农业机械开沟犁结构强度分析范文

摘要

为了使设计合理、准确，采用理论分析和实验应变分析相结合的方法对开沟犁梁进行强度设计。理论分析是在拖拉机满载低速工作时，以拉弯组合变形的强度理论计算结果作为设计依据;实验分析是在相同条件下，利用应变花理论，采用电阻应变仪测得应变值作为计算依据。分析结果表明，实验分析进一步验证了理论计算的安全性。在设计农业机械结构过程中，使用理论与实验相结合的方法能确保构件工作的可靠性。应变分析法是设计复杂结构简单易行的好方法。

关键词

农业机械;工作安全;强度理论;应变分析;满载低速

引言

构件的强度分析，主要依据的是材料力学的基本理论，而其理论针对的是等截面直轴线的杆件，且采用的材料是均质连续、各向同性。实际工程中由于对结构的设计优化与外观造型等要求越来越高，因此工程构件的形状并非都是等直杆，结构的组成也是复杂的，使用材料也不尽单一，故用材料力学理论进行强度分析必然会有一定的局限性［1］。开沟犁是一种常见的农业机械，多用于修建河渠、荒地开垦、植树造林等农业生产中［2］。近年来，随着农业生产的机械化、规模化发展，开沟犁的设计呈多元化，应用范围更广，科技含量更高。由于开沟犁的主要承载结构较复杂，实际作业环境也具有不确定性，受力十分复杂，甚至无法准确确定受力状态，结构的设计研制具有一定的难度。而为了同时满足使用性能和结构某局部安全可靠性要求，往往把结构制成傻大粗，浪费材料且降低经济指标。又由于实际作业环境各不相同，如仅以某一特定条件为依据，进行理论分析，又会使应用具有局限性。为此，在设计计算中既需要进行理论分析，又要结合实验检验，才能设计制造出既科学又经济实用的产品［3］。

1开沟犁的受力特点及强度分析

1.1开沟犁梁受力特点

图1所示的开沟犁，主要由悬挂支座总成、犁梁、犁柱、犁托、犁铧、反土板、犁铧转动调位销钉、犁铧转动轴、行距调位手柄等主要部分组成［4］。开沟犁主要采用犁铧行距调位、犁铧反土板调位、犁铧转动调位等技术。主要技术参数有:配置动力为55马力拖拉机，采用三点悬挂牵引，行走速度1m/s～3m/s，耕深在0.4m～0.6m，耕幅可以根据实际要求调整。由工程实际情况可知，犁梁与犁柱相交的截面最容易发生破坏。在图1中，将犁梁5在靠近犁柱6的端部将犁梁截开，取截面的右侧部分并画出犁梁端面和犁铧的受力图(见图2)。犁铧工作时受到土壤的正压力R，可将R正交分解成Fx、Fy、Fz三个分量．则犁梁端面上的内力包括剪力Fs(Fy和Fz)，轴力FN(Fx)，弯矩M(My和Mz)，扭矩T(Mx)。根据对犁铧作业时受到的土壤阻力和犁梁端上的内力分析可知，对犁梁强度起主要作用的内力是轴力FN和弯矩Mz，其它内力的影响可忽略不计［5］。

1.2开沟犁梁强度分析

由图2可知，要计算犁梁端部的轴力FN和弯矩Mz，就必须确定犁铧前进时受到的土壤对其水平阻力Fx或正压力R，而犁托上的支承力N，因与R在此方向上的分力平衡［6］64-66，对强度的影响很小可不考虑。由于在实际的工作状态中，土壤的工作环境各不相同，土壤对犁铧的阻力无法准确确定，因此直接根据犁铧上的土壤水平阻力来进行强度分析将极不准确。由于拖拉机在满载低速工作时，产生的牵引力最大，可根据此时引起的犁梁端部的受力情况［6］64-66，来进行结构的强度分析，设计计算。设拖拉机的功率为P，W，犁铧前进速度为v，m/s，则拖拉机牵引力F牵(N)的计算公式为［7］125-126根据对本设计开沟犁实际作业验证，配备胶轮拖拉机的动力为55马力，犁铧前进速度取1m/s适宜，则最大牵引力F牵=39820N。按满载低速不破坏的要求，可设最大牵引力F牵与犁铧水平阻力Fx相等，于是犁梁危险截面上(见图2)的轴力FN为FN=Fx=39.820kN设犁铧形心到犁梁危险截面形心的距离为a(见图2)，且a=0.7m，则危险截面上弯矩Mz为Mz=39.82×0.7=27.87kN•m犁梁危险截面的形状如图3所示，当本设计取h=170mm，b=100mm，δ1=10mm，δ2=10mm，则用材料力学的相关公式计算犁梁横截面的抗弯截面系数WZ、和面积A分别为WZ=2．16×105mm3，A=5000mm2。如犁梁所用材料许用应力为［σ］=160MPa，计算结果表明应力点满足强度条件。

1.3开沟犁梁截面选择

开沟犁梁截面选择，应综合考虑安全性和经济性指标，下面对圆环型截面、工字型截面、箱型截面进行分析比较(见图4)。在作业环境与强度相同的情况下，犁梁截面形状的选择只需考虑截面的性质。如选择圆环截面(见图4a)，按前述强度分析的结果，截面向任意方向的抗弯截面系数取W=2.16×105mm3，设圆环内外直径比值α=0.85，可以计算出圆环横截面面积A=7000mm2如选择工字型截面(见图4b)，抗弯截面系数仍取Wz=2.16×105mm3，综合考虑拉伸、弯曲的影响，查表选22b工字钢，则Wy=0.33×105mm3，横截面面积A=4000mm2;箱型截面(见图3)，按照前面设置的参数，可求得Wz=2．16×105mm3，Wy=1.32×105mm3，横截面面积A=5000mm2。对上述开沟犁梁三种截面参数进行比较，圆环型截面在各方向的抗弯截面系数相等，抗弯能力是最好的。当构件的材料相同时，根据截面面积可知，工字钢用料最少，经济性最好，箱型截面次之，最不经济的是圆环截面。但是工字钢对y轴抗弯截面系数Wy极小，抗弯能力较差，会因土壤结构的影响导致开沟犁在某瞬时产生较大侧向水平弯矩而破坏［8］。而箱型截面，尽管对y轴抗弯截面系数Wy小于对z轴的抗弯截面系数Wz，但考虑到开沟犁作业时，主要受到的是Mz的作用，因此能够满足设计要求。综合考虑强度、经济等各种因素的影响，最终确定选择箱型截面最合理。

2实验应变分析法求解特种结构强度

2.1应变、应力实验分析原理

上述开沟犁主体结构，其强度分析的理论计算，仅仅考虑拉弯组合变形，事实上结构在作业中还会发生扭转、剪切变形(影响较小)［9］，且其外力精确分析值又难以确定，仅根据满载低速对应的牵引力进行设计计算，没有考虑实际的工况条件，故上述计算结论与实际情况必有一定差距，而利用实验应变分析法则不难解决这一问题［10］。仍以上述结构为例，外荷载仍按55马力拖拉机低速满载(v=1m/s)实验，在犁梁表面对应点上贴上45度应变花，采用电阻应变仪测得应变值，即如图5的x轴方向应变εa、y轴方向应变εc、与x轴夹角45度方向应变εb。根据应变花的应变值计算公式(2)［1可求得主应变ε1、ε2。再根据应力广义胡克定律［11］225-227可得出平面主应力σ1、σ2的表达式(3)将求得的主应变ε1、ε2代入式(3)，就可计算出平面应力状态的主应力，其中E是材料的弹性模量，ν是材料的泊松比。求出主应力后，可采用第四强度理论平面状态的表达式(4)［11］225-227，对犁梁的危险截面进行强度计算

2.2犁梁应变、应力实验计算

利用上述分析过程对前面理论计算的犁梁的危险截面上的危险点进行应变应力计算。如通过粘土荒地开沟实验，测定应变花应变值分别为结果表明，通过在作业现场采集的实验数据，进行应力分析计算，数值略大于理论分析应力值，但仍满足强度条件。因实验应力分析所包括因素较全面，更接近开沟犁工作的实际情况，因此，需通过实验分析对理论分析加以验证，才能确保设计结论的安全性［12］。因土壤的组成复杂，即使同一地块的不同位置，土壤成分也会有所不同，因此，采用实验应变分析法，应在不同位置，多次取值，对最大值进行校核，使实验分析充分反映现场的实际情况。

2.3犁梁在不同工况下实验应变、应力分析

由于不同地区的地质构造不同，开沟犁作业的土壤环境存在着差异，开沟犁梁的设计应符合各种工况的需要，具有一定的复杂性。如采用应变分析法，则能将这一问题较简单的解决。表1给出了上述设计的开沟犁梁在不同土壤中工作时的实际测量的应变值及应力的分析结果。通过数据比较说明粘土荒地土壤的阻力最大，犁梁产生应变、应力值也最大，对犁梁的强度要求最高，而该犁在粘土荒地作业时刚好满足强度要求［13］。因此，该开沟犁梁符合设计要求，能在各工况下正常工作。

3结论

农业结构的设计，需要考虑的因素较多，本文以开沟犁梁为例，从理论和实验两方面加以分析说明。在理论分析的过程中，由于开沟犁实际作业中，受力复杂，无法确定准确值，可采用满载低速工作时产生的牵引力为设计依据。分析结果表明，实验应变分析的应力值接近于理论计算应力值，验证了理论设计的可行性。可以说，当实验条件与工作条件相同时，实验应变分析结果更能反映实际情况，可靠性优于理论分析结果。针对形状复杂的农业机械类结构，不能仅用材料力学强度条件分析结果作为设计依据，还需用实验数据来检验，应变分析法是求解复杂结构简单易行的好方法。

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作者：张春玲 单位：大连海洋大学