深松機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部位的分析

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1、基于solidworks深松機(jī)的設(shè)計(jì) 【摘要】：為了進(jìn)一步完善耕作系統(tǒng),針對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有深松機(jī)存在的深松度達(dá)不到要求、耕作阻力大、易堵塞及能耗高等問(wèn)題,對(duì)深松效應(yīng)進(jìn)行了深入研究,設(shè)計(jì)了適合在保護(hù)性耕作條件下進(jìn)行深松作業(yè)的機(jī)械。通過(guò)對(duì)深松機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)的分析與計(jì)算,確定了該機(jī)具各部件的總體布局,設(shè)計(jì)出適合動(dòng)力配置的能對(duì)土壤進(jìn)行高效松碎的深松部件及其結(jié)構(gòu)參數(shù)。和對(duì)關(guān)鍵部件的有限元分析及其仿真。 關(guān)鍵詞：深松機(jī) 有限元分析 一 深松的背景和好處及其種類 （1） 深松作業(yè)的背景 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，要想獲得糧食豐產(chǎn)豐收，不僅需要有優(yōu)良的種子，足夠的肥料，控制病蟲(chóng)害的方法手段，還需要

2、有先進(jìn)適用的機(jī)械化技術(shù)做為支撐。 1、機(jī)械深松技術(shù)含義:是指用不同的動(dòng)力機(jī)械配套相應(yīng)的深松機(jī)械，來(lái)完成農(nóng)田深松作業(yè)的機(jī)械化技術(shù)。機(jī)械深松的目的是疏松土壤，打破犁底層，增強(qiáng)雨水入滲速度和數(shù)量，減少?gòu)搅?，減少水份蒸發(fā)損失。由于機(jī)械深松是只松土、不翻土，作業(yè)后使耕層土壤不亂，動(dòng)土量小，所以特別適合于黑土層淺、不宜耕翻作業(yè)的土壤。土壤實(shí)現(xiàn)機(jī)械深松，實(shí)際上是一場(chǎng)農(nóng)業(yè)耕種領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)革命，它正在變?yōu)橐环N使糧食增產(chǎn)最有效、先進(jìn)的技術(shù)耕作制度而被人們認(rèn)識(shí)和認(rèn)可。 2、機(jī)械深松的背景及必要性:農(nóng)業(yè)生產(chǎn)事實(shí)告訴我們，制約糧食增產(chǎn)最重要的因素之一就是土壤的質(zhì)量。據(jù)調(diào)查，在過(guò)去的30年中，我省大部分土地是

3、以傳統(tǒng)耕作方式為主，即小型農(nóng)機(jī)具作業(yè)，連年耕作，導(dǎo)致土壤耕層只有12-15厘米左右，土壤板結(jié)嚴(yán)重，阻力不斷增大，犁底層的土壤變得硬脆，一鍬下去就會(huì)大塊大塊地開(kāi)裂，同時(shí)厚硬的犁底層也阻礙著土壤上下水氣的貫通和天然降水的貯存，小型農(nóng)機(jī)具的連年作業(yè)，也導(dǎo)致了土壤中蚯蚓等生物的大量減少，土壤毛細(xì)管的破壞，土壤養(yǎng)分輸送能力的破壞，難以維持植株正常生長(zhǎng)對(duì)水、肥、氣、熱的需求;另外多年來(lái)傳統(tǒng)的種植習(xí)慣---翻、耙、壓，翻動(dòng)土壤嚴(yán)重，不符合作物生長(zhǎng)需求;另一方面機(jī)車(chē)多次進(jìn)地，土壤壓實(shí)，降雨徑流現(xiàn)象十分突出，土壤蓄水保墑能力明顯不足。 據(jù)測(cè)定，小四輪機(jī)械滅茬，耕深6-10cm，多功能復(fù)式整地機(jī)也只有12-16

4、cm。由此導(dǎo)致了土壤干旱現(xiàn)象逐年加劇，惡性循環(huán)，農(nóng)作物只能在夾層陜小的空間中生長(zhǎng)，根系發(fā)展沒(méi)有空間，養(yǎng)份吸收不上來(lái)，造成農(nóng)作物生長(zhǎng)不良，抗風(fēng)、抗旱、抗病能力不足。土壤板結(jié)，玉米根系不能深扎，應(yīng)該說(shuō)耕地質(zhì)量下降，已成為提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)性障礙因素。鑒于上述問(wèn)題，在農(nóng)業(yè)種植技術(shù)上，就必須進(jìn)行改革，大力推廣以機(jī)械化深松為主導(dǎo)的種植模式，這是在目前現(xiàn)有綜合技術(shù)條件下，使玉米增產(chǎn)的最為有效的方法，實(shí)行以機(jī)械化深松為主的保護(hù)性耕作技術(shù)，已是迫在眉睫。 （二） 深松作業(yè)的好處： 實(shí)施深松作業(yè)有以下幾方面的好處： 1、提高土壤蓄水保墑能力。土壤經(jīng)過(guò)深松作業(yè)后，打破犁地層，增加土壤孔隙度

5、，增加了雨水滲透能力，有利于減少水土流失，較多地吸納、伏雨和秋冬雨雪，增加土壤含水量。 2、改善土壤理化性能。深松增加了土壤通透性降低土壤容重，促進(jìn)土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的形成。 3、增加作物的抗旱和抗倒伏能力。深松改善了作物根系的生長(zhǎng)條件，根系粗壯、下扎較深、分布優(yōu)化，可以充分的吸收土壤的水分和養(yǎng)分，提高作物的抗旱、抗倒伏能力。土壤實(shí)施深松作業(yè)后一般能增產(chǎn)10—15%。 4、大大降低生產(chǎn)成本。較鏵式犁旋耕機(jī)相比，作業(yè)效率高，鏵式犁作業(yè)后還需旋耕，填墑溝，一般旋耕機(jī)作業(yè)兩遍，而深松機(jī)一遍完成，一般3—4年進(jìn)行一次，減少了拖拉機(jī)進(jìn)地次數(shù)，減少了資源消耗，從整體來(lái)看降低了作業(yè)成本，

6、是節(jié)能減排的一項(xiàng)重大措施;但是必須注意，深松作業(yè)的土地播種后，必須及時(shí)壓水，防止出現(xiàn)去年秋冬突降大雪，凍死青苗的現(xiàn)象。 （三）深松機(jī)具的種類和特點(diǎn) 1、深松機(jī)種類和特點(diǎn):機(jī)械化深松按作業(yè)性質(zhì)可分為局部深松和全面深松兩種。全面深松是用深松犁全面松土，這種方式適用于配合農(nóng)田基本建設(shè)，改造耕層淺的土壤。局部深松則是用桿齒、鑿形鏟或鏵進(jìn)行松土與不松土相間隔的局部松土。由于間隔深松創(chuàng)造了虛實(shí)并存的耕層結(jié)構(gòu)，實(shí)踐證明，間隔深松優(yōu)于全面深松，應(yīng)用較廣。 當(dāng)前，在生產(chǎn)中應(yīng)用的土壤深松方法主要有間隔深松、壟溝深松、中耕深松、淺耕深松、壟翻深松、全面深松等。 按作業(yè)機(jī)具結(jié)構(gòu)原理可分為:鑿式深松、翼鏟式

7、深松、振動(dòng)深松、鵝掌式深松等。不同深松機(jī)具因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不一，作業(yè)性能也有一定差異，適用土壤及耕地類型也有一定的變化。一般來(lái)講，以松土、打破犁底層作業(yè)為目的的常采用全面深松法，以打破犁底層、蓄水為主要目的的常采用局部深松法。有些種類的機(jī)具兼有局部深松和全面深松的特點(diǎn)，如全方位深松機(jī)、振動(dòng)深松機(jī)等。 二 深松犁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵部位分析 （1） 深松犁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1、 深松犁的總體結(jié)構(gòu)模型，如圖1.1 圖 1.1 2、 主要部件模型的建立 各部件的簡(jiǎn)化模型建立 零件1的建模： 再打開(kāi)軟件后，點(diǎn)擊草圖開(kāi)始繪制一個(gè)長(zhǎng)方形，并繪

8、制一個(gè)圓，各尺寸使用智能尺寸進(jìn)行標(biāo)注。退出草圖后，使用特征命令，進(jìn)行拉伸。在選擇左邊的一個(gè)面，另外創(chuàng)立一個(gè)基準(zhǔn)面，在該基準(zhǔn)面上繪制草圖進(jìn)行拉伸，最后鏡像、倒角得到最終零件。如圖2.1 圖2.1 零件2 的建模： 點(diǎn)擊文件“新建”，進(jìn)入草圖的繪制界面，選擇一個(gè)基準(zhǔn)面，開(kāi)始草圖的繪制，繪制完草圖。退出草圖，點(diǎn)擊特征命令中的“拉伸”命令得到如圖2.2所示的模型。 圖2.2 零件3的建模： 點(diǎn)擊文件“

9、新建”，進(jìn)入草圖的繪制界面，選擇一個(gè)基準(zhǔn)面，前基準(zhǔn)面，點(diǎn)正視該基準(zhǔn)面，開(kāi)始草圖的繪制，繪制完草圖。退出草圖，點(diǎn)擊特征命令中的“拉伸”命令得到該零件的基準(zhǔn)模型。在拉伸面創(chuàng)建一個(gè)基準(zhǔn)面，繪制一個(gè)四邊形，對(duì)尺寸進(jìn)行標(biāo)注，退出草圖，拉伸草圖，最后倒角，完成模型。如圖2.3 圖2.3 零件4的建模： 點(diǎn)擊文件“新建”，進(jìn)入草圖的繪制界面，選擇前視基準(zhǔn)面或者左視基準(zhǔn)面，開(kāi)始草圖的繪制，繪制完草圖。退出草圖，點(diǎn)擊特征命令中的“拉伸”命令得到如圖2.4所示的模型。

10、 圖2.4 零件5的建模： 點(diǎn)擊文件“新建”，進(jìn)入草圖的繪制界面，選擇前視基準(zhǔn)面或者左視基準(zhǔn)面，開(kāi)始草圖的繪制，繪制完草圖。退出草圖，點(diǎn)擊特征命令中的“拉伸”命令得到的模型，如圖2.5。在如圖所示的模型的前面，創(chuàng)建一個(gè)基準(zhǔn)面，繪制圓，編輯尺寸，退出草圖。點(diǎn)擊特征命令中的“拉伸切除”，得到孔。對(duì)該模型倒角，完成模型。 圖2.5 零件6的建模： 點(diǎn)擊文件“新建”，進(jìn)入草圖的繪制界面，選擇前視基準(zhǔn)面或者左視基準(zhǔn)面，開(kāi)始草圖的繪制，繪制如圖2

11、.6所示的草圖。退出草圖，點(diǎn)擊特征命令中的“旋轉(zhuǎn)”命令得到所示的模型。選取圖中零件的左面創(chuàng)建一個(gè)基準(zhǔn)面，繪制一個(gè)圓孔，標(biāo)注尺寸，退出草圖。選取草圖，進(jìn)行拉伸切除，得到圓孔。最后對(duì)輪子的外觀進(jìn)行編輯，渲染表面，完成模型。 圖2.6 零件7的建模： 點(diǎn)擊文件“新建”，進(jìn)入草圖的繪制界面，選擇前視基準(zhǔn)面或者左視基準(zhǔn)面，開(kāi)始草圖的繪制，繪制一個(gè)u形草圖。退出草圖，在如圖2.7的右面創(chuàng)建一個(gè)基準(zhǔn)面，在該基準(zhǔn)面上繪制一個(gè)長(zhǎng)方形的草圖，尺寸標(biāo)注完后退出草圖。在特征模塊中的掃描出一個(gè)U形的實(shí)體，在實(shí)體上的左面創(chuàng)建一個(gè)基準(zhǔn)面

12、，在該基準(zhǔn)面上繪制一個(gè)圓，拉伸切除一個(gè)圓孔。在該實(shí)體上創(chuàng)建基準(zhǔn)面4，在該基準(zhǔn)面上繪制圓，同樣拉伸切除圓孔，完成模型。 圖2.7 零件8的建模： 點(diǎn)擊文件“新建”，進(jìn)入草圖的繪制界面，選擇前視基準(zhǔn)面或者左視基準(zhǔn)面，開(kāi)始草圖的繪制，繪制完草圖。退出草圖，點(diǎn)擊特征命令中的“拉伸”命令得到如圖2.8所示的模型。 圖2.8 （二）關(guān)鍵部件的分析 1、 材料 材料屬性 名稱: 普通碳鋼 模型類型:

13、線性彈性同向性 屈服強(qiáng)度: 2.20594e+008 N/m^2 張力強(qiáng)度: 3.99826e+008 N/m^2 彈性模量: 2.1e+011 N/m^2 泊松比: 0.28 質(zhì)量密度: 7800 kg/m^3 抗剪模量: 7.9e+010 N/m^2 熱擴(kuò)張系數(shù): 1.3e-005 /Kelvin 2、 結(jié)構(gòu)的離散化 對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化，就是有限元分析的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)的離散化也就是網(wǎng)格化，網(wǎng)格化就是將模型分成若干小方塊或者三角形單元。對(duì)單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算作近似代替，并用位移插值函數(shù)算出每個(gè)點(diǎn)的相關(guān)特征。離散化的結(jié)構(gòu)模型如圖3.1

14、 圖3.1 3、載荷的施加 選擇組 單位 總和 X 總和 Y 總和 Z 合力 整個(gè)模型 N 1419.63 662.22 0.15934 1566.49 表3.1 對(duì)模型的約束及其施加載荷，載荷的大小垂直于工作面，如圖3.2 。約束根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模擬約束，添加固定幾何約束。 圖3.2 3、 算例結(jié)果 （1） 應(yīng)力的分析

15、 圖3.3 由圖3.3的結(jié)果可以看出，應(yīng)力最小2.96374 e+004N/m^2，且最小應(yīng)力出現(xiàn)最下端，由于此處的扭矩最小，古應(yīng)力最小。 最大5.5640e+007 N/m^2 ，最大應(yīng)力出現(xiàn)在最上端，由于最上端離作用點(diǎn)最遠(yuǎn)，扭矩最大，故出現(xiàn)最大應(yīng)力。 由結(jié)果可知，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力，故此能達(dá)到要求。 （2） 位移的分析 圖3.4 此模型可以看作是一個(gè)懸臂梁的受力分析。由圖3.4可以看出，最小位移約0mm，且最小位移出現(xiàn)在

16、最頂端。由于最頂端為固定幾何約束，所以位移此處最小。 最大位移9.272e-002mm，由于此處離約束端最遠(yuǎn)，懸臂梁的長(zhǎng)度最長(zhǎng)，故此處出現(xiàn)最大位移。 由于最大位移為最大時(shí)，在工程實(shí)際問(wèn)題中的可以忽略不計(jì)，因此此模型能夠滿足工程實(shí)際問(wèn)題的需要。 （3） 應(yīng)變的分析 圖3.5 此模型可以看作是一個(gè)懸臂梁的受力分析。由圖3.5可以看出，最小應(yīng)變約3.181e-007mm，且最小位移出現(xiàn)在最頂端。由于最頂端為固定幾何約束，所以位移此處最小。 最大應(yīng)變1.979e-004mm，由于此處離約束端最遠(yuǎn)，懸臂梁的長(zhǎng)度最長(zhǎng)，故此處出現(xiàn)

17、最大位移。 由于最大應(yīng)變?yōu)樽畲螅诠こ虒?shí)際問(wèn)題中的可以忽略不計(jì)，因此此模型能夠滿足工程實(shí)際問(wèn)題的需要。 （4）安全系數(shù)的分析 圖3.6 由圖3.6可知，此零件在該模擬的情況下的安全系數(shù)的情況。最小的安全系數(shù)為3.96，最大系數(shù)為7443.10.但是該零件大部分的單元結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)都在最小值范圍內(nèi)，故該零件的材料大多數(shù)沒(méi)有浪費(fèi)，都能夠發(fā)揮最好的性能。只有極其少數(shù)的一些材料安全系數(shù)過(guò)大，材料過(guò)于浪費(fèi)。 總體上講，該零件的材料沒(méi)有浪費(fèi)，都發(fā)揮到自己的作用。因此，在實(shí)際工程中，滿足

18、經(jīng)濟(jì)性的要求，節(jié)約成本。 4、 結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)洞察的觀測(cè) 圖4.1 對(duì)于所有工程設(shè)計(jì)除了滿足基本的工程性能問(wèn)題外，還要滿足經(jīng)濟(jì)性，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是要節(jié)約成本，在滿足功能的前提下要盡可能的減少成本。 由以上結(jié)果得到的零件，雖然能很好的滿足工程的需要，也符合成本控制的要求，但是不是最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。由圖4.1可知，藍(lán)色部分的材料可以去除，可以節(jié)約材料外，還可以減輕結(jié)構(gòu)的重量，便于搬運(yùn)。此外，能滿足最大限度的減少成本。但是，減少材料的同時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)的需要，不是所有藍(lán)色部分的材料都去除。 三 結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使得我們學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)更加符合現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理念，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，設(shè)計(jì)周期縮短，成本減少，避免材料的浪費(fèi)，為社會(huì)減輕負(fù)擔(dān)。