新型香蕉种植开坑机器的工作原理及结构分析

谢炳光，马俊生，汤华飞，刘　硕，马桂香，刘子良，梁　甲，黄珍章

(广西大学 机械工程学院，南宁　530004)



新型香蕉种植开坑机器的工作原理及结构分析

谢炳光，马俊生，汤华飞，刘硕，马桂香，刘子良，梁甲，黄珍章

(广西大学 机械工程学院，南宁530004)

摘要：针对大规模香蕉种植开坑机器的研发比较缺乏，设计了一种新型香蕉种植开坑机器，其具有开坑质量高、成本低及能适应不同挖坑要求的特点。同时，分析了新型香蕉种植开坑机器的工作原理，对螺旋式刀盘及重要零件利用Inventor自带应力分析模块建立了有限元模型。有限元分析的结果表明：新型香蕉种植开坑机器能够满足工作要求，且各零件满足刚度和强度的要求可为其他类似农作物开坑器的研制提供参考。

关键词：香蕉；开坑器；Inventor；有限元分析

0引言

目前，香蕉种植多采用拖拉机翻犁之后，再人工开坑放入香蕉苗，不仅增加了种植香蕉劳动强度，而且效率不高。

针对现如今香蕉开坑机的缺乏，研制了一种效率高、安全系数大、劳动强度低、高质量开坑且能适用不同工作环境条件的一种新型香蕉种植开坑机。本文利用有限元理论结合Inventor软件自带有限元分析模块，对开坑机器的重要受力零件进行有限元分析，验证重要零件是否满足刚度和强度的要求。此方法对降低研发成本、明确开坑机的负载范围及延长使用寿命具有重要的指导意义。

1工作原理

开坑机器包括动力机构、传动机构、开坑机构及行走机构。开坑机器如图1所示。

1)动力机构：以柴油机作为动力源。

2)传动机构：动力传输路径为柴油机、皮带轮、离合器、传动轴传于十字联轴器，通过第2对锥齿轮实现螺旋式刀盘换向、减速和旋转完成植树挖坑机的挖坑作业。

3)开坑机构：开坑机构的提升过程是通过旋转手轮，经驱动杆通过第1对锥齿轮、涡轮蜗杆、钢绳带动螺旋式刀盘提升运动。其中，涡轮蜗杆具有自锁功能，螺旋式刀盘提升后而不会下降。新型开坑机器螺旋式刀盘下降时通过旋转手轮靠螺旋式刀盘的自身重力来完成植树挖坑机的下降进给运动。

4)行走机构：新型开坑机器的行走运动可分为自动行走和手动行走。自动行走是利用手柄、限位装置限位、拨叉使花键连接套与第3链轮配合，动力依次经第1链轮、减速器、第3链轮，从而带动第4链轮、万向轮和前轮旋转运动实现自动行走运动，此时减速器起到减速与换向作用；手动行走是靠人力推动扶手将动力传给万向轮和前轮实现行走运动。行走机构如图2所示。

(a)　开坑器的主视图

(b)　开坑器的后视图

(c)　开坑器的俯视图

2螺旋式刀盘静力学分析

2.1螺旋式刀盘的工作原理

一种新型香蕉种植开坑机器的螺旋式刀盘，如图3所示。

图3　 螺旋式刀盘

工作过程中，螺旋式刀盘在扭矩和自身重力的作用下圆周转动并向下进行进给运动，切削泥土，螺旋叶片作用下的泥土沿螺旋叶片的弧线被甩至坑位的周围。

2.2螺旋刀片数学模型

螺旋叶片是螺旋式刀盘切削泥土的重要部位，因此对螺旋叶片进行分析至关重要。建立的螺旋叶片的模型如图4所示。

图4　螺旋叶片数学模型

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—螺旋叶片刀尖角度(°)；

β—螺旋叶片与地面的夹角(°)；

T—螺母叶片刀尖处摩擦阻力(N)，T=μN ；

T1—螺旋叶片侧面上的摩擦阻力(N)，T1=μN1；

N—螺旋叶片刀尖处的压力(N)，N=KS；

N1—螺旋叶片侧面的压力(N)，N1=K1S1；

S，S1—刀尖和侧面的面积(mm2)；

K，K1—刀尖和侧面的变形阻尼系数；

μ—泥土与螺旋叶片刀尖和侧面的摩擦系数；

P1—螺旋叶片在水平方向上的力(N)；

P2—螺旋叶片在竖直方向上的力(N)；

经查手册得：μ=tan30°=0.57，K=34.3×104N/m2，K1=22.5×104N/m2。

切削刀片尺寸为：S=160mm2，S2=800mm2。

经过计算得：N=K·S=54.88≈55N，N1=K1·S1=180N，T=μ·N=31.28≈31N，T1=μ·N1=102.6≈103N。

将上述参数代入P1、P2的计算式中得

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的计算功能进行计算。通过MatLab进行编程得α、β与P1、P2之间的关系。如下：α 在60°左右时，P1的变化趋于不变；β在50°左右时的变化趋于不变。故选定α为60°，β为50°。通过MatLab计算可知α和β为40°～70°时对P1、P2、P的影响趋于0。将α=60°、β=50°代入P1、P2的表达式中得：P1=325.38N， P2=375.92N，P=497.18N。通过此方法可确定螺旋式刀盘的受力范围，为之后的应力分析和变形分析奠定基础。

2.3螺旋式刀盘的有限元分析

1)指定材料。根据工作环境，螺旋式刀盘的材料指定为高速钢。

2)约束。将刀盘上端面设为固定约束。

3)载荷。分析可知刀盘的受力情况：N=K·S=55N，N1=K1·S1=180N，T=μ·N=31N，T1=μ·N1=103N。

4)接触。采用自动接触。

5)网格。平均元素大小设为0.05，最小元素大小设为0.2，分级系数设为1.5，最大转角设为60deg。

6)有限元模型。有限元模型建立如图5所示。其节点数目为2 220，元素数目为1 126。

图5　螺旋式刀盘的有限元分析模型

7)等效应力云图和位移云图。经有限元分析后，计算得螺旋式刀盘的等效应力云图和位移云图，如图6和图7所示。

经有限元计算：螺旋式刀盘的最大应力远离刀尖的切削刀片处，最大应力为49.58MPa，远小于许用应力；刀盘的最大变形发生在刀尖处，最大变形量为0.642 7mm。故满足强度和刚度的要求。

图6　螺旋式刀盘的等效应力云图

图7　螺旋式刀盘的位移云图

3限位装置的有限元分析

经有限元分析计算，限位装置的最大应力发生在中间凹槽内，最大应力为0.004 719MPa，如图8所示。

图8　限位装置的应力云图

经有限元分析计算，限位装置的最大变形发生在中间凹槽内，最大变形为1.633e-004mm，如图9所示。

图9　 限位装置的位移云图

4花键连接套的有限元分析

经有限元分析计算，花键连接套的最大应力发生在中间圆周连接薄处，最大应力为9.144e-004MPa，如图10所示。

图10　花键连接套的应力云图

经有限元计算，花键连接套的最大变形发生在最低处，最大变形为6.408e-008mm，如图11所示。

图11　花键连接套的位移云图

5结论

新型香蕉种植开坑机器的主要零件符合强度要求，并符合刚度要求。

新型香蕉种植开坑机器符合工作要求。

参考文献：

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[4]沈昱，安琪，孙林，等.链传动受力分析及计算方法商榷[J].机械科学与技术，2002，21(2)：220-221.

[5]范帅，李宝林，陈景昌.发动机链条的微接触有限元分析[J].机械强度，2011,33(3)：418-422.

[6]王彦伟，罗继伟，叶军，等.基于有限元的疲劳分析方法及实践[J].机械设计与制造，2008(1)：22-24.

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

文章编号：1003-188X(2016)05-0056-04

中图分类号：S222.5+2

文献标识码：A

作者简介：谢炳光(1963-)，男，南宁人，工程师，(E-mail)bg6816@163.com。

基金项目：广西大学国家级大学生创新创业训练计划项目(201410593052)

收稿日期：2015-04-11