文摘

现有的垂直螺旋挖沟机主要适用于平坦的果园,和放弃组件的结构设计电力传输系统的设计不匹配,从而导致高放弃功耗和穷人放弃稳定。根据需求的有机肥料在果园深处,一个螺旋铣刀旨在缓解高功耗的常见问题和穷人挖沟机的稳定性和降低功耗的挖沟。因此,螺旋铣刀的运动参数和结构参数进行了优化。使用ANSYS预处理器,有限元模型的建立与螺旋铣刀切削土壤,和隐式功能铣削力系数和瞬时切削厚度之间的关系建立了通过使用摘要(BP神经网络)。的基础上,建立了铣削力预测模型,进行了正交实验获得的最佳组合铣刀头旋转速度,开槽深度,与最低功耗和推进速度:20.16 rad /秒,0.3米,0.12米/秒。通过调查各种工作参数的影响在挖沟机的功耗,提供了分析的基础上选择合理的挖沟机的工作参数。

1。介绍

沟施肥是果园农业管理的一个重要组成部分。放弃可以帮助放松土壤和促进根的生长。施肥可以帮助果树承受压力和产生更多的水果。在果园施肥沟仍然主要是人工操作,尽管它的重要性在维护果树的质量和提高产量1]。在中国,大多数挖沟机设计与大、中型拖拉机、也没有挖沟机设计与微型计算机工作。这使挖沟大型拖拉机无法访问的困难。与中国的新果园种植模式,技术研究和开发优先。目前,新果园主要使用的方法关闭矮树种植,而老果园改变了稀疏干枯的树木和种植大树,允许机械化和高效的果园管理2]。

垂直螺旋挖沟机的工作部分是一套螺旋刀具磨,电梯,把土壤。工作部件小,工作效率高、灵活性和孔长度等特性,都是机器的优势。为果园槽操作,垂直螺旋沟是理想的(3,4]。免耕和树桩的条件下,你们等人研究了播种深度和播种均匀性的变异系数每一行的不同大小的单盘和铲挖沟机(5]。保等人研究了免耕沟播种在出苗率的影响在三个不同的操作速度:单一磁盘,锄铲,反铲挖掘机。免耕开花后,出现率为4.75 km / h揭幕战是最高的6]。王等人创建了一个抵消垂直螺旋挖沟机是影响树冠枝叶,然后测试它在枣葡萄园(7]。减少能耗和双轴振动与反向旋转,垂直螺旋沟Zi和Basti使用有限元方法和光滑粒子流体动力学方法(8]。爬虫minichain挖沟机,配备了遥控装置和可以自由行走的斜率大约20°,特别设计了Yichuan et al。它是一种新型的微型遥控垂直螺旋挖沟机(9],适用于抢劫,尤其是果园操作。由于缺乏国内研究、参考资料、理论研究、行业标准,设计的垂直螺旋挖沟机的问题不正确选择操作和结构参数。结果,关键是彻底调查螺旋铣刀的土壤切削机制,设计和优化能力和结构参数,减少挖沟机的能耗,提高水果生产的机械化水平。

产品质量和生产效率是两个最重要的因素在现代制造业中,必须选择和最佳工艺条件在工艺设计阶段或程序设计。因此,提高加工精度和效率还是要实现虚拟制造,关键是建立一个准确和可靠的切削过程模型。最重要的一个研究主题10,11是表面误差模型的发展。本文设计了一个垂直螺旋挖沟机的主要工作部件基于深度的要求有机肥料的应用在果园和前人的设计经验。本文着重于土壤切削过程的螺旋刀具组合和优化的动态和螺旋铣刀的结构参数组合来减少挖沟机的土壤切削能耗。基于铣削力模型,两个切削力分析索引、切削力的变化,从曲线中提取,和实际的切削深度的计算方法进行了分析,从分析采伐面积的变化与进步通过分析多个重叠度的牙齿和形状特征的研究。

1.1。创新

(1)根据当场挖沟机的工作质量标准和园艺技术的需求在挖沟机的实际工作性能,铣削过程中土壤与螺旋刀数值模拟和分析。ANSYS预处理器用于建立的有限元模型与螺旋铣刀切削土壤,加载和边界条件应用于刀具和土壤,土壤和导出密钥文件切割(2)基于铣削力的预测建模,槽的最佳操作参数条件下的最小功耗是通过正交试验获得。根据挖沟机的各种运动参数的影响在挖沟机的功耗,提供一些指导建议挖沟机的实际操作

本文分为五个章节,组织结构如下:

第一部分介绍了研究背景和意义之前,论文的主要工作。第二部分侧重于设计和优化的相关技术的垂直螺旋挖沟机的工作部件。提出了研究的具体方法和实现在第三部分。第四部分验证研究模型的优越性和可行性。全文总结五部分。

2。相关工作

2.1。挖沟机的研究现状

近年来,国内外学者做了很多研究在垂直螺旋槽。吴等人创造了一个“正弦波指数curve-circular弧”结合挖沟机是安装在一个垂直螺旋盘式挖沟机和测试在一个果园12]。玉等人设计的关键参数小麦免耕播种机的弧形刀,斜率和入口等角度,研究了刀的阻力在不同工作速度(13]。刘等人挖沟机的应用范围扩大装备这些块链和各种材料和大小的块,如杯牙齿,岩石的牙齿,根据不同的土壤和冻土的牙齿,材料和硬度14]。螺旋挖沟机设计和开发,以满足农业需求的覆盖土壤中小麦沟。具有良好的土壤扔性能、高适应性和低功耗。65 mn钢用于制造螺旋叶片(15]。黄等人进行了无数的热处理实验在螺旋叶片同时确定最佳工艺路线螺旋叶片热处理(16]。程等人发明了自动挖沟机,可以挖掘粘土、砂和砾石土壤和用于小型管道项目,如电信纤维海沟和电缆槽(17]。江等人创建了一个紧凑的行走tractor-compatible圆柱形可变螺距扶轮果园排水系统。设备设计简单,成本低,节省成本,和实用18]。曹等人模拟土壤的力学性能在削减通过开发合适的土壤成分模型,其中包括不同细胞分裂的形状和边界条件的切削土壤,以更好地模拟土壤之间的交互和预测土壤的应力分布和变形和切削工具19]。在粘性土壤,Xj等人进行了有限元模拟与线性切削刃切削工具(20.]。

2.2。铣削力预测模型的研究现状

自动生产系统的不断发展,切削状态的监测功能的要求越来越高。如何找到这个工具磨损,及时更换磨损的工具是保证产品质量的关键和自动切割过程的正常运行。国内外学者已经提出了许多监视工具,其中切削力监控被认为是与实际应用潜力的方法,和切削力建模和控制方法的研究是解决这一问题的基础。

高速铣削是一种先进制造技术,已经得到普及和发展在过去的十年。高切削速度、大型饲料,加工精度高,表面质量好是这台机器的所有特征。铣削力有很大的影响在高速铣削刀具磨损和破坏,所以精确的切削力预测可以用来分析高速铣削的机制并提供指导。

经验公式模型描述了铣削力和切削几何参数之间的关系用一套铣削力系数。切割工件的各种实验材料进行了在不同切削条件下刀具的各种材料和几何参数,产生大量的铣削力测试数据。曲线拟合可以用来计算系数的不确定性。切削力模型常数系数更大的预测误差,根据切削力系数的比较,平均切削厚度不变,和指数函数。适合切削力系数和切削参数之间的关系,胡锦涛等人使用二次响应面方法(每齿切削速度、饲料,轴向切削深度,和径向切削深度)。使用最小二乘法系数之和计算(21),切削力系数是一个二次多项式。瞿等人表明,切削力系数几乎没有影响预测效果,无论是否考虑边缘效应(22]。田中等人利用人工智能技术的直接模拟方法建立源方程和预测切削力(23]。切削过程仿真系统包括数据库技术和数据库,以及模拟实验和分析能力。基于能量的机制并没有改变在切割和严谨的数学手段,Kiswanto等人系统地调查了力学性能的球头立铣刀的切削刃(24]。应用神经网络模型、雷等人提出了有限元数值模拟方法和神经网络建模方法25),这都需要大量的样品进行实验。所有的有限元模型需要高层次的专业软件的使用,这是不方便使用。

3所示。方法

3.1。垂直螺旋挖沟机的工作部件的设计

3.1.1。螺旋叶片的设计

挖沟机的主要工作原理是,柴油机的功率输出和传播挖沟机的齿轮箱输入轴通过皮带传动。齿轮箱减速后,电源输出的一部分拖拉机传动装置的电动工具和传播通过皮带传动,所以整个装置可以在低速和爬行前进,和减速机可以提供稳定的牵引。

挖沟机的主轴是由链传动驱动旋转,驱动链式刀旋转放弃操作。在操作过程中,放弃刀硬边链移动逆时针沿着链的支持减少土壤线,形成一个沟里。当挖沟机转或地面,驱动液压阀的主光束最高的位置,并切换挖沟机的齿轮箱,使拖拉机回到原来的速度,以低速运行(11]。

螺旋叶片主要的角色装配沟里刀片,传输沟扭矩,和运输土壤沟叶片。放弃操作的土壤颗粒减少扔进沟里墙的离心力的作用下螺旋叶片,沟壁摩擦,使旋转角速度低于旋转角速度,并沿着沟壁螺旋叶片向上滑动,使土壤运输成为可能。

因为果园作业的沟渠是梯形,单行的变距螺旋叶片不容易块土壤,因此本文使用单行的可变螺距锥形螺旋叶片(15,16]。的螺旋叶片是一个锥形螺旋,等于斜率和可变螺距,这是一个空间曲线上形成正确的锥形面。螺旋角是一个重要的参数,它是斜切线的夹角和螺旋轴中等直径圆筒(15- - - - - -17]。螺旋叶片的三维模型图所示1。

根据挖沟机的主要参数,上部直径螺旋叶片 ,较低的直径是 ,的长度是 ,厚度是 。参数方程如下:

类型 ; ; ; 是系数;锥顶半角;是独立变量;螺旋角。

3.1.2。螺杆机设计

的结构和安排抛弃刀具对挖沟机性能产生重大影响。凿子和弯刀槽工具分类的例子,主要是由他们的结构形式。一把弯刀的优点结合凿和一个直角刀。它具有良好的结构性能,以及良好的土壤喂养和挖掘的属性,并将是困难的。它可以用于果园磁盘学士。增加机器的适应性组件。开槽刀是一个商业开槽砍刀土壤土壤扔性能好,能有效地运输。刀是由65 mn,耐磨性高。

抛弃了铣刀头的目的是统一安装6放弃每层刀头,刀和相邻的抛弃刀具刀头安装在不同的位置,以确保稳定的开槽和土开挖的连续性。抛弃刀已经十八30°走沟头的安装和固定抛弃刀头的刀座焊接边缘。加强槽铣刀头的转弯半径确定35厘米,38.5厘米,插齿刀安装后42厘米。因为挖沟机的工作部件的底部和侧面部分叶片切削土壤的过程中,本研究可以简化它。如图2,使用挖沟机模型。

放弃把刀的土壤切削过程是复杂的,和刀迅速变化的应力和变形。弹性变形、塑性变形和有时会发生断裂。因为这些问题,有必要简化有限元数值分析模型的运动分析和建模15]。(1)假设挖沟机的前进速度和链式速度在工作过程中保持不变,和挖沟的绝对速度的大小和方向保持不变(2)速度链结合挖沟机的前进速度和速度是抛弃铣刀的切削速度(3)忽略的振动刀切削土壤时,假设抛弃刀总是在某一平面上移动

传统的叶轮旋耕机主要由几个旋转分蘖,轴上安装的旋耕机具有一定宽度和广泛的适用于旋耕土壤。果园挖沟、挖沟机双铣刀盘挖沟机是不同于传统的旋耕机刀辊,主要相当于盘抛弃小格式的操作。然而,槽的槽刀刀盘仍有旋耕机的运动学特征。

以放弃开杯形叶片的弯刀作为一个例子,刀盘的旋转中心轮的放弃过程设置为坐标原点 ,和挖沟机的前进方向与水平方向上的一致 。水平轴的运动方向 - - - - - -轴方向, - - - - - -轴是垂直向上;然后,刀轮的运动方程表示为叶片端点

在上面的公式中,是刀具的旋转半径的终点,mm;是刀轮的旋转角速度,rad / s;挖沟机的前进速度,mm / s;

是锻炼时间,s。

推导出方程(2)对 ,并获得的速度公式的刀片的方向 轴:

叶片的终点的绝对速度是刀片切割速度 :

3.2。模态分析的工作部件的垂直螺旋挖沟机

有限元法是一种有效的和通用的计算方法。从本质上讲,它可连续成一组元素,用相对简单的几何形状。我们解决这个问题通过连接这些离散的元素节点。有限元法的基本原理是使离散连续解决方案域元素的组合和表达中的未知长函数的解决方案域近似函数假设为每个元素。通过扩展未知场函数的导数的各节点的数值插值函数的元素,整个模型的近似解。显然,离散单元越多,精度越高的插值函数和数值解的准确性就越高。

完整的有限元分析的基本步骤应该包括以下几点:(1)在建模阶段,简化有限元模型用于数值有限元计算提供输入数据根据实际的形状和结构的工作条件。有限元建模的主要任务是离散化结构(网),其中还包括定义元素属性,质量检查元素,必须指定编号的顺序和边界条件的模型(2)在计算阶段,计算阶段的任务是完成相关有限元数值计算方法。由于大量的计算,这部分是由有限元分析软件,在电脑上完成(3)在后处理步骤,进行必要的处理计算输出结果,应变和应力等有用的结果输出,和质量分析通过特定的方式显示或打印的图形界面。结构性能或设计的合理性,改善和优化其结构来达到最好的效果,这是执行结构有限元分析的目的

模态分析是非常重要的理解和优化结构的固有动态特性,而且它有助于设计更轻,更强,更安全的结构,从而减少能源消耗和提高性能。希望前五模式的螺旋叶片工作部分将受到考验,7自由度有限,工作灵活的绳索,将暂停一部分和加速度计安装在相等的时间间隔沿外螺旋面。选择一个随机的锤激发并运行模态分析过程,如图3。

运行模态分析接近激发力信号过滤后的稳态零均值高斯白噪声,这意味着不需要测量的激励力量,大大简化了测试过程,缩短了测试时间。从测量响应,结合估计结构系统的模态模型提取的估计模型结合系统[4]。

使用免费的网方法网工作部分,使智能尺寸控制,并选择六步分割精度。网格的质量几乎没有影响有限元模态分析的结果,所以上的细粒度的网格模型局部网格如图4。

有限元模态分析的边界条件可分为自由模式和约束模式。在运行模式下测试,暂停工作部分的方法可用于自由边界的方法。由于运行模态测试,自由边界用于有限元模态分析。也就是说,工作部分的有限元模型没有限制的自由。

表1给出了固有频率和振动模式的描述工作的一部分,螺旋槽的完全自由的状态。从表中,不难发现,每个订单的频率分布是合理的。前三个订单的自然频率的工作部分是0,和第四到第六的自然频率订单非常小,也就是说,他们几乎是一样的前六个订单获得的自由模态分析。这是因为模式是一个刚体模式,模式包括三个翻译的形状和三个旋转部分的整个刚体。

通过上面的分析,我们可以得到的振动形式参与自由州工作。由于主轴的质量比那个重的螺旋叶片,主轴的弯曲振动是主要在低转速。螺旋叶片的轴向振动是主要的高阶模式,即补偿轴的扭转振动。

3.3。优化切削参数

3.3.1。铣削力预测模型

实现上面的铣削力建模概念,该工具必须先给出一个详细和精确的几何描述(描述倾角、螺旋升角螺旋延迟角,和轴角),然后,每个小音段切割过程必须解决。最后,我们必须确定数量的小音段参与削减目前的旋转角的坐标变换矩阵。斜率之间最重要的区别是切削力系数模型的铣削力预测模型和现有的建模方法。

典型的铣削刀具通常有超过两个切削刃均匀分布在圆周上,和切削刃的螺旋升角一般在200°~ 500°。为方便分析,假设参与切削工具的长度(沿轴向方向的工具),如果该工具的前沿同样分成沿轴向方向相等的部分, 。然后,剪薄切片的轴向距离 从底部的工具可以表示为

的公式, 代表的含义与切割小音段的含义一致 。

根据实际铣削过程,可以看出三维力小音段 两人切向力沿着螺旋前沿,径向力垂直于倾斜面的前沿和圆周力垂直于前面。

基于切削力系数的模型倾斜面,三个方向的切削力系数沿倾斜面 ,所以铣削力可以表示为切削力系数和瞬时切削面积的乘积。因此,

当工具旋转位置的角 ,瞬时切削合力的切削力的矢量和切削刃参与切削。然后,当旋转角度的工具 ,瞬时切削力的工具 方向是

3.3.2。挖沟机的优化土壤切削参数

当优化土壤挖沟机的切割速度,土壤挖沟机的切割厚度也应该被考虑。当土壤挖沟机的切割速度减少,土壤挖沟机的切割厚度增加;否则,土壤切削厚度降低。由以下公式计算:

在上面的公式中,是放弃的绝对切割速度刀,m / s;挖沟机的线性速度链,m / s;挖沟机的前进速度,m / s;和是放弃链与水平面之间的夹角是25°时挖沟深度是40厘米。

在上面的公式中,之间的角度是绝对的挖沟机的切割速度和水平面。

在上面的公式中,是土壤的厚度减少挖沟刀,mm;是两个抛弃刀之间的间距,毫米。

当链速度是1.6米/秒,切割厚度大的刀和小刀是一样的,和变化是0.2毫米的。进入此切削速度时放弃刀切削模型,单个刀片的切削能力在这个速度是0.162千瓦,低于32%为2.5 m / s。

3.3.3。挖沟机的优化能力

为了了解能耗的变化规律抛弃刀头不同工作参数下,我们研究了工作参数影响抛弃的功耗和发现最好的组合因素当能耗最低。推进速度,转速和挖沟深度的抛弃刀头被选为调查因素,功耗是作为评价指标。虚拟正交试验对三个因素进行了正交试验方法。

在这个实验中,三个工作参数,即。,刀盘的速度 ,挖沟深度 ,和前进的速度挖沟机的选为试验因素。根据垂直螺旋挖沟机的实际工作条件,试验因素水平表所示2。

4所示。实验和结果

4.1。模态分析结果的验证

刚体模态的模态固有频率和删除重复的根免费的有限元模态分析的结果,和各种模式的固有频率比较结果从模态分析获得实验如图5。

从图可以看出5模态频率的相对误差1和4是相对较大的,和其他订单的频率误差都在3%以内。有限元理论模型的正确性和分析方法建立了在ANSYS模态分析验证了测试中,它提供了一个强有力的理论依据优化工作部件的结构参数,可以大大节省人力和物力。减少资源和资本投资是一个重要的指南螺旋挖沟机设计。

4.2。挖沟机工作参数的优化结果分析

修改根据运动参数表文件2并提交ANSYS求解器求解。模拟数据保存后,使用超编辑打开数据和能耗模拟结果输入到表中。

为了探索挖沟功耗的趋势改变参数的三个因素,根据三个因素的测试数据和三个步骤,以每个因素的水平为横轴,以平均值为纵轴,三个影响因素的影响曲线槽能耗,如图6。

从1级到3级,抛弃倾向于降低功耗的刀头转速的增加,因为当刀头转速较低,土壤颗粒小,获得的动能和土壤不能减少,从而导致失败。放弃刀削减土壤反复。铣头速度的增加,土壤获得更多动能,成功削减和土壤,减少重复切削土壤中,这表明,能耗降低。

在推进的过程中速度从1级到3级,挖沟功耗的增加与推进速度的增加,但发展速度的进一步提高,增加能耗降低率可以忽略。

为了进一步确定各影响因素的影响的意义上挖沟机的能耗,使用SPSS软件分析正交试验结果的方差。表3所示。

根据正交试验的方差分析,可以看出,旋转速度有很大影响功耗的槽,而推进速度几乎没有影响功耗的槽。根据方差分析的显著结果,订单的各种因素对工作功耗的影响范围分析的结果是一致的,也就是说,刀盘速度> >开槽深度推进速度。最佳工作参数组合条件下的最小功耗; , , 。

因此,在挖沟机的实际工作过程,会议的要求条件下的果园放弃农业,挖沟深度应尽可能减少和铣头的旋转速度应适当增加来实现它。目的是减少挖沟机的功耗。挖沟机的推进速度几乎没有影响功耗,因此在实际工作过程中,挖沟机的工作速度和效率可适当增加。

4.3。铣削力预测模型的实验验证

不同的工件材料有不同功能的切削力系数和切削厚度之间的关系。根据给定的斜面切削力系数的确定方法,用平端铣刀铣削铝部件时,铣削力对应一个旋转的铣刀是提取三维铣削力测量实验1。建立了铣削力预测模型可以计算三维切削力系数 对应于不同的切削厚度,隐式功能切削力系数与切削力之间的关系用BP神经网络建立了。

对不同实验切削条件对应于不同切削厚度、切削力系数 可以通过隐式功能获得切削力系数和切削厚度之间的关系建立了摘要。然后,铣削力预测的铣削力预测模型。切削条件的控制结果根据实验2,实验3和实验4图所示7,8,9。

可以看出这三组比较结果的预测和实验,预测结果与实验结果吻合较好,预测精度是更好的在相同的切削条件下,满足实际应用的需求。

5。结论

基于铣削力模型,分析和优化设计的垂直螺旋挖沟机工作部件的帮助下3 d绘图软件、有限元分析软件Matlab优化工具箱和绘图功能。研究结论如下:(1)自由模态分析的工作的一部分,垂直螺旋挖沟机是由使用ANSYS软件,并与测试结果的运行模态分析,验证了有限元分析方法的正确性(2)使用正交试验方法,虚拟三因素三水平的正交试验进行了三个工作参数的影响挖沟的功耗。操作参数的最佳组合条件下的最低功耗:旋转速度是20.16 rad / s,挖沟深度0.3米,前进速度是0.12米/秒(3)摘要三维切削力系数可以通过铣削力预测模型,可以记录和相应的瞬时切削厚度。因为相应的函数可以从函数改变切削条件后,获得铣削力预测是意识到,和铣削力预测模型的准确性由实验验证

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者没有任何可能的利益冲突。