微型土槽试验台的优化设计与试验

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1、2015年10月农机化研究第10期微型土槽试验台的优化设计与试验潘世强，操子夫，赵婉宁，贾云艳，杨雨林(吉林农业大学工程技术学院，长春130118)摘要:利用SolidWorks软件绘制了微型土槽试验台的三维模型，并对机架的强度进行了有限元分析，根据分析结果进行了改进设计和有限元分析论证，完成了试验台的制作。选取芯铧式开沟器进行土槽试验台性能验证试验，通过采集的图像及数据可知:芯铧式开沟器开沟稳定，土槽试验台的性能满足试验和设计要求。关键词:微型土槽试验台;SolidWorks;优化设计;有限元分析中图分类号:S237文

2、献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)10－0144－03DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.10.032为动力源，通过齿轮齿条啮合进行动力传动，实现触0引言土部件的行走。高速摄像机对触土部件的工作过程土槽试验台是对田间作业机械或者某个工作部和土壤的运动状态进行实时拍摄，并可以进行记录、件进行试验的有效装置，可以模拟田间土壤的工作环存储和分析。二维力传感器对触土部件进行力的测境，控制作业机具的牵引速度及耕深等，也可测定机试。动态应变数据采集仪对二维力传感器测得的数具在作业过程中所受的

3、阻力和力矩等参数，并分析各据进行实时采集，通过数据分析软件进行数据分析。个参数之间的关系。该试验台对于探索土壤耕作、播种、挖掘收获等关键部件的松碎土机理、降阻减耗、简化机构、缩短农机具的开发时间、提高新型机具性能［1－3］测试的准确性具有重要意义。本文利用Solid-Works三维建模设计了微型土槽试验台，对加速农业［4－6］机械现代化的发展具有重要意义。1结构设计与工作原理1．1结构设计1．机架2．光源3．行走装置4．传动装置该土槽试验台由机架、光源、行走装置、传动装5．步进电机6．测试机具及传感器连接机构7．塑料挡板

4、8．玻璃置、步进电机、测试机具、传感器连接机构、塑料挡板图1土槽试验台三维模型及玻璃板等组成，总长4m，宽0．5m，高1m，土壤厚度Fig．1Three－dimensionalmodelsoilbin20～30cm。机架由新型铝合金材料组成，用T型螺栓2机架的有限元分析及优化连接。步进电机额定转矩50N·m，调速范围在0～3km/h，最大测力值可达150kg。机架的侧面安装玻为保证试验台的可靠性，必须对机架的强度进行璃，用于试验时观察土壤颗粒的运动状态。机架的上校核。本文中使用Ansys有限元分析软件对土槽试验边缘安装照

5、明装置，用于增加光强，提高图像的拍摄台的机架进行强度和受力情况分析。质量。土槽试验台整体结构如图1所示。2．1导入土槽试验台的三维模型1．2工作原理将绘制完成的SolidWorks三维模型利用辅助数据［7－8］机架采用铝合金材料组合而成。直线圆柱导轨接口导入Ansys中进行分析计算。土槽试验台与滑块配合，为触土部件提供运行轨道。步进电机作机架采用新型铝合金型材，通过专用角件和T型螺栓连接而成，在导入模型后可进行零件简化。土槽试验收稿日期:2014－10－21台的长为4m，载土槽高为0．35m，简化后的有限元模基金项目:国

6、家自然科学基金项目(51175219)型如图2所示。作者简介:潘世强(1975－)，男，吉林抚松人，副教授，硕士生导师，博士，(E－mail)120815658@qq．com。土槽试验台直接放于地面使用，所以将与地面接·144·2015年10月农机化研究第10期触的柱端进行零自由度约束，将土槽中土壤的压力简通过变形结果图可以看出:土槽底板是土槽最大3化为全部作用在土槽底部。土槽箱容积为0．6m，土变形处，最大变形量4．4686mm;土槽底部横梁也产生3［9］壤容重为1．5g/cm，土壤对土槽底部压力为N，其了2．0546

7、mm的变形量。为了保证试验过程中土槽计算公式为不会因长期承载土壤导致变形越来越大，影响测试质N=ρ·ν·g(1)量，需要对土槽底部横梁进行优化改进。代入数值计算得:N=8820N。2．3土槽的优化改进2土槽箱底部面积2m，土壤对土槽的作用力可以为了保证土槽机架的强度，结合有限元分析结果，看成均布载荷力P，其计算公式为进行如下改进:在土槽底部横梁上加装5根支柱，具体P=N/S(2)安装位置如图5所示。2代入数值计算得:P=4410N/m。分析选用的单元类型为SOLID168，密度为32770kg/m，泊松比为0．33，弹性

8、模量为69．608GPa。对模型采用自动网格划分。图5土槽优化模型Fig．5Soilbinoptimizationmodel优化后的土槽机架最大处发生在机架底板，最大变形量为2．2521mm，与优化前相比减小了2．2165mm，图2土槽有限元模型机架底板和底部横梁的变形均得到了改善，满足要求。Fig．2Finitee