果园链式开沟器系统的设计及有限元分析

何 超,李晓东,王同朝,刘存祥,金 聪

(1.河南农业大学,郑州 450000;2.黑龙江省农业机械试验鉴定站,哈尔滨 150030)

0 引言

传统的施肥方式是把开沟、施肥、覆土分成3道工序完成,存在工作效率低、劳动强度大、机械化水平低的问题,难以适应现代果园种植管理[1-2]。本课题研制出一种农家肥深施机,可以一次性完成开沟、施肥、覆土3道工序,如图1所示。

1.施肥系统 2.动力系统 3.行走系统 4.果园链式开沟器系统

开沟是施肥的必要环节,近年来开沟设备的种类越来越多, 如犁铧式开沟机、圆盘式开沟机、螺旋式开沟机和链式开沟机[3-4]。前3种开沟机由于结构的限制 ,无法适应较深沟渠的开挖,特别是有机肥深施所需的开沟作业;普通链式开沟机因外型尺寸大 ,不适合在空间狭小的果园中使用[5-6]。本文所设计的果园链式开沟系统作为上述农家肥深施机的部件,具有同时完成开沟、覆土的功能,满足了果园种植中开沟施肥的需求,可提高工作效率,节省劳动力。

1 果园链式开沟器系统的设计

1.1 果园链式开沟器系统的工作原理

果园链式开沟器系统主要由开沟链条刀、液压缸、主动链轮轴、深度调节臂及机架等组成,如图2所示。

1.液压缸 2.开沟刀 3.从动链轮 4.从动链轮轴 5机架 6.开沟链条 7.主动链轮 8.主动链轮轴 9.深度调节臂 10.链条连接板 11.垫板

果园链式开沟器系统的动力由农家肥深施机提供,由发动机经变速箱输出,通过链传动传递至开沟器的主动链轮轴,带动开沟器转动,实现开沟链条的逆时针转动。开沟器右端的开沟刀从下向上切削土壤,进行开沟,同时农家肥深施机把肥料输送到已开沟底。链条连接板把所切沟土旋带到开沟器上部的垫板上,上部向后运动的链条连接板把沟土向后刮送,沟土到达开沟器的后部,然后被抛送到后方沟底的农家肥之上,覆盖所开施肥沟。

液压泵通过驱动液压缸活塞杆的伸缩,使深度调节臂沿主动链轮轴转动,带动另一端的开沟器支架也随之转动同一角度,实现开沟器的初始入土作业、提升出土及开沟深度的调节功能。

1.2 开沟刀的设计

开沟刀是开沟机的一个重要部件,开沟刀的性能及开沟刀的空间布置直接影响开沟的作业性能[7-8]。单个开沟刀采用的材料为16Mn,尺寸为高度80mm、宽度35mm、厚度12mm。每个单排开沟刀上有5个开沟刀,单排开沟刀两端焊接在开沟链条上。开沟刀及单排开沟刀的三维模型图如图3、图4所示。

图3 开沟刀的三维图

图4 单排开沟刀的三维图

2 果园链式开沟器系统的功率计算

果园农家肥深施机工作时,开沟器的转速越大,所需的功率越大。因此,在满足机械基本要求的前提下,开沟器的转速越小越好。其切土的线速度通常在1～15m/s的范围内选取,选择开沟链条刀的线速度4.1m/s,取作业速度为0.3km/h。此情况下单个开沟链条刀切削土壤所受阻力[9-10]F1为

式中Cm—坚实度计冲击次数;

δc—刀片厚度(mm);

bc—链条刀横向宽度(mm);

θ—刀片切削角(°);

eH—刀片的尖角计算系数。

计算得:F1=27.78N。

开沟器切土功率P1为

P1=nF1V

式中n—同时切削土壤的刀片数(个);

V—开沟链条刀的线速度。

计算得:P1= 2.39kW。

沿沟升运土壤的功率[12]P2为

式中η—开沟器理论生产率(m3/h);

Kt—土壤颗粒在链条刀与沟侧壁间滞塞的可能系数;

ρt—松散土壤单位容积质量(t/m3);

ZC—开沟深度(m);

H0—升土高度(m)。

计算得:P3= 2.9×10-4kW。

被运送土壤与沟道土壤摩擦的功率消耗P3为

式中ft—土壤与土壤的摩擦因数;

β—开沟链条刀合速度的倾角。

计算得:P3= 29×10-4kW。

果园链式开沟器所需总功率P为

式中ηc、ηd—链刀工作部件传动效率[11]。

计算得:P3= 6.66kW。

经以上计算,可得果园链式开沟器系统工作时需要的总功率为6.66kW。

3 ANSYS Workbench仿真分析

ANSYS Workbench软件能与大多数CAD软件实现数据交换和共享,在SolidWorks软件中将立式旋耕刀实体模型图另存为Parasolid格式,然后导入ANSYS Workbench软件中,从而实现了SolidWorks和ANSYS Workbench之间的图形交换[12]。

3.1 单排开沟刀的模态分析

根据ANSYS Workbench界面的操作流程,执行如下步骤[13-14]:

1)定义材料属性:单排开沟刀的材料为16Mn,弹性模量E=2.12×105MPa,泊松比u=0.31,密度ρ=7.87g/cm3。

2)划分单元格:模型网格划分采用程序控制的自由划分方式,单元边长尺寸设置为 3mm,划分后的网格单元数964个、节点数2 148个。

3)施加约束:拾取单排开沟刀的两端面施加约束Fixed Support。

4)输入扩展模态数量:选择Ansys Settings,在弹出来的对话框中,选择Max Modes to Find输入6,即求解前6阶模态。

5)选择分析类型:选择Solution>Deformation>Total。

6)求解:选中Solve进行求解。

通过对单排开沟刀进行模态分析,得到前6阶的模态分析结果,其固有频率及振型特征如表1所示,第1阶振型图如图5所示。

图5 单排开沟刀第1阶振型图

通过对比分析单排开沟刀前6阶的振型图可得:

1)单排开沟刀前6阶振动的固有频率随阶次的增大而增大,且固有频率越高其振动越剧烈,对结构的破坏就越大。单排开沟刀最低的固有频率值为717.61Hz,所以加载在单排开沟刀上的外界信号的激励频率应当小于717.61Hz,从而避免发生共振,这为果园链式开沟器系统的工作条件提供参考。

2)通过前6阶的振型图可以看出:单排开沟刀的连接板最易发生变形且变形量最大,因此应当加固单排开沟刀的连接板,减小变形量。

表1 前6阶固有频率

3.2 开沟刀的静应力分析

开沟刀所选材料为16Mn,屈服极限σs=345MPa,强度极限σb=470MPa,许用应力[σ]=172MPa。在开沟刀切削土壤的面上施加载荷F1=27.78N,求解出开沟刀的应力图如图6所示,形变分布图如图7所示。

图6 开沟刀的应力图Fig.6 The stress diagram of ditching cutter

图7 开沟刀的形变分布图

由图6和图7可知:刀具形变量最大的位置在刀尖部位,最大形变量为6.537 6×10-6m,在允许的变形范围内;刀具所受应力最大的位置在其底部,最大应力为10MPa,在材料的许用应力范围内。开沟刀的静应力分析结果说明刀具作业时是安全的[15]。

4 田间试验

本项目组历经两年的研制,生产出了果园链式开沟器系统及果园农家肥深施机,并在山东省新航机械有限公司的试验田进行田间试验和性能指标测试,如图8所示。

图8 田间试验

4.1 试验条件

试验前应清除土层表面杂草、塑料袋、编织袋及绳索等影响开沟器旋转的杂质。

土壤条件:果园链式开沟器系统应在土壤适宜耕作状态下进行作业,即土壤绝对含水率为15%～25%,试验田地的土壤含水率为21%,土壤紧实度为5 156kPa。

环境条件:环境温度19℃,地形平坦。

4.2 试验结果

本试验的开沟行程为100m,对果园链式开沟器系统的作业速度、开沟深度、开沟深度稳定性、开沟宽度主要性能指标进行了10次测试[16],取其平均值,结果如表2所示。

表2 技术要求与试验性能结果Table 2 Technical requirements and test performance results

续表2

5 结论

1)为适应现代果园种植管理,研制了一种果园链式开沟器系统,可一次性完成开沟、覆土两项工序,提高了果园种植业的工作效率和机械化水平。

2)通过对单排开沟刀进行模态分析,得出果园链式开沟器系统的外界激励频率需小于717.61Hz,从而避免发生共振;对开沟刀进行静力学分析,得出开沟刀的所受应力和形变量都在允许范围内。

3)对果园链式开沟器系统做了田间试验,结果表明:机具结构合理,性能可靠,作业速度、开沟深度、开沟深度稳定性及开沟宽度均符合设计要求。