農業(yè)機械開溝犁結構強度分析范文

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摘要

為了使設計合理、準確，采用理論分析和實驗應變分析相結合的方法對開溝犁梁進行強度設計。理論分析是在拖拉機滿載低速工作時，以拉彎組合變形的強度理論計算結果作為設計依據;實驗分析是在相同條件下，利用應變花理論，采用電阻應變儀測得應變值作為計算依據。分析結果表明，實驗分析進一步驗證了理論計算的安全性。在設計農業(yè)機械結構過程中，使用理論與實驗相結合的方法能確保構件工作的可靠性。應變分析法是設計復雜結構簡單易行的好方法。

關鍵詞

農業(yè)機械;工作安全;強度理論;應變分析;滿載低速

引言

構件的強度分析，主要依據的是材料力學的基本理論，而其理論針對的是等截面直軸線的桿件，且采用的材料是均質連續(xù)、各向同性。實際工程中由于對結構的設計優(yōu)化與外觀造型等要求越來越高，因此工程構件的形狀并非都是等直桿，結構的組成也是復雜的，使用材料也不盡單一，故用材料力學理論進行強度分析必然會有一定的局限性［1］。開溝犁是一種常見的農業(yè)機械，多用于修建河渠、荒地開墾、植樹造林等農業(yè)生產中［2］。近年來，隨著農業(yè)生產的機械化、規(guī)模化發(fā)展，開溝犁的設計呈多元化，應用范圍更廣，科技含量更高。由于開溝犁的主要承載結構較復雜，實際作業(yè)環(huán)境也具有不確定性，受力十分復雜，甚至無法準確確定受力狀態(tài)，結構的設計研制具有一定的難度。而為了同時滿足使用性能和結構某局部安全可靠性要求，往往把結構制成傻大粗，浪費材料且降低經濟指標。又由于實際作業(yè)環(huán)境各不相同，如僅以某一特定條件為依據，進行理論分析，又會使應用具有局限性。為此，在設計計算中既需要進行理論分析，又要結合實驗檢驗，才能設計制造出既科學又經濟實用的產品［3］。

1開溝犁的受力特點及強度分析

1.1開溝犁梁受力特點

圖1所示的開溝犁，主要由懸掛支座總成、犁梁、犁柱、犁托、犁鏵、反土板、犁鏵轉動調位銷釘、犁鏵轉動軸、行距調位手柄等主要部分組成［4］。開溝犁主要采用犁鏵行距調位、犁鏵反土板調位、犁鏵轉動調位等技術。主要技術參數有:配置動力為55馬力拖拉機，采用三點懸掛牽引，行走速度1m/s～3m/s，耕深在0.4m～0.6m，耕幅可以根據實際要求調整。由工程實際情況可知，犁梁與犁柱相交的截面最容易發(fā)生破壞。在圖1中，將犁梁5在靠近犁柱6的端部將犁梁截開，取截面的右側部分并畫出犁梁端面和犁鏵的受力圖(見圖2)。犁鏵工作時受到土壤的正壓力R，可將R正交分解成Fx、Fy、Fz三個分量．則犁梁端面上的內力包括剪力Fs(Fy和Fz)，軸力FN(Fx)，彎矩M(My和Mz)，扭矩T(Mx)。根據對犁鏵作業(yè)時受到的土壤阻力和犁梁端上的內力分析可知，對犁梁強度起主要作用的內力是軸力FN和彎矩Mz，其它內力的影響可忽略不計［5］。

1.2開溝犁梁強度分析

由圖2可知，要計算犁梁端部的軸力FN和彎矩Mz，就必須確定犁鏵前進時受到的土壤對其水平阻力Fx或正壓力R，而犁托上的支承力N，因與R在此方向上的分力平衡［6］64-66，對強度的影響很小可不考慮。由于在實際的工作狀態(tài)中，土壤的工作環(huán)境各不相同，土壤對犁鏵的阻力無法準確確定，因此直接根據犁鏵上的土壤水平阻力來進行強度分析將極不準確。由于拖拉機在滿載低速工作時，產生的牽引力最大，可根據此時引起的犁梁端部的受力情況［6］64-66，來進行結構的強度分析，設計計算。設拖拉機的功率為P，W，犁鏵前進速度為v，m/s，則拖拉機牽引力F牽(N)的計算公式為［7］125-126根據對本設計開溝犁實際作業(yè)驗證，配備膠輪拖拉機的動力為55馬力，犁鏵前進速度取1m/s適宜，則最大牽引力F牽=39820N。按滿載低速不破壞的要求，可設最大牽引力F牽與犁鏵水平阻力Fx相等，于是犁梁危險截面上(見圖2)的軸力FN為FN=Fx=39.820kN設犁鏵形心到犁梁危險截面形心的距離為a(見圖2)，且a=0.7m，則危險截面上彎矩Mz為Mz=39.82×0.7=27.87kN•m犁梁危險截面的形狀如圖3所示，當本設計取h=170mm，b=100mm，δ1=10mm，δ2=10mm，則用材料力學的相關公式計算犁梁橫截面的抗彎截面系數WZ、和面積A分別為WZ=2．16×105mm3，A=5000mm2。如犁梁所用材料許用應力為［σ］=160MPa，計算結果表明應力點滿足強度條件。

1.3開溝犁梁截面選擇

開溝犁梁截面選擇，應綜合考慮安全性和經濟性指標，下面對圓環(huán)型截面、工字型截面、箱型截面進行分析比較(見圖4)。在作業(yè)環(huán)境與強度相同的情況下，犁梁截面形狀的選擇只需考慮截面的性質。如選擇圓環(huán)截面(見圖4a)，按前述強度分析的結果，截面向任意方向的抗彎截面系數取W=2.16×105mm3，設圓環(huán)內外直徑比值α=0.85，可以計算出圓環(huán)橫截面面積A=7000mm2如選擇工字型截面(見圖4b)，抗彎截面系數仍取Wz=2.16×105mm3，綜合考慮拉伸、彎曲的影響，查表選22b工字鋼，則Wy=0.33×105mm3，橫截面面積A=4000mm2;箱型截面(見圖3)，按照前面設置的參數，可求得Wz=2．16×105mm3，Wy=1.32×105mm3，橫截面面積A=5000mm2。對上述開溝犁梁三種截面參數進行比較，圓環(huán)型截面在各方向的抗彎截面系數相等，抗彎能力是最好的。當構件的材料相同時，根據截面面積可知，工字鋼用料最少，經濟性最好，箱型截面次之，最不經濟的是圓環(huán)截面。但是工字鋼對y軸抗彎截面系數Wy極小，抗彎能力較差，會因土壤結構的影響導致開溝犁在某瞬時產生較大側向水平彎矩而破壞［8］。而箱型截面，盡管對y軸抗彎截面系數Wy小于對z軸的抗彎截面系數Wz，但考慮到開溝犁作業(yè)時，主要受到的是Mz的作用，因此能夠滿足設計要求。綜合考慮強度、經濟等各種因素的影響，最終確定選擇箱型截面最合理。

2實驗應變分析法求解特種結構強度

2.1應變、應力實驗分析原理

上述開溝犁主體結構，其強度分析的理論計算，僅僅考慮拉彎組合變形，事實上結構在作業(yè)中還會發(fā)生扭轉、剪切變形(影響較小)［9］，且其外力精確分析值又難以確定，僅根據滿載低速對應的牽引力進行設計計算，沒有考慮實際的工況條件，故上述計算結論與實際情況必有一定差距，而利用實驗應變分析法則不難解決這一問題［10］。仍以上述結構為例，外荷載仍按55馬力拖拉機低速滿載(v=1m/s)實驗，在犁梁表面對應點上貼上45度應變花，采用電阻應變儀測得應變值，即如圖5的x軸方向應變εa、y軸方向應變εc、與x軸夾角45度方向應變εb。根據應變花的應變值計算公式(2)［1可求得主應變ε1、ε2。再根據應力廣義胡克定律［11］225-227可得出平面主應力σ1、σ2的表達式(3)將求得的主應變ε1、ε2代入式(3)，就可計算出平面應力狀態(tài)的主應力，其中E是材料的彈性模量，ν是材料的泊松比。求出主應力后，可采用第四強度理論平面狀態(tài)的表達式(4)［11］225-227，對犁梁的危險截面進行強度計算

2.2犁梁應變、應力實驗計算

利用上述分析過程對前面理論計算的犁梁的危險截面上的危險點進行應變應力計算。如通過粘土荒地開溝實驗，測定應變花應變值分別為結果表明，通過在作業(yè)現場采集的實驗數據，進行應力分析計算，數值略大于理論分析應力值，但仍滿足強度條件。因實驗應力分析所包括因素較全面，更接近開溝犁工作的實際情況，因此，需通過實驗分析對理論分析加以驗證，才能確保設計結論的安全性［12］。因土壤的組成復雜，即使同一地塊的不同位置，土壤成分也會有所不同，因此，采用實驗應變分析法，應在不同位置，多次取值，對最大值進行校核，使實驗分析充分反映現場的實際情況。

2.3犁梁在不同工況下實驗應變、應力分析

由于不同地區(qū)的地質構造不同，開溝犁作業(yè)的土壤環(huán)境存在著差異，開溝犁梁的設計應符合各種工況的需要，具有一定的復雜性。如采用應變分析法，則能將這一問題較簡單的解決。表1給出了上述設計的開溝犁梁在不同土壤中工作時的實際測量的應變值及應力的分析結果。通過數據比較說明粘土荒地土壤的阻力最大，犁梁產生應變、應力值也最大，對犁梁的強度要求最高，而該犁在粘土荒地作業(yè)時剛好滿足強度要求［13］。因此，該開溝犁梁符合設計要求，能在各工況下正常工作。

3結論

農業(yè)結構的設計，需要考慮的因素較多，本文以開溝犁梁為例，從理論和實驗兩方面加以分析說明。在理論分析的過程中，由于開溝犁實際作業(yè)中，受力復雜，無法確定準確值，可采用滿載低速工作時產生的牽引力為設計依據。分析結果表明，實驗應變分析的應力值接近于理論計算應力值，驗證了理論設計的可行性。可以說，當實驗條件與工作條件相同時，實驗應變分析結果更能反映實際情況，可靠性優(yōu)于理論分析結果。針對形狀復雜的農業(yè)機械類結構，不能僅用材料力學強度條件分析結果作為設計依據，還需用實驗數據來檢驗，應變分析法是求解復雜結構簡單易行的好方法。

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作者：張春玲 單位：大連海洋大學