自走式果园开沟机设计

自走式果园开沟机设计（精选四篇）

自走式果园开沟机设计 篇1

在果树种植中, 施肥是必不可少的一个程序, 多年来基本靠人工完成。随着有机食品呼声越来越高, 果园有机肥的施用量逐年加大, 需要开宽而深的沟, 以利于有机肥的深施。果园开沟机械化需求越来越强烈, 而国内尚无成熟的果园开沟机械。徐州市农机技术推广站根据我国果树栽培较密, 需要小而灵活的开沟机械的特点, 经过多年试验研究, 设计出小型自走式果园开沟机, 其性能已达到设计指标, 能满足果园开沟施农家肥的农艺要求。

1 果园机械开沟施农家肥农艺技术要求

果园施肥方法, 要因地、因时、因树、因肥来选择, 机械化开沟施农家肥主要应用行沟施肥法——在果园内顺着果树行向, 一般每行开一条宽30~40cm, 深40~50cm的长形沟, 把肥料施入沟内并覆土。这一方法适合于较规整的果园, 如苹果园, 猕猴桃园等采用机械化作业。

2 机具结构与工作原理

2.1 机具结构

自走式果园开沟机主要由发动机、离合器、驱动轮、底架、变速箱、传动带、排土器、链支撑架、工作链、刀具、液压缸、开沟链驱动轮、支撑架、手扶把、行走轮、驾驶座等组成。机具采用手扶拖拉机底盘, 包括传动系、转向行走系、和一些辅助设备。驱动轮上方设有一个钢结构底架, 底架上方设有发动机和支撑架, 支撑架中部设有变速箱, 上部安装开沟链驱动轮及轮轴, 底架的正前方设有一个链支撑架, 链支撑架轴通过链传动联接开沟链驱动轮轴, 链支撑架周围安装有工作链, 工作链通过螺栓连接有开沟刀具;链支撑架下方安装有排土器, 排土器能够把用刀具挖出的土排出沟外;链支撑架中后部通过液压缸连接到支撑架的前方;发动机的斜上方设有手扶把及离合器手柄, 发动机的正后方设有行走轮和驾驶座, 驾驶座在行走轮上方, 驾驶员可以坐在驾驶座上操作机具。整机结构如图1所示。

2.2 工作原理

机具在单纯行走时可用三角带直接联接拖拉机的发动机和离合器, 采用六档速度控制机具正常行驶。在开沟作业时, 除去单纯行走皮带, 用另一根皮带联接发动机与开沟链驱动轮。发动机通过传动带、传动链把动力传输给工作链, 工作链转动带动刀具旋转切断土壤, 螺旋式排土器旋转使开挖出来的土壤堆放至沟的两旁, 从而实现开沟挖土的目的, 同时利用变速箱控制机具低速行走, 配合挖掘速度。

2.3 样机技术参数

由于开沟机的工作环境为果园, 根据果园施肥的园艺要求, 确定开沟机的设计参数 (如表1) 。

3 关键部件设计与分析

3.1 开沟机工作链设计

开沟链是开沟机的关键部件, 本机具选用的链条型号为32A, 链节距50.8mm, 单排链极限拉伸载荷222350 FQ/N。

工作链的校核及链节数的确定:通过工作链破坏载荷及作用在轴上的载荷计算, 得出工作链从动轮转速, 由机械设计知选工作链32A满足要求。

链节数。可以根据工作链开沟的深度及链与水平面的角度确定中心距, 而当链速不变, 中心距过小, 容易加速链的磨损, 中心距太大又会发生松边上下颤动的现象, 经计算, 链节数Lp取60。

3.2 工作链上刀具的选择及排列方式

本机具开沟刀材料的选择考虑了材料密度、极限强度、泊松比、耐磨性等, 同时还考虑材料的造价和可维护性。选择优质碳素结构钢65Mn, 刚性好、耐磨损, 刃口经堆焊处理, 增强耐磨性。从以下两个方面对刀具进行了优化设计:

1) 提高开沟刀承受阻力的能力。尽量增大材料的结构尺寸, 又把开沟刀所受阻力控制在一定范围, 减小功率消耗, 因此选择宽度和厚度适中。取宽度80mm, 厚度8mm。

2) 减小开沟刀所受阻力的大小。调整开沟刀结构参数, 通过开沟刀安装排列方式, 减少每把刀的切土量, 减小阻力的同时增大刀的强度。

具体做法:采用组合刀的结构形式分层切削, 分三种刀具, 每种2把, 每组6把:一种杯形刀, 两种L形相同结构不同尺寸的刀进行切土。相邻三把刀之间采用相间的方式进行安装, 使其在工作过程中尽量不重不漏。当进行作业时, 首先由窄刀开出一道沟, 然后通过较宽刀进行扩沟, 最后由长刀达到所要求的开沟宽度, 在切削过程中, 逐层进行, 减小土壤对刀的压力和摩擦力。

4 结论

自走式果园开沟机特征及效益分析 篇2

1工作原理及技术特征

1.1 工作原理

该机采用手扶拖拉机底盘, 整体由底架、过桥架、开沟链条支撑架、驱动行走装置、超低速变速箱、液压升降装置、分土螺旋等部分组成。在单纯行走时可直接联接配套拖拉机的传动V带, 达到高速行走的要求, 作业时, 从柴油机输出的动力经V带及链条传输到开沟刀轴上, 利用链条带动刀具旋转切断土壤, 达到对农田开沟的目的, 同时利用超低速变速箱控制机具行走速度, 用螺旋式排土器将土排出沟外, 堆放在沟的两旁。

1.2 技术特征

(1) 整体结构设计:整机由手扶拖拉机改装而成。将手扶拖拉机前方的发动机移至机具后方, 置于底架上, 增加超低速变速箱, 以配合机具工作时行走速度。机具前方安装开沟及液压升降装置, 通过液压油缸的伸缩, 带动工作链刀上下运动, 控制开沟深浅。

(2) 刀具材料及处理:刀具材料采用65Mn钢, 刃口经堆焊处理。该刀具有刚性好、抗拉强度大、打击力强、耐磨损等优点, 堆焊处理后可提高使用寿命8~10倍。

(3) 采用大、中、小刀相结合的方式, 优化设计了大、中、小刀的形状、数量及排列方式, 在保证挖土效果的前提下, 实现功率消耗最小。

(4) 机具采用模块化设计, 结构优化, 分配动力合理, 安装、维修和拆卸方便, 作业性能高, 通过性好。

2效益分析

2.1 企业经济效益

(1) 产品单位成本 (按年产200台计算)

原料费 (钢板、铸件等) :4 000元;

外购件:11 500元;

辅助材料:800元;

工资及附加费:700元;

管理费:600元;

销售费用:900元;

合计:18 500元。

(2) 批量生产经济效益 (按年产200台, 每台售价2.45万元计算)

①年销售收入=每台售价×年产量=2.45×200=490 (万元)

②年销售成本=单位成本×年产量=1.85×200=370 (万元)

③年毛利=年销售收入-年销售成本=490- 370=120 (万元)

④年税金=每台税金×年产量=2.45×5%×200=24.5 (万元)

⑤年净收入=年毛利-年税金=120-24.5=95.5 (万元)

⑥销售利润率=年净收入÷年销售收入=95.5÷490=19.5%

2.2 购机户经济效益

机具工作效率是人工作业的20倍左右。按每台机具每年工作30 d计, 每台机具每小时工作150 m2, 每天工作8 h, 则至少可开挖0.67 hm2的肥沟, 每年开挖20 hm2, 可节约60 000余元。用节省下的劳动时间从事其他工作, 每年又可有一定收入。另外可使用机具对外服务, 年收入可观。

2.3 社会生态效益

自走式果园开沟机设计 篇3

徐州市农机技术推广站结合江苏省对果园开沟施农家肥的要求、果园种植农艺特点、现有动力状况及现代农业的发展趋势, 研制开发出与小型拖拉机配套的1K-500自走式果园施肥开沟管理机。该机采用手扶拖拉机作为动力部分, 作业时, 经传动装置将动力传输到开沟刀轴上, 利用链条带动刀具的旋转达到对农田开沟的目的, 同时利用超低速变速箱控制机具行走速度, 用螺旋式排土器将土排出沟外。图1所示为该机具结构示意图。

1 机具的性能

1.1 主要技术指标

开沟深度:0~500 mm

开沟宽度:300 mm

配套动力:13.2 k W

作业效率:150 m/h

1.手扶把2.柴油机3.传动带4.超低速变速箱5.支撑架6.开沟链传动轮7.液压缸8.传动链9.链支撑架10.排土器11.驱动轮12.底架13.行走轮14.驾驶座

1.2 经济指标

1.2.1机具工作效率高, 是人工作业的20倍, 推广应用可减少劳动量或雇工支出, 可节约成本1000元/667 m2。

1.2.2利用该机具开沟施用有机肥, 能促进果树生长, 改良土壤, 提高果品质量, 提高果农收入, 每667 m2增收600元。

1.2.3推进果园生产机械化进程, 提高装备技术。以年产500台果园施肥开沟机为例, 每年新增产值600万元, 新增经济效益120万元。

1.3 社会及经济效益分析

1.3.1 节本增效, 提高果农收入。

1.3.2能提高土壤有机质含量, 改善土壤理化性状和果树根际营养, 增强果树抗旱性, 提高果树的抗病抗逆性, 促进果树生长, 提高果品质量, 促进林果业的可持续性发展。

1.3.3一机多用, 除可开沟, 还可配置旋耕、喷药装置, 提高机具利用率。

1.3.4应用范围广, 除果园外, 还可用于狭窄地段、山区梯田、大棚内开沟作业, 将农民从劳动密集型生产中解放出来。

1.3.5引导林果业机械化向绿色环保方向发展, 提高全民身体素质。

2 机具研制成功的意义

2.1 对果园开沟机行业技术创新具有带动作用

我国对开沟机的研究开发起步较晚, 经历了铧式犁开沟机、圆盘式开沟机和链式开沟机的发展历程, 从最初的引进到自行开发, 研制了多种类型挖沟机。由于铧式犁开沟机和圆盘式开沟机传动复杂, 结构笨重, 消耗功率大, 近年来, 逐渐被链式开沟机所替代, 现在的链式开沟机主要为自走式和悬挂式两种。我单位研制生产的自走式果园施肥开沟管理机设计先进、性能突出、结构新颖、价格适中, 代表了当前最先进的果园施肥开沟技术, 该机具的研制成功对果园开沟施肥行业技术发展具有带动作用, 能够有效提高行业技术规范, 提高机具的市场竞争力。

2.2 使农机行业向绿色环保方向发展

近年来, 随着国家对绿色农业的大力倡导, 有机肥在农业上得到广泛应用和发展。特别是在果园的应用上, 使开沟机的研究方向逐渐向果园有机肥开沟机方向发展。本项目研制的开沟机正是针对有机肥施用进行开沟的机具, 本项目实施后, 将有力推进果园绿色机具的发展, 促进农机行业技术进步。

果园施肥开沟机开沟刀的优化设计 篇4

关键词：施肥开沟机,开沟刀,AIP,特征造型,有限元分析

0 引言

果树园林业是现代化大农业的重要组成部分和富民工程的重要途径。施肥是果树生产管理中重要的技术措施,其合理与否直接影响着果树生长、产量、果品质量及经济效益。在生产中,绝大部分成龄果树的根系都分布在400～450mm深处[1],因此施肥深度应控制在400mm左右。鉴于上述情况,施肥前就需在每棵果树两侧、根系集中分布层稍远和稍深处各挖一条连续或断续的宽度为300mm、深度为400mm左右的沟来,然后进行施肥覆土。目前,我国几乎都用人工完成,但人工作业非常困难,工作量大,效率非常低。若采用链式开沟机进行作业,可大幅度提高开沟的效率,但对于专门用于果园里开沟来说,由于果园的地表不平整,有杂草、树枝及石块等,地下有树根,其开沟条件比较恶劣,一般开沟机难以适应。因此,研制出一种适合于果园施肥开沟的机械对减少人力和物力资源的浪费、提高劳动生产率具有重要意义。

开沟刀是开沟机的关键工作部件,其结构参数是否合理直接影响着机具的工作阻力和作业性能。为了获得开沟刀最佳结构参数,利用AIP创建了开沟刀的三维参数化特征模型,并通过内嵌于AIP的ANSYS技术模块对其进行三维结构有限元静力学分析,以期获得较好的结构参数,减小工作阻力,提高作业性能,保证作业质量。

1 施肥开沟机的基本结构和工作原理

1.1 基本结构

开沟机主要由大架、变速箱、液压升降机构、主梁、链条支撑梁、链刀组合机构和搅龙组成,如图1所示。所研制的施肥开沟机基本参数:整机前进速度为400m/h,开沟装置链条速度为2m/s,开沟装置与水平面成30°夹角,沟宽300mm,沟深400mm,开沟机刀片采用断面为C型结构。

1.大架 2.变速箱 3.液压升降机构 4.主梁 5.链条支撑梁6.链刀组合机构 7.搅龙

1.2 工作原理

开沟机工作时,动力由拖拉机发动机通过变速箱带动主轴回转,并带动其上的主动链轮转动。主梁通过液压升降机构使其下倾一定角度,链条紧边上的刀片沿链条支撑梁向上运动,并切削土壤,切削下来的土壤在刀片的带动下绕过主动链轮卸载。卸载后的刀片沿链条支撑梁上侧往下运动,绕过从动链轮后继续切削土壤,如此连续不断地工作。在主动链轮处落下来的土壤经过两侧的搅龙排土器被分到沟的两侧,开沟机同时前行,形成沟槽。

2 开沟刀有限元静力学分析

2.1 创建三维参数化实体模型

开沟刀的结构简单,制造容易,其三维实体模型的基本特征主要为拉伸、倒角、折弯、打孔和镜像。在AIP软件中建立开沟刀的三维实体模型,其造型特征树和结构如图2所示。在特征造型过程中,充分利用参数化功能建立尺寸驱动关联关系,通过更改尺寸可驱动模型变化[2,3],为后续有限元分析时参数更新做好了模型准备。

开沟刀的初始经验数据和可调关键尺寸通过AIP软件系统的fx参数表命名,如图3所示。这些数据中,开沟刀总宽度和安装孔位置是根据所开沟的宽度和链条尺寸来确定的,在后续优化过程中不能变更。其余参数则并非最优,可根据后续分析结果进行确认和调整。

2.2 应力分析

2.2.1 基本分析假设

AIP系统内嵌了ANSYS应力分析技术模块,ANSYS有限元分析技术在三维结构静力学分析中获得了很好的应用[4,5],并且其分析结果的准确性已经得到了公认。

三维实体模型和边界条件共同组成一个可以进行结构静力学分析的物理系统。为了确保分析结果的正确性,分析之前做基本假设:材料为应力与压力成正比的线性材料;暂不考虑温度对开沟刀材料的影响;材料特性在所有方向表现为各向同性;与开沟刀厚度断面尺寸相比,总变形很小[5]。

2.2.2 材料与属性

开沟刀材料的选择需要考虑材料密度、极限强度、泊松比和耐磨性等,同时还要考虑材料的造价和可维护性。优质碳素结构钢65Mn刚性好,耐磨损,在农机部件中常用作犁铧等触土工作部件[6]。本例中,基于AIP系统提供的碳素钢材料创建了65Mn材料。在应力分析中指定该材料,则开沟刀就具备了65Mn材料属性。密度ρ=7.87g/cm3,杨氏模量E=200GPa,泊松比μ=0.3,屈服强度σs=430MPa,极限拉伸强度σb=735MPa。

2.2.3 施加约束与载荷

切屑厚度δ是切削工作面尺寸及机器运动参数的函数,与整机前进速度、链速、刀片排列方式和开沟装置与水平面之间的夹角有关,如图4所示。

单个刀片切削阻力F可通过切屑断面面积A与面挖掘比阻力相乘得到。面挖掘比阻力是指刀片切削时在每1m2切屑断面上所需用的切削力值,它的大小与土壤的机械特性有关[7]。

$F=A\times \delta {}_{\text{ω}}=\delta \times b\times \delta {}_{\text{ω}}=\frac{v{}_0\times L{}_{\text{d}}}{v{}_{\text{L}}}\sin \alpha \times b\times \delta {}_{\text{ω}}$

式中 v0—开沟机前进速度;

Ld—相邻刀片之间的距离;

vL—链速;

α—开沟装置与水平面之间的夹角;

b—切削宽度;

δω—面挖掘比阻力,取δω=2.6×105N/m2[8]。

经计算得单个刀片切削阻力F=1 000N。

开沟刀所受阻力主要指发生在工作隙角倾斜面和刃口部位的摩擦力与正压力,另外还有刀体内外两侧的土壤摩擦力。根据作用面积大小,将阻力进行等效载荷细分,并施加载荷,如图5(a)所示。

2.2.4 网格划分并求解

划分网格前首先确认网格相关性设置,网格相关性用于控制网格单元的大小和数量,粗糙的网格是快速求解方案,其结果可能不准确;反之,精细网格的物理模型数学表示较好,但求解慢,计算时间长[9]。这里采用网格相关性默认设置值0进行网格划分,共得到977个单元和2 372个节点,结果如图5(b)所示。

完成开沟刀材料、约束和力等设置,并进行了有限元网格划分后,即可运行ANSYS求解方案进行计算,得到起苗铲三维应力分析结果。图6所示为开沟刀在受阻力情况下的等效应力和安全系数图。

根据安全系数,可以更加直观地判断材料是否发生永久变形。安全系数可通过对可延展材料应用最大等效应力失败原理来计算得出,应力限制由材料的屈服拉伸强度指定。只有安全系数k大于1的设计才可以被接受,一般认为控制在2～4之间的设计最为合理。表1为开沟刀初始设计的三维应力分析结果。

由表1可知,开沟刀安全系数为0.940,其值小于1,这意味着开沟刀可能会发生永久变形或断裂。若增大钢板的结构尺寸,则阻力也会相应增大。因此,应从开沟刀的结构参数和安装排列方式两方面进行改进。

3 改进结构和安装方式后的分析

利用参数化模型对开沟刀的结构参数进行改进,采用组合刀的形式,如图7所示。窄刀的宽度为140mm,宽刀开口之间的尺寸稍小于140mm。两刀采用相间的方式进行排列,使其在工作过程中尽量不重不漏。

改进后窄刀的受力为467N,宽刀的受力为533N。分别对其进行三维应力分析,结果如表2和表3所示。

由表2和表3可知,改进后开沟刀的安全系数分别为2.555和2.013,均落在2～4之间,且变形量均较小。因此,改进后的开沟刀较好的满足了设计要求,节省了材料,保证了强度,降低了工作阻力。

4 结论

本文利用AIP软件创建了开沟刀零件的参数化模型,确定了开沟刀的基本结构和参数,并对刀具施加载荷和约束,运行AIP的ANSYS求解方案对其进行三维应力计算。根据计算结果,对开沟刀的结构参数和安装排列方式进行了改进。结果表明,改进后的开沟刀的等效应力和安全系数均在要求范围之内。

本文是在一些基本假设的前提下进行的计算和模拟,为开沟刀的设计提供了有用的参考。但在实际作业过程中,开沟刀的受力情况和材料特性都会发生一定的变化,在今后的田间试验过程中可根据试验情况再进行改进设计和优化。

参考文献

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