悬挂式开沟机结构及控制系统设计

-4-第一章绪论1.1课题研究背景与意义在现代农业和城市化建设中，地下管线的铺设工作日益重要，无论是农田灌溉系统、排水系统，还是城市地下电缆、水管等基础设施的铺设，都离不开开沟机这一关键设备。悬挂式开沟机作为其中的一种重要类型，随着科学技术的逐渐进步和市场需求的日益多样化，对悬挂式开沟机的性能、效率、稳定性等方面提出了更高的要求。因此，对悬挂式开沟机进行深入研究，探讨其结构优化、性能提升、智能化发展等课题，具有重要的现实意义和应用价值。首先，从市场需求的角度来看，悬挂式开沟机的应用范围正在不断扩大。在农业领域，随着精准农业、智慧农业等理念的提出和实践，对农田灌溉、排水等基础设施的建设提出了更高的要求。悬挂式开沟机作为一种高效、节能的农田开沟设备，其市场需求日益增长。同时，在城市建设中，随着地下空间的不断开发和利用，地下管线的铺设工作也日益繁重。悬挂式开沟机因其灵活性和便捷性，在城市地下管线铺设中发挥着越来越重要的作用。其次，从技术发展的角度来看，悬挂式开沟机的研究也面临着诸多挑战和机遇。一方面，随着机械制造、电子控制等技术的不断进步，为悬挂式开沟机的结构优化、性能提升提供了可能。例如，通过采用先进的机械传动系统、精确的控制系统等，可以显著提升开沟机的作业效率和稳定性。另一方面，随着物联网、大数据等新一代信息技术的快速发展，为悬挂式开沟机的智能化发展提供了广阔的空间。通过引入智能感知、远程控制等技术，可以实现开沟机的自动化作业和智能化管理，进一步提高作业效率和降低人力成本。此外，从行业发展的角度来看，悬挂式开沟机的研究也具有重要的推动作用。随着国家对农业和城市化建设的重视程度不断提高，对相关设备的研发和应用也给予了更多的关注和支持。悬挂式开沟机作为其中的一种重要设备，其研究成果不仅可以推动相关技术的发展和创新，还可以为整个行业的升级和转型提供有力的支撑。意义：(1)提升工作效率：通过优化悬挂式开沟机的机械结构和控制系统，可以提高开沟的精准度和速度，从而显著提升工作效率。这不仅可以加快工程进度，还能降低人力成本，提高经济效益。(2)降低人力成本：自动化操作在减少人为因素导致的操作失误，提高工作安全性的同时，还减少了生产工作对人力的需求，降低了人力成本支出。(3)推动技术发展：对悬挂式开沟机的研究不仅涉及机械结构的设计，还涉及控制系统的研发，这将推动相关技术的不断发展和创新。同时，研究成果还可以为其他类似设备的研发提供借鉴和参考，推动整个行业的技术进步。综上所述，从市场需求、技术发展、行业发展等多个角度来看，都存在着对悬挂式开沟机进行深入研究的必要性和紧迫性。通过对悬挂式开沟机的机械结构、控制系统、智能化发展等方面进行深入研究，不仅可以提升设备的性能和效率，还可以推动整个行业的发展和创新。因此，我们应该加强对悬挂式开沟机课题的研究和投入，为推动我国农业现代化和城市化建设做出更大的贡献。1.2国内外悬挂式开沟机研究现状1.2.1国外研究现状在国外，悬挂式开沟机的研究和应用已经相对成熟和先进。欧美等发达国家在悬挂式开沟机的机械结构、控制系统、智能化发展等方面都取得了显著的研究成果。国外开沟机的研究与发展起步较早，经历了多个阶段，并且取得了显著的成果。首先，在初创期，挖掘机作为开沟机的前身，主要以蒸汽铲的形式出现，用于露天采矿和土木工程。然而，由于技术限制，这些设备的操作非常耗时且效率低下。随着技术的进步，开沟机进入了发展期。内燃机和液压技术的出现为开沟机带来了新的发展机遇。在这个阶段，卡特彼勒和沃尔沃等公司开始生产更加高效和实用的开沟机，这些机器使用柴油发动机作为动力源，并配备了液压系统，使得操作更为灵活和精确。到了成熟期，微电子技术和计算机技术的飞速发展进一步推动了开沟机的变革。这一时期，开沟机的类型和功能开始多样化，各种型号的开沟机应运而生，满足了不同工程的需求。进入21世纪，随着科技的不断进步，开沟机的发展也日新月异。许多国外公司都推出了独具特色的本公司产品，如Trencor公司的T1460型开沟机如图1.1所示，它使用单链或双链进行驱动，配备了铣刨装置，使得在公路维护与采矿等领域的应用效果非常显著。此外，美国的开槽机供应商威猛公司（vermeercorporation）2024年在市面上最为畅销的RTX250开沟机如图1.2所示，橡胶履带能够在松软、石质或泥泞的条件下提供出色的牵引力，而且最大限度减少了对地面的干扰。另外，“无需工具”即可接触所有可维修的组件，便于完成维护工作。此外，在特定应用领域，如海底管道埋设，开沟机也取得了重要成果。例如，IHC公司的犁式埋缆系统就是典型的开沟-回填组合犁，可以在深海中开凿和回填沟槽，具有强大的开沟能力。在机械结构方面，国外的悬挂式开沟机通常采用高强度、耐磨损的材料制造关键部件，以提高设备的耐用性和稳定性。同时，通过优化设计和加工工艺，降低设备的重量和体积，提高其便携性和灵活性。在控制系统方面，国外的悬挂式开沟机已经实现了高度的智能化和自动化。例如，通过引入目前最先进的远程监控和故障诊断系统，在监测的同时也实现了对设备的远程管理和维护。这些技术的应用使得国外的悬挂式开沟机在作业效率、精度和安全性等方面都达到了很高的水平。此外，在应用领域方面，国外的悬挂式开沟机已经广泛应用于农业、林业、城市建设等多个领域。特别是在一些发达国家，悬挂式开沟机已经成为农田灌溉、排水、施肥等作业中不可或缺的重要设备。然而，尽管国外的悬挂式开沟机技术已经相对成熟，但仍然在不断进行技术创新和改进。例如，通过引入新材料、新工艺和新技术，不断提高设备的性能和效率；通过加强国际合作和交流，推动全球范围内悬挂式开沟机技术的共同进步和发展。综上所述，国外开沟机的研究与发展历程经历了从初创期的蒸汽铲到发展期的内燃机与液压技术，再到成熟期的微电子与计算机技术应用，最后到高科技化的新阶段。在这个过程中，开沟机的性能不断提升，类型和功能日益多样化，满足了各种工程的需求，并在公路维护、采矿、海底管道埋设等领域发挥了重要作用。图1.1Trencor公司的T1460型开沟机图1-2威猛公司RTX250型手推式开沟机1.2.2国内研究现状在国内，悬挂式开沟机的研究起步相对较晚，但近年来随着国家对农业和城市化建设的不断投入和支持，相关研究也取得了显著的进展。首先，在机械结构方面，国内的研究机构和企业针对悬挂式开沟机的关键部件进行了大量的优化和改进。通过改进刀具材料和形状，提高了开沟机的切削效率和耐用性；通过优化传动系统和动力系统，提高了开沟机的作业效率和稳定性。这些改进使得国内悬挂式开沟机的性能得到了显著提升，逐渐接近甚至达到了国际先进水平。例如，韩永俊带领她的团队设计的1KL-100型是螺旋式开沟机如图1.3所示，在各方面性能十分优秀，它的工作效率也在人的百倍以上。其次，在控制系统方面，国内的研究也取得了重要突破。随着电子技术和计算机技术的快速发展，越来越多的智能化、自动化技术被引入到悬挂式开沟机中。例如，通过引入GPS定位系统和自动导航系统，实现了开沟机的精确作业和自主导航；通过引入传感器和监测系统，实现了对开沟机工作状态的实时监测和预警。为了解决开沟机控制不了作业时产生的力矩不平衡等问题，我国科学家张汝坤和周波等人合作设计了新型开沟机如图1.4所示。这种改进显著提高了开沟机的作业性能和使用效果。这些技术的应用不仅提高了开沟机的作业精度和效率，还降低了人力成本和安全风险。此外，在应用领域方面，国内的悬挂式开沟机也逐渐从单一的农田开沟扩展到了城市地下管线铺设、道路施工等多个领域。这种扩展不仅拓宽了开沟机的应用范围，也为其进一步发展提供了更广阔的市场空间。然而，尽管国内在悬挂式开沟机的研究和应用方面取得了显著进展，但仍然存在一些问题和挑战。例如，部分关键技术和核心部件仍依赖进口，自主研发能力有待进一步提升；同时，市场竞争也日益激烈，对产品的性能、价格、服务等方面提出了更高的要求。综上所述，国内外在悬挂式开沟机的研究和应用方面都已经取得了显著的进展。但与此同时，仍然存在一些问题和挑战需要我们去面对和解决。未来，随着技术的不断进步和市场的不断扩大，相信悬挂式开沟机的研究和应用将会取得更加丰硕的成果。图1.3韩永俊1KL-100型螺旋式开沟机图1.4张汝坤双轴螺旋式开沟机1.3论文主要研究内容及章节安排（1）根据实际情况确定好开沟机的参数后，进行悬挂式开沟机刀具设计并根据分析结果进行优化使其更易于生产、装配和维修。采用先进的制造工艺和技术，如数控加工提高开沟机的制造精度和产品质量。通过优化刀具设计和转速，提高开沟效率，降低能耗。使用Solidworks软件或UG等制图软件对刀具结构进行创新建模，并将刀具进行装配。（2）建模完成后，通过Solidworks软件、ANSYS软件等分析软件对刀具进行静力学分析，找出薄弱环节，加强机身刚性设计，不断调整刀具的结构参数，提高开沟机的稳定性和可靠性。以提高开沟机的使用寿命。（3）通过PID控制算法，对开沟深度进行控制。设计合理的程序结构，包括初始化、输入处理、控制算法实现、输出处理等模块，并具备保护措施。在编写完成后进行充分的调试和优化，确保控制系统的稳定性和性能达到预期要求。第二章新型悬挂式开沟机刀具整体设计方案2.1刀具材料确定每种刀具材料都有其独特的性能和适用范围。例如，高速钢具有良好的韧性和热稳定性，适用于低速切削和冲击负荷较大的场合；硬质合金大量应用在刚性好，刃形简单的高速切削刀具上，随着技术的进步，复杂刀具也在逐步扩大其应用；涂层刀具材料是在硬质合金或高速钢刀具基础上凭借着化学以及物理方法在其上表面覆盖一层耐磨性高的难熔金属化合物，在提高刀具材料的耐磨性的同时还能做到不降低其韧性。陶瓷材料是以氧化铝（Al2O3）或以氮化硅（Si3N4）为基体，再加入些许金属，在高温下烧制而成的一种刀具材料。

金刚石则是目前已知的最硬的材料，显微硬度达10000HV适用于加工极硬和难加工的材料。刀具材料的确定应从以下几点进行考虑：切削条件：切削速度、切削深度和进给量等切削条件对刀具材料的耐磨性、耐热性和韧性有较高要求。在高温、高压和高速切削条件下，刀具材料需要具备良好的抗氧化性、抗热软化性和抗冲击性能。刀具寿命和加工质量：刀具材料的选择直接影响到刀具的寿命和加工质量。优质的刀具材料可以提高刀具的耐磨性，延长使用寿命，同时保证加工表面的光洁度和精度。经济性：在满足上述性能要求的前提下，还需要考虑刀具材料的成本。经济性是刀具材料选择中不可忽视的一个因素，需要在满足性能要求的同时尽量降低材料成本。综上所述，经过综合考虑，本课题初步选用高速钢和合金钢作为刀具的材料。2.2刀具类型选择常见的开沟机刀具类型包括直刃刀、曲刃刀和齿形刀等。每种类型都有其特定的应用场景和优势。例如，直刃刀易于加工，具有良好的砍切性能；曲刃刀和齿形刀则可能更适合在特定土壤条件下使用，以实现更好的切削效果和土壤破碎。在选择刀具类型时，还应考虑刀具的耐磨性、韧性和硬度等性能特点。耐磨性好的刀具可以延长使用寿命，减少更换频率；韧性好的刀具则能更好地承受冲击和振动；硬度高的刀具则能更好地应对硬质土壤的切削。以下是一些开沟机的刀具类型选择的关键考虑因素：（1）土壤条件：不同类型的土壤对刀具的磨损程度和作业效率有显著影响。例如，硬质土壤可能需要更耐磨的刀具材料，如硬质合金或陶瓷，而软质土壤则可能适合使用高速钢刀具。（2）所开出沟的宽和深：每个设计师所设计的不同的刀具以及刀片都对机器开出沟的宽和深度有着极大的影响。例如，对于较深的开沟作业，可能需要选择具有更长刃部和更强刚性的刀具。（3）工作效率：对于需要高效率的开沟作业，可以选择具有更高切削性能的刀具，这通常意味着刀具材料和设计的优化。（4）成本：刀具的成本也是选择时需要考虑的重要因素。虽然更高级的刀具材料和设计可能带来更好的性能和效率，但也可能增加成本。因此，需要在性能和成本之间找到平衡。在设计刀具类型时，还应考虑刀具的耐磨性、韧性和硬度等性能特点。耐磨性好的刀具可以延长使用寿命，减少更换频率；韧性好的刀具则能更好地承受冲击和振动；硬度高的刀具则能更好地应对硬质土壤的切削。2.3刀具参数开沟机刀具参数的确定是一个涉及多个因素和步骤的复杂过程。包括以下几点：（1）土壤条件分析：土壤的物理性质（如坚实度、含水率等）和化学性质会直接影响刀具的磨损和切削效果。因此，首先要对作业区域的土壤条件进行详细分析，并且通过本文上述内容来确定刀具的材料、类型和尺寸。（2）刀具的几何参数对切削效果和刀具寿命有重要影响。这些参数需要根据土壤条件和作业需求进行优化设计。例如，增大前角可以减小切削阻力，但也会降低刀具的耐用性；减小后角可以增加刀具的锋利度，但也可能增加切削力。（3）切削速度和进给速度确定：切削速度和进给速度是影响开沟机作业效率和刀具寿命的关键因素。它们需要根据刀具材料、土壤条件和作业要求来确定。通常，较快的切削速度和进给速度可以提高作业效率，但也可能增加刀具磨损和损坏的风险。（4）刀具结构测试以及优化：完成上述步骤，将刀具初步设计完成之后，通过本文提到的静力学分析软件得到结果后，对刀具的几何参数进行进一步优化和调整。2.4本章小结本章主要对悬挂式开沟机刀具的设计的要求进行了分析，包括材料、刀具类型以及尺寸的确定，以及整体设计流程的确定。第三章新型悬挂式开沟机刀具三维立体建模3.1技术选择本课题将采用先进的SOLIDWORKS（三维3D设计软件）技术，结合3D建模软件，对开沟机刀具进行精确建模。CAD技术能够确保设计的精确性，而3D建模则能够直观地展示刀具的三维形态，便于后续的分析与优化。3.2开沟刀建模表3.1开沟条件参数项目单位设计值开沟沟形/梯形开沟条数条1开沟深度Hacm35±4沟面宽度Brbcm37±1沟底宽度Bdccm13±1悬挂式开沟机作为重要的施工设备，其刀具性能与效率直接影响到工程的进度与质量。刀片作为刀具的核心部件，合理的设计直接关系到整个作业是否能顺利完成。首先，要设计开沟机刀具第一个需要确定得到的数据即为刀具的直径D，理论上来讲，刀具直径D越大，所开出的沟越深与此同时刀具的直径D也时时刻刻影响着翻出土壤的体积，但刀具直径D越大，在切削时所受的阻力也随之增大。通过查阅手册并运用公式（3-1）计算刀具直径。D=（1.2-1.4）H（3-1）公式中H为所开出沟的深度，单位为m。根据表格3.1中的数据，开沟深度最大为0.39m，经过公式（3-1）计算得D=0.507。通过查阅手册，确定刀片相关技术参数，见表3.2。表3.2刀片技术参数参数设计值直径D/m0.507宽度W/m0.25刀尖线速度v/r·min-1120~180弯折角φ1/°123弯曲半径r1/mm30切削幅宽B1/mm59滑切角σ1/°30弯折角φ2/°123刀片间夹角/°45刀片间距/m0.236开沟刀弯刀数量/把30（左15；右15）开沟刀直刀数量/把0刀片主要由三部分组成：刀片、挡片、刀片架，刀片三维立体建模如图3.1、3.2、3.3所示。图3.1刀片建模图3.2挡片建模图3.3刀片架建模3.3开沟圆盘建模刀具中的圆盘作为刀片的支撑结构，是刀具的重要组成部分。其必须有良好的冲击韧性，刀盘的设计和结构能够影响开沟的宽度和深度，这让使用者可以根据实际需要调整开沟的规格，满足不同的农业生产需求。刀盘的材质和制造工艺也直接影响到其整个刀具的耐用性和使用寿命，优质的刀盘能够在长时间的使用中保持良好的切削性能，从而提高开沟机的作业效率并减少维修成本。参考现有研究及《GB/T5669-2017旋耕机械刀和刀座》，确定刀盘相关技术参数，见表3.3。表3.3刀盘技术参数参数设计值刀盘数量/个2开沟刀盘最大回转直径/mm980刀盘最大回转速度/mm750刀盘主要由三部分组成：圆盘、圆盘小轴、轴盘，刀盘三维立体建模如图3.4、3.5、3.6所示图3.4圆盘建模图3.5圆盘小轴建模图3.6轴盘建模3.4本章小结将上述各个部位零部件完成后，将所有零部件装配到一起。本章共设计了三把刀具，上述步骤为刀具3的操作步骤。刀具1为直刀，刀具2和刀具3为弯刀。刀具2较刀具3在结构设计上多出一个抛土板如图3.7所示。重复步骤不再赘述。整体装配图如图3.8、3.9、3.10所示。图3.7抛土板建模图3.8刀具装配图1图3.9刀具装配图2图3.10刀具装配图3第四章新型悬挂式开沟机刀具静力学分析4.1首个刀具分析4.1.1材料设置材料为高速钢,如图4.1.1所示。图4.1.1材料参数图材料的力学性能参数如表4.1.1所示表4.1.1高速钢的力学性能参数参数数值密度g/cm³8.3-8.7弹性模量MPa2.06×10e5泊松比0.25-0.3抗拉强度MPa1000-3004.1.2模型创建将UG软件中的三维建模图导入至ANSYS软件即可，如图4.1.2所示。图4.1.2建模图4.1.3网格划分选用默认的四面体网格划分，单元数26616，节点数为58249，设置如图4.1.3所示。图4.1.3网格设置划分完成的模型网格。如图4.1.4所示。图4.1.4网格图4.1.4边界条件设置对分析软件中的刀具模型施加合理的约束与载荷。如图4.1.5所示，对刀具施加约束，施加的位置共有1处即刀盘重心处，如图中标记点A所示，为对刀具施加的固定约束。切削阻力计算如下：（4-1）式中Cs——土壤冲击次数；H——切削厚度；δc——单一厚度；φ——切削角，φ=12°；e——刀片尖角系数。表4.1.2γ和e的值γ15°~50°60°90°120°180°e0.80.850.90.951表4.1.3Cs的值土壤类型Cs沙土2~5砂性壤土4~15壤土6~11重壤土10~17根据式（4-1）和表4.1.2以及4.1.3计算出阻力后，总切削力：F=Fr×k×15（4-2）式中k为动载系数，本文取值1.3。将阻力Fr=28.3N代入，得到最终结果总切削力Fr'为551.85N。如图4.1.5所示，对刀具施加载荷，公称直径D取49mm，刀具材料为高速钢，根据零件工作状态，对每个刀片上加载各为28.3N的沿圆周方向的圆周载荷。如图中B、C、D、E、F、G、H各标记点所示。图4.1.5载荷约束设置4.1.5结果分析如图4.1.6为位移分布图，最大位移位于顶端为0.025445mm。图4.1.6位移分布图点开StaticStructural中的Solution，可以看到刀具的位移分布图。由刀具位移分布图可看出刀具结构的应力集中在每个刀片的尖端部位，在图中显示为红色，是变形最严重的部分。其他黄色部分也都集中在刀柄与刀片的连接处，这也与机械加工实际经验所得结论相符。如图4.1.7为应力分布图，图中显示刀具所受最大应力为139.77Mpa小于刀具材料的屈服强度。图4.1.7应力分布图点开StaticStructural中的Solution，点击EquivalentStress，可以查看刀具结构的应力分布图。观察应力分布图发现刀盘与刀片连接处两侧的颜色为红色，取值范围为56.21-139.77MPa，是应力值最大的地方。连接两个刀盘的连杆与刀盘连接处的颜色为黄色，取值为48.18-56.21MPa。这与实际的机械加工实际经验结论相符。如图4.1.8为应变分布图，最大应变位于为0.00090317mm。图4.1.8应变分布图应变分布图的实验结果显示，在刀片与刀盘连接处出现的最大应变值为0.00090317mm。连杆与刀盘连接处为黄色，取值为0.00060211-0.00070246mm。此结果与实际机械加工中的数据一致。在实际生产生活中，刀具在使用之后，发生应变大都集中在刀片与刀盘连接处和连杆与刀盘连接处。如图4.1.9为安全系数分布图，最小安全系数为3.5772属于较危险区域，所以结构还需要进行改良。图4.1.9安全系数分布图综上，零件的设计还需改善。4.2第二把刀具分析4.2.1材料设置材料为合金钢，如图4.2.1所示。图4.2.1材料参数图如表4.2.1为合金钢的力学性能参数表4.2.1合金钢的力学性能参数参数数值密度g/cm³7.7弹性模量MPa2.1×1011泊松比0.28张力强度N/m27.23×108屈服强度N/m26.20×108抗剪模量N/m27.9×10114.2.2模型创建根据刀具1和刀具2的模型，在其二者基础上将各刀盘上的开沟刀弯刀数量增加至15把，其中外侧刀具12把，内侧刀具3把，将圆盘的厚度减小。结构设计中，对内外侧刀具进行倒角设计，并将刀片抛土板处的厚度减小，节省材料的同时增加了刀齿的强度以及刀具与土壤的接触面积，使开沟效率更高。有利于提高使用寿命和刀具的耐用度，不易崩刃。该设计扩大了刀具体积，有利于刀体散热，降低热变形对刀齿的影响。图4.2.2建模图4.2.3网格划分选用默认的四面体网格划分，单元数、节点数自动判断。划分完成的模型网格如图4.2.3所示：图4.2.3网格划分图4.2.4边界条件设置由刀具1计算得到开沟机在作业时总的切削力Fr'为551.85N。对分析软件中的刀具模型施加合理的约束与载荷。对刀具施加约束，如图4.2.4和4.2.5所示，在刀盘中心圆孔施加一个固定约束并且对各个刀片与刀盘的连接处施加同样固定约束。图4.2.4中心固定约束图4.2.5刀片约束如图4.2.6所示，对刀具施加载荷。选择常用的刀具结构参数进行计算，公称直径D取49mm，刀具材料为合金钢，根据零件工作状态，对每个刀片上加载各为28.3N的沿刀片法线方向的载荷。如图中各标记点所示。并且以刀盘安装轴孔为中心施加228r/min的转动速度来模拟离心力。图4.2.6载荷模拟4.2.5结果分析如图4.2.7为位移分布图，最大位移位于顶端为0.005228mm。图4.2.7位移分布图点开SOLIDWORKS中的SOLIDWORKS插件，点击SOLIDWORKSSIMULATION，在结果处可以查看刀具结构的位移分布图。由刀具位移分布图可看出刀具结构的应力集中在每个刀片的末段，刀片的中段为绿色。如图4.2.8所示为应力分布图，图中显示刀具2所受最大应力为2.629×106N/m2，小于屈服极限6.204×108N/m2。图4.2.8应力分布图点开SOLIDWORKS中的SOLIDWORKS插件，点击SOLIDWORKSSIMULATION，在结果处可以查看刀具结构的应力分布图。观察应力分布图发现刀盘与刀片连接处两侧的颜色为红色，取值范围为2.36×106-2.629×106N/m2，是应力值最大的地方。这与实际的机械加工实际经验结论相符。在实际加工过程中，受到应力最大的部位在刀具和刀盘的连接之处，这也是最容易磨损之处。如图4.2.9为应变分布图，最大应变为0.000010mm。图4.2.9应变分布图点开SOLIDWORKS中的SOLIDWORKS插件，点击SOLIDWORKSSIMULATION，在结果处可以查看新型刀具的应变分布图（见图9）。实验结果显示，在刀片与刀盘连接处出现的最大应变值为0.000010mm。刀片尾端处为绿色，取值为0.000004043-0.000007076。此结果与实际机械加工中的数据一致。在实际生产生活中，刀具在使用之后，发生应变大都集中在刀片与刀盘连接处和连杆与刀盘连接处，其次就是刀片尾端。如图4.2.10为安全系数分布图，设置为安全系数低于5的显示为红色。由图可见全图均为绿色，说明各处安全系数均在5以上。图4.9.10安全系数分布图综上，零件的设计符合强度和刚度设计要求。4.3第三把刀具分析4.3.1材料设置材料为合金钢，如图4.3.1所示。图4.3.1材料参数图如表4.3.1为合金钢的力学性能参数表4.3.1合金钢的力学性能参数参数数值密度g/cm³7.7弹性模量MPa2.1×10e11泊松比0.28张力强度N/m27.23×108屈服强度N/m26.20×108抗剪模量N/m27.9×10e114.3.2模型创建根据刀具1的模型，在其基础上降低刀盘的厚度进行厚度对刀具静力学分析影响的实验，观察刀盘厚度降低后刀具的静力学分析结果，尽可能降低原材料成本。并将各刀盘上的开沟刀弯刀数量增加至15把，其中外侧刀具12把，内侧刀具3把，每把刀具采用两枚螺丝将刀片固定在刀盘上。结构设计中，对内外侧刀具进行抛土板设计，增加了刀片的强度以及刀具与土壤的接触面积，使开沟效率更高。增加刀具的抛土效率的同时也使得结构稳定性更强，不容易发生刀具断裂的情况。图4.3.2建模图4.3.3网格划分选用默认的四面体网格划分，单元数、节点数自动判断。划分完成的模型网格如图4.3.3所示：图4.3.3网格划分图4.3.4边界条件设置由刀具1计算得到开沟机在作业时总的切削力Fr'为551.85N。对分析软件中的刀具模型施加合理的约束与载荷。如图4.3.4所示，对各个刀片与刀盘的连接处施加固定约束。图4.3.4刀片约束如图4.2.5所示，对刀具施加载荷。选择常用的刀具结构参数进行计算，公称直径D取49mm，刀具材料为合金钢，根据零件工作状态，对每个刀片上加载各为28.3N的沿刀片法线方向的载荷。如图中各标记点所示。并且以刀盘安装轴孔为中心施加228r/min的转动速度来模拟离心力。图4.2.5载荷模拟4.3.5结果分析如图为位移分布图，最大位移位于顶端为0.038033mm。图4.3.6位移分布图点开SOLIDWORKS中的SOLIDWORKS插件，点击SOLIDWORKSSIMULATION，在结果处可以查看刀具结构的位移分布图。由刀具位移分布图可看出刀具结构的应力集中在每个刀片的尖端部位，在图中显示为红色，是变形最严重的部分，其他黄色部分之前都集中在刀柄与刀片的连接处，在通过两枚螺丝将刀片约束在刀盘上后，这个问题得到了解决，但黄绿色部分均转移到了刀片中段处，这样一来，刀片变形的速度将更快，需要更频繁地更换刀片。如图4.3.7为应力分布图，图中显示刀具3所受最大应力8.474×106N/m2小于材料的屈服极限6.204×108N/m2。图4.3.7应力分布图点开SOLIDWORKS中的SOLIDWORKS插件，点击SOLIDWORKSSIMULATION，在结果处可以查看刀具结构的应力分布图。观察应力分布图发现刀片抛土板根部处的颜色为红色，取值范围为7.626×106-8.474×106N/m2，是应力值最大的地方。刀片中段处的颜色为绿色，取值为3.390×106-5.932×106N/m2。这与实际的机械加工实际经验结论相符。可见，将刀片根部通过两枚螺丝约束在刀盘上之后，有效的解决了刀盘和刀片连接处应力过大的问题，但在实际加工过程中，受到应力最大的部位变为刀片抛土板处，如此一来，刀片变得容易磨损，同时也增加了刀具的制造成本。如图4.3.8为应变分布图，最大应变为0.000012mm。图4.3.8应变分布图通过SOLIDWORKS得到如图4.3.9所示的安全系数分布图，由图中数据显示可得，在刀片中部出现的最大应变值为0.000012mm。刀片末段处为绿色，取值为0.000004780-0.000008366mm。在实际生产生活中，将刀片固定在刀盘上的刀具在使用之后，发生应变大都集中在刀片中段处。如图为安全系数分布图，设置为安全系数低于5的显示为红色。由图可见全图均为绿色，说明各处安全系数均在5以上。图4.3.9安全系数分布图综上，零件的设计符合强度和刚度设计要求。4.4本章小结本章节对所设计的三把刀具进行静力学分析，通过位移、应力、应变、安全系数等数据对三把刀具进行综合考量。首把刀具安全系数未达到要求，将直刀改为弯刀之后，刀具应力显著降低，并且安全系数也达到要求，根据孙坤鹏[8]的研究结果可得，材料的弹性模量和刀盘厚度的改变不能显著减小刀盘的应力值。刀具3在增加了抛土板之后，刀具的应力值并未显著降低，并且抛土板处应力明显提高，造成不必要的麻烦，综上所述，刀具2最符合设计要求。第五章深度控制技术及方案设计对于悬挂式的挖掘设备来说，其深度调节机制构成了一个高度复杂且非线性的液压系统。由于土质条件的不稳定性和不可预测性，这种特性无疑增加了开发此类深度调整装置的技术挑战。为了实现高质量的挖沟效果，我们需要精确地设定适当的调控策略。目前市场上的控制技术繁多，包括PID控制法、模糊逻辑以及神经网络等手段。在此部分，我们将重点探讨如何利用这些常用工具来构建适合悬挂式挖掘设备使用的深度调节解决方案。5.1PID控制技术PID控制策略已在众多机械工程场景下得到深度运用，其优势在于针对线性系统的精确调控能力。尤其是在已经明确了数学建模的系统环境中，这种控制手段表现出卓越的效果。同时，它也在不断融合新兴的智能化控制技巧，以实现更为自动化且高效的操作模式。5.1.1基本工作原理目前常见的PID工作原理图如图5.1所示。图5.1PID工作原理图最常用的控制技术之一就是比例-积分-微分(PID)控制法。该方法的核心在于收集并对比执行后的反馈数据以及预设的目标参数。接着，通过运用PID算法，计算出一个新的参考点，并将此作为系统的输入，从而实现对被控设备输出的调整，以逐步缩小其与设定目标之间的差距，直至达到预期状态。在控制系统领域，Proportional-Integral-Derivative(PID)控制算法是一种广泛应用于各种工业设备和自动化系统的经典控制策略。具体来说，PID模型的构建过程可以被视为一个线性二次微分方程，其形式如下：y=kp*x+ki*ln(x)+kd*x^2(5-1)其中，kp代表比例系数，ki代表积分系数，kd代表微分系数，而x则表示输入信号的大小。这个模型的核心思想在于利用这三个系数的不同组合来达到最佳的控制效果。例如，如果我们希望增加输出信号与输入信号之间的响应速度，那么我们可以选择增大微分系数kd。反之，如果我们希望提高输出的稳定性，那么我们可以考虑降低微分系数kd。此外，如果我们希望优化整个控制系统的性能，那么我们需要仔细调整比例系数kp和积分系数ki的值。总之，PID控制模型为我们提供了一种强大的工具，帮助我们在实际应用中实现对复杂动态系统的有效控制。在比例-积分-微分(PID)控制策略下，各部分的功能有所不同且相互关联。其中，比例环节主要负责系统的反应速度，其设置能够决定了系统达到平衡所需的时间长度。另一方面，积分的角色在于优化对于较低频率的调控效果，通过降低与设定目标之间的偏离程度来实现这一目的。最后，微分环节则专注于处理中等频率范围内的动态特性，以有效地减少过调现象的发生。5.2PID控制的缺陷在许多情况下，比例-积分-微分(PID)控制法被广泛用于线性系统的调控。通过调整PID参数，可以实现对这些系统的精准与稳定的操控。然而，当涉及到非线性系统，缺乏明确的数学建模，或是面临外部力量的影响时，这种控制策略通常无法满足预期的效果，其系统稳健性和抗扰能力相对较低。当悬挂式的挖土机械设备执行地底任务时，它所构成的是一种非线性和高度复杂的环境系统。然而，如果我们试图通过预设的PID调节器来实现有效的管理，那么问题就出现了。由于外部环境的变化无法被该系统的PID参数有效追踪并适应，因此，这种方式导致了挖掘机器的工作效能以及工作品质难以达到预期标准。5.3本章小结本章阐述了如何通过控制液压来改变悬挂式开沟机开沟深度的控制系统。总结与展望行文至此，我的毕业设计论文已经全部完成，这次毕业设计，我从头到尾亲自完成了悬挂式开沟机及控制系统的设计，尤其是开沟机刀具的设计。从刀具材料、类型的选择，再到刀具参数的计算。从软件建模、静力学分析再到控制系统的设计。由于前期工作做的比较好，所以前期没消耗太多精力。就在我以为毕业设计能迅速完成的时候，进度到了静力学分析和建模，我真正感觉到了困难。虽然都是学过的知识，但当真正第一次面对机电方面的复杂工程问题时，每个人都是新手，通过毕业