株間除草機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

馬 寧，楊彩虹，李海榮

（寧夏民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，751100，寧夏吳忠）

伴隨著我國林果業(yè)的快速發(fā)展和寧夏葡萄酒產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，大規(guī)模的葡萄種植促進(jìn)了機(jī)械的應(yīng)用。本地葡萄產(chǎn)業(yè)園株行距大，易于雜草發(fā)生、危害嚴(yán)重，采用普通的除草機(jī)械無法清除株間雜草，僅能除掉果樹行間雜草，降低了機(jī)械除草的作業(yè)效果[1]，但可以株間與行間同時(shí)除草的專用設(shè)備還有諸多設(shè)計(jì)問題。本文通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，株間除草機(jī)產(chǎn)生問題的零部件主要是除草鏟、刀軸總成。設(shè)計(jì)要求除草鏟外形不能過厚，并且強(qiáng)度要大。本文針對除草鏟的失效原因進(jìn)行分析。

1 株間除草機(jī)的工作原理

株間除草機(jī)作業(yè)時(shí)，機(jī)械感應(yīng)觸桿未碰觸到果樹或障礙物時(shí)，液壓控制系統(tǒng)不工作[2]，株間除草機(jī)進(jìn)行正常寬幅作業(yè)；當(dāng)機(jī)械感應(yīng)觸桿碰到果樹或障礙物時(shí)，機(jī)械感應(yīng)觸桿開關(guān)軸轉(zhuǎn)動，控制液壓系統(tǒng)開始工作，進(jìn)而控制除草鏟沿與機(jī)具前進(jìn)垂直方向繞回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，株間除草機(jī)改變作業(yè)路徑，避免除草鏟損傷果樹。避障工作結(jié)束后，株間除草鏟再次繞回轉(zhuǎn)軸反向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行正常寬幅作業(yè)，以此往復(fù)循環(huán)作業(yè)。株間除草機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 除草鏟、刀軸總成失效分析及改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過對實(shí)際使用過程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：除草鏟在使用過程中基本深入土壤以下20 cm，并且要不斷地轉(zhuǎn)動，特別是在避讓后回復(fù)過程中不但要受到機(jī)械前進(jìn)時(shí)土壤的阻力合力，還受到回復(fù)過程的加速阻力，受力大；葡萄樹間距較大，其土壤中有不少的砂石。并且為了能快速有效地將草除凈，要求除草鏟厚度不能太大。對其進(jìn)行分析后，主要改進(jìn)措施為重新設(shè)計(jì)除草鏟外形，材料選用20CrMnTi。

3 除草鏟、刀軸靜應(yīng)力分析

為了驗(yàn)證除草鏟、刀軸總成的強(qiáng)度極限，結(jié)合農(nóng)機(jī)行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)際試驗(yàn)要求，對除草鏟進(jìn)行靜應(yīng)力分析[3]，看其是否滿足材料的強(qiáng)度極限。

3.1 除草鏟、刀軸總成模型的材料及網(wǎng)格劃分

模型材料選用20CrMnTi[5]，其伸長率δ5≥10%，加工后熱處理硬度為HB156～217，密度ρ=7.8 g/cm3，泊松比ν=0.25，彈性模量E=207 GPa，屈服強(qiáng)度σ0.2≥850 MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥1 080 MPa。在施加外部載荷時(shí)，首先將刀軸進(jìn)行固定，然后對除草鏟中刀口處施加驅(qū)動力，如圖2 所示?？紤]除草鏟、刀軸總成模型靜應(yīng)力求解精度與求解時(shí)間的平衡，選擇整體網(wǎng)格參數(shù)為3 mm 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，靜應(yīng)力求解可滿足分析需要，如圖3 所示。

圖2 除草鏟、刀軸總成受力示意圖

圖3 除草鏟、刀軸總成網(wǎng)格劃分圖

3.2 除草鏟、刀軸總成靜應(yīng)力分析結(jié)果

除草鏟、刀軸總成靜應(yīng)力云圖如圖4 所示。除草鏟最大應(yīng)力位置是除草鏟與刀軸連接處位置，其值為285.52 MPa。最大位移位置是除草鏟最外端鏟頂處位置，其最小值為4.324 mm。所受最大應(yīng)變位置是除草鏟與刀桿連接處位置，其值為0.0020。最小安全系數(shù)位置是株間除草機(jī)螺栓連接孔位置，安全系數(shù)最小值為2.9。

圖4 除草鏟、刀軸總成靜應(yīng)力云圖

通過以上靜應(yīng)力分析得出：在最大受力作用下，所設(shè)計(jì)的除草鏟、刀軸總成所受應(yīng)力小于選用材料20CrMnTi 的屈服強(qiáng)度850 MPa 與抗拉強(qiáng)度1 080 MPa；除草鏟、刀軸總成安全系數(shù)最小值2.9，大于無相對運(yùn)動關(guān)鍵部件安全系數(shù)的要求1。設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足使用要求。

4 結(jié)語

在研究除草鏟、刀軸總成時(shí)，由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，有關(guān)株間除草機(jī)的工作平穩(wěn)性還沒有進(jìn)行研究。本文的研究為株間除草機(jī)的除草鏟、刀軸總成優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)與科學(xué)合理的方法和一定的參考價(jià)值。應(yīng)用株間除草機(jī)可以提高勞動生產(chǎn)率，有利于增加農(nóng)民收入、提升寧夏林果機(jī)械技術(shù)進(jìn)步和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。