论文部分内容阅读
摘要：本课题在小型开沟机基础上设计一款适合大棚工艺要求的开沟装置。对开沟刀具和土壤粒子通过数学计算分析其运动，运用土垡单元运动分析土壤粒子在开沟时所受开沟刀具的影响，分析刀具的运动和受力，建立相应的数学模型。并运用有限元对刀具进行静力学分析，符合工艺要求。
关键词：开沟装置;运动分析;有限元;静力学分析
开沟是大棚种植中一道重要的工序，影响着大棚农作物的生长。开沟的位置位于大棚作物的两侧，宽度5-20cm、深度8-20cm。根据开沟农艺要求选择前置式开沟装置。开沟装置的主要部件是刀具、刀轴、刀盘等，其中刀具是主要开沟受力部件。
1.开沟弯刀设计
根据实际作业要求与一些实际作业经验表明：在正常开沟作业情况下，使开沟质量得以保证，避免开沟装置过于强烈振动，则应限制开沟刀在重型土壤环境中的作业速度为1.0-2.0m/s，而在黏性土壤环境中的作业速度为3.0-4.0m/s。
开沟装置的基本参数为：开沟宽度为100mm;开沟深度为200mm;开沟消耗功率为4-6kw;开沟刀具转速为200r/min左右。
因研究的开沟装置用于大棚种植，土质较松软，故选用弯形刀片。由于弯形刀片对土壤的适应性较强，它的特点是切割能力强，有自清作用，不易缠草，而且有一定的翻土能力。刀片材料是用GB699—65规定的65Mn钢制造，切削部分必须进行淬火处理，淬火区硬度为HRC50～55。旋耕弯刀应用样板进行检查，刃口曲线形状误差不得大于3mm。
2.开沟刀具的运动学分析与受力分析
2.1刀片运动分析
开沟刀具的绝对运动是自身的旋转运动与机组的前进运动合成，其运动是摆线。以刀轴旋转中心为原点建立坐标系，x轴正方向为机组前进方向，y轴正方向向下。R为刀具的回转半径，A点为开沟刀端一点，坐标为（0，R）。其运动数学模型为为：
式中：
R--刀具回转半径，m;vm---机组前进速度，m/s;
t---机组前进时间，s;ω--开沟刀盘的角速度，rad/s;
对上式进行时间求导，可得出开沟刀上某点A的绝对速度v，其数学模型为：
令μ= ，为开沟刀具圆周速度与机组前进速度比值。代入上式有：
2.2刀具的受力分析
开沟刀具在开沟的过程中，土壤受到刀具的冲击，在刀具正压力的作用下土壤受到挤压与压实。当土壤受到足够大的力时，将破坏土壤单元垡片与土壤内部的相互作用力和摩擦力，此时刀具将土垡与土壤分离并带上抛出。
在开沟过程中，主要是由刀具将土壤切割、粉碎并带出抛洒向两侧。要提高刀具在开沟切削过程中的升土和抛土能力，可适当地增加正切面的面积及适当减小正切面与侧面的夹角。
3.刀具的有限元分析
发动机大部分功率为刀具提供动力，因此认为刀具承受发动机全部动力。
刀具受力与发动机关系式为：
P=2FωR/1000
式中：
P---發动机功率，Kw;F---作用在刀具的载荷;
ω---刀具回转角速度，ω=2πn/60;
n---刀具转速，r/min;R---刀具回转半径。
按常见开沟机功率为5kw，刀轴转速为200r/min，刀具回转半径为290mm。代入上式得：F=214N。因考虑刀具入土时的冲击影响，载荷取1.5F为：F1=1.5×214=362N。
利用有限元为刀具添加材料、载荷，对刀柄处通孔进行固定约束。对刀具进行网格划分，由运算结果可知：最大受力处为刀柄部分，最大载荷为181.4MP，远低于材料的许用应力值，刀具满足工作要求。最大应力处为刀柄连接孔附近，故断裂发生在刀柄处，在设计与制造时应注意加强。最大位移为2.075mm，位于刀尖与侧切刃处。说明刀尖与侧切刃处刚度最差，在制造时要重点对此处提高刚度。最小位移为1×10-3，变形比例为11.44。
由上述可知刀具的强度与刚度满足开沟要求，在刀具和刀盘连接处是应力集中处，在设计与制造时应重点注意，应避免应力集中;刀刃部分应提高刚度。
参考文献：
[1]张致远，陈斌，肖名涛.内偏摆式开沟刀盘装置的设计[J].南方农机，2019，50（09）：9-10.
[2]马晨，蒙贺伟，坎杂，戚江涛，王丽红，孙兴祚.葡萄深施有机肥开沟装置设计及仿真[J].农机化研究，2019，41（12）：7-13+21.
作者简介：高远（1997.11-），男，汉，安徽合肥，本科。
关键词：开沟装置;运动分析;有限元;静力学分析
开沟是大棚种植中一道重要的工序，影响着大棚农作物的生长。开沟的位置位于大棚作物的两侧，宽度5-20cm、深度8-20cm。根据开沟农艺要求选择前置式开沟装置。开沟装置的主要部件是刀具、刀轴、刀盘等，其中刀具是主要开沟受力部件。
1.开沟弯刀设计
根据实际作业要求与一些实际作业经验表明：在正常开沟作业情况下，使开沟质量得以保证，避免开沟装置过于强烈振动，则应限制开沟刀在重型土壤环境中的作业速度为1.0-2.0m/s，而在黏性土壤环境中的作业速度为3.0-4.0m/s。
开沟装置的基本参数为：开沟宽度为100mm;开沟深度为200mm;开沟消耗功率为4-6kw;开沟刀具转速为200r/min左右。
因研究的开沟装置用于大棚种植，土质较松软，故选用弯形刀片。由于弯形刀片对土壤的适应性较强，它的特点是切割能力强，有自清作用，不易缠草，而且有一定的翻土能力。刀片材料是用GB699—65规定的65Mn钢制造，切削部分必须进行淬火处理，淬火区硬度为HRC50～55。旋耕弯刀应用样板进行检查，刃口曲线形状误差不得大于3mm。
2.开沟刀具的运动学分析与受力分析
2.1刀片运动分析
开沟刀具的绝对运动是自身的旋转运动与机组的前进运动合成，其运动是摆线。以刀轴旋转中心为原点建立坐标系，x轴正方向为机组前进方向，y轴正方向向下。R为刀具的回转半径，A点为开沟刀端一点，坐标为（0，R）。其运动数学模型为为：
式中：
R--刀具回转半径，m;vm---机组前进速度，m/s;
t---机组前进时间，s;ω--开沟刀盘的角速度，rad/s;
对上式进行时间求导，可得出开沟刀上某点A的绝对速度v，其数学模型为：
令μ= ，为开沟刀具圆周速度与机组前进速度比值。代入上式有：
2.2刀具的受力分析
开沟刀具在开沟的过程中，土壤受到刀具的冲击，在刀具正压力的作用下土壤受到挤压与压实。当土壤受到足够大的力时，将破坏土壤单元垡片与土壤内部的相互作用力和摩擦力，此时刀具将土垡与土壤分离并带上抛出。
在开沟过程中，主要是由刀具将土壤切割、粉碎并带出抛洒向两侧。要提高刀具在开沟切削过程中的升土和抛土能力，可适当地增加正切面的面积及适当减小正切面与侧面的夹角。
3.刀具的有限元分析
发动机大部分功率为刀具提供动力，因此认为刀具承受发动机全部动力。
刀具受力与发动机关系式为：
P=2FωR/1000
式中：
P---發动机功率，Kw;F---作用在刀具的载荷;
ω---刀具回转角速度，ω=2πn/60;
n---刀具转速，r/min;R---刀具回转半径。
按常见开沟机功率为5kw，刀轴转速为200r/min，刀具回转半径为290mm。代入上式得：F=214N。因考虑刀具入土时的冲击影响，载荷取1.5F为：F1=1.5×214=362N。
利用有限元为刀具添加材料、载荷，对刀柄处通孔进行固定约束。对刀具进行网格划分，由运算结果可知：最大受力处为刀柄部分，最大载荷为181.4MP，远低于材料的许用应力值，刀具满足工作要求。最大应力处为刀柄连接孔附近，故断裂发生在刀柄处，在设计与制造时应注意加强。最大位移为2.075mm，位于刀尖与侧切刃处。说明刀尖与侧切刃处刚度最差，在制造时要重点对此处提高刚度。最小位移为1×10-3，变形比例为11.44。
由上述可知刀具的强度与刚度满足开沟要求，在刀具和刀盘连接处是应力集中处，在设计与制造时应重点注意，应避免应力集中;刀刃部分应提高刚度。
参考文献：
[1]张致远，陈斌，肖名涛.内偏摆式开沟刀盘装置的设计[J].南方农机，2019，50（09）：9-10.
[2]马晨，蒙贺伟，坎杂，戚江涛，王丽红，孙兴祚.葡萄深施有机肥开沟装置设计及仿真[J].农机化研究，2019，41（12）：7-13+21.
作者简介：高远（1997.11-），男，汉，安徽合肥，本科。