液压挖坑机的研制及其关键部件工作过程仿真

摘要

为了提高我国森林覆盖率及林果经济作物的种植面积，实现高效造林，降低生产成本，迫切需要提高林果栽植作业的机械化水平。针对山东省林果种植的地理条件（丘陵山地较多，地形复杂等）及当前国内外栽植机械发展现状，本文研制出一种大功率，手推式液压传动林果栽植挖坑机，利用ANSYS有限元分析软件，对钻杆、螺旋翼片及切土刀片等关键部件的工作过程进行模拟仿真，获得这些部件的应力应变分布情况，模拟结果对关键部件的结构及材料设计、选择提供数据支持与理论分析依据。为了提高刀片的入土性能及耐磨性能，对其进行硼铬稀土共渗处理，表面形成了厚度为0.15 mm，硬度为1800Hv的硼化物层，对该机进行现场测试，结果表明其各项指标均达到了设计要求。
　　 该挖坑机采用7.3 kW四冲程汽油发动机作为动力源，设计出一套完整独立的液压传动系统(CBR-E25型齿轮泵、BM-250型号马达)，降低工作过程中的振动，改善了劳动条件，实现了人机和谐工作。另外系统中的手动换向阀可实现螺旋钻头正反转。通过更换不同直径的钻头，获得的坑径在300～600 mm可调，最深坑深可达800 mm，对于一般土质而言，其挖坑效率在100坑/h，并且能够实现丘陵、缓坡地带的挖坑作业。
　　 本文首先根据国内外便携式、悬挂式挖坑机的研究现状及发展趋势，提出总体设计目标，利用Pro/E、AutoCAD等计算机辅助设计软件，对主要部件（钻头、机架、液压件与机架的连接件等）进行三维建模，重点研究了螺旋升角、土壤阻力对挖坑作业的影响，螺旋钻头合适的转速范围等相关理论计算;其次，对液压系统进行整体设计，通过理论计算，选用合理的液压元件（液压泵、液压马达、溢流阀、换向阀等），使得钻头工作过程中平稳快速，振动小;再次，利用ANSYS有限元分析软件，对挖坑机主要工作部件（螺旋钻头、螺旋翼片、切土刀、限位块以及钻杆）进行有限元模拟仿真，获得这些部件的静力学、动力学、模态模拟分析结果，对结构设计、材料选择起到指导作用，大大缩短设计时间，降低了设计成本;接着，针对传统钻头入土性能及耐磨性差的缺点，对切片进行了硼铬稀土共渗处理，并对其显微组织、硬度等进行观察分析;最后，对该机进行现场实验，检测各项性能指标。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景与发展现状

1．1．1 研究背景

1．1．2 国内外果木栽植机械发展现状

1．2 国内外理论研究方向

1．3 课题来源及研究意义

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究意义

1．4 本文研究目的与内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 主要研究内容

1．4．3 拟解决的科学与技术问题

1．5 研究方法与研究路线

1．5．1 本课题的研究方法

1．5．2 技术路线

1．6 本章小结

2 挖坑机机构设计及相关理论计算

2．1 挖坑机的设计基本要求与方案选择

2．1．1 挖坑机设计的基本要求及目标

2．1．2 方案选择

2．2 整体结构设计及工作原理

2．3 提升、联结机构的设计

2．3．1 马达提升机构

2．3．2 连接套的设计

2．4 挖坑机的主要技术参数的设计计算

2．4．1 机械参数的计算与确定

2．4．2 配套动力的计算与选择

2．4．3 转速范围的确定

2．5 影响螺旋钻头工作的主要原因及理论分析

2．5．1 螺旋升角

2．5．2 土壤阻力

2．6 关键部件选用与校核计算

2．7 本章小结

3 液压传动系统设计与计算

3．1 液压系统在机械传动中的应用

3．2 液压系统的设计计算

3．2．1 液压系统设计的一般步骤

3．2．2 液压系统方案设计

3．2．3 挖坑机液压马达扭矩计算

3．2．4 液压马达类型与选用

3．3 液压泵流量计算与选用

3．4 液压辅件的选用

3．4．1 液压阀

3．4．2 液压油箱

3．4．3 液压油管、液位计、滤油器等辅件

3．4．4 液压油选用

3．5 本章小结

4 关键部件的工作过程模拟仿真及实验

4．1 ANSYS软件简介及其在机械行业中的应用

4．2 螺旋钻头工作过程仿真模拟

4．2．1 螺旋钻头的模型导入与网格划分

4．2．2 施加载荷与结果查看

4．2．3 不同螺旋升角对螺旋叶片受力影响分析

4．3 钻杆的静力学与优化分析

4．4 切土刀片入土角度对整穴作业影响的分析

4．5 马达摆动限位块的分析

4．6 螺旋钻头的表面渗硼处理

4．6．1 硼铬稀土渗硼层的组织形貌及其显微硬度

4．6．2 试验结果对比

4．7 样机及其田间试验

4．8 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

研究生期间发表论文