挖樹(shù)鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

趙德金，郭艷玲，李志鵬

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040;2.延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林省延吉133002;3.東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱150040)

目前，利用挖樹(shù)機(jī)實(shí)施城市綠化、是保證城市的生態(tài)，加速城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠化建設(shè)最有利的工具，挖樹(shù)鏟是挖樹(shù)機(jī)的重要工作部件，挖樹(shù)鏟在含有碎石、樹(shù)根、雜草以及其根莖的土壤中作業(yè)，所受的工作阻力較大，對(duì)挖樹(shù)鏟的剛度和抗磨損能力要求很高，目前常用的挖樹(shù)鏟按照結(jié)構(gòu)和入土形式可分為U形鏟、弧形鏟和直鏟，直鏟按形狀又分為V字形鏟和曲面鏟等［1－3］。本文主要對(duì)直鏟進(jìn)行設(shè)計(jì)和有限元分析。

挖樹(shù)鏟在挖樹(shù)過(guò)程中所受的阻力計(jì)算很復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法很難計(jì)算，主要受樹(shù)木周?chē)耐寥赖膶?shí)際情況影響很大，對(duì)于直鏟而言，挖樹(shù)阻力主要是挖樹(shù)鏟與土壤的切削阻力、挖樹(shù)鏟與土壤摩擦阻力、挖樹(shù)鏟與樹(shù)木根莖以及草根的切斷阻力，再就是對(duì)于含有碎石的土壤的碎石對(duì)挖掘鏟所產(chǎn)生的阻力等，挖樹(shù)鏟受到阻力后，發(fā)生變形以及應(yīng)力分布的情況，采用傳統(tǒng)的方法也很難確定，一般采用分組實(shí)驗(yàn)確定經(jīng)驗(yàn)公式，并且計(jì)算結(jié)果主要適用于實(shí)驗(yàn)所采用的土壤條件，一般可計(jì)算出挖樹(shù)鏟的受力情況，對(duì)于挖樹(shù)鏟的應(yīng)力分布及變形仍然不明確。對(duì)于這種情況，本文采用有限元軟件對(duì)挖樹(shù)鏟進(jìn)行靜力學(xué)分析來(lái)解決挖樹(shù)鏟在工作過(guò)程中應(yīng)力分布及變形情況［4－7］。

1 建立挖樹(shù)鏟模型與有限元靜力學(xué)分析

挖樹(shù)鏟是樹(shù)木移植機(jī)的主要工作部件之一，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡(jiǎn)單，制造方便，應(yīng)經(jīng)可能保留樹(shù)木的根莖，從而保證被移植樹(shù)木的成活率，直鏟具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外樹(shù)木移植機(jī)械中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1 曲面鏟和V字形鏟結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of surface spade and V-shaped spade

1.1 挖樹(shù)鏟的設(shè)計(jì)

利用PTC Creo軟件建立挖樹(shù)直鏟三維實(shí)體模型如圖1所示。根據(jù)樹(shù)木移植機(jī)的設(shè)計(jì)要求確定鏟的結(jié)構(gòu)尺寸，利用PTC Creo的曲面功能設(shè)計(jì)曲面，然后利用曲面加厚功能生成挖樹(shù)鏟實(shí)體模型。然后保存為IGES格式，用于Ansys Workbench進(jìn)行有限元分析。

1.2 挖樹(shù)鏟的網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行有限元分析之前，首先將挖樹(shù)鏟的IGES模型讀入Ansys Workbench系統(tǒng)中，如圖2所示。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，首先定義材料屬性。

圖2 Ansys中挖樹(shù)鏟模型Fig.2 The IGES model of the tree spade in Ansys Workbench

材料與屬性:采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量E=2.06×105N/mm2;密度ρ=7.8×10－6kg/mm3;泊松比0.3。

本次設(shè)計(jì)挖掘鏟的厚度尺寸為6 mm，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼材厚度小于等于16 mm時(shí)，其屈服極限σS=235 MPa。

采用Ansys Workbench對(duì)挖樹(shù)鏟進(jìn)行網(wǎng)格劃分，默認(rèn)方式自動(dòng)劃分網(wǎng)格如圖3所示，曲面挖樹(shù)鏟有限元模型產(chǎn)生2477個(gè)單元，5342個(gè)節(jié)點(diǎn)。V字形挖樹(shù)鏟有限元模型產(chǎn)生2159個(gè)單元，4705個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 Ansys Workbench中挖樹(shù)鏟模型網(wǎng)格劃分Fig.3 The meshes of the tree spade in Ansys Workbench

1.3 挖樹(shù)鏟有限元靜力學(xué)分析

對(duì)于V字形鏟和和曲面鏟而言，鏟上表面的任意點(diǎn)的法線都與下鏟阻力互相垂直，這樣就使鏟的下鏟阻力主要是鏟刀刃與土壤以及樹(shù)木根莖等的阻力，而挖樹(shù)鏟上下鏟面與鏟的土壤切削阻力相比很小，本次研究將載荷加在鏟的切削刃上，方向與挖樹(shù)鏟動(dòng)力方向相反，可以使用PTC Creo軟件的分析功能計(jì)算V字形挖樹(shù)鏟的截面的面積如圖4所示。同樣的方法也可以計(jì)算曲面鏟的截面面積。

在施加載荷和求解之前，先假定挖樹(shù)鏟刃口各處所受阻力方向和大小一致，施加載荷的大小可以參考下鏟阻力經(jīng)驗(yàn)公式［8］:

圖4 V字形鏟橫截面面積Fig.4 The cross-section area of the V-shaped spade

式中:x為鏟刀下鏟的位移量，m;γ為土壤容重，g/cm3;c為土壤內(nèi)聚力，Pa;β為鏟刀體圍角的半角，°。

表1 入土角為60度是土壤對(duì)兩種挖樹(shù)鏟刃的壓強(qiáng)Tab.1 The pressures on the tree spade when the digging angle is 60°

通過(guò)計(jì)算取下鏟阻力為27，這樣就可以確定挖樹(shù)鏟刃口壓強(qiáng)見(jiàn)表1，然后將挖樹(shù)鏟驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)軸孔曲面固定，限定挖樹(shù)鏟的自由度，然后將計(jì)算好的壓強(qiáng)施加在挖樹(shù)鏟刃上，使用Static Structural求解。

2 挖樹(shù)鏟的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)求解得到曲面挖樹(shù)鏟應(yīng)力圖如圖5所示，應(yīng)變圖如圖6所示。V字形鏟的應(yīng)力圖如圖7所示，應(yīng)變圖如圖8所示。應(yīng)力應(yīng)變極限值見(jiàn)表2。

圖5 曲面挖樹(shù)鏟的應(yīng)力圖Fig.5 The stress distribution of surface tree spade

圖6 曲面挖樹(shù)鏟的變形圖Fig.6 The strain of surface tree spade

圖7 V字形挖樹(shù)鏟的應(yīng)力圖Fig.7 The stress distribution of V-shaped spade

圖8 V字形挖樹(shù)鏟的變形圖Fig.8 The strain of surface V-shaped spade

表2 挖樹(shù)鏟應(yīng)力應(yīng)變極限值α(60°)Tab.2 The limit value α of the stress and the strain of the tree spade(digging angle=60°)

3 結(jié)論

(1)從兩個(gè)挖樹(shù)鏟的應(yīng)力分布情況出，應(yīng)力和最大應(yīng)力主要分布在施加驅(qū)動(dòng)載荷的銷(xiāo)軸孔附近，曲面挖樹(shù)鏟鏟最大應(yīng)力為0.45 MPa，符合設(shè)計(jì)要求，V字形鏟最大應(yīng)力為1.659 MPa，也符合設(shè)計(jì)要求，從數(shù)值上看曲面挖樹(shù)鏟性能要優(yōu)于V字形鏟。但從結(jié)構(gòu)上看V字形鏟結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與曲面鏟相比，容易制造。

(2)最大變形量V字形鏟為9.1431×10－6m，主要在發(fā)生鏟尖局部區(qū)域。曲面挖樹(shù)鏟1.283×10－5m，主要發(fā)生在鏟尖和切削刃口上，兩者相對(duì)于鏟的長(zhǎng)度而言，變形量很小，可以忽略不計(jì)。

(3)總體上看，曲面鏟雖然制造困難一些，但是從保留樹(shù)根量和承載能力上看都優(yōu)于V字形鏟。

［1］ Lemar Tree Spades［EB/02］.http://www.lemarweb.com/site/

［2］ Dutchman Truck Spade［EB/02］.http://www.dutchmantreespade.com/

［3］ I Dutchman Truck Spade［EB/02］.http://www.dutchmantreespade.com/

［4］賈晶霞，楊德秋，王昕偉，等.基于Solidworks的各型馬鈴薯挖掘鏟應(yīng)力研究［J］.農(nóng)業(yè)工程，2011，1(1):102－104.

［5］呂金慶，陳春富，李世柱.馬鈴薯挖掘機(jī)挖掘鏟的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究，2006，26(3):105 －106.

［6］賈晶霞，劉漢武，郝新明，等.馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟有限元靜力學(xué)分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(9):86 －88.

［7］張 凡，鮑際平.重卡離合器壓盤(pán)熱應(yīng)力有限元分析與改進(jìn)［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2011，39(4):23 －26.

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