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内容简介：: 沈阳化工大学科亚学院本科毕业论文题目：马铃薯挖掘机挖掘铲优化设计专业：机械设计制造及其自动化班级： 1002 班学生姓名：范婷指导教师：侯志敏论文提交日期：年月日论文答辩日期：年月日沈阳化工大学科亚学院 2010届本科毕业生毕业论文（设计）开题任务书论文（设计）题目马铃薯挖掘机挖掘铲优化设计姓名范婷专业班级机制 1002 班学号 310202319 课题的目的与要求：毕业论文是学生在校期间十分重要的综合性实践教学环节，是学生全面运用所学基础理论、专业知识和技能，对实际问题进行研究或设计的综合性训练。旨在检验学生独立工作能力、分析和解决问题的能力、创新能力和科学精神，为学生毕业后走向工作岗位做好准备。具体要求包括：（ 1）培养学生对资料、信息的获取及分析的能力，本专业外文的阅读和翻译能力；（ 2）综合运用所学知识和技能解决实际问题的能力；（ 3）较好地掌握本门学科的基础理论和基本技能及进行方案论证的能力；（ 4）培养学生的创新意识和创新精神。论文的主要内容（或设计的技术要求与数据）：对马铃薯挖掘机挖掘铲力学及运动学进行分折并得出最佳参数，最终完成 4马铃薯收获机挖掘铲的设计，包括固定式挖掘铲结构优化设计，挖掘铲的铲长、角度关系等研究。（二维三维查阅参考文献、资料要求： 1 、期刊作者题名 J刊名，出版年，卷 (期 )起止页码 2、专著作者书名版本 (第一版不著录 )出版地出版者，出版年起止页码 3、论文集作者题名 C编者论文集名，出版地出版者，出版年起止页码 4 、学位论文作者题名 D保存地点保存单位年份 5 、专利文献题名 P国别专利文献种类专利号出版日期进度计划：（ 5 周：下达毕业设计任务书，毕业设计（论文）开始运行（ 6 9 周：文献检索、收集资料，完成开题报告；（ 10 周：中期检查。学院自查，对达不到设计要求的及时整改；毕业设计（论文）完成的进度与质量过程检查。（ 11 周：毕业设计（论文）修改（ 12 周：后期检查。论文修改定稿，毕业论文答辩资格审查。（前）第 12 13 周：论文评阅。（ 13 14 周：毕业论文答辩。论文 (设计 )工作起止日期：务下达人（签字）：年月日任务接受人（签字）：年月日年月日注：导教师和接受任务的学生均应签字。式两份。一份学生保存，一份以班级为单位上交教务处存档， 12 月 28 日前截止。摘要马铃薯是我国主要经济作物之一 ,也是一种重要化工原料 ,在我国各地均有栽植 ,面积居世界第二 ,产量居世界之首 ,一年四季都有收获。随着农业产业结构的调整和产业道路的实施 ,马铃薯种植面积稳中有增。马铃薯收获作业劳动量大 ,耗时费工 ,实现机械收获是其必然方向。我国马铃薯收获机械发展较慢， 20 世纪 60 年代初，研制工作才逐步发展起来。最初，设计人员在研学国外机具基础上，研制并生产了为中型拖拉机配套的 4铃薯挖掘机。随着农业生产体制的改变，农民大量购买小型拖拉机，迫切要求为其配套马铃薯挖掘机，以确保马铃薯丰产丰收，据此研制了 4掘铲是挖掘机的主要部件，而挖掘铲的参数的选择是马铃薯挖掘机的设计基础。本文对马铃薯挖掘机挖掘铲力学及运动学进行分折并得出最佳参数，最终完成 4马铃薯收获机挖掘铲的设计，括挖掘的铲长、角度关系等研究。主要针对其设计、强度校核和限元分析等进行研究。限元分析对于研究农业机器零部件的应力应变和强度校核等不仅高效精确，还可以分析出在温度、震动、载荷等实际条件下机械结构的变形和临界值等。将此机架用模，导入行应力强度校核和分析，通过已知既定条件设置一定的材料性能属性，对其进行网格划分后，选择适当的边界条件，通过求解后得挖掘铲性能等是否满足要求。关键词：马铃薯收获机；挖掘铲；结构设计 of is an an of of in of in is is in 960 of 0th on of a of a to 4of of of on to is to so on at so on so on in so on so to on on so on 目录第一章前言 . 1 究的目的意义 . 1 内外研究开发及发展趋势 . 2 外 . 2 内 . 2 第二章挖掘铲的构造和作业工艺过程 . 4 掘铲的设计要求 . 4 构特点 . 4 掘铲的功能及常见形式 . 5 掘铲的性能分析 . 6 第三章阶梯式挖掘铲的设计 . 7 掘产的设计原则 . 7 梯状挖掘产的设计依据 . 7 梯状挖掘铲的组成及工作原理 . 8 梯状挖掘产的组成 . 8 梯状挖掘产的工作原理 . 8 掘铲主要参数的确定 . 9 掘铲铲长的确定 . 9 刃斜角 . 铲面倾角 . 铲的宽度 B . 根据参数绘制三维模型 .第四章挖掘铲有限元分析 .限元法在农业机械中的应用 .限元分析模块概述 .掘铲有限元分析 . 建立挖掘铲的有限元模型并施加约束 . 有限元网格划分 . 有限元网格划分施加载荷并求解 . 求解及分析 .论 .考文献 .谢 .阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章前言 1 第一章前言究的目的意义马铃薯是我国第五位的主要粮食作物，产量居世界第一位，占世界总产量的 20%，种植面积是 8000 多万亩，占世界的 25%。黑龙江省马铃薯种植面积超过 53 万公顷。虽然马铃薯在世界各国种植普遍，但收获机械化发展较晚，只是近 30 年来才发展到较高水平。原苏联 1913 年开始使用简易挖掘犁， 1940 年生产专用挖掘犁， 20 世纪50 年代开始生产并使用收获机， 1976 1980 年间投产应用 16 种马铃薯收获机，到1985 年已全部实现马铃薯收获机械化，其中联合收获占 60%。美国从 1935 年开始普遍使用挖掘机， 1948 年开始使用联合收获机， 20世纪 60年代初，马铃薯机械化程度达 85%，其中联合收获占 50%， 80年代初美国实现了马铃薯收获机械化。我国马铃薯收获机械发展较慢， 20 世纪 60 年代初，研制工作才逐步发展起来。最初，设计人员在研究国外机具基础上，研制并生产了为中型拖拉机配套的 4铃薯收获机。随着农业生产体制的改变，农民大量购买小型拖拉机，迫切要求为其配套马铃薯挖掘机，以确保马铃薯丰产丰收，据此研制了 4马铃薯挖掘机。挖掘铲是收获机的主要部件，而挖掘铲的参数的选择是马铃薯挖掘机的设计基础。图 1 常见的马铃薯收获机沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章前言 2 内外研究开发及发展趋势外研究状况 20 世纪初，欧美、前苏联、亚洲国家逐步开始出现蓄力牵引挖掘机来代替手锄挖掘薯块、随后改由拖拉机牵引或悬挂。在以后的几十年当中，不同结构形式的马铃薯收获机不断出现，如荷兰的四行马铃薯联合收获机，前苏联的、大利产的儿年韩国、日本也生产了一些小型马铃薯收获机，如韩国高山机械公司生产的小型单行和双行土豆、地瓜挖掘机械。随着收获机的出现 ,相关的部件研究理论也在不断出现 ,目前 ,虽然国外的大部分机型己投入批量生产 ,被应用于农业生产当中 ,但关于挖掘部件的研究还仅限于初步试验阶段 ,对挖掘铲的研究是从楔形土壤耕作部件开始的 ,八十年代初 ,美国的结出了楔形部件耕作作用的四个性能方程；波兰农机专家阿迈利切夫利用能量守恒定律来计算双行升运挖掘机上挖掘铲的容许长度；卡那握依司基和玛采普尔研究了不同土壤条件下挖掘垄沟的比阻系数值；而施莱辛格对圆盘式挖掘铲的工作阻力进行了相关研究，没有能把研究手段扩展到计算机方面，现有的理论得不到足够的证实。另一方面，国外的自然条件、马铃薯品种、种植、农艺各方面与我国相差很大，相关的研究理论在我国不尽适用，因此，我们必须研究适于我国国情的马铃薯挖掘铲参数设计和性能分析理论。内研究状况马铃薯收获机械在中国起步较晚， 20 世纪初，小面积地块以手工挖掘，大面积收获使用蓄力挖掘犁，然后人工捡拾。近些年来，我国出现了不同形式的马铃薯河北农业大学硕士学位论文收获机，如河北围场、黑龙江齐齐哈、内蒙古等地的农机厂和科研院等地设计的机型，但是关于机具主要工作部件挖掘铲没有经过试验检验或精确的理论分析和计算，相关研究理论比较欠缺，部件性能对整机性能起决定作用，因此，对于马铃薯收获，精确研究挖掘机理、做适度参数优化和性能分析对进一步研制适合沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第一章前言 3 我国国情的收获机具有十分重要的意义。随着计算机技术的发展，计算机在各个领域中应用越来越广泛，它的发展推动了许多科技领域的发展，其中包括 :优化设计、自动控制、计算机辅助设计和制造等方面。其中一些重要技术也移植到农机行业，但是有关农机计算机辅助分析在农机专业方面应用尚处于起步阶段 ,我国自然条件差异人，马铃薯收获过程出现了许多问题，例如机具阻力偏大，拖拉机有“拉沉”打滑现象；有的出现壅土阻塞；马铃薯损伤较重尤其是薯皮蹭破损伤。以上问题集中在收获机的挖掘部件，挖掘铲性能的好坏直接影响整机的作业效果。类似经济作物如花生、甜菜、大蒜等收获机械有类似问题存在。我们必须从中国农业实际发展需要出发 ,在借鉴国外农业机械化发展经验的基础上，引进新的技术手段和方法，加快技术创新，为我国的马铃薯收获机械化与现代化提供更多更好的产品新技术 ,并不断缩小与发达国家的差距 ,才能早日实现马铃薯机械化收获 ,加速发展马铃薯产业。本课题通过力学分析，模分析完成对马铃薯挖掘机挖掘铲参数的优化设计。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章挖掘铲的构造和作业工艺过程 4 第二章挖掘铲的构造和作业工艺过程掘铲的设计要求挖掘铲的任务是以带最少的泥土量挖掘薯垄，捡拾块茎，并尽可能使土壤松碎，把挖起物送到它后面的分离装置上，并要求在克服各种阻力时消耗的能量最少。要在不同的土壤条件和湿度下，圆满的完成这一任务或与它有关的各项任务是非常困难的。对挖掘铲的要求是： (1)将所有薯块挖出，保证挖净； (2)进入机器的土壤量应尽可能少； (3)尽可能使土壤松碎并顺利地将掘起物输送到分离装置； (4)在克服各种阻力时消耗能量最少 ,防止缠草和壅土。构特点为了改善挖掘部件工作质量，在前代样机上曾设计了不同型式挖掘铲，如三角形平铲、槽形铲、带圆犁刀的挖掘铲、带防堵鼠笼纵向送土辊的挖掘铲等。由于该机型是摆动筛式挖掘机，摆动筛有一定的离地高度，若使掘起物到达筛内，挖掘铲应能将掘起物提升到足够高度。最初采用三角形平铲，铲面倾角偏大 (31o)，挖掘作业试验时铲侧漏薯。改型为槽形铲，但铲面倾角变化不大，挖掘作业时土壤提升输送困难，有壅土堵塞现象。改型为带圆犁刀的挖掘铲进行试验，有同样现象发生，且圆犁刀由于雍土阻力过大致使刀臂弯曲变形，挖掘薯垄的土垄横断面呈梯形，阻力增大 ,拖拉机驱动轮打滑刨坑。为减小工作阻力，将挖掘铲和摆动筛间增设防堵鼠笼纵向送土辊，但由于此辊是在掘起物的挤推力和摩擦力作用下而转动，掘起物在辊上是靠物料间挤推和惯性向后移动，辊子只是起到了变滑动为滚动的作用，其圆周速度不及机组前进速度，其翻土生产率低于挖掘铲挖掘生产率，至使铲面上和辊上堆土过多。为了减小挖掘机工作阻力 ,兼顾掘起物提升高度 ,创新设计组合式挖掘铲 ,即由二沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章挖掘铲的构造和作业工艺过程 5 阶平面铲与指状延伸铲组合而成。该型式主要包括二阶平面铲、固定块、指状延伸铲、联结耳和心轴。二阶平面铲是三角形平铲的变形 ,固定块又是机架侧壁板的下支撑横梁 ,指状延伸铲的套管内穿有心轴 ,用开口销固定在联结耳上。联结耳焊合在铲下的固定块上。另外 ,组合式挖掘铲侧壁为机架大侧壁板 ,防止掘起物在提升输送过程中于铲侧漏掉 ,大侧壁板的入土部分开有 30用以切出薯垄。组合式挖掘铲是对传统三角形平铲结构的改型创新 ,其参数是在大量的试验的基础上多次改型确定的。挖掘铲主要参数包括铲刃斜角、铲面倾角、铲体长度 L、铲宽度掘铲的功能及常见的形式挖掘铲是马铃薯挖掘机的重要部件，其功能在于掘出薯块，并将其顺利输送至分离装置。挖掘铲的几何形状、尺寸及入土角对机具阻力影响很大；工作时既要保证掘出土层中的所有薯块，又要尽量减少进入机器的土壤量和降低动力消耗，同时还要防止挖掘铲上缠草和壅土，并且能够顺利地将崛起物输送到分离装置。根据机具工作时挖掘铲的运动形式，马铃薯挖掘铲可分为固定式、振动式、回转式和往复式；根据工作幅宽或铲片不同可分为单铲、双铲和多铲；根据铲面形状又分为平铲（三角铲、条形铲）、凹面铲、槽形铲等，如图 2所示。（ a）三角形平铲（ b）条形铲（ c）多片铲（ d）凹面铲（ e）槽形铲（ f）带圆犁刀的挖掘铲（ g）带分离栅的槽形铲（ h）带防堵鼠笼纵向送上辊的槽型铲图 2 挖掘铲的形式沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第二章挖掘铲的构造和作业工艺过程 6 掘铲的性能分析固定式三角平面挖掘铲的结构比较简单，制造也方便，不需要动力传动。其缺点是容易产生壅土现象。引起壅土现象的主要原因有：土壤板结严重或湿度大，有大土块、大石块以及杂草缠绕。相比之下，振动式挖掘铲具有较高的碎土性能和筛分性能，不易壅土，可减少 20% 40%的分离部件的负荷，明显提高生产率和作业质量。但其缺点是在工作时需要给其提供动力，增大了功率消耗，机器运转稳定性较差。图 3为黑龙江省农业机械工程科学研究院韩杰等人研制的振动式挖掘铲，主要由挖掘铲、振动筛条、连杆器、吊杆及横向键等组成，作业时，由曲柄连杆机构通过连杆带动振动筛，借助吊杆和横向键（分别与筛条偶数组和奇数组相连），使偶数组和奇数组的筛条产生相反方向的往复运动，强烈作用于土层，使土层破碎，大部分的土壤被筛至地面，使少量的土壤及块茎进入分离部件。图 4为河北农业大学机电工程系刘俊峰等人研制的组合式挖掘铲。它是对传统平面三角形铲进行了改型，由二阶平面铲和指状延伸铲构成的组合挖掘铲，使得土垡蜿蜒动态流动 ,综合解决了减阻、壅土和近于平沟底挖掘的问题，然而结构复杂，容易产生壅堵现象。 1挖掘铲 2 键式振动筛 3连杆 1二阶平面铲 2固定板 3指状延伸铲 4、 5吊杆 6、 7 横向键 4联结耳 5心轴图 3 振动式挖掘铲图图 4 组合式挖掘铲沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章阶梯式挖掘铲的设计 7 第三章阶梯式挖掘铲的设计掘铲的设计原则挖掘铲的设计原则通过对挖掘铲的组成和工作过程的分析，挖掘铲的设计应遵守下列原则：将所有薯块掘出，保证挖净；进入机器的土壤量应尽可能的少；碎土性好，能降低牵引阻力；铲片的宽度和长度，以及倾角要保证铲能够顺利的将崛起物输送到分离装置上；栅条间距不能太大，在保证不漏薯的前提下，尽量加大间距，使小于栅条间隙的土壤颗粒提前漏下，减少了进入分离装置的土壤量。梯状挖掘铲的设计依据将挖掘铲视为平面楔进行研究，可以将铲对土壤的作用分为二个阶段，一是土壤压实阶段，二是土壤破坏阶段（如图 5）。当平面楔由动到，在 A 点的土粒 E 被压紧到 F，楔面线形成一偏外摩擦角。楔的平移距离为 L，被压缩的土壤体积为（当这一土块压缩后达到失效面上的抗剪强度限时，便开始出现裂纹。图 5 平面楔对土壤的压紧阶段沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章阶梯式挖掘铲的设计 8 分析上图可知，要增强挖掘铲的入土性，需加大铲的入土角，然而加大入土角会增大牵引阻力。因此针对传统挖掘铲工作时碎土能力差，牵引阻力大，提出了阶梯状挖掘铲，按功能将其分为入土段、破碎输送段两部分。加大入土段的倾角加大可增强入土性，然而被压缩的土壤体积（增大致使牵引阻力随之增大，但阶梯状挖掘铲的优点在于可通过破碎输送段降低挖掘铲入土部分的垂向高度，以减小牵引阻力。另外，当铲体的入土段将土垡掘起后，土垡在破碎输送段时，由于铲面的形状的变化，使得土垡的变形大，增强了阶梯铲的碎土性。阶梯状挖掘铲减小牵引阻力的条件：入土部分的垂向高度小于 h（就是三角形即： 0 （ 1）式中，铲的倾角；铲面与土壤间的外摩擦角，取 26。根据农艺要求可知，挖掘深度 h 为 20可将马铃薯完全挖出，并不损坏马铃薯。由此取 5 梯状挖掘铲的组成及工作原理梯状挖掘铲的组成根据挖掘铲的功能、常见形式、性能分析和现有挖掘铲存在的问题，通过对挖掘铲结构、壅土原因、减阻性能、碎土性能、伤薯机理和土垡抬升高度的系统研究，设计了阶梯状挖掘铲。它主要由铲片、安装轴和栅条等组成，其主要功能有入土性好，碎土能力强，牵引阻力小，能适应不同的土壤特性。梯状挖掘铲的工作原理挖掘铲刚性固定在铲架上，各铲片之间留有滑草间隙，铲架焊接在安装轴上，轴后刚性连接有栅条，栅条末端向下弯曲，以减小薯块从挖掘铲到分离筛的落差从而降低伤薯。在曲柄摇杆机构的带动下，挖掘铲将薯垄崛起，土薯混合物沿铲面上升输送到分离装置上；挖掘铲上的铲片、栅条与土垡是线接触，对土垡有很好的破碎作用，栅条尾部弯曲进一步对土垡破碎并降低了薯块的落差，而且能够防止薯块在铲与分离沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章阶梯式挖掘铲的设计 9 装置之间漏掉；阶梯状挖掘铲减小了入土阻力，增强了碎土性能。掘铲主要参数的确定挖掘铲主要参数包括设计参数和作业参数 ,设计参数主要有铲刃斜角、铲面倾角、铲体长 L、铲宽度作参数主要是挖掘深度和宽度。固定式三角平面挖掘铲是挖掘机的主要工作部件之一，结构比振动式挖掘铲和主动圆盘挖掘部件结构简单，制造方便，不需要动力传动。其缺点是容易产生壅土现象。壅土现象产生的原因：土壤板结，有大土块、大石块和杂草缠绕；悬挂连接尺寸不正确，挖掘铲工作倾角过大或过小；挖掘深度和前进速度超过设计值。但在土壤条件好的情况下，正确使用挖掘机是可以避免和减少壅土现象发生的。因此，固定式挖掘铲在国内外仍得到广泛应用。设计参数确定之后 ,就可确定最合适的工作参数 (挖掘深度和宽度 )，即掘起的泥土量最少而又没有过多的伤薯和漏挖现象，以减小作业阻力。挖掘深度一般在 10作、轻质的土壤应深些 ,平作、硬质的土壤应浅。同时要考虑主机配套动力。掘铲铲长的确定挖掘铲的铲长是影响挖掘性能和工作可靠性的主要参数。以下对马铃薯的挖掘铲进行运动学分析，来阐述铲长参数确定的理论根据及其计算方法。（ 1）铲长的计算公式的推导在挖掘铲工作倾角、挖掘深度 H 给定的条件下，铲长的计算公式可根据其运动分析来推导。图 6是挖掘铲运动简图。设计土壤和块茎的质点系在 A 点时速度到 B 点时且 0，此时出现壅土现象。根据质点系的动能定理得 A （ 2）式中： 0沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章阶梯式挖掘铲的设计 10 A 为外力与内力所做的功。为研究方便，令土垡间的挤压和剪切所做的功为 0。质点系的外力有重力和摩擦力（这两个力由牵引力来平衡），所做的功分别为 F，亦即从图 1可知： 2 ；将 2）式，整理后得）f c o ss i n（2 （ 3）从图 6可推出铲长的计算公式为）g2/221 （ 4）图 6 挖掘铲运动简图（ 2）铲长只有正确选择挖掘铲的长度，才能保证挖净块茎，降低牵引阻力，避免和减少挖掘铲壅土现象的发生，提高机器的生产率。已知 =25， H=200定土壤和块茎对挖掘铲的摩擦系数 f=图 6中分析可得出机；将分别代入公式（ 4）得 )机（ 5） L （ 6）故设计铲长时应满足沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章阶梯式挖掘铲的设计 11 所以铲长确定为过桥铲根据农艺要求可知，挖掘深度 h 为 20可将马铃薯完全挖出，并不损坏马铃薯。为减小摩擦阻力，要求挖掘铲在保证掘起物提升高度的前提下总长度要尽可能短。这样既缩短了整机长度，使重心靠前，又让掘起物在铲末端相对速度不会减小到零，保证掘起物输送通畅，减少拥土堵塞概率。为更好的实现以上的功能，本设计中将铲分为多片铲段和栅条段两部分，当崛起物沿铲面上升时，由于铲面对崛起物的劈裂和剪切作用，使得土垡破碎，部分细小土壤颗粒在栅条间隙中漏下，减小了在铲末端崛起物的重量，因此，实际铲的长度可以稍微大于铲总长度的理论值。根据上式可以计算出铲的总长度，在本设计中取铲片段的长度为 237 刃斜角为了保证铲刃的自动清理功能 ,铲刃斜角可由图 7 的受力分析确定，使土壤在铲刃上的滑切力能克服摩擦力，即：）（ 7）式中： 0P 一作用在铲刃上的阻力 ; F 一铲刃于土壤的摩擦力，且 , 是摩擦角。由摩擦定律知）（ 8）将式（ 8）代入式（ 7）中并求解得 : （ 9）图 7 挖掘铲参数及铲刃斜角受力沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章阶梯式挖掘铲的设计 12 式（ 9）为的确定依据。一般土壤对钢的摩擦角为 35o，铲刃斜角了值越小，铲尖越尖，同样情况下挖掘的薯垄沟呈“ v”形，挖掘铲尖部挖得深，两侧挖得较浅 (如图 8a，严重时会铲断薯块，造成伤薯。若需要沟底保持一定宽度和深度，要求铲的形状呈“ U”形。但“ U”形铲底部处于深度土壤中，与土壤摩擦面积大，阻力也大。若采取铲底中间部分开缺口或两半铲组合，中间留有空隙的办法可以解决，但这样给制造加工艺带来很多麻烦。试验发现，若采用大值三角形铲 ,即可使沟底宽度满足要求如图 8。这样的形状加工简单，成本低，而且在挖掘时铲刃己潜过马铃薯粗根区，减小了切断粗根的阻力，与小了值铲形滑切相比并不费力，同时减少伤薯机率，保证了挖净率。角越小，滑切速度越大，防挂草能力越强，但同时铲尖长度增加，铲尖较尖，开出的沟形尖部深，两侧浅。一般土壤对铲刃的摩擦角为 35。在本设计中，取 =30，则根据以上公式可得为 50。图 8 不同铲刃斜角对沟形的影响选择倾角的原则是保证掘起物不下落的前提下，使掘起物能够沿铲面升运到一定高度从而可以顺利地运动到挖掘铲后面的分离器上。铲面倾角的理论值 ,可由图9中铲面掘起物受力的平衡方程确定： 0 0 （ 10）式中： N)；沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章阶梯式挖掘铲的设计 13 N)； G 掘起物重力 (N)； N), ,f 是土壤对挖掘铲材料的摩擦系数。由（ 10）式可得：（ 11）图 9 挖掘铲受力分析如果超过了上述值，掘起物就会拥在挖掘铲上并会带着马铃薯从旁边散落。在此种情况，应在挖掘铲两侧装上适当的挡板或改型为槽形铲。实际上，角随挖掘铲需要提升物的高度力和对松碎土壤的要求而定 ,h 的大小因铲后适用的分离装置种类而异。一般角增大，利于碎土，但阻力增加。当 =25等坚实土壤会出现相当大的壅土。挖掘铲的长度超过上述数值时，甚至在减小的情况下，也会引起阻力的增加。由此可见 ,角值越大，则挖掘铲的长度可短。根据以上公式，将入土段的入土角定为 25，破碎输送段的倾角应小于入土角，取为 20。在己设计的马铃薯挖掘机上，组合式挖掘铲的二阶平面铲铲尖向前平伸，实际上是减小了挖掘铲的值 (与沟底面夹角由 4o)，减小了挖掘阻力，使沟底平坦，同时保证了其碎土性能和而使铲上掘起物有足够的提升高度。挖掘铲的碎土原理为水平楔的劈切原理，既楔子在土壤中移动时，除了其楔刃具有切削作用外，楔面对土壤还有劈裂、剪切和使之弯曲折断的作用，造成土壤反复剪切失效，最后形成许多小土块或颗粒，使土壤发散。当土壤受到劈切时，土壤破碎有沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章阶梯式挖掘铲的设计 14 如下三种形式：（ 1）劈裂碎土，使土层沿水平方向破裂；（ 2）剪切碎土，使土壤沿楔面法线剪切面错位断裂；（ 3）弯折碎土，使土垡弯曲而断折。对不同土质三种作用所占比例各不相同，粘性土壤弯折占比重大，干硬赫土则主要是劈裂碎土。组合式挖掘铲针对的工作土质一般为砂壤土，受到挖掘铲剪切作用时，三种碎土形式并存联合发生作用。在二阶平面铲的折弯点处，掘起物下层土壤弯折碎土作用充分发挥，当掘起物滑过指状延伸铲段时，下层己松碎土壤在指状杆间隙处架空，在指状杆微颤作用下提前漏一下，减小土薯垡上行阻力，降低后续分离负荷。中上层土壤夹带大量薯块，根系相互牵扯，土壤破碎较少，恰好有利于提升和输送。的宽度 B 当确定了铲刃斜角、铲面倾角和铲体长度 L 后，主要是计算铲宽 B。铲宽 B 必须保证薯垄里每一块马铃薯块茎都被掘起，因此在设计中要考虑马铃薯在田间生长的分布宽度及其行距。根据马铃薯栽培学和实际调查提供的数据表明，我国大部分马铃薯品种结薯集中，分布宽度在 300内，宽度平均值为 240右，行距变化较大。挖掘铲的宽度首先要适应块茎分布宽度，保证挖净，同时尽可能少的从行间挖掘起过多土壤。设马铃薯块茎分布宽度平均值为布宽度偏差范围为态分布时， (此时 ,标准差 =马铃薯块茎离垄中心线偏距为具收获时，驾驶拖拉机的误差矫正值为般 e0=30此挖掘铲宽度 B=1+e0+s+3 +2 （ 12）根据上式可求出铲宽大小。根据机具特点 ,对此值进行稍微调整，掘铲的宽度首先要适应薯块分布宽度，保证挖净，同时尽可能少的从行间挖掘起过多土壤，因此在设计中要考虑马铃薯在田间生长的分布宽度及其行距，同时还要考虑收获机前进时，挖掘铲偏离薯块的集结幅度，我国大部分马铃薯品种结薯集中，行距 50 70行垄宽为 60右，薯块分布的平均宽度为 30 40该机为单行挖掘，综合考虑以上因素，确定铲体总宽度为 60 6 个单铲组成，单铲宽度为 8单铲之间留有滑草间隙，以降低挖掘阻力。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第三章阶梯式挖掘铲的设计 15 据参数绘制三维模型应用件根据所确定参数绘制挖掘铲三维模型如图 10 图 10 挖掘铲三维模型沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第四章挖掘铲有限元分析 16 第四章挖掘铲有限元分析限元法在农业机械中的应用农业机械设计中的一个重要环节是研究农业机械零部件的应力和变形问题，为强度和刚度等的设计计算提供依据。众多的机械零部件通常可以看作是由杆件、板块、壳体、块体等或由它们的组合所组成的结构。或起承载作用，或承受、传送外部载荷以保证整个机械的正常工作，实现预期的目的。由于要完成各自独特的功能，它们的结构各不相同，并且都比较复杂。如农具机架有的为薄壁箱型结构，有的为杆系结构；寻求这些部件正确、可靠的设计与计算方法，是提高农业机械的工作性能以及可靠性与寿命的主要途径之一。对农业机械的各个主要结构部件进行分析，是研究其可靠性，寻求最佳结构设计方案的主要手段。有些农业机械的结构形状简单，载荷分布均匀，采用经典力学进行结构分析，可以得到比较精确的结果。但有些农业机械的结构由于其本身结构形状的多样、复杂性以及载荷系统的恶劣复杂性，以往采用经典力学进行结构分析，带有局限性。如机架的设计主要采用经验设计。为了能够计算，往往采用较多的假设和简化，计算模型只能构造得非常简单，与实际的结构形状相差很大，所以计算是粗糙的、不很精确的。有一些结构件甚至用常规方法根本无法计算。有限元法的最大特点是能够适应各种复杂的边界形状和边界条件，这是因为它可以采用多种单元类型和节点几何状态描述形式来模拟结构。有限元法能较准确地计算出形状复杂零件 (如机架、汽轮机叶片、齿轮轮齿等 )的应力与变形。应用有限元法对农业机械结构部件进行分析，可以获得以下主要数据：结构的应力分布、变形分布，内力分布等。利用这些数据，对结构进行相应的分析，分析的目的包括：（ 1）对结构进行最优化设计。在对机械结构进行设计时，可以通过对其进行有限元分析，根据对有限元分析的计算结果进行分析和比较，按刚度、强度和稳定性要求，对原有结构进行改进和优化，使之得到最合理的应力、变形分布，并且经济性好的最优化结构。（ 2）分析结构破坏原因，寻找改进和修改方法。当部件在作业时发生故障如断裂、沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第四章挖掘铲有限元分析 17 裂纹、磨损过大等时，可应用有限元法进行计算，研究结构破坏的原因，找出危险区域和部位，提出改进与修改设计的方案，并进行相应的计算分析，直至找到合理的结构为止。目前利用有限元法法求解分析工程结构，计算规模和计算机容量、计算速度，对各种通用程序来说已不再作为主要矛盾。应用中的难题，或者说关系到有限元计算成功与否的关键，在于形成的计算模型中各种支承、连接怎样与实际结构相符，以及载荷，怎样反映实际情况。限元分析模块概述使用方便的工程分析模块。利用该模块，非分析专业的设计人员只需在模型上添加载荷和约束，就可以快速地进行初步的有限元分析，得到分析系统对设计的验证。不断吸收当今世界最新的计算方法和计算机技术，引领着有限元界的发展趋势，并为全球工业界广泛接受，拥有全球最大的用户群。它融结构、传热学、流体、磁学、声学和爆破分析于一体，具有极为强大的前后处理及计算分析能力，能够同时模拟结构、热、流体、电磁以及多种无理场间的耦合效应。（ 1）建立有限元分析的实体模型（包括三维实体模型和二维曲面模型）。由于模不方便，可在其他绘图软件里绘图后导入行有限元分析。 (本例即采用（ 2）添加模型的材料属性、单元类型、单元属性、必要的虚拟零件、附加质量、定义零部件间的连接关系和连接特性以及进行网格划分等描述机械结构系统的信息。（ 3）施加“位移型”的边界条件约束，这种位移型的边界条件是机械结构系统所处环境的最本质的描述。（ 4）定义载荷，载荷是机械结构系统的“力型”边界条件。（ 5）求解选定的分析工况。（ 6）查看分析结果。（ 7）细化分析结果。若分析结果不符合精度，可以细化网格或者改变单元类型重沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第四章挖掘铲有限元分析 18 新分析，或者使用自适应求解的方法。直到得到符合工程精度要求的分析结果。掘铲有限元分析挖掘铲是马铃薯挖掘机的主要工作部件，工作中所受阻力很大，挖掘铲在保证挖掘机使用寿命和可靠性方面起着重要作用，故要求挖掘铲有较高的抗磨损及抗变形性能。因此，针对这一问题，采用行了有限元分析，以验证其强度是否满足设计要求。立挖掘铲的有限元模型并施加约束首先：进行问题描述。第一、明确分析目的，对于此挖掘铲施加载荷，从而检验其设计是否满足实际工作中对强度和应力应变等的要求。第二、对结构进行分析，要得到高精度的应力结果，要保证影响精度的任何结构部位有理想的单网格，忽略细节（此结构忽略倒角）因素。建模时单元类型选择垂直铲面的方向为为向为此坐标系中通过挖掘铲的关键点建立其有限元模型，模型如图 11所示。在挖掘铲的三个螺纹孔施加固定约束，约束图如图 12所示。图 11 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第四章挖掘铲有限元分析 19 图 12 限元网格划分材料与属性：材料选为 65，其弹性模量 E=2 105N/度 =0松比为设计中取挖掘铲厚度为 8过查阅设计手册可知，材的厚度 16，其许用应力 s 为 235过网格划分可知：有限元模型共有 1427 个节点， 4226 个单元。如图 13 所示。图 13 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第四章挖掘铲有限元分析 20 限元网格划分施加载荷并求解此挖掘铲受土壤的法向力 N，我们对影响挖掘铲的法向力 N 进行研究。由农业机械设计手册查得犁沟土壤比阻 K。轻质土 K=1600020000 2/中等轻质土 K=2000024000 2/中等结实土 K=2400030000 2/每个离散单元所受的载荷均按静力等效原则转移到网格单元上，进行挖掘铲的有限元静强度计算。解及分析运行行有限元机构的静强度计算。得出其应力云图和位移变形图如图 14、图 15所示。（ 1）应力计算此挖掘铲的应力云图如图 14 所示。通过分析云图可以得出，挖掘铲的应力主要集中在铲面的 3 个螺纹孔处，且最大应力分布在靠铲尖的螺纹孔处，小于挖掘铲的许用应力 =235以挖掘铲的强度满足设计要求。（ 2）变形分析挖掘铲的位移变形如图 15 所示。通过观察分析此图，可以看出经过受力后其铲尖发生的翘曲变形较为明显，变形值为相对于整个铲来说，这个位移变形量很小，所以其工作安全系数较高。图 14 图 15 挖掘铲是马铃薯挖掘机的主要部件，工作中承受各方面的负荷较大，其强度分析s沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第四章挖掘铲有限元分析 21 在保证挖掘机使用寿命和可靠性方面起着重要作用。因此，本研究在力学分析的基础上，采用有限元法进行了机架和挖掘铲的静强度计算，通过计算，挖掘铲的最大应力为大变形为证了其强度满足使用要求。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文第五章结论 22 第五章结论通过对阶梯状挖掘铲结构设计及理论计算和挖掘铲进行

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