切收機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
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本設(shè)計(jì)主要是對(duì)整機(jī)的工作效率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，影響整機(jī)工作效率的因素主要有整機(jī)的行走速度和鏈板式工作部件的工作尺寸。本優(yōu)化設(shè)計(jì)是在不改變?cè)械?86風(fēng)冷柴油機(jī)(標(biāo)定轉(zhuǎn)速3600r/min;連續(xù)輸出功率為5．7kW)、行走變速箱和工作部件變速箱的情況下，通過(guò)改變鏈板式工作部件的工作尺寸來(lái)改變1次取土作業(yè)的工作寬度。合理地設(shè)計(jì)工作部件工作寬度和刀板的厚度，以達(dá)到最佳的取土效果。3驅(qū)動(dòng)牽引力數(shù)學(xué)模型驅(qū)動(dòng)牽引力主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Ttq和地面附著系數(shù)φ決定的。整機(jī)的驅(qū)動(dòng)牽引力不僅受驅(qū)動(dòng)力的影響，而且它還受到輪胎與地面的附著條件的限制。地面對(duì)輪胎切向反作用力的極限值稱為附著力Fφ，在硬路面上與驅(qū)動(dòng)輪法向反作用力Fz成正比，即FXmax=Fφ=Fzφ(1)其中，φ稱為附著因數(shù)，它是由路面和輪胎決定的。由推薦值可知在干燥的土路上φ的取值為0．5～0．6。為了簡(jiǎn)化模型計(jì)算，認(rèn)為整機(jī)的重力由驅(qū)動(dòng)輪支撐。通過(guò)已有實(shí)驗(yàn)樣機(jī)推測(cè)整機(jī)質(zhì)量為400～500kg，由此可以計(jì)算附著力Fφ=2000N。此時(shí)，可知整機(jī)提供的最大驅(qū)動(dòng)力Ft=Fφ=2000N。4工作阻力數(shù)學(xué)模型整機(jī)工作過(guò)程中的阻力包括:一是由于機(jī)器在行走過(guò)程中產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力F滾;二是鏈板式刀組切土阻力F切。所以工作阻力為Ff=F滾+F切(2)4．1滾動(dòng)阻力模型滾動(dòng)阻力等于滾動(dòng)阻力系數(shù)與車輪負(fù)荷之乘積，其計(jì)算公式［4］為F滾=fW其中，滾動(dòng)阻力因數(shù)f根據(jù)推薦值選取f=0．0076+0．000056ua［4］(3)其中，行進(jìn)速度在3～6m/min，計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)，即F滾=0．0076×4000=30．4N4．2刀板切土阻力模型在切土過(guò)程中，作用在刀板上的主要阻力包括:土壤變形力、速率不連續(xù)所發(fā)生的力、土壤慣性力和外摩擦力。下面對(duì)刀板面進(jìn)行受力分析，受力圖如圖2所示。4．2．1刀板面上的壓縮力土垡OO＇B＇＇A在刀板面上的壓縮應(yīng)變?yōu)棣?1－sinβsin(α+β)(4)刀板面上的壓縮應(yīng)力P0=f(ε)，其中f(ε)可由土樣的壓縮試驗(yàn)得出。根據(jù)Jaky定律［6］，側(cè)向應(yīng)力Pg與正向應(yīng)力P0的關(guān)系為Pg=P0(1－sinφ)，這樣作用在刀板表面OA上的法向壓縮力為PG1=bL2f(ε)(1－sinφ)=bL2f(1－sinβ)sin(α+β)(1－sinφ)(5)設(shè)在刀板上AC段的土垡所受法向壓力的分布為自A點(diǎn)起按直線關(guān)系下降至0，因而在AC段，刀板面上的法向壓力為PG2=0．5b(H－L2)(1－sinφ)f1－sinβsin(α+β[])(6)作用在刀板面上的總法向土垡壓縮力為PG=PG1+PG2=0．5b(H+L2)(1－sinφ)f1－sinβsin(α+β[])(7)4．2．2側(cè)刃剪切力在圖2中，作用在剪失效面AB上A點(diǎn)的法向壓力為σA=P0(1－sinφ)，而在AB線上任意一點(diǎn)P'(AP'=y)處的正壓力為σy=P0(1－sinφ)(L－y)L，將此式σY作為σn代入剪強(qiáng)動(dòng)力方程lnτ=C1+C2lnr+C3(1+C4σn)得lnτy=C1+C2lnγ+C31+C4P0(1－sinφ)(L－y)[]L(8)即側(cè)刃剪切力為Psh=∫L0τydy=eC1L2γC2［1+C4P0(1－sinφ)］C3+1－1C4P0(1+C3)(1－sinφ)(9)4．2．3Ω
2區(qū)的土壤加速慣性力
土壤加速慣性力主要發(fā)生在Ω3區(qū)，任取一行平行于刀板板面的平面N，交Ω2的邊界和Ω4的邊界線于j(如圖3所示)，i處土壤速度為零，j處土壤速度為Uf;設(shè)速度從i到j(luò)為線性均勻加速，且方向不變，則慣性力為Pa=bHDwU2sinαgsin2(α+β)(10)式中Dw—土壤容重［6］。．2．4土垡沿刀板的摩擦阻力刀板法向力為Pn=(Psh+Pa)cos(90－α－β)+PG其中，PG為刀板面上的總法向土垡壓縮力。應(yīng)用動(dòng)摩擦阻力方程式Pf=C'+AlnV+σntgφn，并將土壤沿刀板面運(yùn)動(dòng)速度Ue和刀板法向力Pn代入，得Pf=bHC'+AlnVsinβsin(α+β)+Pntgφn(11)4．2．5刀板總水平阻力綜上可得出Px=P0sinα+(Psh+Pa)cosβ+Pfcosα+P0(12)4．2．6模型計(jì)算結(jié)果根據(jù)土樣試驗(yàn)所得P0=f(ε)曲線和動(dòng)力剪強(qiáng)方程的參數(shù)C1，C2，C3，C
3值及動(dòng)力粘附摩擦方程的參數(shù)
C'at，A，φa值，代入式(12)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)在切削速度、切削深度和切削角度一定的情況下，切削總水平阻力與切削寬度成線性關(guān)系。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，切削寬度要求為90～100cm。從計(jì)算結(jié)果圖上來(lái)看切削寬度在90～100cm范圍內(nèi)水平總切削阻力大概在1．5～1．8kN。為了提高切收土壤效率，可以選擇切削寬度為100cm。當(dāng)切削寬度在100cm時(shí)，通過(guò)圖4可知切削過(guò)程中切削總水平阻力大約在1．8kN左右。4．3切削力與刀具厚度的關(guān)系上述切削阻力數(shù)學(xué)模型沒(méi)有考慮刀具厚度對(duì)切削阻力的影響。在刀具斷面面積，切削深度都相同的條件下，通過(guò)對(duì)具有不同寬厚比的刀具，切割相同土壤時(shí)的切削阻力進(jìn)行比較，可以看出刀具形狀對(duì)切削阻力的影響。試驗(yàn)采用了斷面面積為10cm2而厚度分別為0．2，0．25，0．3，0．35，0．4，0．45cm的刀具。通過(guò)對(duì)土壤進(jìn)行連續(xù)地切割(切削角為90°)，得到了各刀具所受阻力隨切深變化的數(shù)據(jù)，圖5和圖6為當(dāng)深度為10，15cm時(shí)的切削阻力二次回歸曲線。從圖5和圖6可見(jiàn)，當(dāng)切削刀具作用于土壤的面積一定時(shí)，存在著合理選擇刀具寬厚比的問(wèn)題，若刀具斷面尺寸選擇得當(dāng)，可減小切削阻力。通過(guò)優(yōu)化分析，可以選取厚度為0．35cm的切土板，這樣可以達(dá)到降低切削阻力的效果。
4功率和驅(qū)動(dòng)力校核
4．1功率校核在確定行走速度為6m/min和切土工作寬度為100cm的情況下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行校核。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率主要用于行走驅(qū)動(dòng)和切土過(guò)程，行進(jìn)過(guò)程的阻力包括滾動(dòng)阻力和切土阻力，即Ff=F滾+F=1830．4N，行進(jìn)速度為6m/min時(shí)，所消耗功率為P1=Ffv=183．04W;碎土提升高度約為1．1m，按碎土密度200kg/m3計(jì)算，碎土提升功率為8W;鏈板刀組中主動(dòng)軸鏈輪的節(jié)徑為151．873mm，額定轉(zhuǎn)速為180r/min，故切削線速度為1．43m/s，按切削力1800N計(jì)算切土功率P3=Ffv=2574W。合計(jì)所需的功率為P=P1+P2+P3=2765．04W。而186風(fēng)冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的連續(xù)輸出功率為5700W，所以此發(fā)動(dòng)機(jī)的功率滿足整機(jī)需求。5．2驅(qū)動(dòng)力校核在行進(jìn)過(guò)程中，由地面提供的最大附著力為2000N，而整機(jī)在切土的整個(gè)過(guò)程中所受到的最大阻力在1800N左右，即使考慮該工作過(guò)程沖擊較為嚴(yán)重，且存在土層內(nèi)容物不確定等因素。186風(fēng)冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)也有足夠的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)整機(jī)行進(jìn)。
5結(jié)論
通過(guò)建立驅(qū)動(dòng)力數(shù)學(xué)模型確定最大驅(qū)動(dòng)力，對(duì)刀板進(jìn)行受力分析，通過(guò)對(duì)樣土進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，在切削深度、切削角度確定的情況下確定切削阻力與刀具寬度的關(guān)系，并在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)確定最優(yōu)的刀具工作寬度。通過(guò)用不同厚度的刀具連續(xù)切割相同面積的土壤獲得切削阻力與刀具厚度的關(guān)系，從而確定刀板的最佳厚度。在樣土壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，由于測(cè)量工具的局限性以及測(cè)量過(guò)程存在系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，導(dǎo)致結(jié)果有偏差，但是在允許范圍內(nèi)。今后需要對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行修改完善，以達(dá)到最優(yōu)效果。
作者：袁永偉 弋景剛 姜海勇 王澤河 單位：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院
