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解析楔形自润滑深松铲的结构设计和减阻试验情况

2020-05-26 151 上传者：管理员

摘要：深松是实施保护性耕作的基础,在实行保护性耕作的初期更是必不可少的作业环节,能够打破犁底层、降低土壤容重、改善耕层结构。实现深松的主要工具是深松铲,其品质决定了深松效果。针对深松铲在工作过程中耕作阻力较大的问题,设计出一种楔形自润滑深松铲,借助SolidWorks软件进行结构设计及仿真分析,并在实验室进行减阻试验。试验结果表明:在相同试验条件下,楔形自润滑深松铲与传统深松铲对比,耕作阻力降低14.60%～21.17%,减阻率的平均值为18.28%,减阻效果明显。

关键词：
仿真分析
减阻率
减阻试验
深松铲
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保护性耕作包括免耕或少耕播种施肥技术、秸秆及残茬覆盖技术、杂草及病虫害控制与防治技术、深松技术[1,2,3]。深松是实施保护性耕作的基础,在实行保护性耕作的初期更是必不可少的作业环节[4]。深松具有以下作用:①打破硬土层,降低土壤硬度,提高了土壤的蓄水保墒能力;②使土壤疏松,提高土壤降水的入渗,防止地面积水或地表径流;③有利于培肥地力,形成虚实并存的耕层结构,为微生物生存提供良好条件;④调节土壤固相、液相、气相三相比例,改善土壤结构,保证作物的养分供给,实现用地与养地的结合[5,6]。

进行深松作业的核心部件是深松铲,深松铲在工作过程中耕作阻力大是面临的一个主要问题。目前,国内外针对减小深松铲在工作过程中的作业阻力开展了广泛的研究工作。张金波、佟金、马云海进行了仿生减阻深松铲设计与试验[7],韦钟继、郑丁科、杨丹彤等进行了带翼振动深松铲运动特性分析及试验[8],姚克恒、陈伟、袁栋等进行了基于Workbench的深松铲铲体曲面的仿生优化设计及试验分析[9]。所以,改良深松铲的外形结构,并通过分析和实践不断优化其结构参数,是解决耕作阻力大的有效途径。

本文设计了一种楔形自润滑深松铲,利用有限元分析软件对深松铲进行静力学分析,并在实验室进行了试验。

1、深松铲的整体结构及主要特征

1.1整体结构

楔形自润滑深松铲主要由铲尖、铲柄、铲尖连接板和铲库组成,如图1所示。

图1深松部件整体结构

1.2工作原理

设计出的楔形自润滑深松铲,其入土部分截面均设计成楔形结构,在保证结构强度的前提下,使楔角最小,最大程度地分散土壤压力,从而降低在行进过程中所受的土壤阻力[7]。铲柄和铲尖的楔形侧面两侧安装自润滑镶嵌贴板(见图2),降低与土壤接触表面的摩擦系数,可进一步减小耕作阻力。自润滑镶嵌贴板的作用机理为:润贴板以钢板作为基体,钢板表面加工出等间距排列的凹坑,通过镶嵌固体润滑剂(石墨)作为润滑介质,石墨粘结在凹坑中,石墨介质占钢板总体面积的35%。由于石墨介质本身有润滑性,工作过程中将自润滑镶嵌贴板金属与土壤间的摩擦转变成石墨介质间的摩擦,减少了磨损和阻力。润滑机理如图3所示。

图2自润滑镶嵌贴板的实物图

图3自润滑镶嵌贴板的工作机理

2、关键部件的设计

2.1铲尖的设计

市场上现有的铲尖种类主要有凿形、双翼形和箭形铲尖等[10,11]。凿形铲尖具有结构简单、工作阻力小、强度高等优点,本文设计的铲尖就是将凿型铲尖的平面结构设计成楔形结构。

该铲尖由铲尖基体和铲尖自润滑镶嵌贴板两部分组成,两个自润滑镶嵌贴板与铲尖基体用沉头螺钉固接,如图4所示。其中,铲尖基体前端设计成棱锥结构,铲尖基体后部与自润滑镶嵌贴板组成棱柱结构,使整个铲尖截面为楔形结构,楔角均为64°,以减小铲尖的耕作阻力。

图4铲尖整体结构

2.2铲柄的设计

铲柄由铲柄基体和铲柄自润滑镶嵌贴板两部分组成,如图5所示。铲柄工作区间安装自润滑镶嵌贴板,其组合体截面为楔形结构,楔角为20°。

设计的铲柄整体可分为3个部分:上端设有等间距排列安装孔,通过螺栓与铲库固接,调节安装孔位可以改变深松深度,共有4个可调节的深度值,分别为250、300、350、400mm;中间部分设计成楔形结构,并安装有自润滑镶嵌贴板;底端能够连接铲尖连接板,实现铲柄与铲尖固接。为了保证深松作业深度不低于300mm的标准[5],设计铲柄的楔形刀刃结构长度b=400mm;铲柄的厚度范围一般为20～40mm,铲柄的厚度t为35mm,可以实现较好的松土效果,并且保证结构刚度,防止由于弯曲变形导致失效破坏。

图5铲柄整体结构

3、三维模型建立及有限元分析

3.1三维模型建立

利用SolidWorks软件,选择基准面根据结构尺寸绘制草图,利用特征三维建模。

3.2有限元分析

3.2.1受力分析

深松铲作业时所受的总阻力P可以分成3部分,即铲柄入土部分所受的阻力F1、铲尖尖端部位所受的阻力F2和铲尖后端所受的阻力F3。

Kostritsyn研究了楔形切刀的受力图,把尖角前刃称作楔刃,把平行刀刃称作侧刃。由于铲柄入土部分均为楔形结构(见图6),所以作用在深松铲上总阻力可以分解为

Ρ=2Νsinα2+2μΝcosα2(1)

式中α—楔刃的楔角;

μ—土壤与钢材摩擦因数,取μ=0.577[12];

N—楔刃上的法向力;

P—深松铲所受的阻力。

图6楔形结构工作时土壤的作用力

作用于楔刃上的法向力N来自于土壤的变形阻力,大小为

N=KS(2)

式中K—变形比阻;

S—楔刃面积。

把式(2)带入到式(1),可写为

Ρ=2ΚSsinα2+2μΚScosα2(3)

根据土壤变形理论[13],变形比阻K的大小为

K=Kel+Kpl(4)

式中Kel—弹性变形的应力;

Kpl—塑性变形的应力。

根据经验及参考文献[14],取Kel=3.2N/cm2、Kpl=0.67N/cm2,则

K=Kel+Kpl=3.87N/cm2(5)

综上可得,将铲柄入土部分所受的阻力F1、铲尖尖端部位所受阻力F2和铲尖后端所受阻力F3分别代入式(3),即可得到楔形深松铲所受总阻力P为

Ρ=F1+F2+F3=2ΚS1sinα2+

2μΚS1cosα2+2ΚS2sinα2+2μΚS2cosα2+2ΚS3sinα2+2μΚS3cosα2 (6)

式中S1—铲柄入土部位的楔刃面积;

S2—铲尖尖端部位的楔刃面积;

S3—铲尖后端部位的楔刃面积;

α1—铲柄入土部位的楔刃楔角;

α2—铲尖尖端部位的楔刃楔角;

α3—铲尖后端部位的楔刃楔角。

假定深松铲入土深度为400mm,由深松铲的尺寸参数及推理计算可得:S1=525cm2,S2=55.9cm2,S3=13.4cm2,α1=20°,α2=64°,α3=72°。

计算得出,作用在深松铲上的阻力为

F1=2ΚS1sinα2+2μΚS1cosα2=3016.5Ν

F2+F3=2ΚS2sinα2+2μΚS2cosα2+

2ΚS3sinα2+2μΚS3cosα2=405Ν

P=F1+F2+F3=3421.5N

3.2.2静力学分析

分别对铲柄和铲尖用SolidWorksSimulation模块进行静力学分析,在深松深度为400mm时校核铲柄和铲尖的应力和变形量。

铲柄选取材料为16Mn钢;给铲柄的三维模型添加夹具,规定三维模型的边界条件,把铲柄上部的两个安装孔作为固定几何体;在铲柄上模拟承载,对铲柄施加载荷F1;进行网格划分,运行模拟分析,如图7所示。

图7铲柄等效应力图

铲尖选取材料为65Mn钢;给铲尖的三维模型添加夹具,把铲尖底端平面作为固定几何体;在铲尖上模拟承载,铲尖尖端施加载荷F2,铲尖后端施加载荷F3;进行网格划分,运行模拟分析,如图8所示。

图8铲尖等效应力图

3.2.3结果分析

铲柄所受的最大应力点出现在铲柄楔形结构的最上端,数值为60.50MPa,远远小于16Mn钢的屈服强度为345MPa。铲柄位移量最大处出现在铲柄底端,数值为0.5736mm,变形量较小,不会对深松铲正常作业产生影响。

铲尖所受的最大应力点出现在铲尖与铲柄接触的位置,数值为10.09MPa,远远小于65Mn钢的屈服强度为784MPa。铲尖位移量最大处出现在铲尖与铲柄接触的位置,数值为0.1411mm,变形量较小,不会对深松铲正常作业产生影响。

4、试验

4.1试验条件及设备

减阻试验的场地为吉林大学的室内土槽,尺寸为长20m、宽2.3m、深1.5m。试验采用黑壤土,土壤含水率为18.17%,土壤坚实度为800～1500kPa。

减阻试验中所使用的是电力变频四轮驱动土槽试验车,如图9所示。试验车的制造厂商为哈尔滨博纳科技有限公司,采用三轴测力方式检测深松铲工作性能,传感器来自中国航天空气动力技术研究院的BK-1型传感器,编号为QV324。

4.2试验方案

试验中,铲柄和铲尖上安装的自润滑镶嵌贴板可进行拆卸,替换成普通钢板,从而进行有无润滑板对减阻效果的对比试验。为了更好研究楔形自润滑深松铲的减阻效果,将楔形自润滑深松铲(铲柄、铲尖均自润滑)、楔形铲柄润滑深松铲(铲柄自润滑,铲尖不自润滑)、楔形铲尖润滑深松铲(铲尖自润滑,铲柄不自润滑)、楔形无润滑深松铲(铲柄、铲尖均不自润滑)和普通凿式深松铲5种类型对比试验,研究楔形自润滑深松铲的减阻效果。图10为楔形自润滑深松铲实物图,图11为试验机具。本次试验的评价指标是牵引阻力值。

图9土槽试验车

图10楔形自润滑深松铲实物图

图11试验机具

4.3试验结果与分析

针对深松深度、作业速度和深松铲类型3个变量进行全面试验,测得深松铲受的牵引阻力的数值,如表1所示。

表1不同种类深松铲牵引阻力试验结果

表2不同种类深松铲相对普通凿式深松铲的减阻率

对表2进行数据分析,结果表明:楔形自润滑深松铲受到的阻力相比普通凿式深松铲减小14.60%～21.17%,减阻率平均值为18.28%;楔形铲柄润滑深松铲受到的相比普通凿式深松铲减小12.33%～17.23%,减阻率平均值为14.83%;楔形铲尖润滑深松铲受到的阻力相比普通凿式深松铲减小8.86%～14.09%,减阻率平均值为12.83%;楔形无润滑深松铲受到的阻力相比普通凿式深松铲减小6.74%～12.59%,减阻率平均值为9.72%。

5、结论

1)采用SolidWorks软件对楔形自润滑深松铲进行参数化设计及有限元分析,且在实验室进行了试验,结果表明:结构设计合理,能够实现预期功能。

2)在同种作业速度和深度的情况下,楔形自润滑深松铲所受的耕作阻力比普通凿式深松铲减小14.60%～21.17%,减阻率的平均值为18.28%,具有十分明显的减阻效果。

3)在同种作业速度和深度的情况下,楔形自润滑深松铲的减阻率远远大于楔形无润滑深松铲,说明有无自润贴板是深松铲能够实现减阻的主要影响因素之一。

参考文献：

[1]彭贵喜,刘刚.保护性耕作中深松技术的应用研究[J].农业科技与装备,2009(1):119-120.

[2]高焕文.保护性耕作概念､机理与关键技术[J].四川农业与农机,2005(4):22-23.

[3]朱想,冯明佳,明哲.浅析吉林地区保护性耕作现状及发展对策[J].农业开发与装备,2017(2):106.

[4]汪琴.机械化深松技术[J].现代农业科技,2017(7):181.

[5]何云建,张国松.浅谈机械化深松技术的推广应用[J].农业科技通讯,2017(9):177-178.

[6]蒋勇.浅析土地深松耕作现状与建议[J].河北农机,2019(4):33-34.

[7]张金波,佟金,马云海.仿生减阻深松铲设计与试验[J].农业机械学报,2014,45(4):141-145.