【《某马铃薯挖掘机挖掘铲的设计与分析案例》2900字】

我国中小企业的技术创新研究某马铃薯挖掘机挖掘铲的设计与分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u5789某马铃薯挖掘机挖掘铲的设计与分析案例 163091.1挖掘铲的工作状况 1268071.2挖掘铲的设计要求 1317351.3挖掘铲的分类 21.1挖掘铲的工作状况马铃薯挖掘机在工作时，是由马铃薯挖掘机的挖掘铲最开始与马铃薯的薯垄进行接触。原理是，马铃薯挖掘机在行进中使用挖掘铲将薯垄掘起，然后，将掘起的马铃薯和土壤混合物输送至抖动筛上，这样就算是初步的挖掘工作完成了。但是，不同地区的土质有很大差异，而且在土壤中含有大量的碎石块、杂草，部分气候湿润的地区土壤中可能含有大量水分，所以，当挖掘铲把马铃薯和土壤混合物挖掘出的过程只是第一步，这其中会产生很多问题，主要问题为挖掘过程中会出现积土和挖掘铲的变形等；这些问题会对挖掘机的挖掘效率产生很大的影响。1.2挖掘铲的设计要求挖掘铲在工作过程中会出现挖不干净、损伤率高、挖掘铲变形、土壤破损性差等一系列问题，目前所见到的挖掘铲的铲形在破坏土块方面还有进步空间。所以，应该针对以上出现的问题进行合理的挖掘铲的结构设计，对于所设计的挖掘铲应该要满足以下的条件：（1）在马铃薯挖掘过程中的使它的挖净率明显提高，（2）在挖净率提高的同时将对马铃薯的损伤降到最低，（3）让允许范围内的极少量的土壤在挖掘过程中进入抖动筛上，（4）挖掘铲要具备较好的土壤破坏性能，保证马铃薯和土壤混合物能顺利的输送到抖动筛上，（5）挖掘铲的强度和硬度要足够，不易发生变形，而且对能量的损耗要小。1.3挖掘铲的分类专业的设计人员相较于各个地区的土壤情况（土质类型、土壤湿度）设计出了不同类型的挖掘铲。然而，设计的挖掘铲很难完全达到理想的工作状态；常见的马铃薯收获机所安装的挖掘铲类型大体上如下图所示：图1通过调研发现马铃薯挖掘铲的装配类型分为：固定式、往复式、振动式三种类型，而固定式又是使用最为广泛的一种装配形式。根据铲工作时的宽度，挖掘铲又分为：单铲、多铲、双面铲；按照其铲面的设计形状可大致分为：平面铲、凹面铲、槽型铲。而小型马铃薯收获机较多使用的为固定式的多片铲，三角铲的应用占大多数，四杆机构摆动筛的收获机上主要应用的是条形铲，能够顺着整个筛的宽度均匀将挖掘到的物体运送进来。三角平面铲的两侧安装了挡板就相当于通常我们所说的槽形铲，这种铲能保证被挖掘出的马铃薯顺利的进入抖动分离装置上，以此大大的降低了漏薯的现象。1.4挖掘铲类型的选取本文设计的挖掘铲主要应用在小型马铃薯挖掘机上（小型马铃薯挖掘机一般收获行数为单行收获），挖掘铲选择固定式的装配类型，挖掘铲选用多片铲，铲的形状设计成二阶凸面结构，这个结构有理想的碎土性能，同时也能够减少在挖掘时产生的积土现象，使得机器的能量损耗有了明显的下降，挖掘铲结构设计图如下1.5挖掘铲受力分析根据挖掘铲的现实工作状况可以发现，挖掘铲的工作原理是，首先由铲体和铲刃把土层劈开，然后挖掘铲的铲体进入泥土中，当铲体在土层之中做前进的运动时，它挖掘所要克服的力就为土薯混合物对铲体的阻力，我们可以通过两者之间的力学关系，创建出一个挖掘铲与土层之间的力学模型。当挖掘铲在土壤中工作时，土壤的强度、含水率、附着力、内聚力因数，外摩擦因数、内摩擦因数、密度等都会对挖掘铲的特性有着影响。阻力模型图（a）所示：图3马铃薯挖掘机在工作时，挖掘铲受到的阻力基本来源于署土混合物（泥土，马铃薯，碎石块等），但是，所建立的受力模型是对整体的研究对象进行了简化（将马铃薯与碎石块进行了人为的忽略），进行力学分析时研究的对象主要是：挖掘铲和土壤，假设土壤所受的法向载荷为N，被崛起土壤的临界面所受到法向载荷为Nɩ；图3为所建的阻力模型，该模型把挖掘铲的工作参数、土壤的物理机械特性参数利用所建函数式进行了有效的捏合；1函数公式为：1式中：W——牵引阻力（N）；G——土壤重力（N）；z——常系数；C——土壤的内聚力（N/cm2）；F1——土壤的剪切面积（m2）；B——为不同速度下土壤的受力（N）；μ——为内摩擦因数；由力学知识可知内摩擦因数等于正切函数即：μ=tan=tan20º=0.36其中φ为内摩擦角（通常内摩擦角18º~22º)本设计取20º，β为挖掘土壤临界移动面的夹角，其中G——为土壤与金属的附着力因数；α——为铲面倾角(º)；µ1——为土壤与金属的摩擦系数；重粘土及粘土与钢的摩擦系数为0.4-0.9，取0.6。A0——为倾斜工作部件的面积(mm2)；1.6挖掘铲相关参数的设计挖掘铲的相关参数的确定在对挖掘铲进行设计时是非常重要的，挖掘铲参数设计时主要包括：设计参数、工作参数；设计参数主要为：铲宽b（mm）、铲刃倾角γ（º）铲面倾角α（º）、铲体长度L（mm）；其中运动参数包括：收获速度V（m/s）、挖掘深度h（mm）.图（4）铲宽（b）的确定通过对箱体的整体设计可知，在对马铃薯进行挖掘时马铃薯挖掘机的工作宽度为：500mm,箱体的厚度为6mm,此设计选择为固定式的挖掘铲装配方式，形状为二阶凸面式铲形；在对多片铲进行装配时要在铲与铲之间留出间距，由分析可知铲间距为20mm，铲宽b取100mm。铲刃倾角（γ）的确定挖掘铲的受力分析如图，为了保证铲刃在工作时能够把泥土层顺利的切开，所要克服铲刃的摩擦力为：2根据相应的摩擦定律可知：34Fz——为铲刃所受到的总阻力（N）；F——为土壤与铲刃之间的摩擦力（N）N2——为垂直于铲刃分力（N）；联立上式子2，3可得5联立4，5可得铲刃的倾角对收获时的影响：挖掘铲在切入土壤时接触面积会随着铲刃倾角的增大而逐渐变大，那么机械的功耗也会随之增加，挖掘铲的形状会随着铲刃倾角减小而变尖变长，那么挖掘铲的磨损也会随之增大，在收获时容易对马铃薯造成损伤。当内摩擦角φ取20º，通过上式计算得铲刃倾角：γ<70º，这里则选取50º。3）铲面倾角（α）的确定查得很大一部分的铲面倾角范围为：18º~25º通过公式（1）分析铲面倾角对阻力的影响，可以得出铲面倾角与挖掘铲的阻力关系如下图：由图分析可知，挖掘铲所受的阻力与铲面倾角成正比例关系，因此，尤为重要的是根据实际情况来设计铲面倾角。综合文献和理论铲面倾角与阻力关系，最终确定这个机构的铲面倾角α为20º。4）运动参数V在进行马铃薯挖掘收获时，对于小型马铃薯挖掘收获机来说，行进速度一般控制在0.5~1.5m/s，我设计的运动参数选取1.2m/s5）挖掘铲长L如4-4的（a）所示，挖掘铲的长度与铲面倾角、挖掘深度还有运动速度有关，本设计的铲形为二阶凸面结构，由两段组成，前段长度为L1，后段长度为L2，还包括铲座部分L3，在这三段当中主要设计为这个二阶凸面结构，也就是前后这两段。其中，多段铲主要的挖掘工作一般由前段铲承受，通过前期对马铃薯生长的深度资料查询，设计的挖掘铲的尺寸为：h1=130mm。由67已知h1=130mm，V=1.2m/s，φ=20º,α=20º，代入上式可得：L1=382.2mm，L2=44.7mm，铲座L3=40mm可以得出铲的总长度为L=L1+L2+L3=466.9mm，当然现在得出的长度为理论长度，由文献指出，α=14º~20º时，铲的最佳长度为350~400mm；但是，因为在理论设计的过程中取值有些许偏差，导致了理论设计值超出最佳长度，所以在挖掘铲的实际生产时，铲的实际长度应该小于计算出来的理论长度。6）挖掘深度h已经知道挖掘铲的深度h1=130mm，同理可求出h2=36mm所