木薯收獲機(jī)挖掘鏟的受力分析與優(yōu)化

李寶靈，何　兵，劉旭紅，宋世柳，陳定軍

(1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州　545006；2.廣西水力機(jī)械研究所，廣西 柳州　545005)

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木薯收獲機(jī)挖掘鏟的受力分析與優(yōu)化

李寶靈1，何兵2，劉旭紅1，宋世柳1，陳定軍1

(1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州545006；2.廣西水力機(jī)械研究所，廣西 柳州545005)

摘要：挖掘鏟的受力情況直接影響挖掘機(jī)的工作效果及壽命，挖掘鏟面角度是影響挖掘鏟受力的主要因素。為此，對(duì)木薯收獲機(jī)挖掘鏟在達(dá)到挖掘深度進(jìn)行挖掘木薯的過程進(jìn)行受力分析，并利用ANSYS軟件對(duì)鏟面角度進(jìn)行優(yōu)化，得出在一定的挖掘深度下受力最小的大鏟面和小鏟面的最佳角度，為挖掘鏟的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：木薯收獲機(jī)； 挖掘鏟；應(yīng)力；有限元分析

0引言

挖掘鏟是木薯收獲機(jī)的重要組成部分，是收獲機(jī)的主要部件之一。挖掘鏟所受到的阻力大小和其結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，如果能對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化使其受到土壤的阻力減小，那么木薯收獲機(jī)的性能將有顯著的提升。因此，對(duì)挖掘鏟進(jìn)行靜力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文在一定工況條件對(duì)挖掘鏟進(jìn)行受力分析，利用ANSYS軟件對(duì)鏟面角度進(jìn)行優(yōu)化，為挖掘鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1木薯收獲機(jī)挖掘鏟受力分析

木薯收獲機(jī)的工作可以分成兩個(gè)部分：一是機(jī)器入土到達(dá)預(yù)定土壤深度；二是在土壤中前行進(jìn)行收獲。第1部分在整個(gè)收獲過程中所占的時(shí)間比較小，且在此過程中受到的阻力會(huì)隨著挖掘鏟鏟面與土壤的接觸的面積變化而變化。因此，本文只對(duì)木薯收獲機(jī)在土壤中進(jìn)行收獲時(shí)進(jìn)行分析。在此過程中，挖掘鏟鏟面受到來自土壤的阻力、摩擦力、重力，以及來自拖拉機(jī)的牽引力、自身的重力和挖掘鏟底面的摩擦力。其中，牽引力和重力是挖掘鏟整體受到的力，故單獨(dú)計(jì)算；而底面的摩擦力不管鏟面的傾角怎么變化都不變，對(duì)于優(yōu)化鏟面角度沒有影響，可以省略。

在土壤中收獲木薯時(shí)，挖掘鏟所處的土壤深度基本不變，挖掘鏟鏟面始終全部覆蓋著土壤，在不碰到碎石和雜草的情況下受力情況基本不變。因此，將壓在挖掘鏟鏟面的土壤看成一個(gè)整體，以挖掘鏟為受力分析的目標(biāo)，取挖掘鏟在土壤中行進(jìn)過程的一個(gè)瞬間進(jìn)行受力分析，如圖1所示。

圖1　挖掘鏟受力分析圖

受力分析為

Pcosα-T-Gsinα=0

R-Gcosα-Psinα=0

P=Gtg(α+φ)=SLρgtg(α+φ)

式中P—為沿著挖掘鏟倔起物所需要的力(N)；

R—為鏟對(duì)土壤的反作用力(N)；

G—為鏟面上土壤的重力(N)；

α—為鏟傾角(°)；

μ—土壤對(duì)鏟的摩擦系數(shù)，μ=tgφ；

φ—土壤對(duì)鏟刃的摩擦角(°)；

T——鏟對(duì)土壤的摩擦力(N)；

L— 鏟的長(zhǎng)度(m)；

S—土壤的沉切面積，即挖掘深度和鏟寬的乘積(m2)；

ρ—土壤的密度(kg/m3)。

由于適合種植木薯的土壤種類繁多，現(xiàn)選擇適合種植木薯的其中一種土壤對(duì)鏟進(jìn)行受力分析。選擇沙壤土，從手冊(cè)查得沙壤土的摩擦因數(shù)f為0.25～0.35，挖掘深度為30～40cm，分析時(shí)挖掘深度取40cm，土壤密度取9.65g/cm3。

2挖掘鏟的有限元分析

2.1　定義材料屬性

木薯收獲機(jī)挖掘鏟采用材料為Q235A，密度為7 860kg/m3，彈性模量E為2.0×1 05N/m2，泊松比為0.3。

2.2　建模及網(wǎng)格劃分

利用UG進(jìn)行建模，再將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件的work bench模塊進(jìn)行分析。劃分網(wǎng)格時(shí)采用體單元，單元形狀選擇四面體；精細(xì)度調(diào)整到100，劃分級(jí)別為中等，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm。

2.3　施加載荷和約束

因?yàn)橥诰蜱P是焊接在木薯收獲機(jī)上的，結(jié)合工作的實(shí)際情況可以判斷出其約束情況：挖掘鏟的左表面、右表面及后表面都屬于固定約束，X、Y、Z都不能運(yùn)動(dòng)。

1)計(jì)算載荷。中間鏟面傾角改變，其所受的阻力和摩擦力也會(huì)改變。由于鏟面傾角的理論取值范圍為15°～24°，所以從16°開始計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示，中間鏟面的力不隨小鏟面的傾角的改變而變化。

表1　中間鏟面各角度受力情況

小鏟面傾角改變會(huì)引起其阻力和土壤的摩擦力的變化，摩擦力為兩個(gè)小鏟面的摩擦力之和，各角度計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　小鏟面各角度受力情況

續(xù)表2

2)各力加載位置對(duì)于挖掘鏟本身重力的施加可以給實(shí)體施加一個(gè)與重力相反的加速度來實(shí)現(xiàn)。土壤的重力和來自土壤的摩擦力主要施加在挖掘鏟鏟面上，來自土壤的阻力主要由挖掘鏟前端的7個(gè)小犁頭承受。圖2是各力施加位置圖。

圖2　各力施加位置

2.4　挖掘鏟的角度優(yōu)化

本次優(yōu)化的目的在于利用ANSYS軟件的優(yōu)化模塊，通過改變木薯收獲機(jī)挖掘鏟的傾角來減少木薯收獲機(jī)挖掘鏟的阻力。由于本次優(yōu)化目的簡(jiǎn)單、精度不高，所以采用零階算法。

由于ANSYS的優(yōu)化1次只能優(yōu)化1個(gè)目標(biāo)，所以先優(yōu)化中間鏟面，再在中間鏟面最優(yōu)角度下優(yōu)化兩邊鏟面。按照計(jì)算載荷和施加載荷位置進(jìn)行靜力分析。

3結(jié)果與分析

3.1　分析

表3為中間鏟面靜力分析結(jié)果。為了更直觀地表示分析結(jié)果，將表3的數(shù)據(jù)制作成挖掘鏟的傾角與應(yīng)變、變形，最大應(yīng)力關(guān)系如圖3所示 。

表3　中間鏟面靜力分析結(jié)果

圖3　中間鏟面傾角與應(yīng)力，應(yīng)變、變形關(guān)系圖

由表3和圖3數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)挖掘鏟中間鏟面傾角在19°時(shí)應(yīng)變和最大應(yīng)力最小，16°時(shí)變形最小。綜合各項(xiàng)因素，19°最符合優(yōu)化要求。由于中間鏟面為阻力和摩擦力的主要承受部位，所以在中間鏟面最優(yōu)角度下可以繼續(xù)優(yōu)化兩邊的小鏟面。在中間鏟面19°時(shí)改變小鏟面的傾角進(jìn)行分析并比較。小鏟面分析結(jié)果如表4所示。根據(jù)表4結(jié)果數(shù)據(jù)畫出小鏟面角度與應(yīng)力、應(yīng)變圖如圖4所示。

表4　小鏟面分析結(jié)果

圖4　小鏟面角度與應(yīng)力、應(yīng)變、變形圖

從圖4可看出：隨著小鏟面傾角的改變，變形不明顯；傾角為42°時(shí)應(yīng)變和最大應(yīng)力都最小，符合最優(yōu)條件。

3.2 　ANSYS分析結(jié)果部分示意圖

圖5為挖掘鏟中間鏟面傾角19°、小鏟面傾角43°時(shí)的ANSYS分析結(jié)果圖，圖6為變形圖。

圖5　ANSYS分析結(jié)果圖

圖6　變形圖

4結(jié)論

1)由分析得出：木薯收獲機(jī)挖掘鏟在中間鏟面為19°，兩邊鏟面(小鏟面)為42°時(shí)受力最小，為最優(yōu)角度，設(shè)計(jì)最佳角度應(yīng)在42°～43°之間；與實(shí)際樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2)通過ANSYS靜力分析的結(jié)果可以看出：中間破土位置受力較大，支撐板的位置應(yīng)該靠近中間位置。

3)有限元分析軟件為產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析提供了快捷有效的途徑，通過分析可準(zhǔn)確快速得出產(chǎn)品的應(yīng)力和變形情況，為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

4)應(yīng)用有限元分析軟件，可以對(duì)小犁頭的形狀進(jìn)行改善，小犁頭安裝的位置也可以進(jìn)行調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

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Force Analysis and Optimization of Digging Shovel of Cassava Harvester

Li Baoling1，He Bing2，Liu Xuhong1，Song Shiliu1，Chen Dinjun1

(1.College of Mechanical Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；2.Guangxi Institute of Hydraulic Machinery，Liuzhou 545005，China)

Abstract：Load condition of a digging shovel directly affects its performance and working life, and what mainly impacts on a digging shovel’s load condition is the angle of shovel surface. In this paper, we conduct a force analysis on the process of reaching the digging depth and digging cassavas, then optimize the digging angle using ANSYS. In this way, we obtain the best angle of both big and small shovel surface in minimal load condition at the specific digging depth. This work provides the theoretical base for structural optimum design of digging shovels.

Key words：cassava harvester; digging shovel; stress; Finite Element Analysis

中圖分類號(hào)：S225.7；TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)08-0064-04

作者簡(jiǎn)介：李寶靈(1962-),女(壯族)，廣西靖西人，教授，碩士，(E-mail) libl62@126.com。

基金項(xiàng)目：科技部科技人員服務(wù)企業(yè)行動(dòng)項(xiàng)目(2009GJE10033)；廣西教育廳教改項(xiàng)目(2013JGB198)

收稿日期：2015-07-09