基于新型香蕉種植開坑機(jī)的UG仿真

謝炳光，馬俊生，馬桂香，梁　甲，劉子良,文　棋

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004)

?

基于新型香蕉種植開坑機(jī)的UG仿真

謝炳光，馬俊生，馬桂香，梁甲，劉子良,文棋

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：針對(duì)大規(guī)模香蕉種植開坑機(jī)的研發(fā)比較缺乏的問題，設(shè)計(jì)了一種新型香蕉種植開坑機(jī)。該機(jī)具有開坑質(zhì)量高、成本較低及能適應(yīng)不同挖坑要求的特點(diǎn)。為此，介紹了新型香蕉種植開坑機(jī)的工作原理，并運(yùn)用三維軟件UG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，真實(shí)再現(xiàn)了新型香蕉種植開坑機(jī)的工作狀況。結(jié)果表明：新型香蕉種植開坑機(jī)能夠滿足工作需求，可為其他類似農(nóng)作物開坑機(jī)器的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：香蕉；開坑機(jī)；UG ；仿真

0引言

目前，香蕉種植多采用拖拉機(jī)翻犁之后，再人工開坑放入香蕉苗，不僅增加了種植香蕉勞動(dòng)強(qiáng)度，而且效率不高。

針對(duì)目前香蕉開坑機(jī)的缺乏的問題，研制了一種效率高、安全系數(shù)大、勞動(dòng)強(qiáng)度低、高質(zhì)量開坑且能適用不同工作環(huán)境條件的一種新型香蕉種植開坑機(jī)。若對(duì)新型香蕉種植開坑機(jī)器的研究是通過類比或經(jīng)驗(yàn)得出，則具有一定的盲目性和局限性。因此，需要更為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法，來為新型香蕉種植開坑機(jī)的生產(chǎn)和制造提供更加準(zhǔn)確的參數(shù)。本文利用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論結(jié)合UG軟件自帶運(yùn)動(dòng)仿真模塊，真實(shí)再現(xiàn)新型香蕉種植開坑機(jī)的工作狀況，對(duì)開坑機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和三維仿真。此方法對(duì)降低研發(fā)成本、明確開坑機(jī)的負(fù)載范圍及延長機(jī)具使用壽命具有重要的指導(dǎo)意義。

1新型香蕉種植開坑機(jī)的工作原理

開坑機(jī)包括動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、開坑機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和螺旋式刀盤，如圖1～圖3所示。

1)動(dòng)力機(jī)構(gòu)：以柴油機(jī)作為動(dòng)力源。

2)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：動(dòng)力傳輸路徑為柴油機(jī)、皮帶輪、離合器、傳動(dòng)軸傳于十字聯(lián)軸器，通過第2對(duì)錐齒輪實(shí)現(xiàn)螺旋式刀盤換向、減速和旋轉(zhuǎn)，完成植樹挖坑機(jī)的挖坑作業(yè)。

3)開坑機(jī)構(gòu)：開坑機(jī)構(gòu)的提升過程是先旋轉(zhuǎn)手輪，經(jīng)驅(qū)動(dòng)桿通過第1對(duì)錐齒輪、渦輪蝸桿、鋼繩帶動(dòng)螺旋式刀盤提升運(yùn)動(dòng)。其中，渦輪蝸桿具有自鎖功能，螺旋式刀盤提升后而不會(huì)下降。新型開坑機(jī)螺旋式刀盤下降時(shí)通過旋轉(zhuǎn)手輪靠螺旋式刀盤的自身重力來完成植樹挖坑機(jī)的下降進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

4)行走機(jī)構(gòu)：新型開坑機(jī)的行走運(yùn)動(dòng)可分為自動(dòng)行走和手動(dòng)行走。自動(dòng)行走是利用手柄、限位裝置限位、撥叉使花鍵連接套與第3鏈輪配合，動(dòng)力依次經(jīng)第1鏈輪、減速器、第3鏈輪，從而帶動(dòng)第4鏈輪、萬向輪和前輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走運(yùn)動(dòng);減速器起到減速與換向作用。手動(dòng)行走是靠人力推動(dòng)扶手將動(dòng)力傳給萬向輪和前輪實(shí)現(xiàn)行走運(yùn)動(dòng)。

1.鋼繩　2.十字聯(lián)軸器　3.支撐桿　4.螺旋式刀盤

螺旋式刀盤由螺旋葉片、開坑鉆頭、主支桿組成，如圖2所示。螺旋式刀盤在扭矩和自身重力的作用下圓周轉(zhuǎn)動(dòng)并向下進(jìn)給，主支桿對(duì)螺旋葉片與開坑鉆頭起到支撐作用，由開坑鉆頭實(shí)現(xiàn)刀盤定位，螺旋葉片對(duì)土壤進(jìn)行切削；在螺旋葉片的作用下，土壤沿螺旋葉片的弧線覆蓋在坑位的周圍。

1.開坑鉆頭　2.螺旋葉片　3.主支桿

2土壤質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1土壤質(zhì)點(diǎn)的速度分析

螺旋式刀盤在扭矩和自身重力下的作業(yè)下圓周轉(zhuǎn)動(dòng)并向下進(jìn)給，螺旋葉片對(duì)土壤進(jìn)行切削；在螺旋葉片的作用下，土壤沿螺旋葉片的弧線填在坑位的周圍?，F(xiàn)以螺旋葉片上任意土壤質(zhì)點(diǎn)作為研究對(duì)象，設(shè)螺旋式刀盤以角速度ω進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并以速度vz向下進(jìn)給，如圖3所示。

圖3　土壤質(zhì)點(diǎn)的速度圖

土壤質(zhì)點(diǎn)的絕對(duì)速度等于相對(duì)速度、牽連速度加上豎直速度的矢量和，則

ω—螺旋式刀盤的角速度(rad/s)；

r—土壤質(zhì)點(diǎn)到中心軸的質(zhì)點(diǎn)(m)；

δ—螺旋葉片與水平方向的夾角(°)。

2.2土壤質(zhì)點(diǎn)的加速度分析

質(zhì)點(diǎn)位于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋式刀盤的螺旋葉片上，且沿著螺旋葉片相對(duì)向上滑動(dòng)，如圖4所示。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，質(zhì)點(diǎn)的絕對(duì)加速度等于科式加速度、相對(duì)加速度和牽連加速度的矢量和，則

δ—牽連加速度與相對(duì)加速度的夾角(°)。

圖4　土壤質(zhì)點(diǎn)的加速度圖

2.3土壤質(zhì)點(diǎn)的力學(xué)分析

以螺旋葉片上任意質(zhì)點(diǎn)作為研究對(duì)象，分析其受力如圖5所示。

圖5　受力圖

3新型香蕉種植開坑機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1新型香蕉種植開坑機(jī)器的三維建模

要進(jìn)行開坑機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，需對(duì)開坑機(jī)器建立三維模型。本新型香蕉種植開坑機(jī)器由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、開坑機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和螺旋式刀盤組成。在三維軟件UG中建立三維模型如圖6所示。

1.鋼繩　2.十字聯(lián)軸器　3.支撐桿　4.螺旋式刀盤　6.機(jī)架

3.2創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)條件

在新型香蕉種植開坑機(jī)器中，加入兩動(dòng)力源: 齒輪軸的減速度為ω1= 11°/s；傳動(dòng)軸的動(dòng)力角加速度為ω1= 330°/s。驅(qū)動(dòng)條件如圖7所示。

圖7　新型香蕉種植開坑機(jī)器的驅(qū)動(dòng)條件

3.3運(yùn)動(dòng)仿真的解算方案

經(jīng)UG基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的綜合分析，確定好重力常數(shù)的大小和方向，以及解算方案,如圖8所示。

圖8　新型香蕉種植開坑機(jī)器的解算方案

3.4螺旋式刀盤運(yùn)動(dòng)仿真的解算結(jié)果

經(jīng)UG運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，螺旋式刀盤刀尖位置位移圖如圖9所示，螺旋式刀盤刀尖位置的速度圖如圖10所示。以螺旋式刀盤的切削刀的某邊緣一點(diǎn)作位置跟蹤，其位移圖如圖11所示；速度圖如圖12所示。

圖9　螺旋式刀盤刀尖位置的位移圖

圖10　螺旋式刀盤刀尖位置的速度圖

圖11　螺旋式刀盤的切削刀位移圖

圖12　螺旋式刀盤的切削刀速度圖

由運(yùn)行的結(jié)果分析可得：螺旋式刀盤刀尖位置的運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，其速度為7.5mm/s。

由運(yùn)行的結(jié)果分析可知：螺旋式刀盤的切削刀運(yùn)動(dòng)為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，其速度是485mm/s。

4結(jié)論

三維仿真軟件UG真實(shí)再現(xiàn)了新型香蕉種植開坑機(jī)的工作狀況，且開坑機(jī)器符合工作需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃偉，婁玉印，韋寧,等.行走式植樹挖坑機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(2)：35-39.

[2]濮良貴，紀(jì)名剛，陳國定,等.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2006：165-184.

[3]李現(xiàn)友，段偉.Inventor有限元分析模塊的實(shí)例應(yīng)用[J].包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009(4):10-14.

[4]沈昱，安琪，孫林，等.鏈傳動(dòng)受力分析及計(jì)算方法商榷[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2002，21(2)：220-221.

[5]范帥，李寶林，陳景昌.發(fā)動(dòng)機(jī)鏈條的微接觸有限元分析[J].機(jī)械強(qiáng)度,2011,33(3)：418-422.

[6]王彥偉，羅繼偉，葉軍，等.基于有限元的疲勞分析方法及實(shí)踐[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(1)：22-24.

[7]鄭廣平，覃海英，婁玉印.基于新型植樹挖坑機(jī)的Pro/E仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(6):73-76.

Abstract ID:1003-188X(2016)06-0122-EA

Based on the New Type of Banana Planting Open Pit of UG Simulation Machine

Xie Bingguang, Ma Junsheng, Ma Guixiang, Liang Jia, Liu Ziliang, Wen Qi

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：For large banana plantations of relative lack of research and development of the open pit machine, designed a new type of banana planting machine open pit.This machine has the open pit are of good quality, lower cost, and can adapt to the characteristics of different digging holes required. In this paper, the new type of banana planting the working principle of the open pit machine kinematics analysis and using 3d software UG, new real banana planting open pit machine working condition. The results show that the new type of banana planting open pit machine can meet the demand of work. A new type of banana planting the development of the open pit machine can be used as crop other similar open pit machine developed to provide the reference.

Key words：banana; open pit machine; UG; simulation

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0122-04

中圖分類號(hào)：S222.5+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：謝炳光(1963-)，男，南寧人，工程師，(E-mail)bg6816@163.com。

基金項(xiàng)目：廣西大學(xué)國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410593052)

收稿日期：2015-04-21