏈?zhǔn)介_溝機(jī)[3-4]。前3種開溝機(jī)由于結(jié)構(gòu)的限制 ,無法適應(yīng)較深溝渠的開挖,特別是有機(jī)肥深施所需的開溝作業(yè);普通鏈?zhǔn)介_溝機(jī)因外型尺寸大 ,不適合在空間狹小的果園中使用[5-6]。本文所設(shè)計(jì)的果園鏈?zhǔn)介_溝系統(tǒng)作為上述農(nóng)家肥深施機(jī)的部件,具有同時(shí)完成開溝、覆土的功能,滿足了果園種植中開溝施肥的需求,可提高工作效率,節(jié)省勞動(dòng)力。

1 果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)的工作原理

果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)主要由開溝鏈條刀、液壓缸、主動(dòng)鏈輪軸、深度調(diào)節(jié)臂及機(jī)架等組成,如圖2所示。

1.液壓缸 2.開溝刀 3.從動(dòng)鏈輪 4.從動(dòng)鏈輪軸 5機(jī)架 6.開溝鏈條 7.主動(dòng)鏈輪 8.主動(dòng)鏈輪軸 9.深度調(diào)節(jié)臂 10.鏈條連接板 11.墊板

果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)的動(dòng)力由農(nóng)家肥深施機(jī)提供,由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變速箱輸出,通過鏈傳動(dòng)傳遞至開溝器的主動(dòng)鏈輪軸,帶動(dòng)開溝器轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)開溝鏈條的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。開溝器右端的開溝刀從下向上切削土壤,進(jìn)行開溝,同時(shí)農(nóng)家肥深施機(jī)把肥料輸送到已開溝底。鏈條連接板把所切溝土旋帶到開溝器上部的墊板上,上部向后運(yùn)動(dòng)的鏈條連接板把溝土向后刮送,溝土到達(dá)開溝器的后部,然后被拋送到后方溝底的農(nóng)家肥之上,覆蓋所開施肥溝。

液壓泵通過驅(qū)動(dòng)液壓缸活塞桿的伸縮,使深度調(diào)節(jié)臂沿主動(dòng)鏈輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)另一端的開溝器支架也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)同一角度,實(shí)現(xiàn)開溝器的初始入土作業(yè)、提升出土及開溝深度的調(diào)節(jié)功能。

1.2 開溝刀的設(shè)計(jì)

開溝刀是開溝機(jī)的一個(gè)重要部件,開溝刀的性能及開溝刀的空間布置直接影響開溝的作業(yè)性能[7-8]。單個(gè)開溝刀采用的材料為16Mn,尺寸為高度80mm、寬度35mm、厚度12mm。每個(gè)單排開溝刀上有5個(gè)開溝刀,單排開溝刀兩端焊接在開溝鏈條上。開溝刀及單排開溝刀的三維模型圖如圖3、圖4所示。

圖3 開溝刀的三維圖

圖4 單排開溝刀的三維圖

2 果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)的功率計(jì)算

果園農(nóng)家肥深施機(jī)工作時(shí),開溝器的轉(zhuǎn)速越大,所需的功率越大。因此,在滿足機(jī)械基本要求的前提下,開溝器的轉(zhuǎn)速越小越好。其切土的線速度通常在1～15m/s的范圍內(nèi)選取,選擇開溝鏈條刀的線速度4.1m/s,取作業(yè)速度為0.3km/h。此情況下單個(gè)開溝鏈條刀切削土壤所受阻力[9-10]F1為

式中Cm—堅(jiān)實(shí)度計(jì)沖擊次數(shù);

δc—刀片厚度(mm);

bc—鏈條刀橫向?qū)挾?mm);

θ—刀片切削角(°);

eH—刀片的尖角計(jì)算系數(shù)。

計(jì)算得:F1=27.78N。

開溝器切土功率P1為

P1=nF1V

式中n—同時(shí)切削土壤的刀片數(shù)(個(gè));

V—開溝鏈條刀的線速度。

計(jì)算得:P1= 2.39kW。

沿溝升運(yùn)土壤的功率[12]P2為

式中η—開溝器理論生產(chǎn)率(m3/h);

Kt—土壤顆粒在鏈條刀與溝側(cè)壁間滯塞的可能系數(shù);

ρt—松散土壤單位容積質(zhì)量(t/m3);

ZC—開溝深度(m);

H0—升土高度(m)。

計(jì)算得:P3= 2.9×10-4kW。

被運(yùn)送土壤與溝道土壤摩擦的功率消耗P3為

式中ft—土壤與土壤的摩擦因數(shù);

β—開溝鏈條刀合速度的傾角。

計(jì)算得:P3= 29×10-4kW。

果園鏈?zhǔn)介_溝器所需總功率P為

式中ηc、ηd—鏈刀工作部件傳動(dòng)效率[11]。

計(jì)算得:P3= 6.66kW。

經(jīng)以上計(jì)算,可得果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)工作時(shí)需要的總功率為6.66kW。

3 ANSYS Workbench仿真分析

ANSYS Workbench軟件能與大多數(shù)CAD軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享,在SolidWorks軟件中將立式旋耕刀實(shí)體模型圖另存為Parasolid格式,然后導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中,從而實(shí)現(xiàn)了SolidWorks和ANSYS Workbench之間的圖形交換[12]。

3.1 單排開溝刀的模態(tài)分析

根據(jù)ANSYS Workbench界面的操作流程,執(zhí)行如下步驟[13-14]:

1)定義材料屬性:單排開溝刀的材料為16Mn,彈性模量E=2.12×105MPa,泊松比u=0.31,密度ρ=7.87g/cm3。

2)劃分單元格:模型網(wǎng)格劃分采用程序控制的自由劃分方式,單元邊長尺寸設(shè)置為 3mm,劃分后的網(wǎng)格單元數(shù)964個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)2 148個(gè)。

3)施加約束:拾取單排開溝刀的兩端面施加約束Fixed Support。

4)輸入擴(kuò)展模態(tài)數(shù)量:選擇Ansys Settings,在彈出來的對(duì)話框中,選擇Max Modes to Find輸入6,即求解前6階模態(tài)。

5)選擇分析類型:選擇Solution>Deformation>Total。

6)求解:選中Solve進(jìn)行求解。

通過對(duì)單排開溝刀進(jìn)行模態(tài)分析,得到前6階的模態(tài)分析結(jié)果,其固有頻率及振型特征如表1所示,第1階振型圖如圖5所示。

圖5 單排開溝刀第1階振型圖

通過對(duì)比分析單排開溝刀前6階的振型圖可得:

1)單排開溝刀前6階振動(dòng)的固有頻率隨階次的增大而增大,且固有頻率越高其振動(dòng)越劇烈,對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞就越大。單排開溝刀最低的固有頻率值為717.61Hz,所以加載在單排開溝刀上的外界信號(hào)的激勵(lì)頻率應(yīng)當(dāng)小于717.61Hz,從而避免發(fā)生共振,這為果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)的工作條件提供參考。

2)通過前6階的振型圖可以看出:單排開溝刀的連接板最易發(fā)生變形且變形量最大,因此應(yīng)當(dāng)加固單排開溝刀的連接板,減小變形量。

表1 前6階固有頻率

3.2 開溝刀的靜應(yīng)力分析

開溝刀所選材料為16Mn,屈服極限σs=345MPa,強(qiáng)度極限σb=470MPa,許用應(yīng)力[σ]=172MPa。在開溝刀切削土壤的面上施加載荷F1=27.78N,求解出開溝刀的應(yīng)力圖如圖6所示,形變分布圖如圖7所示。

圖6 開溝刀的應(yīng)力圖Fig.6 The stress diagram of ditching cutter

圖7 開溝刀的形變分布圖

由圖6和圖7可知:刀具形變量最大的位置在刀尖部位,最大形變量為6.537 6×10-6m,在允許的變形范圍內(nèi);刀具所受應(yīng)力最大的位置在其底部,最大應(yīng)力為10MPa,在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)。開溝刀的靜應(yīng)力分析結(jié)果說明刀具作業(yè)時(shí)是安全的[15]。

4 田間試驗(yàn)

本項(xiàng)目組歷經(jīng)兩年的研制,生產(chǎn)出了果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)及果園農(nóng)家肥深施機(jī),并在山東省新航機(jī)械有限公司的試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)和性能指標(biāo)測(cè)試,如圖8所示。

圖8 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前應(yīng)清除土層表面雜草、塑料袋、編織袋及繩索等影響開溝器旋轉(zhuǎn)的雜質(zhì)。

土壤條件:果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)應(yīng)在土壤適宜耕作狀態(tài)下進(jìn)行作業(yè),即土壤絕對(duì)含水率為15%～25%,試驗(yàn)田地的土壤含水率為21%,土壤緊實(shí)度為5 156kPa。

環(huán)境條件:環(huán)境溫度19℃,地形平坦。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)的開溝行程為100m,對(duì)果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)的作業(yè)速度、開溝深度、開溝深度穩(wěn)定性、開溝寬度主要性能指標(biāo)進(jìn)行了10次測(cè)試[16],取其平均值,結(jié)果如表2所示。

表2 技術(shù)要求與試驗(yàn)性能結(jié)果Table 2 Technical requirements and test performance results

續(xù)表2

5 結(jié)論

1)為適應(yīng)現(xiàn)代果園種植管理,研制了一種果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng),可一次性完成開溝、覆土兩項(xiàng)工序,提高了果園種植業(yè)的工作效率和機(jī)械化水平。

2)通過對(duì)單排開溝刀進(jìn)行模態(tài)分析,得出果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)的外界激勵(lì)頻率需小于717.61Hz,從而避免發(fā)生共振;對(duì)開溝刀進(jìn)行靜力學(xué)分析,得出開溝刀的所受應(yīng)力和形變量都在允許范圍內(nèi)。

3)對(duì)果園鏈?zhǔn)介_溝器系統(tǒng)做了田間試驗(yàn),結(jié)果表明:機(jī)具結(jié)構(gòu)合理,性能可靠,作業(yè)速度、開溝深度、開溝深度穩(wěn)定性及開溝寬度均符合設(shè)計(jì)要求。