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挖坑機(jī)刀片切削模型的建立及其 MATLAB 分析 于建國 , 屈錦衛(wèi) ( 東北林業(yè)大學(xué) , 黑龍江 哈爾濱 150040 ) 摘 要 : 挖坑機(jī)在我國植樹造林、保護(hù)生態(tài)環(huán)境中具有重要的地位。本文對挖坑機(jī)的重要工作零件—刀片建立 了其純切削模型 , 并運(yùn)用 MATLAB 分析了刀片的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對切削力的影響關(guān)系。 關(guān)鍵詞 : 挖坑機(jī) ; 模型 ; MATLAB 中圖分類號 : TG0115.335 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : A 文章編號 : 1001-4462 ( 2006 ) 07-0032-02 The Establishment of Cutting Model about Earth Auger ’ s Blade and Its Analysis with MATLAB YU Jian- guo, QU Jin- wei ( Northeast Forestry University, Heilongjiang Harbin 150040, China ) Abstract : Earth augers have their important status in tree planting and forestation and environmental protection. This paper established the cutting model of blade which is the important part of earth auger, and analysed the relationship between the parameters of geometrical structure and the force of cutting with MATLAB. Key words : earth auger; model; MATLAB 1 挖坑機(jī)工作原理 挖坑機(jī)的主軸由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸、電動(dòng)機(jī)或液壓 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) , 由固定在主軸末端的鉆尖進(jìn)行定 位 , 由在主軸下端固定的刀片對土壤進(jìn)行切削 , 把土壤切 松的同時(shí) , 由螺旋翼片把切松的土壤向上輸送。由此可見 , 刀片對土壤的切削是挖坑機(jī)工作中的重要環(huán)節(jié) , 刀片與地 面所形成的安裝角度以及刀片的刃角都是非常重要的參 數(shù) , 直接影響切削力的大小。本文建立了刀片簡單的切土 模型 , 并通過 MATLAB 對其參數(shù)進(jìn)行分析。 2 刀片切土模型的建立 本文根據(jù)純切削理論 ( 當(dāng)?shù)毒呷薪呛偷睹娉叽巛^ 小 , 在切開和分離土壤的過程中 , 只在切刀附近產(chǎn)生切 開、壓縮、塑流等局部失效而不在較大范圍內(nèi)發(fā)生其他 失效 , 這種切削通常稱為純切削 ) 對刀片進(jìn)行了切削模 型的建立。刀片局部放大圖如圖 1 所示 , 刀片切土模型 如圖 2 所示。 p 1 =2T 1 cos !+Tcos ( !+ "/2 ) +Tcos ( !- "/2 ) + Nsin ( !+ "/2 ) - Nsin ( !- "/2 ) p 2 =2T 1 sin !+Tsin ( !+ "/2 ) +Tsin ( !- "/2 ) - Ncos ( !+ "/2 ) +Ncos ( !- "/2 ) 收稿日期 : 2006- 03- 22 基金項(xiàng)目 : 教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目 圖 1 挖坑機(jī)刀片局部放大圖 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè) 備 設(shè)計(jì)計(jì)算 2006 年 第 7 期 第 34 卷 32 式中 : !——— 刀片刃角 ; "——— 刀片與地面的夾角 ; N ——— 刃面上的法向力 ; N 1 ——— 側(cè)刃上的法向力 ; p 1 ——— 水平方向的力 ; p 2 ——— 豎直方向的力 ; p= p 2 1 +p 2 2! 摩擦阻力 : T 1 = !N 1 ; T= !N ; 式中 ! 為土壤與刀片的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。 法向力可以認(rèn)為來自于土壤的變形阻力 , 故 : N=k 1 · s 1 N 1 =k 2 · s 2 式中 : k 1 、 k 2 ——— 土壤變形比阻 ; s 1 、 s 2 ——— 刃面和側(cè)面面積。 3 MATLAB 分析 MATLAB 是由 Math Works 公司開發(fā)的一種主要用 于數(shù)值計(jì)算及可視化圖形處理的工程語言 , 它將數(shù)值 分析、矩陣計(jì)算、圖形圖像處理和仿真等諸多強(qiáng)大的功 能集成在較易使用的交互式計(jì)算機(jī)環(huán)境中 , 為科學(xué)研 究、工程應(yīng)用提供了一種功能強(qiáng)、效率高的編程工具。 本文用 MATLAB 語言對所建立的力學(xué)模型進(jìn)行了編 程 , 并得出了 α 、 β 以及其它參數(shù)之間的關(guān)系曲面 , 如圖 3 所示。 4 結(jié)論 由 p 分力圖可知 , " 在 60~120 ° 之間時(shí)兩分力變化 較小 , 不易引起較大破壞。對于 β 而言 , 當(dāng) β 較小時(shí) , 側(cè)刃面所受阻力較大 , 用于切削的力則較小 , 當(dāng) β 大 于 40 ° 時(shí) , 阻力變得很小 , 切削處于平穩(wěn)狀態(tài) , 變化較 緩慢。 參考文獻(xiàn) : [ 1 ] 姚昌恬 .“ 九五”期間我國林業(yè)發(fā)展?fàn)顩r分析 [ J ] . 林業(yè)經(jīng)濟(jì) , 2001 ,( 1 ) : 5- 10 [ 2 ] 朱永法 , 湯肇元 . 我國林業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀與可持續(xù)林業(yè)的必然性 [ J ] . 浙江林學(xué)院學(xué)報(bào) , 1997 , 14 ( 1 ) : 73- 77. [ 3 ] 曾德超 . 機(jī)械土壤動(dòng)力學(xué) [ M ] . 北京 : 北京科學(xué)技術(shù)出版社 , 1995. [ 4 ] 王家文 , 曹 宇 . MATLAB6.5 圖形圖像處理 [ M ] . 北京 : 國防工 業(yè)出版社 , 2004. 作者簡介 : 于建國 ( 1953- ) , 男 , 山東文登人 , 東北林業(yè)大 學(xué)教授 , 博士生導(dǎo)師 , 研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論 ; 屈錦衛(wèi) ( 1981- ) , 男 , 河南周口人 , 東北林業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè) 在讀碩士研究生 , 研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。 N 1 P T 1 N 1 T 1 N T T N " ! 圖 2 刀片切土模型 圖 3 !、 " 與 p 1 、 p 2 間的關(guān)系 5000 4000 3000 2000 1000 0 80 60 40 20 0 0 50 100 150 "( ° ) !( ° ) p 1( N ) 5000 4000 3000 2000 1000 0 80 p 2( N ) 60 40 20 0 0 "( ° ) 50 100 150 !( ° ) 5000 4000 3000 2000 1000 80 p ( N ) 60 40 20 0 0 "( ° ) 50 100 150 !( ° ) 2006 年 第 7 期第 34 卷 33 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè) 備 設(shè)計(jì)計(jì)算