新型香蕉種植開坑機器的工作原理及結構分析

謝炳光，馬俊生，湯華飛，劉　碩，馬桂香，劉子良，梁　甲，黃珍章

(廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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新型香蕉種植開坑機器的工作原理及結構分析

謝炳光，馬俊生，湯華飛，劉碩，馬桂香，劉子良，梁甲，黃珍章

(廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：針對大規模香蕉種植開坑機器的研發比較缺乏，設計了一種新型香蕉種植開坑機器，其具有開坑質量高、成本低及能適應不同挖坑要求的特點。同時，分析了新型香蕉種植開坑機器的工作原理，對螺旋式刀盤及重要零件利用Inventor自帶應力分析模塊建立了有限元模型。有限元分析的結果表明：新型香蕉種植開坑機器能夠滿足工作要求，且各零件滿足剛度和強度的要求可為其他類似農作物開坑器的研制提供參考。

關鍵詞：香蕉；開坑器；Inventor；有限元分析

0引言

目前，香蕉種植多采用拖拉機翻犁之后，再人工開坑放入香蕉苗，不僅增加了種植香蕉勞動強度，而且效率不高。

針對現如今香蕉開坑機的缺乏，研制了一種效率高、安全系數大、勞動強度低、高質量開坑且能適用不同工作環境條件的一種新型香蕉種植開坑機。本文利用有限元理論結合Inventor軟件自帶有限元分析模塊，對開坑機器的重要受力零件進行有限元分析，驗證重要零件是否滿足剛度和強度的要求。此方法對降低研發成本、明確開坑機的負載范圍及延長使用壽命具有重要的指導意義。

1工作原理

開坑機器包括動力機構、傳動機構、開坑機構及行走機構。開坑機器如圖1所示。

1)動力機構：以柴油機作為動力源。

2)傳動機構：動力傳輸路徑為柴油機、皮帶輪、離合器、傳動軸傳于十字聯軸器，通過第2對錐齒輪實現螺旋式刀盤換向、減速和旋轉完成植樹挖坑機的挖坑作業。

3)開坑機構：開坑機構的提升過程是通過旋轉手輪，經驅動桿通過第1對錐齒輪、渦輪蝸桿、鋼繩帶動螺旋式刀盤提升運動。其中，渦輪蝸桿具有自鎖功能，螺旋式刀盤提升后而不會下降。新型開坑機器螺旋式刀盤下降時通過旋轉手輪靠螺旋式刀盤的自身重力來完成植樹挖坑機的下降進給運動。

4)行走機構：新型開坑機器的行走運動可分為自動行走和手動行走。自動行走是利用手柄、限位裝置限位、撥叉使花鍵連接套與第3鏈輪配合，動力依次經第1鏈輪、減速器、第3鏈輪，從而帶動第4鏈輪、萬向輪和前輪旋轉運動實現自動行走運動，此時減速器起到減速與換向作用；手動行走是靠人力推動扶手將動力傳給萬向輪和前輪實現行走運動。行走機構如圖2所示。

(a)　開坑器的主視圖

(b)　開坑器的后視圖

(c)　開坑器的俯視圖

2螺旋式刀盤靜力學分析

2.1螺旋式刀盤的工作原理

一種新型香蕉種植開坑機器的螺旋式刀盤，如圖3所示。

圖3　 螺旋式刀盤

工作過程中，螺旋式刀盤在扭矩和自身重力的作用下圓周轉動并向下進行進給運動，切削泥土，螺旋葉片作用下的泥土沿螺旋葉片的弧線被甩至坑位的周圍。

2.2螺旋刀片數學模型

螺旋葉片是螺旋式刀盤切削泥土的重要部位，因此對螺旋葉片進行分析至關重要。建立的螺旋葉片的模型如圖4所示。

圖4　螺旋葉片數學模型

由分析得到

p1=2T1cosβ+Tcos(β+α/2)+Tcos(β-α/2)+

N1sin(β+α/2)-Nsin(β-α/2)

p2=2T1sinβ+Tsin(β+α/2)+Tcos(β-α/2)+

N1sin(β+α/2)-Nsin(β-α/2)

式中α—螺旋葉片刀尖角度(°)；

β—螺旋葉片與地面的夾角(°)；

T—螺母葉片刀尖處摩擦阻力(N)，T=μN ；

T1—螺旋葉片側面上的摩擦阻力(N)，T1=μN1；

N—螺旋葉片刀尖處的壓力(N)，N=KS；

N1—螺旋葉片側面的壓力(N)，N1=K1S1；

S，S1—刀尖和側面的面積(mm2)；

K，K1—刀尖和側面的變形阻尼系數；

μ—泥土與螺旋葉片刀尖和側面的摩擦系數；

P1—螺旋葉片在水平方向上的力(N)；

P2—螺旋葉片在豎直方向上的力(N)；

經查手冊得：μ=tan30°=0.57，K=34.3×104N/m2，K1=22.5×104N/m2。

切削刀片尺寸為：S=160mm2，S2=800mm2。

經過計算得：N=K·S=54.88≈55N，N1=K1·S1=180N，T=μ·N=31.28≈31N，T1=μ·N1=102.6≈103N。

將上述參數代入P1、P2的計算式中得

p1=2×103cosβ+31cos(β+α/2)+

31cos(β-α/2)+180sin(β+α/2)-

55sin(β-α/2)

p2=2×103sinβ+31sin(β+α/2)+

31cos(β-α/2)+180sin(β+α/2)-

55sin(β-α/2)

利用MatLab的計算功能進行計算。通過MatLab進行編程得α、β與P1、P2之間的關系。如下：α 在60°左右時，P1的變化趨于不變；β在50°左右時的變化趨于不變。故選定α為60°，β為50°。通過MatLab計算可知α和β為40°～70°時對P1、P2、P的影響趨于0。將α=60°、β=50°代入P1、P2的表達式中得：P1=325.38N， P2=375.92N，P=497.18N。通過此方法可確定螺旋式刀盤的受力范圍，為之后的應力分析和變形分析奠定基礎。

2.3螺旋式刀盤的有限元分析

1)指定材料。根據工作環境，螺旋式刀盤的材料指定為高速鋼。

2)約束。將刀盤上端面設為固定約束。

3)載荷。分析可知刀盤的受力情況：N=K·S=55N，N1=K1·S1=180N，T=μ·N=31N，T1=μ·N1=103N。

4)接觸。采用自動接觸。

5)網格。平均元素大小設為0.05，最小元素大小設為0.2，分級系數設為1.5，最大轉角設為60deg。

6)有限元模型。有限元模型建立如圖5所示。其節點數目為2 220，元素數目為1 126。

圖5　螺旋式刀盤的有限元分析模型

7)等效應力云圖和位移云圖。經有限元分析后，計算得螺旋式刀盤的等效應力云圖和位移云圖，如圖6和圖7所示。

經有限元計算：螺旋式刀盤的最大應力遠離刀尖的切削刀片處，最大應力為49.58MPa，遠小于許用應力；刀盤的最大變形發生在刀尖處，最大變形量為0.642 7mm。故滿足強度和剛度的要求。

圖6　螺旋式刀盤的等效應力云圖

圖7　螺旋式刀盤的位移云圖

3限位裝置的有限元分析

經有限元分析計算，限位裝置的最大應力發生在中間凹槽內，最大應力為0.004 719MPa，如圖8所示。

圖8　限位裝置的應力云圖

經有限元分析計算，限位裝置的最大變形發生在中間凹槽內，最大變形為1.633e-004mm，如圖9所示。

圖9　 限位裝置的位移云圖

4花鍵連接套的有限元分析

經有限元分析計算，花鍵連接套的最大應力發生在中間圓周連接薄處，最大應力為9.144e-004MPa，如圖10所示。

圖10　花鍵連接套的應力云圖

經有限元計算，花鍵連接套的最大變形發生在最低處，最大變形為6.408e-008mm，如圖11所示。

圖11　花鍵連接套的位移云圖

5結論

新型香蕉種植開坑機器的主要零件符合強度要求，并符合剛度要求。

新型香蕉種植開坑機器符合工作要求。

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New Banana Planting Open Pit Machine Working Principle and Analysis

Xie Bingguang, Ma Junsheng, Tang Huafei, Liu Shuo, Ma Guixiang, Liu Ziliang,Liang Jia, Huang Zhenzhang

(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 high quality open pit Lower cost, and can adapt to different digging holes requirements analysis of the characteristics of a new type of banana planting the working principle of the open pit machine for spiral cutter disc and important parts of the finite element model is established by finite element analysis results show that a new type of banana planting open pit machine can meet the job requirements, and the parts meet the requirement of stiffness and strength.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; Inventor; finite element analysis

文章編號：1003-188X(2016)05-0056-04

中圖分類號：S222.5+2

文獻標識碼：A

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

基金項目：廣西大學國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201410593052)

收稿日期：2015-04-11