果園鏈式開溝器系統的設計及有限元分析

何 超,李曉東,王同朝,劉存祥,金 聰

(1.河南農業大學,鄭州 450000;2.黑龍江省農業機械試驗鑒定站,哈爾濱 150030)

0 引言

傳統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、勞動強度大、機械化水平低的問題,難以適應現代果園種植管理[1-2]。本課題研制出一種農家肥深施機,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 2.動力系統 3.行走系統 4.果園鏈式開溝器系統

開溝是施肥的必要環節,近年來開溝設備的種類越來越多, 如犁鏵式開溝機、圓盤式開溝機、螺旋式開溝機和鏈式開溝機[3-4]。前3種開溝機由于結構的限制 ,無法適應較深溝渠的開挖,特別是有機肥深施所需的開溝作業;普通鏈式開溝機因外型尺寸大 ,不適合在空間狹小的果園中使用[5-6]。本文所設計的果園鏈式開溝系統作為上述農家肥深施機的部件,具有同時完成開溝、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,節省勞動力。

1 果園鏈式開溝器系統的設計

1.1 果園鏈式開溝器系統的工作原理

果園鏈式開溝器系統主要由開溝鏈條刀、液壓缸、主動鏈輪軸、深度調節臂及機架等組成,如圖2所示。

1.液壓缸 2.開溝刀 3.從動鏈輪 4.從動鏈輪軸 5機架 6.開溝鏈條 7.主動鏈輪 8.主動鏈輪軸 9.深度調節臂 10.鏈條連接板 11.墊板

果園鏈式開溝器系統的動力由農家肥深施機提供,由發動機經變速箱輸出,通過鏈傳動傳遞至開溝器的主動鏈輪軸,帶動開溝器轉動,實現開溝鏈條的逆時針轉動。開溝器右端的開溝刀從下向上切削土壤,進行開溝,同時農家肥深施機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,上部向后運動的鏈條連接板把溝土向后刮送,溝土到達開溝器的后部,然后被拋送到后方溝底的農家肥之上,覆蓋所開施肥溝。

液壓泵通過驅動液壓缸活塞桿的伸縮,使深度調節臂沿主動鏈輪軸轉動,帶動另一端的開溝器支架也隨之轉動同一角度,實現開溝器的初始入土作業、提升出土及開溝深度的調節功能。

1.2 開溝刀的設計

開溝刀是開溝機的一個重要部件,開溝刀的性能及開溝刀的空間布置直接影響開溝的作業性能[7-8]。單個開溝刀采用的材料為16Mn,尺寸為高度80mm、寬度35mm、厚度12mm。每個單排開溝刀上有5個開溝刀,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 果園鏈式開溝器系統的功率計算

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

式中Cm—堅實度計沖擊次數;

δc—刀片厚度(mm);

bc—鏈條刀橫向寬度(mm);

θ—刀片切削角(°);

eH—刀片的尖角計算系數。

計算得:F1=27.78N。

開溝器切土功率P1為

P1=nF1V

式中n—同時切削土壤的刀片數(個);

V—開溝鏈條刀的線速度。

計算得:P1= 2.39kW。

沿溝升運土壤的功率[12]P2為

式中η—開溝器理論生產率(m3/h);

Kt—土壤顆粒在鏈條刀與溝側壁間滯塞的可能系數;

ρt—松散土壤單位容積質量(t/m3);

ZC—開溝深度(m);

H0—升土高度(m)。

計算得:P3= 2.9×10-4kW。

被運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;

β—開溝鏈條刀合速度的傾角。

計算得:P3= 29×10-4kW。

果園鏈式開溝器所需總功率P為

式中ηc、ηd—鏈刀工作部件傳動效率[11]。

計算得:P3= 6.66kW。

經以上計算,可得果園鏈式開溝器系統工作時需要的總功率為6.66kW。

3 ANSYS Workbench仿真分析

ANSYS Workbench軟件能與大多數CAD軟件實現數據交換和共享,在SolidWorks軟件中將立式旋耕刀實體模型圖另存為Parasolid格式,然后導入ANSYS Workbench軟件中,從而實現了SolidWorks和ANSYS Workbench之間的圖形交換[12]。

3.1 單排開溝刀的模態分析

根據ANSYS Workbench界面的操作流程,執行如下步驟[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:模型網格劃分采用程序控制的自由劃分方式,單元邊長尺寸設置為 3mm,劃分后的網格單元數964個、節點數2 148個。

3)施加約束:拾取單排開溝刀的兩端面施加約束Fixed Support。

4)輸入擴展模態數量:選擇Ansys Settings,在彈出來的對話框中,選擇Max Modes to Find輸入6,即求解前6階模態。

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

6)求解:選中Solve進行求解。

通過對單排開溝刀進行模態分析,得到前6階的模態分析結果,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階振動的固有頻率隨階次的增大而增大,且固有頻率越高其振動越劇烈,對結構的破壞就越大。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的激勵頻率應當小于717.61Hz,從而避免發生共振,這為果園鏈式開溝器系統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生變形且變形量最大,因此應當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 開溝刀的靜應力分析

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

圖6 開溝刀的應力圖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;刀具所受應力最大的位置在其底部,最大應力為10MPa,在材料的許用應力范圍內。開溝刀的靜應力分析結果說明刀具作業時是安全的[15]。

4 田間試驗

本項目組歷經兩年的研制,生產出了果園鏈式開溝器系統及果園農家肥深施機,并在山東省新航機械有限公司的試驗田進行田間試驗和性能指標測試,如圖8所示。

圖8 田間試驗

4.1 試驗條件

試驗前應清除土層表面雜草、塑料袋、編織袋及繩索等影響開溝器旋轉的雜質。

土壤條件:果園鏈式開溝器系統應在土壤適宜耕作狀態下進行作業,即土壤絕對含水率為15%～25%,試驗田地的土壤含水率為21%,土壤緊實度為5 156kPa。

環境條件:環境溫度19℃,地形平坦。

4.2 試驗結果

本試驗的開溝行程為100m,對果園鏈式開溝器系統的作業速度、開溝深度、開溝深度穩定性、開溝寬度主要性能指標進行了10次測試[16],取其平均值,結果如表2所示。

表2 技術要求與試驗性能結果Table 2 Technical requirements and test performance results

續表2

5 結論

1)為適應現代果園種植管理,研制了一種果園鏈式開溝器系統,可一次性完成開溝、覆土兩項工序,提高了果園種植業的工作效率和機械化水平。

2)通過對單排開溝刀進行模態分析,得出果園鏈式開溝器系統的外界激勵頻率需小于717.61Hz,從而避免發生共振;對開溝刀進行靜力學分析,得出開溝刀的所受應力和形變量都在允許范圍內。

3)對果園鏈式開溝器系統做了田間試驗,結果表明:機具結構合理,性能可靠,作業速度、開溝深度、開溝深度穩定性及開溝寬度均符合設計要求。