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14 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
果園深松機(jī)設(shè)計(jì)
說明書
學(xué)生姓名 況宗明
學(xué) 號 8011210233
所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
班 級 14-2
指導(dǎo)老師 萬暢
日 期 2014年6月
塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院制
摘 要
果園深松機(jī)是在翻耕基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種適合于早地的保護(hù)性耕作方法。深松作業(yè)可以打破犁底層，在不翻動土壤的前提下可有效改善土壤的透水、透氣性能。為植物根系提供更大的伸展空間。本文針對普通深松機(jī)械作業(yè)中存在的牽引阻力大、土壤松碎效果差等問題。松土方式主要有擠壓松土和振動松土兩種形式。
我國研制的深松機(jī)采用的深松部件主要有：鑿形鏟深松器、振動鼠道式深松器、彎腿犁型深松器、可調(diào)翼鏟深松器和全方位深松器。這些機(jī)型各具特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中均在使用。但深松所消耗的功率，與深松深度之間的關(guān)系，以及機(jī)組前進(jìn)速度與功率消耗的關(guān)系尚不明確，這給深松機(jī)的動力配套帶來了一定的困難，進(jìn)而影響了深松機(jī)的推廣應(yīng)用。我所研究的深松機(jī)是基于自激振動原理的振動式深松機(jī)。
深松鏟形式為窄鑿型，能最大限度地保護(hù)土壤、減少水分蒸發(fā)。樣機(jī)在30 cm耕深時振動作業(yè)與無振動作業(yè)的牽引阻力對比試驗(yàn)表明，振動深松作業(yè)可有效降低機(jī)具牽引阻力，降阻幅度可達(dá)13％～18％。為植物根系提供更大的伸展空間它不需要年年平翻土地，而是用深松鏟，每間隔35—70cm，做寬6cm、深30cm的條狀松耕，逐年交替進(jìn)行，使耕地的土壤有松有實(shí)，不亂耕層，營造“虛實(shí)并存”的耕層，協(xié)調(diào)土壤的水、肥、氣、熱狀態(tài)，達(dá)到調(diào)節(jié)土壤三相比、改善耕層結(jié)構(gòu)、減輕土壤侵蝕、提高土壤蓄水抗旱能力的目的，進(jìn)而為作物發(fā)育生長創(chuàng)造良好的土壤環(huán)境。深松的特點(diǎn)是：松前土壤較硬，人土難；要求松后地表平整，利于后續(xù)播種作業(yè)。此款深松機(jī)就是綜合以上幾種類型的深松機(jī)的特點(diǎn)，此款深松機(jī)解決了松前土壤較硬，人土難；要求松后地表平整，利于后續(xù)播種作業(yè)的問題。這款深松機(jī)將推動深松作業(yè)機(jī)械在國內(nèi)一股新的浪潮。
關(guān)鍵詞： 鑿刀；彎刀桿；預(yù)壓簧；彈簧拉桿；預(yù)壓桿。
In this paper
Orchards deep loosening machine is developed on the basis of ploughing a conservation tillage methods suitable for early. Can break the plough deep loosening homework, on the premise of not turning the soil can effectively improve the performance of waterproof and breathable on the soil. Provide greater stretch space to plant roots. Based on ordinary deep loosening machinery operation of traction resistance issue such as difference of large, loose soil crushing effect. Digging ways mainly have squeezed and vibration digging dirt in two forms.
In our country developed deep loosening machine adopts the deep loose parts mainly include: a chisel shovel deep loosening device, vibration mole deep loosening device type, curved legs plough deep loosening device, adjustable wings shovel deep loosening and all-round deep loosening device. A characteristic to these models, are in use in actual production. But the power consumed by a deep sigh, and the relationship between the depth of the deep loosening, and the relationship between the unit speed and power consumption is not clear, it brings deep loosening machine power supporting certain difficulties, then influence the deep loose machine popularization and application. I studied deep loosening machine is based on the principle of self-excited vibration of the vibrating deep loose machine.
Deep loosening shovel form for narrow chisel type, which can maximize the protection of soil, reduce moisture to evaporate. Prototype in 30 cm deep tillage vibration assignments and no vibration during operation of the traction resistance contrast test showed that deep loosening operation can effectively reduce the vibration machine traction resistance, the drag reduction rate can reach 13% ~ 18%. Provide greater stretch space for plant roots it doesn't need to flat land, year after year but with deep loosening shovel, 35-70 cm intervals, do 6 cm wide and 30 cm deep strip tillage, alternates year by year, make the farmland soil has loose solid, not disorderly fall, build "nakedness coexist" top layer, coordination of water and fertilizer of soil, air, thermal state, compared to adjust soil three, improving the structure of the top layer, reducing soil erosion, increase soil water storage ability of purpose, then ? in the development of crop.
Key words: chisel; Machetes rod; Preloading spring; The spring rod; Preloading.
目 錄
1課題背景及意義 5
1.1犁底層的危害 5
1.2深松的作用 6
2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 7
3國外發(fā)展現(xiàn)狀 7
3.5直立式鏟柄 9
3.6圓弧形鏟柄 9
4深松鏟結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 9
4.1 現(xiàn)有深松鏟的種類 9
4.1.1鑿形鏟尖 10
4.1.2箭形鏟尖 10
4.1.3雙翼形鏟尖 10
4.2.1深松鏟特點(diǎn) 11
5深松機(jī)結(jié)構(gòu)和原理 11
5.1深松機(jī)結(jié)構(gòu) 11
5.1深松機(jī)原理 12
5.2零件材料明細(xì) 12
表1零件明細(xì)表 13
5.3技術(shù)參數(shù) 13
6軟件介紹 13
6.1 Solidworks軟件簡介 13
6.2 特點(diǎn) 14
6.3 零件建模 14
7基于solidworks的有限元分析 14
7.1土壤參數(shù) 14
7.2鑿刀力學(xué) 14
7.3土壤耕作阻力 14
7.4鑿刀有限元分析 15
7.5彎刀桿有限元分析 17
結(jié) 論 19
參考文獻(xiàn) 20
1課題背景及意義
傳統(tǒng)的耕作方法還會加劇犁底層的形成。犁底層是當(dāng)今世界農(nóng)耕的一大公害，我國旱作土地普遍存在犁底層。犁底層，又稱作“亞表土層”，是位于耕作層底部較為堅(jiān)硬的土層，由耕作時土壤長期受到犁的擠壓、車輪碾壓以及降水時黏粒隨水沉積所致。
犁底層一般距離地表 12~15cm，厚度約為 8~10cm，最厚可達(dá)到 20cm，其結(jié)構(gòu)多半為片狀、層狀或大塊狀結(jié)構(gòu)，其容重較大、總孔隙度較小。
1.1犁底層的危害
1.1.1由于犁底層較為堅(jiān)實(shí)，作物的根系不能下伸穿過犁底層，而只能在犁底層上方的土壤卷曲生長。
由于犁底層的阻隔，雨水不能及時入滲，而形成地表徑流，導(dǎo)致水土嚴(yán)重流失；當(dāng)干旱缺水時，犁底層以下土層中的水分又不能上升，無法提供給作物的生長所需要的水分。
1.1.2犁底層使土壤中氣、熱交換不充分，無法為作物提供充分的氧氣，也不利于土壤中 CO2、CH4、H2S 等有害氣體的排除。
1.1.3犁底層阻礙植物根系的正常新陳代謝和其它生理功能，影響土壤中有益微生物的生存和繁衍，導(dǎo)致土壤肥力下降。
1.1.4為了避免翻耕造成的水土流失，以及加劇犁底層的形成，有必要采取適當(dāng)?shù)纳钏勺鳂I(yè)。深松技術(shù)是隨著少耕、免耕而發(fā)展起來的一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)耕作的技術(shù)，是旱地保護(hù)性耕作體系中的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。
1.2深松的作用
1.2.1可以打破堅(jiān)硬的犁底層，加深耕層，同時又不翻轉(zhuǎn)土壤，保持地表覆蓋，減輕土壤風(fēng)蝕，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高耕作層肥力，提高耕地質(zhì)量。
1.2.2可以使土壤疏松，增加土壤表面粗糙度，有利于雨水的入滲，阻礙雨水的徑流，從而減少土壤水蝕，增強(qiáng)土壤蓄水能力。
1.2.3有利于土壤的氣體交換，促進(jìn)好氧性微生物的活化和礦物質(zhì)分解，因而有利于培肥地力。
可解決傳統(tǒng)翻耕作業(yè)存在的作業(yè)成本高、動力消耗大等問題。
1.2.4改善作物根系生長環(huán)境，有利于農(nóng)作物根系發(fā)展，與傳統(tǒng)耕作方法相比，可以大幅增加作物的產(chǎn)量。
大量研究表明，深松技術(shù)對各種作物均具有不同程度的增產(chǎn)作用，同時使作物的品質(zhì)也相應(yīng)得到了改善。采用振動的方式可以使深松機(jī)具產(chǎn)生一定頻率的振動，使土壤疏松，從而達(dá)到減少阻力的目的，這種振動減阻的方法己被國內(nèi)外眾多研究者所認(rèn)可。另外，基于深松鏟形狀的變化來減少深松阻力的研究也已取得很大的進(jìn)展，特別是目前隨著仿生技術(shù)的發(fā)展，仿生減阻技術(shù)也融入深松機(jī)的設(shè)計(jì)中?，F(xiàn)有的“仿生減阻深松鏟柄”是通過模仿某些土壤動物的爪趾結(jié)構(gòu)形態(tài)，經(jīng)等比例放大設(shè)計(jì)出的一種比傳統(tǒng)深松鏟柄具有減阻效果的曲線結(jié)構(gòu)。其曲線是用與耕深有關(guān)的多項(xiàng)式方程制得的曲線，因此，當(dāng)耕深發(fā)生變化時，對應(yīng)的鏟柄結(jié)構(gòu)參數(shù)將隨之改變，產(chǎn)生一個耕深要求對應(yīng)一個鏟柄現(xiàn)象。另外，由于土壤動物是通過爪趾的刨、鉤、抓等動作將土壤切碎、運(yùn)走，而深松機(jī)具通常是通過深松鏟的移動進(jìn)行作業(yè)，與土壤動物爪趾的運(yùn)動不同。因此，除了模仿爪趾的結(jié)構(gòu)形態(tài)，還要考慮作業(yè)時的姿勢及適應(yīng)的深松深度。本論文研究的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，研究新型結(jié)構(gòu)的耕作阻力小、適應(yīng)深松深度大的通用減阻深松鏟，并與振動式深松技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，探討減少深松阻力的更為有效的方法。本論文研究結(jié)果不僅為新型深松鏟的設(shè)計(jì)及研究提供理論依據(jù)，為振動深松機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供一定的研究基礎(chǔ)，并將豐富深松減阻技術(shù)，也對深松作業(yè)的節(jié)約能耗具有重要意義。
深松技術(shù)在國內(nèi)外已得到了廣泛應(yīng)用，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了一項(xiàng)技術(shù)保障。但是現(xiàn)有的深松機(jī)具大多具有工作阻力大、耗能多等問題，不僅耗費(fèi)大量的燃料、浪費(fèi)動力機(jī)械，而且在一定程度上影響了深松技術(shù)的應(yīng)用。特別是隨著深松深度和機(jī)器前進(jìn)速度的增加機(jī)具牽引阻力顯著增大，因此，如何在保證工作質(zhì)量的前提下減少深松阻力、節(jié)約能源已成為一項(xiàng)重要的研究課題。
深松鏟是深松機(jī)具上實(shí)現(xiàn)疏松土壤，打破犁底層，不翻轉(zhuǎn)土壤的保護(hù)性耕作機(jī)具，主要由深松鏟柄和鏟尖組成，由于深松鏟的切土、破碎和松動土壤的過程是同時進(jìn)行的，其結(jié)構(gòu)形狀對深松機(jī)具的土壤耕作阻力影響很大。深松鏟尖是深松鏟重要組成部分，現(xiàn)有的深松鏟尖主要有鑿形、箭形和雙翼形，鏟尖結(jié)構(gòu)對入土性能、松土范圍和耕作阻力也具有較大的影響。特別是用深松鏟進(jìn)行深松作業(yè)時鏟尖處的土壤堅(jiān)實(shí)度較高，耕作阻力也較大。
研究人員針對深松鏟的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作業(yè)條件，開發(fā)了多種脫附減阻的經(jīng)典方法，如改善粘附界面的充液、充氣和加熱法、電滲法、表面改形與改性法等。這些方法對觸土部件的脫附減阻具有較好的效果，但仍滿足不了工程實(shí)際的需求。國內(nèi)外對于將振動技術(shù)用于耕作機(jī)械上已進(jìn)行了很多嘗試，對振動式深松機(jī)也進(jìn)行了一定的研究。
2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
當(dāng)前,在生產(chǎn)中所應(yīng)用的深松方法主要有:間隔深松,壟溝深松,全面深松等。深松作業(yè)機(jī)具的深松鏟按結(jié)構(gòu)原理的不同則主要可分為:1、鑿型2、箭型3、雙翼型。
國內(nèi)研究的實(shí)用于保護(hù)性耕作的深松機(jī)主要有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制生產(chǎn)的ISQ-250型的全方位深松機(jī),其技術(shù)規(guī)格如下:配套動力為東方紅75型拖拉機(jī),懸掛方式為三點(diǎn)懸掛式,深松部件的數(shù)目為兩組,深松深度從40至50cm,工作寬幅為1.44cm,松土系數(shù)為0.63至0.77,早在九十年代由隸屬于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的旱地保護(hù)性耕作課題組就設(shè)計(jì)出了可調(diào)翼式深松機(jī)。該類型的深松機(jī)由三個可調(diào)翼式深松鏟組成,該深松機(jī)采用的是雙梁結(jié)構(gòu),雙梁結(jié)構(gòu)的采用就是用以增大相鄰兩個鏟柄之間的距離和提高秸稈的通過性能?？烧{(diào)翼式深松伊鏟的結(jié)構(gòu)是由一個深松鏟柄和2個可調(diào)翼組成,兩個翼與鏟相互對應(yīng)地安裝在深松鏟柄的兩側(cè),并且需要保證兩個翼伊的鏟尖橫向距離為六十公分。安裝翼鏟后為了方便調(diào)節(jié)翼鏟,可以把深松鏟的鏟柄部分設(shè)計(jì)為豎直并且?guī)в袛?shù)個相等間距安裝孔的立柱,并且在設(shè)計(jì)時將鏟翼的入土角設(shè)計(jì)為170,這樣是為了確保深松鏟在入土后,翼鏟部分仍然具有相當(dāng)?shù)娜胪邻厔?其結(jié)構(gòu)見圖還有IZSS-400-3(5)型振動松鼠道犁,振動深松部機(jī)的主要部件為振動柱和主鏟柱,振動時,靠近鏟的部分的振動柱前行開刃,下連鑿頭,利用四桿機(jī)構(gòu)與主鏟相連,其松土的深度可達(dá)50至60cm。
深松鏟是深松機(jī)械的重要工作部件,深松鏟的作用簡言之為上方翻耕,下方松土。它的作用是對耕作層以下5至15cm的較為堅(jiān)硬的土壤進(jìn)行疏松,而不擾動上層土壤。深松鏟在配置時應(yīng)注意其橫向配置及縱向配置。
橫向配置:當(dāng)深松作業(yè)為全面深松時,深松鏟柄的橫向間距理應(yīng)保持在松土的范圍內(nèi)相互銜接,必要時須有一定的重復(fù);當(dāng)深松作業(yè)為行間深松時,應(yīng)以不傷苗根為限度進(jìn)行松土。深松鏟在工作狀態(tài)時對土壤的作用范圍直接與深松鏟的鏟柱有關(guān),,產(chǎn)柱越寬深松鏟的松土范圍就越大,反之越小。但當(dāng)深松鏟的耕深較大時,鏟柱寬度對土壤松土范圍的影響則不顯著。
3國外發(fā)展現(xiàn)狀
3.1在加拿大，Harrison設(shè)計(jì)了一種彎折450角的彎腿犁,見圖1,彎折部分具有150的起土角,利用起土角取代鑿形齒進(jìn)行碎土并提高機(jī)具的入土性能。這種彎腿犁的牽引能耗與傳統(tǒng)的豎直式心土犁相似, 但其松土碎土的效果更好,在間距相等的情況下。若保持相同的作業(yè)效果,則彎腿犁的間距可以增大,即在同樣的條件下,其耕幅可以提高,因此彎腿犁具有更高的能源利用率。若在同一機(jī)具上采用左右向彎腿犁配置,則可以消除由于彎折部分所引起的側(cè)向力。
圖1彎腿梨的形狀及尺寸
3.2在日本，Sakai等人設(shè)計(jì)了與中型拖拉機(jī)(30~45 kW)配套的四鏵振動深松機(jī)(vibrating subsoiler)并對其進(jìn)行了試驗(yàn)(1993),確定了最佳參數(shù)。當(dāng)齒尖的振幅為50 mm,振動頻率為314 Hz,振動角為300時,其牽引力比剛性深松機(jī)減少40%，而總功率僅增加2%左右。其結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 振動深松機(jī)的結(jié)構(gòu)見圖
1、 減速箱 2、鏈傳動 3、被動工作部件 4、主動工作部件
3.3為了提高拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)功率的利用率,美國的Shiners等人設(shè)計(jì)了一種主被動聯(lián)合耕作機(jī)具(combining active and passive tillage elements),。這種機(jī)具由主被動聯(lián)合耕作機(jī)的減速箱鏈傳動連桿鑿形齒鑿鏟式被動工作部件和兩個旋轉(zhuǎn)式主動工作部件組成。旋轉(zhuǎn)耕作部件是由動力輸出軸通過錐齒輪減速器和鏈傳動驅(qū)動的,正向旋轉(zhuǎn),因此它的牽引阻力為負(fù)值,即它本身對機(jī)具產(chǎn)生一個驅(qū)動力。這樣整個機(jī)組的總牽引阻力大大減少。與僅安裝有4個被動工作部件的機(jī)具相比,主被動聯(lián)合耕作機(jī)具的總功率下降31.8%,但其牽引阻力則下降了87%,拖拉機(jī)的打滑率下降了57%,發(fā)動機(jī)功率利用率提高了34%。事實(shí)上，該機(jī)還不能算為深松機(jī),因?yàn)樵囼?yàn)耕深只達(dá)到23cm， 30cm以上試驗(yàn)耕深還未見報道。從理論上講，通過改變耕深、吃刀量、主被動工作部件的配置及間距等，可以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)零牽引阻力耕作，這些都有待于進(jìn)一步地深入研究。
3.4美國對深松技術(shù)的研究己經(jīng)相當(dāng)完善,這都是源于美國是最先倡導(dǎo)保護(hù)性耕作技術(shù)的國家[5]。早在1943年,美國俄亥俄州的農(nóng)民進(jìn)行了對傳統(tǒng)耕作的改良實(shí)踐,方法是只用圓盤進(jìn)行土表的耕作,來代替原有的犁翻耕。此舉有效的減少了水土的流失。從此保護(hù)性耕作的方法與技術(shù)的研究在全世界范圍內(nèi)積極地開展。目前，在美國和西歐等國家，深松機(jī)具已經(jīng)形成系列主要有主被動聯(lián)合耕作機(jī)，振動深松機(jī)和彎腿。其松土方式主要有擠壓式和振動式兩種形式。
3.4.1兩個鑿刀式被動工作部件和兩個旋轉(zhuǎn)式主動工作部件組成的主被動聯(lián)合耕作機(jī)。旋轉(zhuǎn)耕作部件的動力輸出是通過齒輪減速器和鏈傳動驅(qū)動的。
3.4.2振動深松機(jī)則是配套的四禪振動(Vibrating subsoiler)。
3.4.3彎腿犁是由加拿大人Harrison設(shè)計(jì)的,彎折450的彎腿犁,彎折部分具有150的起土角,該起土角能取代鑿形齒進(jìn)行碎土。
3.4.4在美國的西南部土壤壓實(shí)的現(xiàn)象較為普遍并且限制著土壤工具的發(fā)展,經(jīng)常使農(nóng)作物遭受干旱。此時線性深松法就成為符合海岸平原地理特征的行之有效的耕作方法(Campbell et al.,1974; Box and Langdale, 1984; Raper et al., 1994; Raper et al., 1998;Busscher and Bauer, 2003; Raper, 2005; Raper and Bergtold, 2007 )。然而大量的粘黏性土壤在耕作的過程屮會粘附在深松鏟鏟柄部分,促使深松鏟進(jìn)入壟溝,線性方法可以打破這種土壤粘連的現(xiàn)象。處于表層土壤下層的耕作土壤其粘連的性質(zhì)與圓錐指數(shù)。
深松鏟的種類很多，一般由鏟柄和鏟尖所構(gòu)成。現(xiàn)有深松鏟的鏟柄主要有直立式和圓弧形鏟柄兩種。
3.5直立式鏟柄
直立式鏟柄的制作工藝較為簡單，安裝方便，而且其易于受力平衡，可減小偏牽引力，使工作更穩(wěn)定，但鏟柄的工作阻力較大且容易掛草，其結(jié)構(gòu)如圖 3所示。作阻力過大、耗費(fèi)大量能源，影響深松效果，而且現(xiàn)有深松鏟的適應(yīng)范圍較小，不能滿足在不同耕深的深松要求。為此，很多研究者針對深松鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。早在60年代，已經(jīng)有研究者對比了直線形耕作部件和彎曲形耕作部件的工作阻力，結(jié)果表明，彎曲形耕作部件的水平方向工作阻力比直線形耕作部件要低 7%~20%。
3.6圓弧形鏟柄
圓弧形鏟柄的工作曲面為圓弧形，中間部分接近于直線，這種圓弧形結(jié)構(gòu)使其具有較好的切土能力，而且不易掛草，深松效果較好，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。圓弧形鏟柄按重量分可分為輕型和中型兩種。
圖3 直立式鏟柄示意圖 圖4 圓弧式鏟柄示意圖
4 深松鏟結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀
4.1 現(xiàn)有深松鏟的種類
深松鏟的種類很多，一般由鏟柄和鏟尖所構(gòu)成?，F(xiàn)有深松鏟的鏟柄主要有直立式和圓弧形鏟柄兩種，鏟尖主要有鑿形鏟、箭形鏟和雙翼形鏟。
4.1.1鑿形鏟尖
鑿形鏟尖可適用于全面深松和行間深松，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。鑿形鏟尖深松鏟具有結(jié)構(gòu)簡單、工作阻力小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但深松效果不佳。
圖5 鑿形鏟尖示意圖
4.1.2箭形鏟尖
箭形鏟尖的外形為無鏟翼的箭頭形，寬度大于鑿形鏟尖，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。箭形鏟尖易于切斷草根，有利于疏松表土，工作阻力小，深松效果好，而且強(qiáng)度較高。但箭形鏟尖的制造工藝較為復(fù)雜，用料也比鑿形鏟尖多。
圖6箭形鏟尖示意圖
4.1.3雙翼形鏟尖
雙翼形鏟尖的結(jié)構(gòu)如圖7所示。雙翼形鏟尖的寬度較大，松土范圍也較大，而且切土能力強(qiáng)，但雙翼形鏟尖的工作阻力較大，制造鏟尖所要求的強(qiáng)度也較高。
圖7 雙翼形鏟尖示意圖
通過研究論文了解到，深松作業(yè)可大幅度提高作物產(chǎn)量，特別是深根系作物的產(chǎn)量。但是，目前深松機(jī)械作業(yè)普遍存在牽引阻力大、土壤松碎效果差等問題。針對這些問題結(jié)合，對振動式深松鏟式和可調(diào)翼深松鏟兩種深松器的結(jié)構(gòu)和動力匹配關(guān)系的研究，再進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而為提高整機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性提供依據(jù)。本文將以振動式深松機(jī)為題進(jìn)行深入研究。
目前我國深松機(jī)總體水平較發(fā)達(dá)國家要低，因此市場競爭力不強(qiáng)。
4.2.1深松鏟特點(diǎn)
由于深松鏟在深松作業(yè)時所受阻力較大，因而容易產(chǎn)生變形。
1 刀鏟入土?xí)r，入土阻力變化時會造成深松深度不一致，容易引起機(jī)架管梁傾斜、偏牽引等。
2 深松鏟耕深較大，而且所受阻力按非線性增大，因而容易磨損。
3 深松鏟耕深較大，而且所受阻力按非線性增大，因而容易磨損。
4 結(jié)構(gòu)不合理，部分參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，嚴(yán)重影響工作性能；同時一些參數(shù)之間以及與結(jié)構(gòu)形狀配合不當(dāng)，引起牽引力增加、深松效果不佳。
5 目前深松鏟不能滿足不同土壤及不同條件下對深松鏟的不同要求。
6 目前深松鏟的使用壽命較短，使用材料不合理等。
通過對相關(guān)的學(xué)術(shù)論文研究比較，針對本土的土壤實(shí)際情況（土壤沙化比較嚴(yán)重，土壤以板結(jié)，板結(jié)土塊易碎的特點(diǎn)）本設(shè)計(jì)選用了以鑿刀和彎刀柄為主要工作部件；利用鑿刀采用的50Mn鋼材結(jié)構(gòu)簡單、工作阻力小、碎土效果好、強(qiáng)度高、耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)；并且鑿刀采用了雙刀尖結(jié)構(gòu)，若一端磨損，可以換用另一端繼續(xù)工作，提高了使用效率，增加鑿刀的使用壽命；其次是采用的彎刀柄是采用的65Mn鋼，這種材料具有韌性好，抗屈服能力強(qiáng)等特點(diǎn)，恰好可以為松土產(chǎn)生自激振動的動力，這也是本設(shè)計(jì)的一個優(yōu)點(diǎn)，沒有外加振動源，減少了能量的損耗，能量得到了充分的利用，提高了工作效率。
5深松機(jī)結(jié)構(gòu)和原理
5.1深松機(jī)結(jié)構(gòu)
圖8 深松機(jī)三維圖
1、 限深輪 2、限深連接件 3、限深支架 4、彎刀桿卡板 5、彎刀桿 6、槽形連接板 7、預(yù)壓簧
8、 彈簧蓋 9、預(yù)壓連接件 10、預(yù)壓桿 11、斜拉桿 12、主斜梁 13、附懸架 14、v形連接板
15、 槽形板 16、附斜梁 17、主梁 18、彎刀柄銷 19、彎刀桿 20、鑿刀 21、限深橫梁
5.1深松機(jī)原理
本機(jī)械通過拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛，帶動鑿刀松土，通過分散的七把鑿刀把堅(jiān)硬的泥土碎化，其中彎刀桿是采用具有韌性和強(qiáng)度都比較高的65Mn鋼，彎刀柄會在外界泥土的阻力和預(yù)壓簧的相互作用下，以彎刀卡銷為軸做微量擺幅振動，以此來增加碎土的效果。當(dāng)深松機(jī)的工作部件為非振動普通深松鏟時，工作部件的切土、破碎和抬升土壤的過程是同時進(jìn)行的。在工作部件切削力的作用下，土壤沿剪切面周期性斷裂，并被部件提升。當(dāng)深松機(jī)工作部件改為振動部件時。切土、破碎和抬升土壤的過程被分為不同的階段。由于振動作用，使工作部件上產(chǎn)生較有利的切削條件及對土壤破碎有利的受力狀態(tài)，其中部分阻力由振動部件的振動作用所承擔(dān)，降低了牽引阻力。當(dāng)工作部件刃口切開土壤后，由于垂直加速度的作用，使部件上方的土壤向上做加速運(yùn)動，使土壤從部件上浮起。這時作用于部件上的力幾乎與運(yùn)動方向垂直，所產(chǎn)生的牽引阻力合力很小。振動碎土有利于減少坷垃形成，便于播種；邊深松邊振動，容易形成垂直方向上實(shí)下虛與水平方向虛實(shí)間隔相結(jié)合的虛實(shí)并存格局，土壤膨松度增加更有利于增肥地力、蓄水保墑、促進(jìn)作物根系生長；同等深松效果，振動深松對地表土層翻動少，對土壤持續(xù)實(shí)施沖擊切割，功率消耗明顯降低；能夠從根本上解決地表秸稈、柴草對深松作業(yè)的影響，更適合在保護(hù)性耕作中運(yùn)用。
本設(shè)計(jì)針對本土的土壤實(shí)際情況（土壤沙化比較嚴(yán)重，土壤以板結(jié)，板結(jié)土塊易碎的特點(diǎn)）本設(shè)計(jì)選用了以鑿刀和彎刀柄為主要工作部件；利用鑿刀采用的50Mn鋼材結(jié)構(gòu)簡單、工作阻力小、碎土效果好、強(qiáng)度高、耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)。其次是采用的彎刀柄是采用的65Mn鋼，這種材料具有韌性好，抗屈服能力強(qiáng)等特點(diǎn)，恰好可以為松土產(chǎn)生自激振動的動力，這也是本設(shè)計(jì)的一個優(yōu)點(diǎn)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便，沒有外加振動源，減少了能量的損耗，能量得到了充分的利用，還有就是鑿刀分散布置，提高了土塊碎化工作效率。
5.2零件材料明細(xì)
表1零件明細(xì)表
序號
名稱
數(shù)量
材料
備注
1
限深輪
2
灰鑄鐵HT200
GB/T9439-1998
2
限深支撐
2
45#鋼
GB/T699-1999
3
限深連接件
2
45#鋼
GB/T699-1999
4
限深橫梁
2
45#鋼
GB/T699-1999
5
主梁
2
45#鋼
GB/T699-1999
6
預(yù)壓桿
7
45#鋼
GB/T699-1999
7
預(yù)壓簧
7
65Mn鋼
GB/T 2089-1994
8
預(yù)壓連接件
7
45#鋼
GB/T699-1999
9
斜拉梁連接螺栓M16
1
1006
GB /T5781-2000 M16X108 4.8
10
斜拉梁連接螺母M16
1
1006
GB /T5781-2000 M16X108 4.8
11
平墊圈M16
1
Q235A
GB/T 848-2002
12
彈簧墊圈M16
1
65#鋼
GB/T 2089-1994
13
主斜架
2
45#鋼
GB/T699-1999
14
附斜架
2
45#鋼
GB/T699-1999
15
斜拉桿
14
45#鋼
GB/T699-1999
16
槽形板
4
45#鋼
GB/T699-1999
17
槽型連接板
7
45#鋼
GB/T699-1999
18
彎刀桿
7
65Mn鋼
GB/T 2089-1994
19
副懸架
2
45#鋼
GB/T699-1999
20
V形連接板
11
45#鋼
GB/T699-1999
21
鑿刀
7
50Mn
GB/T5680-2010
22
彎刀桿卡銷
7
45#鋼
GB/T699-1999
23
彎刀桿卡板
7
45#鋼
GB/T699-1999
24
M12通用螺栓
77
1006
GB /T5781-2000 M16X108 4.8
25
M12螺母
77
1006
GB /T5781-2000 M16X108 4.8
26
M12平墊圈
77
Q235A
GB/T 848-2002
27
M12彈簧墊圈
77
65#鋼
GB/T 2089-1994
5.3技術(shù)參數(shù)
外形寬度:200cm
作業(yè)寬度：180cm
鑿刀個數(shù)： 7
作業(yè)深度：20-25cm
刀體寬度：6cm
整機(jī)重量：150kg
要求配置動力：50/70HP
預(yù)壓簧壓力:20N/cm2
6軟件介紹
6.1 Solidworks軟件簡介
SolidWorks公司成立于1993年，SolidWorks為達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負(fù)責(zé)研發(fā)與銷售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。達(dá)索公司是負(fù)責(zé)系統(tǒng)性的軟件供應(yīng)，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務(wù)。該集團(tuán)提供涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達(dá)索的CAD產(chǎn)品市場占有率居世界前列。
Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。 Solidworks 功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks 的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計(jì)者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。
6.2 特點(diǎn)
對于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用SolidWorks 來搞設(shè)計(jì)了。SolidWorks獨(dú)有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計(jì)。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks ，用戶能在比較短的時間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場。
在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設(shè)計(jì)過程比較簡便而方便的軟件之一。美國著名咨詢公司Daratech所評論：“在基于Windows平臺的三維CAD軟件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市場快速增長的領(lǐng)導(dǎo)者。”
在強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作（包括Windows風(fēng)格的拖/放、點(diǎn)/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用SolidWorks ，整個產(chǎn)品設(shè)計(jì)是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間的是全相關(guān)的。
6.3 零件建模
SolidWorks 提供了無與倫比的、基于特征的實(shí)體建模功能。通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁 特征、高級抽殼、特征陣列以及打孔等操作來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。通過對特征和草圖的動態(tài)修改，用拖拽的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時的設(shè)計(jì)修改。三維草圖功能為掃描、放樣生成三維草圖路徑，或?yàn)楣艿?、電纜、線和管線生成路徑。
7基于solidworks的有限元分析
7.1土壤參數(shù)
碎土率：76.1% 深松前后土壤堅(jiān)實(shí)度743.04KPa 246.6KPa
土壤蓬松度14.3% 270C 抗剪強(qiáng)度10.12KPa
硅質(zhì)純沙土 3.8磅/平方英尺=18.38Kg/m2 砂土粒級0.25--0.05
容重 = 1.460 g/cm2
質(zhì)量 = 47567.032 g=47.567Kg
體積 = 32580.159 cm3
表面積 = 8954.336 cm2 撕裂面面積:3690cm2
7.2鑿刀力學(xué)
刀體傾角：300 刀寬：60mm
S=PtgΦ+C 公式【1】
經(jīng)過查表得知:
Φ=300
因?yàn)橥寥勒承暂^低 C=0
S=466.1566tg300=269.127N
總阻力1890N 拖拉機(jī)選用50Hp 工作速度：30Km/h=8.33m/s
生產(chǎn)率54hm2/h
7.3土壤耕作阻力
土壤的位移阻力用抗剪強(qiáng)度表示
抗剪強(qiáng)度：一定壓力下，土壤剪應(yīng)力的大小。
垂直載荷與土壤剪應(yīng)力關(guān)系
計(jì)算公式：S=Ptg?+C
S--------土壤剪應(yīng)力 P------垂直載荷
tg?------內(nèi)摩擦系數(shù) ?------內(nèi)摩擦角
C--------土壤粘結(jié)力
砂土?為22~370 C為0 粘土?7~220 C較大
在塑性范圍內(nèi)耕作，在壓力和剪力作用下，土壤出現(xiàn)粘閉現(xiàn)象，孔隙度減小，孔徑變小，無效孔隙增大。
7.4鑿刀有限元分析
由于solidworks是材質(zhì)庫采用的美國牌號，而且好多需要的材料都沒有，于是就任意選了一個材料。
有限元分析說明：鑿刀采用螺栓固定，以垂直于刀刃表面加3000N。
圖9 靜態(tài)受力分析
圖9顯示應(yīng)力分析： 屈服力：7.1x108 N/m2 可見工作阻力沒有超過屈服力
第一顆M12通用螺栓的螺栓孔處存在應(yīng)力集中，刀具可以正常工作。
圖10靜態(tài)位移分析
圖10顯示最大位移在鑿刀刀尖處。
圖11靜態(tài)應(yīng)變分析
圖11顯示最大應(yīng)變發(fā)生在第一顆M12通用螺栓的螺栓孔處，靜態(tài)加載后，變形量符合設(shè)計(jì)要求。
7.5彎刀桿有限元分析
有限元分析說明：彎刀桿與鑿刀采用螺栓固定，以垂直于刀刃表面加力270N，所以彎刀桿也受力270N。
圖12 彎刀桿的靜態(tài)應(yīng)力分析
圖12可以看出刀桿的屈服力為4.6x108 N/m2，整個零件沒有超過屈服極限，但是應(yīng)力主要集中彎刀卡銷作用處，此處是零件應(yīng)該加固的。
圖13彎刀桿的靜態(tài)位移
圖13可以看出靜態(tài)位移發(fā)生在彎刀桿末端到第二顆螺栓孔處。
圖14彎刀桿靜態(tài)應(yīng)變
由此圖可以看出彎刀桿末端變形最大，但是沒有超過屈服極限，但是在彎刀卡銷的地方應(yīng)變最大。
圖15
此圖為超載加力，所加力為50000N，其中紅色部分已經(jīng)完全超過了屈服極限。
結(jié) 論
論文以深松機(jī)關(guān)鍵部件深松鏟鏟頭、鏟柱和連接裝置為研究對象，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，將經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、三維造型與有限元方法有機(jī)結(jié)合。在進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)、動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，通過三維實(shí)體建模、有限元仿真分析，找出問題的所在，改進(jìn)設(shè)計(jì)，得出了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，最終直接導(dǎo)出指導(dǎo)生產(chǎn)的工程圖。本文主要結(jié)論如下：
（1）運(yùn)用solidworks軟件完成了三維實(shí)體造型，并且得到了深松鏟鏟頭、彎刀桿以及連
接裝置的三維實(shí)體模型；
（2）利用solidworks自帶工程制圖功能件三維模型轉(zhuǎn)換為二維工程圖，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)注，然后再有AutoCAD對圖紙進(jìn)行最終處理。
（3）利用solidworks自帶的simulation模塊對深松鏟鏟頭和彎刀桿的靜力學(xué)受力情況，得到彎刀桿的最大屈服力值為8.8x107 N/M2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用屈服力值為4.6x108 N/M2；鑿刀的最大屈服力值3.2x107 N/M2，得到彎刀桿的最大屈服力值為7.1x108 N/M2，僅相當(dāng)于許用應(yīng)力的10%，早到以及彎刀桿都是設(shè)計(jì)符合要求；
（4）結(jié)合深松鏟鏟柱在實(shí)際使用過程中發(fā)生斷裂現(xiàn)象的情況，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過改變固定孔個數(shù)
（5）試圖采用卡槽固定方式解決應(yīng)力集中問題。經(jīng)過有限元仿真分析，得出卡槽固定方式確實(shí)可以解決在最下端固定孔處的應(yīng)力集中問題，但是卡槽固定方式并不能解決在沖擊載荷出現(xiàn)的條件下，深松鏟鏟柱斷裂的問題。進(jìn)而提出了夾持固定加剪斷螺栓的固定方式，該種方式可以有效的避免深松鏟鏟柱的損壞；
（6）三維建模軟件直接導(dǎo)出工程圖。
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