輻盤(pán)式挖掘裝置的結(jié)構(gòu)與有限元分析

王方艷

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

輻盤(pán)式挖掘裝置的結(jié)構(gòu)與有限元分析

王方艷1,2

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

針對(duì)單株塊根作物收獲機(jī)具短缺、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)粗放的特點(diǎn)，分析了輻盤(pán)式挖掘裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)，并利用三維虛擬樣機(jī)技術(shù)建立輻盤(pán)式挖掘裝置的模型。同時(shí)，根據(jù)挖掘裝置的受載情況，借助ANSYS 軟件，對(duì)挖掘裝置的變形及應(yīng)力進(jìn)行有限元分析。 根據(jù)分析結(jié)果，找出挖掘裝置易產(chǎn)生損傷部位，為后續(xù)挖掘裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能提升提供理論依據(jù)。

挖掘裝置；輻盤(pán)式；有限元分析

0 引言

挖掘裝置是作物收獲過(guò)程中重要的工作部件，決定著機(jī)具的收獲性能及使用范圍，影響著機(jī)具的動(dòng)力消耗及適用性。當(dāng)前，根莖類(lèi)作物收獲采用的挖掘裝置主要有鏵鏟式挖掘裝置、叉桿式挖掘裝置、圓盤(pán)式挖掘裝置和復(fù)式挖掘裝置[1-5]。它們各具特點(diǎn)，分別適應(yīng)不同的作物收獲及工作環(huán)境，并借助傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法得到了改進(jìn)和完善。其中，鏵鏟式挖掘裝置的使用范圍較廣，且借助虛擬仿真技術(shù)得到了仿真優(yōu)化[6-10]，但不適于蘿卜、甜菜等單株塊根作物的挖掘收獲。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)裝備的發(fā)展，蘿卜、甜菜等單株塊根作物的收獲問(wèn)題被逐漸提上日程。結(jié)合單株塊根作物的特點(diǎn)，研制相應(yīng)的機(jī)具，攻克機(jī)械化收獲的技術(shù)瓶頸，已成為當(dāng)前研究工作的重中之重。當(dāng)前，關(guān)于蘿卜、甜菜等單株塊根作物的收獲研究主要集中在挖掘裝置的挖掘方式和挖掘阻力，即如何保證對(duì)單株塊根作物的定向挖掘及順暢收獲。因此，針對(duì)蘿卜、甜菜等單株塊根作物生長(zhǎng)范圍較集中。在土壤中的分布范圍穩(wěn)定的特點(diǎn)，因地制宜研究挖掘機(jī)理及方式，設(shè)計(jì)合理的挖掘結(jié)構(gòu)，對(duì)提高作物挖掘效率具有重要的意義。

1 輻盤(pán)式挖掘裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)

1.1 主要結(jié)構(gòu)

輻盤(pán)式挖掘裝置主要采用滾動(dòng)挖掘形式，利用1對(duì)挖掘輻盤(pán)與土壤、土壤與塊根之間的作用實(shí)現(xiàn)塊根作物擠壓、拔取挖掘，既可減少土壤的挖掘量，又可避免雜草的纏繞及土壤的壅堵，為塊根作物快速除土及輸送環(huán)節(jié)提供了條件。輻盤(pán)式挖掘裝置由挖掘輻盤(pán)、軸臂架、調(diào)節(jié)塊、安裝座及防漏盤(pán)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其輻盤(pán)為40Mn，軸臂架為Q235，其他零件為45鋼。

1.調(diào)節(jié)塊 2.安裝座 3.軸臂架 4.防漏盤(pán) 5.挖掘輻盤(pán)圖1 輻盤(pán)式挖掘裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of radial-disc digging device

1.2 工作參數(shù)

輻盤(pán)式挖掘裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜。挖掘輻盤(pán)為空間結(jié)構(gòu)，輻盤(pán)凹面與土壤作用近似為一對(duì)三面楔的作用，輻盤(pán)凸面與土壤作用為擠壓力和刮擦力。兩個(gè)輻盤(pán)刃口面成一定的夾角為ε，決定著兩個(gè)輻盤(pán)的張口大小，由兩個(gè)輻盤(pán)刃緣的最大距離cmax、最小距離cmin及圓盤(pán)的半徑R確定；挖掘輻盤(pán)的二面角所在面與垂直面的偏角為i，決定著兩個(gè)挖掘輻盤(pán)刃口最小距離處的位置；挖掘輻盤(pán)與前進(jìn)方向所成偏角為γ，影響挖掘輻盤(pán)的推土效果；與鉛垂面成傾角為β，決定著挖掘輻盤(pán)的翻土效果。其中，傾角β及偏角γ是挖掘裝置的關(guān)鍵參數(shù)，決定著挖掘部件-土壤-作物之間的相互作用。傾角β影響土壤在垂直方向的運(yùn)動(dòng)情況，偏角γ影響輻盤(pán)刃口對(duì)土壤的鉛垂分力，決定挖掘輻盤(pán)的切土、碎土及翻土效果。當(dāng)張角ε為常量時(shí)，偏角γ與傾角β可由偏角i表示。簡(jiǎn)化挖掘輻盤(pán)結(jié)構(gòu)，工作參數(shù)如圖2所示,且各個(gè)參數(shù)滿(mǎn)足式(1)～式(3)。結(jié)合理論分析及試驗(yàn)[11-12]，確定其工作參數(shù)β=13.3°，γ=7.8°，ε=15.25°，i=30°。

tanβ=tanεcosi

(1)

tanγ=tanεsini

(2)

sinε=(cmax-cmin)/4R

(3)

圖2 輻盤(pán)式挖掘裝置的工作參數(shù)Fig.2 Working parameters of the radial-disc digging device

2 輻盤(pán)式挖掘裝置的有限元分析

2.1 模型建立

輻盤(pán)式挖掘裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)決定著挖掘裝置的工作穩(wěn)定性和性能。借助SolidWorks三維軟件建立輻盤(pán)式挖掘裝置的虛擬仿真模型，利用SolidWorks與ANSYS Workbench無(wú)縫連接端口完成模型的導(dǎo)入模型，建立的模型大地坐標(biāo)系，并在Model里進(jìn)行零部件材料賦予和網(wǎng)格的劃分[13-15]。其材料屬性如表1所示。因挖掘裝置是多個(gè)零件組裝而成且存在較多的接觸，在比較Tetrahedrons四面體單元和Hex Dominant六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格自由劃分單元質(zhì)量的基礎(chǔ)上，采用Tetrahedrons進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過(guò)對(duì)挖掘裝置的靜力學(xué)分析，可預(yù)測(cè)易發(fā)生破壞的位置，為挖掘系統(tǒng)的研發(fā)提供依據(jù)。

表1 材料的屬性

2.2 載荷加載及約束限定

在工作中，輻盤(pán)式挖掘裝置為被動(dòng)滾動(dòng)，主要受到機(jī)架的牽引力、土壤給予挖掘輻盤(pán)的承載力、摩擦力及粘附力等。為了便于計(jì)算，將作用于挖掘輻盤(pán)面上的力進(jìn)行理論計(jì)算及簡(jiǎn)化，并合成為M=65040N·mm，F(xiàn)x'=2706N，F(xiàn)y'=-271N,Fz'=2294N[1]。結(jié)合輻盤(pán)式挖掘裝置工作狀態(tài)及實(shí)際工作條件，將載荷分別施加于挖掘輻盤(pán)或軸臂架，以減少安裝誤差帶來(lái)的影響。對(duì)挖掘輻盤(pán)進(jìn)行分析時(shí)，選擇固定約束命令對(duì)挖掘輻盤(pán)安裝孔6 個(gè)自由度進(jìn)行約束；對(duì)圓盤(pán)軸臂架進(jìn)行單獨(dú)分析時(shí)，選擇固定約束命令將對(duì)軸臂架的安裝架6 個(gè)自由度進(jìn)行約束[16-17]。加載如圖3所示。

圖3 加載圖Fig.3 Load figure

2.3 挖掘裝置的靜力分析

2.3.1 挖掘圓盤(pán)的靜力分析

將挖掘輻盤(pán)三維模型按照實(shí)際空間工作位置導(dǎo)入ANSYS Workbench，采用Tetrahedrons四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，精度定義為100，節(jié)點(diǎn)數(shù)為75 660，單元數(shù)為44 654，并將挖掘輻盤(pán)與土壤的合力載入，分析輻盤(pán)的形變和等效應(yīng)力情況。其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示，變形云及等效應(yīng)力云如圖5所示。

圖4 挖掘輻盤(pán)網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid partitioning of digging radial disk

圖5 挖掘輻盤(pán)變形云及等效應(yīng)力云Fig.5 Deformation cloud and equivalent stress cloud of digging radial disk

由圖5(a)可知：輻盤(pán)的變形主要分布在挖掘輻盤(pán)的刃緣，最大形變?yōu)?.17442mm，相對(duì)于挖掘裝置的尺寸較小，小于40Mn的延伸率5%，不會(huì)影響整體裝置的運(yùn)行軌跡及工作性能，也不足以引起機(jī)構(gòu)間的干涉，可忽略不計(jì)。由圖5(b)可知：挖掘輻盤(pán)的應(yīng)力集中點(diǎn)較多且分散，最大應(yīng)力點(diǎn)分布在輻盤(pán)的連接輻條處，且最大等效應(yīng)力為51.721MPa，小于40Mn材料的屈服強(qiáng)度355MPa，可以滿(mǎn)足零件的強(qiáng)度要求。同時(shí)，提高挖掘輻盤(pán)的強(qiáng)度，應(yīng)在加工挖掘輻盤(pán)的過(guò)程中盡量減少鑄造缺陷及應(yīng)力集中。

2.3.2 軸臂架的靜力分析

將軸臂架的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench。設(shè)置材料屬性，采用Tetrahedrons四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的相關(guān)性為100，節(jié)點(diǎn)數(shù)為254 577，單元數(shù)為145 899，并將作用于挖掘圓盤(pán)上的力等效轉(zhuǎn)移到軸臂架的軸上，分析得到軸臂架的變形及等效應(yīng)力云圖。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示，軸臂架的變形及等效應(yīng)力云如圖7所示。

圖6 軸臂架網(wǎng)格劃分Fig.6 Grid partitioning of axis boom

圖7 軸臂架變形云及等效應(yīng)力云Fig.7 Deformation cloud and equivalent stress cloud of axis boom

由圖7(a)可知：軸臂架的位移變形與安裝架的位置有關(guān)，最大變形位置在安裝輻盤(pán)的軸緣，且變形值為0.334 91mm，小于鋼材料的延伸率，不影響挖掘裝置的正常工作。由圖7(b)可知：挖掘裝置的調(diào)節(jié)塊、軸臂架及安裝架都存在應(yīng)力集中，調(diào)節(jié)塊和軸臂架上的最大等效應(yīng)力分別為121.96MP和143.53MPa，且都遠(yuǎn)小于45鋼屈服強(qiáng)度355MPa和Q235屈服極限，滿(mǎn)足零部件的強(qiáng)度要求。

綜合以上分析可知：輻盤(pán)式挖掘裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，關(guān)鍵零部件的變形量與應(yīng)力均在材料允許的范圍內(nèi)，滿(mǎn)足工作強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)要求。

3 結(jié)論

1)輻盤(pán)式挖掘裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適合單株塊根作物的挖掘收獲，可有效減少土壤的挖掘量，避免雜草的纏繞及土壤的壅堵。輻盤(pán)式挖掘裝置的輻盤(pán)凹面與土壤作用近似為平共1對(duì)三面楔的作用，輻盤(pán)凸面與土壤作用為擠壓力和刮擦力。

2)挖掘裝置的輻盤(pán)夾角ε、偏角i、偏角γ和傾角β決定著挖掘部件-土壤-作物之間的相互作用，傾角β影響土壤在垂直方向的運(yùn)動(dòng)情況，偏角γ影響輻盤(pán)刃口對(duì)土壤的鉛垂分力，決定挖掘輻盤(pán)的切土、碎土、翻土效果。其工作參數(shù)如下：β=13.3°，γ=7.8°，ε=15.25°，i=30°。

3)對(duì)挖掘裝置進(jìn)行了靜態(tài)有限元分析可知：輻盤(pán)

式挖掘裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，關(guān)鍵零部件的變形量與應(yīng)力均在材料允許的范圍內(nèi)，滿(mǎn)足工作強(qiáng)度要求和結(jié)構(gòu)要求。

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ID:1003-188X(2018)02-0066-EA

The Study on Structure of Radial Disk Digging Device with Finite Element Analysis

Wang Fangyan1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 2.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstract： Aiming at the shortage of single-crop root-crop harvesting equipment and the extensive structure design, the structure and working parameters of the radial disk digging device are analyzed. The model of the radial disk excavating device is established by 3D virtual prototyping technology. According to the loading situation of excavating device, the paper analysis the deformation of the excavation device and stress by virtue of ANSYS software. According to the analysis results, it is easy to find the damage site of the excavating device, which provides a theoretical basis for the optimization design and performance improvement of the subsequent excavating device.

excavation device; radial disk; finite element analysis

2016-11-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505246)；山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目(J15LB06)；校高層次人才科研基金項(xiàng)目(631429)

王方艷(1979-),女，山東淄博人，副教授，博士，(E-mail) wfy_66@163.com。

S225；S220.3

A

1003-188X(2018)02-0066-04