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1、 Classification code: HT122 UDC: 621 Confidentiality level: Public University code: 10712 Postgraduate number: S070239 Thesis for Masters Degree Northwest A University in 2010 DESIGN ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF MINI ORCHARD TRENCHER Major: Mechanical Design and Theory Research field: Mechanical CAD
2、 & CAM Name of Postgraduate: Wang Jingfeng Adviser: Yang Fuzeng Date of submission: 2010.05 Yangling Shaanxi China 研究生学位（毕业 ） 论文的独创性声明 本人声明：所呈交的硕士学位（毕业 ） 论文是我个人在导师指导下独立进行的研究 工作及取得的研究结果：论文中的研究数据及结果的获得完全符合学校关于规范西北 农林科技大学研究生学术道德的暂行规定 .如莱违反此规定，一切后果与法律责任均由 本人承担。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的
3、研究结果，也不包含其他人和自己本人已获得西北衣林科技大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料 .与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文的致谢中作了明确的说明并表示了谢意 . 研究生签名：王奈丨孔 时间：年 5 月合曰 导师指导研究生学位（毕业 ） 论文的承诺 本人承诺：我的硕士研究生 , _所呈交的硕士学位（毕业 ） 论文是在我 指斗下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现岗职务工作的结果，并严格按照 学 H关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定而茯得的研究结果 .如 果违反学校关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定，我必须接受按 学校有关规定的处罚
4、处理并承担相应导师连芾责任 . 导师签名 : 时间 ： 论文的知识产权归属西北衣林科技大学，本人同意西北衣林科技大 学保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅； 同意西北衣林科技大学将本学位（毕业 ） 论文的全部或部分内容授权汇编录入中国优 秀硕士学位论文全文数据库进行出版，并享受相关权益。 本人保证，在毕业离开（或者工作调离）西北农林科技大学后，发表或者使用本学 位（毕业 ） 论文及其相关的工作成果时，必须以西北衣林科技大学为第一署名单位，否 则，按违背中华人民共和国著作权法等有关规定处理并追究法律责任。 任何收存和保管本论文各种版本的其他单位和个人 (包括研
5、究生本人 )未经本论文作 者的导师同意，不得有对本论文进行复制、修改，发行、出祖、改编等侵犯著作权的行 为，否则 .按违背中华人民共和国著作权法等有关规定处理并追究法律责任， (保密的学位论文在保密期限内，不得以任何方式发表、借阅、复印、缩印或扫描 复制手段保存、汇编论文） 研究生签名： 王糸吼 时间 ： Injc年 夕 月 弇 曰 微型果园开沟机的设计分析与优化 摘要 果树施肥是果树保质增产的一项必须的园艺作业工序，目前我国多数果园仍采用人 工作业，强度大、效率低，而且随着劳动力成本的不断提高和农村青壮年劳力的短缺， 果树施肥的机械化需求越来越迫切。但由于果园果树行距小、冠下高度低，而我国现
6、有 的开沟机多是与大中型拖拉机配套的机型，体积大，无法与微型果园机械配套，所以研 制一台与微型果园机械配套的开沟机有重要的现实意义。 针对果园开沟施肥的园艺要求设计了一种果园施肥所急需的微型链式开沟机，论文 的主要研究工作如下： 1) 根据果园开沟施肥的园艺要求确定了该开沟机的设计参数；对开沟机进行运动 学分析，确定了其前进速度、开沟倾角等参数；根据经验公式确定了刀片切削土壤过程 中受到的阻力，得出了开沟机消耗的总功率。 2) 完成了开沟机关键部件的结构设计，并绘制了其主要零部件的三维 Pro/e图，进 而完成其三维装配图。 3) 建立了 Pro/e和 Ansys的无缝接口，借助有限兀法的基本
7、思想，利用 Ansys软件 对该开沟机工作臂进行了静力学分析和模态分析。通过对工作臂的静力学分析得出：应 力最大值位于焊缝处，最大值为 70.676Mpa， 小于许用应力；最大的节点位移（挠度 ） 位于工作臂顶端，值为 0.326mm， 小于许可 挠度；故设计的工作臂在刚度上满足要求。 对工作臂进行模态分析并扩展其前 4阶模态得出：应将开沟机的工作频率设计在小于 130.76HZ， 或在 141.36HZ 770.51HZ之间，以避免共振。 4) 利用 Ansys软件对该开沟机刀片进行了静力学分析得出：整个刃口处、刀片螺 栓固定处的圆孔以及刀片的小端是应力集中的地方，最大的应力位于刃口刀尖处，
8、值为 8.448Mpa， 小于许用应力；刀片可以承受 5倍于正常载荷的冲击载荷。 5) 分析了切削厚度 3与开沟机倾角 a,、机组前进速度 vv及链刀速度的关系得出： A为 45时 3取得极值 ；增大 或减小 vv可使 3减小。开沟机的切削功率随着 3的增加 而增大，根据不同的切削厚度可以选择通过提高，或降低，或减小 a,，有效地降低切 土功率的消耗。 6) 建立了该开沟机功耗的数学模型，对其功耗进行了优化，使功率消耗降低了 30%， 当机组前进速度 vv=100m/h,链刀速度 ve=1.35m/s,开沟机倾角 ax=45 时开沟机的功率消 耗最小。 关键词 ：果园；开沟机； Ansys分析
9、；优化 DESIGN ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF MINI ORCHARD TRENCHER ABSTRACT Fertilization is a must horticultural work procedures that can increases yield and quality. At present, it is still in manual completion in china, strength, low efficiency, and along with rising labor costs and the shortage of yo
10、ung labor, the demand for mechanization of fruit trees is growing more and more intense. As the reasons for orchard planting pattern, spacing of small, low branches, but more with our trencher and medium-sized tractor, this directly led to the ditching machine entrance difficulties. Development of a
11、 remote control with micro-mechanical package of ditching machine has important practical significance. A small chain trencher was been designed against the horticultural requirements for orchard fertilization, the papers main work is as follows: 1) Under the gardening requirements of fertilization，
12、 the trenchers design parameters have been ascertained. Then the operating principle of the trencher has been described. Through the Kinematics analysis of the trencher, determined its forward speed, ditching inclination; and through dynamic analysis to determine the course of the blade by cutting t
13、he soil resistance, and thus determines the total power consumption. 2 ) Structure design of key components has been done. Drawn the Pro / e maps of the main parts, carried out assembling on every part to complete its assembly drawing 3) Established a Pro/e and Ansys seamless interface, then make us
14、e of the Ansys software to have carried out static analysis, modal analysis on the working arm with the basic idea of the finite element method. Through the static analysis can be drawn: place maximal stress in the weld seam, 70.676Mpa, less than the allowable stress. The maximal node displacement i
15、s located in the arm top, 0.326 mm, less than the allowable flexibility. Therefore, the working arm design structural rigidity to meet the requirements; through modal analysis and the modal expanding of the first 6 order can reach: the operating frequency should be designed in less than 130.76HZ， or
16、 141.36HZ 770.51HZ between. 4) Static analysis carried out on the blade can be drawn: the maximum stress was in the point of a knife place, while the entire cutting edge place, blade bolt hole and the minor bit end of the blade is where the stress concentration. Blade can withstand five times the no
17、rmal load impact 5) Analyzed the relationship of the cutting thickness 8 between as, vy, and vc. The conclusion were that 8 obtained extreme value when the as is 45 ; increased vc or reduced vy can reduce S; cutting power enhanced with the increase of 8 by choosing increase vc, or lower vy or decrea
18、se as depending on different 8, the power consumption of soil cut can be reduced effectively. 6) Established the powers mathematical model of the trencher. The power consumption is optimized to reduce power by 30%. When the advance speed vy = 100m / h, chain cutting speed 二 1.35m/s, ditching machine
19、 angle as=45 the trencher power consumption was minimum. KEYWORDS: orchard; trencher; Ansys; optimization 目录 m-M . i 1.1本课题的研究意义 . 1 1. 2开沟机的发展及国内外研究现状 . 2 1.2. 1铧式舉开沟机 . 2 1.2.2旋转开沟机 . 3 1. 2. 3链式开沟机 . 4 1. 3课题研究内容及技术路线 . 5 1. 3. 1课题研究内容 . 5 1. 3.2技术路线 . 6 第二章链式开沟机总体设计 . 7 2. 1链式开沟机工作参数的确定 . 7 2. 1
20、. 1开沟机设计参数 . 7 2. 1. 2开沟机工作原理 . 7 2. 1. 3开沟机运动学分析 . 8 2.2刀片切削土壤的阻力的确定 . 10 2. 3开沟机消耗功率的确定 . 11 2. 3. 1工作部件链条传动所消耗的功率 . 11 2. 3. 2机器前进所需的功率 . 12 2. 3. 3辅助机械的传动所消耗的功率 . 14 2. 4链式开沟机总体参数的确定 . 14 2. 5本章小结 . 15 第三章开沟机关键部件的设计及三维造型 . 16 3. 1开沟机附加减速器的设计方案 . 16 3. 2工作链的校核设计 . 17 3.2. 1工作链型号的选择 . 17 3.2.2工作链的
21、校核及链节数的确定 . 18 3.2.3工作链上刀具的选择及排列方式 . 20 3. 3螺旋排土器的设计 . 21 3. 4开沟机液压缸的选择 . 22 3. 5从动链轮结构设计 . 23 3. 6开沟机组装图 . 24 3. 7本章小结 . 24 第四章开沟机工作臂及刀片的有限元分析 . 25 4. 1有限元法简介及基本思想 . 25 4. 2 Ansys与 Pro/E模型数据转换 . 25 4. 2. 1 Ansys和 Pro/E的优缺点分析 . 25 4. 2. 2 Pro/E 和 Ansys 的接 口配置 . 26 4. 3工作臂静力学分析 . 27 4. 3. 1工作臂几何模型的建立
22、 . 27 4. 3. 2定义单元类型 . 28 4.3. 3定义材料性能 . 28 4.3.4划分网格 . 29 4.3.5施加载荷 . 29 4.3.6结果分析 . 30 4. 4工作臂模态分析 . 32 4. 5刀片静力学分析 . 34 4.5. 1刀片力学分析必要性 . 34 4. 5. 2 Ansys分析前处理阶段 . 34 4.5.3刀片受力的结果分析 . 36 4. 6本章小结 . 37 第五章开沟机功耗的 Mat lab优化及分析 . 38 5. 1开沟机功耗数学模型的建立 . 38 5. 1. 1目标函数的建立 . 38 5. 1.2约束函数的建立 . 39 5. 1. 3开
23、沟机功耗的数学模型 . 40 5. 2利用 Matlab对开沟机功耗进行优化 . 41 5. 2. 1 Matlab优化函数简介 . 41 5.2.2优化程序设计 . 41 5.3开沟机切削厚度与切削功率的分析 . 42 5. 3. 1切削厚度分析 . 42 5. 3.2开沟机切削厚度与切削功率的关系 . 44 5. 4本章小结 . 45 第六章结论与展望 . 46 6. 1结论 . 46 6. 2 廳 . 46 . 48 P付录 . 51 附录 1目标函数 m文件 objfun. m . 51 附录 2约束条件的 m文件 confun. m . 51 _3 . 51 m m . 53 . 5
24、4 第一章绪论 1.1本课题的研究意义 随着我国农业产业结构的优化调整，特色林果业已成为农民致富的一条重要渠道 (余叶 2009； )。 而由于果园种植模式的原因，挂果期和盛果期的果园机械化水平较低。据 调查陕西省苹果树的株距为 3米，行距 4米，这种老式种植规模占总面积的 50%以上。 由于行距小，使得牵引式打药机、有机肥深施开沟机及小型果园管理机都不能正常作业。 新种植的果树园行距增加到 6m， 机具的通过性比老果园好了一些，但是由于剪枝技术 仍是延用传统模式，树冠形状不利于机具通过作业，尤其在结果以后，用来支撑主枝的 柱桩也影响机具的通过性。 图 1-1人工开沟施肥 Fig 1-1 Ar
25、tificial trenching fertilization 果树的开沟施肥作为果树保质增产的必要园艺环节目前基本还处于人工作业阶段。 这基本上是由于我国现有开沟机多与大中型拖拉机配套，没有与微型机配套的开沟机， 且没有遥控机械。故在大型拖拉机不能进入的地方开挖沟渠很困难，例如果园中果树枝 条低，根据我国国情，果园多为密植园，株、行距为 3x4m或 3x5m两种，冠下高度仅 为 70 120cm (董晓英 2001)。而人工驾驶的作业机普遍较高，在果园中行驶通过性不 好，而在果树管理上，施肥是一项作业量大、劳动强度大的作业。尤其是施用有机肥时， 需 在每棵果树两侧、根系集中分布层稍远和稍深
26、处各挖一条连续或断续的宽、深都在 400 毫米左右的沟。另外在狭窄地段，山区梯田，大棚内开沟作业时，大型拖拉机不能进入， 但人工挖沟劳动强度大，效率低。这时研制一台与微型果园机械配套的开沟机有重要的 现实意义。 1 根据果园生产空间狭小的特点，适宜选用机身小巧、相对动力大、操作灵活的田园 微型耕作 （ 肖远金 2007)。陕西东明农业科技公司生产的 1YG-8.8型遥控微耕机（见图 1-2)是非常适合应用于果园的小型机械。其性能参数见表 1-1，可看出该机具有一系列 优点：机具高度仅 67cm， 通过性能好；遥控、人力两套操纵系统，可以随机操纵，也 可以人机分离，降低了操作人员的劳动强度；采用
27、履带行走装置，附着力强，爬坡能力 大；稳定性强，能防止机具作业中翻倒事故。本课题以该机为动力机，设计与其配套的 小型果园开沟机。 图 1-2 1YG-8.8型遥控微耕机 Fig. 1-2 lYG-8.8-type Remote Control Micro-farming machine 表 1-1 1YG-8.8型遥控微耕机性能参数 Table 1-1 1YG-8.8-type Remote Control Micro-farming machine performance parameters 外型 尺寸 (mm) 整机质量 配套功率 遥控范围 液压提升能力 各档速度 Km/h 1240x7
28、40x670 450kg 8.8KW 50m 120KN I 1.48 112.10 III3.30 IV 1.67 1.2开沟机的发展及国内外研究现状 开沟机是一种沟渠开挖的专用机械，可广泛应用于管道、线缆铺设、农田水利建设、 市政工程以及军事工程等开沟作业 （ 尹大庆 2003)。随着我国工业经济的不断发展和新 农村建设的步伐加快，道路建设、土木建筑、农田水利、温室及养殖设施和林果业的发 展，为工程开沟机提供了用武之地，从而使其获得迅速发展。 开沟机主要有以下几类：舉式开沟机、旋转式开沟机和链式开沟机。 1.2.1铧式犁开沟机 2 早在 20世纪 50年代，铧式犁作为最早开沟的设备就已经被
29、应用于农田建设当中， 其形式主要有主要有悬挂犁及牵引式犁两种。这种开沟机结构简单、速度快、效率高、 工作可靠、零部件较少，开沟深度为 3 -5 cm， 主要缺点是土壤硬度不能太大，否则沟 形难以保证，且结构笨重，沟边留下的垫条大且不能分散，需人工修理等。特别是工作 时牵引阻力很大，过去常用斯大林 80拖拉机才能拖动，有的地方要用两台大拖拉机牵 图 1-3铧式犁开沟机 Fig. 1-3 Plow trencher 1.2.2旋转开沟机 20世纪 50年代后期，与拖拉机向大马力发展的趋势相适应，旋转开沟机（见图 1-4) 图 1-4旋转开沟机 Fig. 1-4 Rotary Ditcher 得以迅
30、速发展。由于它牵引阻力小，适应性强，能均匀散开沟内土壤，工作效率高，因 而获得迅速发展和广泛应用。许多国家，如意大利、苏联、法国、荷兰、日本等，都有 不同型号的系列产品。此种开沟机其主要工作部件是一个或两个高速旋转的圆盘，圆盘 四周是铣刀，铣下来的土壤可按不同的农艺要求，将土壤均匀地抛掷到一侧或两侧 5 3 15m范围以内的地面上 ,也可将土壤成条地堆置在沟沿上形成土埂，两圆盘与水平面成 45 角，因此开出沟的断面是上口宽沟底窄的倒梯形开挖的沟渠，沟形整齐， 无须辅助 加工，但行走慢（拖拉机以 50400米 /小时的超低速前进），传动复杂，结构庞大，制 造工艺要求高，单位功率消耗大，生产率比犁
31、铧式开沟犁低 （ 李金琦 1984)。 1.2.3链式开沟机 20世纪 70年代末期，链式开沟机开始兴起，设备简单，组装方便，开出的沟沟壁 整齐，沟底不留回土，效率高，沟深和沟宽都易于调节，可用建筑工程中开挖窄而深的 地下沟槽埋设地下排水管道、或铁道、邮电、城建等部门用于埋设电缆与管道等，也可 用于果园、蔬菜园以及其它农田环境开沟施肥、排水、灌溉。链刀式开沟机的挖掘部件 为带刀片的链 条，刀齿切割土壤并将其带至地面，有螺旋输送器将土运至沟的一侧或两 侧（中国农业机械化科学研究院编 2007)。 目前国内链式开沟机的代表主要有 1K-17型链式开沟机，见图 1-5。该机由天津市 静海县兴盛机械有
32、限公司研制生产，操作方便、快捷、可靠。主要适用于果园开沟施肥、 葡萄埋藤越冬或园林圃育苗、移栽，城镇用于铺设管道或电缆等。该机的最大特点是通 过附加减速器改变传动比来达到作业与行走速度不同的需求：在行走时可通过使用配套 施拉机的传动 V带，达到高速行走；开沟作业时 V带联接到附加减速器，经附加减速 器减速后通 过链条传动到达变速箱来实现慢速行走。该机可以与 12.517.6kW的小四轮 拖拉机配套，开沟宽度 35， 26， 15，12cm， 开沟深度 40， 60， 100， 120cm， 作业速度 80300m/h (周良庸 2008)。 国内市场上的园林开沟机有扬州维邦园林机械厂生产的 W
33、BTR126H (扬州维邦园 林机械有限公司 2010)，见图 1-6，其主要应用于园林景观的挖沟工作，如自动喷水系 统，使用该款机器时非常适合。创新设计的排渣器可随时将浮土推出工作区域。配置的 离心式离合器，可以立即停止车轮和开沟链条，两侧带有棘轮式轮毂，可以单向锁定车 轮，配合低重心设计，可获得最佳控制力。动力： 5.5马力，开沟宽度： 100mm， 开沟 深度： 30 50mm， 开沟链线速度：102m/mm， 净重： 113 kg。 国外小型开沟机的类型有： TF300 Offset Trencher型开沟机 （ Rental World 2010)， 图 1-5 1K-17型链式开沟
34、机 Fig 1-5 IK-17-type chain trencher 图 1-6 WBTR126H园林开沟机 Figl-6 WBTR126H landscape trencher 4 该开沟机在路基建设和管道开沟应用方面一直处于领先地位。特别是开沟机的高浮动式 行走机构和偏置式桁架机构，使之可以在不同有障碍物的地形上进行开沟作业。开沟最 大深度 45丨 11(； 1165，开沟宽度： 612丨 11(； 1165，作业速度 30661口 61111丨 1116。 图 1-7TF300型开沟机 图 1-8威猛 RT200后置式开沟机 Fig 1-7 TF300 Offset Trencher
35、Fig 1-8 Vermeer RT200 Walk Behind Trencher 威猛 RT200后置式开沟机 （ Interstate Rentals 2010)， 见图 1-6是开挖长形沟的完美 机具，它可以开挖 15.24cm宽， 122cm深的窄沟，是广泛应用于通讯电缆、电话管线、 农田水利的理想的专业开沟设备。该机型采用全液压驱动，消除了带传动、链传动、齿 轮传动带来的不利影响，利于维修和保养。前进速度 2.1km/h， 倒档速度： 1.5km/h。 1.3课题研究内容及技术路线 1.3.1课题研宄内容 本课题对果园施肥的现状及园艺要求进行了分析，并详细介绍了开沟机的国内外现 状
36、，在此基础上设计 果园施肥所急需的的小型链式开沟机，并借助三维绘图软件、有限 元分析软件、Matlab软件展开以下研究： 1) 根据果园开沟施肥的园艺要求确定该开沟机的设计参数，对开沟机进行运动学 分析，并对开沟机消耗的功率进行计算。 2) 完成开沟机关键部件的结构设计。绘制其主要零部件的三维 Pro/E图，并对各零 件图进行组装，完成其装配图。 3) 利用 Ansys软件对工作臂进行静力学分析和模态分析；对刀片进行静力学分析。 4) 建立该开沟机功耗的数学模型，对开沟机的功耗进行了优化。分析了切削厚度 3 与开沟机倾角 a,，机组前进速度 vv及链刀速度 1， 的关系；分析了切削厚度 3与切削功率 的关系。 5 1.3.2技术路线 图 1-9设计技术路线图 Fig. 1-9 Flow chart of the design 6 第二章链式开沟机总体设计 2.1链式开沟机工作参数的确定 2.1.1开沟机设计参数 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 如下： 开沟深度： 400mm500mm 开沟宽度： 165mm、 285mm、 400mm 配套动力： 8.8kw 输出轴转速： 24