0 引言
挖掘是马铃薯收获过程的首要工序,挖掘铲是马铃薯收获机的关键部件之一,其性能参数直接影响马铃薯的挖掘性能和工作可靠性。只有正确选择挖掘铲的性能参数,才能降低伤署率和牵引阻力,同时提高挖净率、明薯率及挖掘效率。因此,国内外学者在进行挖掘铲研究和设计过程中的难题之一是如何降低挖掘阻力。近些年,国内很多单位都在研究设计挖掘铲,设计手段多采用CAD二维设计,在完成挖掘铲参数优化设计后,如果进行产品改型和改进设计则比较困难。鉴于此,利用三维参数化设计软件CATIA对挖掘铲进行参数化设计,构建马铃薯挖掘铲的性能参数,从而更加清晰地表达实物。由于所建模型的参数能很好地反应马铃薯挖掘铲的特征参数,在实际设计过程中,可以根据设计需要,利用所建立挖掘铲模型的参数、公式等特征驱动三维图形,及时方便地更改零部件的设计图纸,以解决传统CAD二维设计中的诸多不足,提高挖掘铲改进设计效率。
1 挖掘铲设计参数
马铃薯挖掘机的挖掘装置由铲片及铲片固定架等组成。挖掘铲的铲尖角度通常设计为钝角,目的是降低挖掘时的无效动力消耗,减小挖掘铲的铲前入土深度,如图1确定。
图1 挖掘铲受力分析
挖掘铲正常工作时,土壤在铲刃上的滑切力应能克服摩擦力,即
其中,P为作用在铲刃的阻力;Ff为土壤作用于铲面的摩擦力,Ff=Ntgφ;φ为摩擦角。
根据摩擦定律可知:Ff=Ntgφ,N=Pcos(90°-γ)。
由上式推导得:γ<90°-φ。
对于挖掘铲所使用的钢质材料,一般土壤所对应的摩擦角为φ= 26. 5°~ 35°,因此,本文选取γ=50°。
对图1(b)进行受力分析,可求出挖掘铲的倾角δ、长度L等参数。如果忽略不计土壤的纯切削阻力,则
式中W-机具牵引力;
N-土壤作用于铲面的法向载荷;
Fa-土壤作用于铲面的附着力;
Ff-土壤作用于铲面的摩擦力。
式中μ1一壤与挖掘铲摩擦因数;
S-挖掘铲面积(cm2);
Ca-土壤附着力因数(N/cm2)。
根据试验地具体数据可计算得到挖掘铲的倾角δ。
如图2(a)所示,挖掘铲的长度L可由挖掘深度h与挖掘铲的倾角δ计算得到,即L=h/sinδ。
图2 挖掘铲模型的特征参数图
由农艺条件可知:当挖掘深度为15~18cm时,挖掘铲才能在不损伤马铃薯的情况下将马铃薯完全从土壤里挖掘出来。本文选取h为17cm。马铃薯种植平均行距为40cm,故挖掘铲的宽度B取40cm。
2 CATIA中挖掘铲结构参数化设计
2.1 铲片的基本参数
本文所设计的挖掘铲是由多片铲片共同安装构成,铲片与铲片之间留有一定间隙,这样可以减轻整体挖掘铲的质量,防止挖掘铲铲尖的下陷。根据上述计算得到的挖掘铲铲片的基本参数,在CATIA中构建铲片的基本参数包括铲厚H、铲的长度L、铲宽B、铲刃倾角α、铲刃斜角γ及其安装固定孔的位置尺寸B1,L1,L2,如图2(a)所示,建好的铲片模型如图2(b)所示。在图2(b)左侧特征树中,铲片模型定义时的尺寸特征参数及相应的公式都由CATIA自动提炼出来。如需改变铲片的设计宽度,只需双击特征数中“铲宽度B”,改变其数值即可完成设计更改。“铲宽度B”即为设计者在设计铲宽时在草图中建立的尺寸约束值,而相应的铲片上安装孔的位置则由特征树中的公式(9)~(11)确定,它随着“铲宽度B”的修改而自动驱动模型改变孔的安装位置。
2.2 铲片安装位置的计算
根据马铃薯收获机的设计要求,挖掘铲架在设计中保持整体长度L3不变。如图3(a)所示,如果设计过程中改变挖掘铲的铲片宽度B,则挖掘铲的安装位置将随铲片宽度B、铲片安装的起始位置L5及铲片与铲片安装位置之间的距离L6而改变。图3中,L4为横梁安装长度,设铲片与铲片之间的间距为L7,挖掘铲铲数为k,则挖掘铲的安装位置计算公式为L5=L5+L8,L6=B+L7。
其中,L8=(L3-2L4-2L5)-K(B+L7)(L8为在计算阵列数时余下的长度);K=(L3-2/4-2L5)/(B+L7)(K取整数);B,L,L1,L2,d,α,β,L3,L4,L5根据设计所需附值。
完成上述用户参数定义及公式编辑后,如果改变特征参数“铲宽度B”的值,则铲片固定架的安装孔位置将根据f(x)建立的公式进行参数驱动,进而改变铲架的结构尺寸。铲架模型如图3(b)所示。
图3 挖掘铲安装位置示意图
完成铲架与铲片及连接件设计后,利用CATIA的装配设计模块可完成挖掘铲的总装,利用总装模型可进行结构干涉及模型静力学分析。图4所示是铲宽分别为8cm与13cm时的挖掘铲总装模型,该模型的改变只需在铲片模型(见图2)中更改“铲宽度B”的值即可实现。
图4 挖掘铲总成装配图
3 结论
挖掘铲的性能参数需要根据土壤和铲体的动力学模拟分析以及大量的田间试验才能达到最优的设计值。因此,在设计中常需根据工作条件及挖掘要求进行参数更改,利用CATIA软件中可视化工具建立挖掘铲三维参数化模型的方法,能够方便地调整设计参数以驱动模型变化。装配设计模块实现了产品的预装配,可以完成结构的干涉分析,提高了产品改型和改进设计的效率。
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本文标题:基于CATIA的马铃薯挖掘铲参数化建模