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年 第 期 農(nóng) 業(yè) 機 械 化 與 電 氣 化 一 一 環(huán) 萬 自 型 若 翔 靄 玩 王 合 朝 陽 市 農(nóng) 機 科 研 所 遼 寧 朝 陽 朝 陽 市 農(nóng) 機 科 研 所 研 究 設(shè) 計 的 型 植 樹 挖 坑 機 是 利 用 機 械 作 業(yè) 來 解 決 繁 重 的 人 工 挖 坑 植 樹 其 工 作 效 率 是 人 工 的 幾 十 倍 既 減 輕 了 勞 動 強 度 又 顯 著 地 提 高 了 經(jīng) 濟 效 益 具 有 很 廣 泛 的 應(yīng) 用 前 途 現(xiàn) 就 其 工 作 原 理 主 要 工 作 部 件 的 選 擇 主 要 技 術(shù) 參 數(shù) 特 點 和 使 用 中 的 注 意 事 項 及 生 產(chǎn) 試 驗 情 況 介 紹 如 下 主 要 結(jié) 構(gòu) 及 工 作 原 理 該 機 由 懸 掛 架 變 速 箱 傳 動 軸 鉆 頭 等 組 成 可 換 挖 坑 鉆 頭 有 兩 種 直 徑 分 別 為 和 工 作 時 挖 坑 機 三 點 全 懸 掛 于 拖 拉 機 上 拖 拉 機 動 力 通 過 動 力 輔 出 軸 用 萬 向 節(jié) 和 傳 動 軸 帶 動 齒 輪 主 軸 及 鉆 頭 等 工 作 部 件 轉(zhuǎn) 動 利 用 液 壓 裝 置 控 制 機 具 升 降 靠 自 重 人 土 進(jìn) 行 挖 坑 作 業(yè) 如 圖 圖 螺 旋 鉆 頭 的 結(jié) 構(gòu) 一 方 軸 套 一 鉆 軸 一 螺 旋 片 一 刀 座 一 鉆 尖 一 刀 片 鉆 軸 采 用 無 縫 鋼 管 制 成 上 端 焊 接 方 軸 套 通 過 它 與 變 速 箱 上 的 主 軸 聯(lián) 接 下 端 焊 接 鉆 尖 座 供 安 裝 鉆 尖 用 螺 旋 片 用 厚 的 鋼 板 制 成 主 要 起 升 土 作 用 螺 旋 片 圖 型 植 樹 挖 坑 機 結(jié) 構(gòu) 圖 卜 傳 動 軸 一 懸 掛 架 一 變 速 箱 一 鉆 頭 主 要 工 作 部 件 的 選 擇 鉆 頭 采 用 空 心 軸 螺 旋 焊 合 下 部 裝 有 可 更 換 刀 片 及 鉆 尖 結(jié) 構(gòu) 如 圖 焊 合 部 門 焊 合 部 分 包 括 方 軸 套 鉆 軸 螺 旋 片 刀 座 等 一 一 農(nóng) 業(yè) 機 械 化 與 電 氣 化 年 第 期 私幾設(shè)甲年獄戈 了人 八 一 圖 鉆 尖 圖 刀 片 下 端 的 后 部 焊 接 刀 座 供 安 裝 刀 片 用 螺 旋 頭 數(shù) 為 個 鉆 尖 鉆 尖 由 圓 盤 和 扭 翼 焊 合 而 成 用 螺 栓 固 定 在 鉆 軸 下 端 鉆 頭 靠 鉆 尖 定 心 并 切 除 中 心 部 分 的 土 壤 鉆 尖 采 用 扭 翼 三 角 形 如 圖 刀 片 刀 片 是 挖 坑 機 的 主 要 切 土 零 件 它 是 易 磨 損 件 因 為 離 鉆 軸 越 遠(yuǎn) 線 速 度 越 高 工 作 行 程 越 長 為 了 延 長 刀 片 的 使 用 壽 命 刀 片 形 式 采 用 鑿 形 如 圖 刀 片 材 料 選 擇 厚 度 為 的 鋼 板 制 造 刃 角 為 刀 刃 厚 度 為 刃 部 淬 火 硬 度 為 一 刀 片 用 沉 頭 一 方 頸 螺 釘 安 裝 在 刀 座 士 刀 片 與 螺 旋 面 接 合 處 應(yīng) 平 整 不 允 許 刀 片 低 于 螺 旋 面 主 要 技 術(shù) 參 數(shù) 配 套 動 力 名 一 馬 力 拖 拉 機 長 寬 高 直 徑 探 度 或 火 幾 出 土 率 鉆 頭 直 徑 或 鉆 頭 長 度 一 或 鉆 頭 轉(zhuǎn) 數(shù) 運 輸 間 隙 工 作 效 率 坑 一 整 機 重 量 特 點 和 使 用 中 的 注 意 事 項 特 點 型 植 樹 挖 坑 機 為 一 拖 拉 機 配 套 用 于 砂 土 黃 土 黑 土 紅 粘 土 等 無 大 塊 石 頭 和 樹 根 的 多 種 土 壤 的 平 地 或 山 地 坡 度 在 以 下 種 植 果 樹 楊 樹 松 樹 等 樹 木 的 挖 坑 作 用 使 用 中 的 注 意 事 項 初 次 使 用 時 變 速 箱 內(nèi) 應(yīng) 加 注 齒 輪 油 其 油 面 高 度 應(yīng) 不 低 于 小 齒 輪 直 徑 的 并 且 每 工 作 巧 檢 查 次 變 速 箱 的 油 量 萬 向 節(jié) 應(yīng) 注 黃 油 作 業(yè) 過 程 中 限 定 拖 拉 機 駕 駛 員 人 操 作 變 速 箱 上 不 準(zhǔn) 站 人 以 保 證 作 業(yè) 安 全 刀 片 螺 栓 應(yīng) 隨 時 檢 查 緊 固 鉆 頭 達(dá) 到 作 業(yè) 深 度 后 應(yīng) 控 制 鉆 頭 慢 慢 升 起 以 利 于 螺 旋 片 將 坑 內(nèi) 的 余 土 逐 漸 地 排 出 坑 外 拖 拉 機 懸 掛 挖 坑 機 長 距 離 行 走 時 應(yīng) 將 機 具 升 到 最 大 高 度 鎖 住 油 缸 慢 速 行 駛 以 免 挖 坑 機 與 地 面 硬 揚 相 碰 損 壞 機 具 生 產(chǎn) 試 驗 從 年 月 到 年 月 共 研 制 樣 機 臺 在 朝 陽 縣 的 王 營 子 鄉(xiāng) 十 二 臺 鄉(xiāng) 建 平 縣 農(nóng) 機 推 廣 站 盤 錦 市 農(nóng) 機 推 廣 站 河 北 省 滄 州 市 林 業(yè) 局 等 地 區(qū) 累 計 進(jìn) 行 了 約 獷 地 萬 個 坑 的 試 驗 其 機 具 作 業(yè) 性 能 良 好 能 夠 滿 足 植 樹 造 林 的 技 術(shù) 要 求 深 受 林 業(yè) 部 門 和 農(nóng) 民 的 歡 迎 該 機 適 應(yīng) 性 好 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 體 積 小 生 產(chǎn) 效 率 高 使 用 可 靠 調(diào) 整 維 修 方 便 主 要 性 能 指 標(biāo) 和 作 業(yè) 質(zhì) 量 均 達(dá) 到 設(shè) 計 要 求 很 適 合 植 樹 造 林 的 需 要 具 有 良 好 的 推 廣 價 值 一 一 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第 卷 第 期 年 月 森 林 工 程 側(cè) 吸 汀 一 類 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 問 題 孟 慶 華 于 建 國 鮑 春 雨 天 津 體 育 學(xué) 院 天 津 東 北 林 業(yè) 大 學(xué) 哈 爾 濱 摘 要 建 立 了 一 類 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 的 數(shù) 學(xué) 模 型 并 以 阻 尼 函 數(shù) 作 為 拉 制 變 童 研 究 了 該 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 問 題 得 出 兩 個 定 理 關(guān) 鍵 詞 挖 坑 機 械 橫 向 振 動 數(shù) 學(xué) 模 型 最 優(yōu) 控 制 中 圖 分 類 號 夕 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 文 章 編 號 一 一 叨 一 川 功 眾 毋 飛 呢 婦 田 七 邵 幻 斗 氏 扣 鄧 司 別 萬 介 卿 祖 司 司 訪 哪 助 司 眼 呢 拍 面 叩 哪 的 長 川 既 瀏 叩 統(tǒng) 系男 引 言 當(dāng) 前 利 用 數(shù) 學(xué) 模 型 動 態(tài) 地 研 究 機 械 振 動 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 與 控 制 問 題 是 很 有 應(yīng) 用 意 義 的 文 獻(xiàn) 中 借 助 泛 函 分 析 和 算 子 半 群 理 論 研 究 了 彈 性 機 器 人 系 統(tǒng) 并 證 明 了 描 述 該 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 方 程 在 一 定 條 件 下 存 在 唯 一 解 本 文 在 文 獻(xiàn) 基 礎(chǔ) 上 討 論 了 一 類 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 的 動 力 學(xué) 模 型 并 通 過 把 阻 尼 函 數(shù) 當(dāng) 作 控 制 變 量 利 用 空 間 幾 何 性 質(zhì) 證 明 了 動 力 學(xué) 方 程 支 配 的 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 存 在 唯 一 最 優(yōu) 控 制 元 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 數(shù) 學(xué) 模 型 基 本 假 設(shè) 鉆 頭 與 土 壤 相 互 作 用 的 橫 向 分 力 分 解 為 在 研 究 橫 向 振 動 時 不 考 慮 縱 向 和 扭 轉(zhuǎn) 振 動 影 響 不 考 慮 鉆 軸 產(chǎn) 生 彎 曲 的 影 響 鉆 頭 橫 向 振 動 分 解 為 水 平 面 上 兩 個 方 向 分 量 來 研 究 數(shù) 學(xué) 模 型 式 中 為 鉆 頭 質(zhì) 量 為 兩 方 向 阻 尼 系 數(shù) 函 數(shù) 瓦 為 兩 方 向 側(cè) 向 剛 度 為 兩 方 向 鉆 頭 與 土 壤 之 間 作 用 力 令 二 無 丁 卜 洲 卜 噴 川 耐 可 以 寫 成 下 述 方 程 玄 玄 耐 二 全 夕 氣 歲 人 夕 夕 法 夕 二 其 中 藝 主 夕 藝 全 夕 夕 狀 態(tài) 空 間 設(shè) 取 阮 場 空 間 丫 為 控 制 空 間 記 嘰 呀 簇 鎮(zhèn) 稱 認(rèn) 己 為 系 統(tǒng) 方 程 的 允 許 控 制 集 任 取 任 比 代 人 方 程 求 得 解 記 為 這 里 任 且 各 分 量 為 一 階 可 微 函 數(shù) 在 實 際 模 擬 試 驗 中 測 得 需 達(dá) 到 的 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 量 為 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 問 題 是 尋 求 二 收 稿 日 期 一 一 第 一 作 者 簡 介 孟 慶 華 一 女 黑 龍 江 省 雞 西 人 博 士 研 究 生 講 師 研 究 方 向 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 性 和 數(shù) 學(xué) 建 模 及 系 統(tǒng) 仿 真 呱 使 得 其 中 指 標(biāo) 函 數(shù) 定 義 如 下 運 以 七 叭 司 之 一 一 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 森 林 工 程 第 卷 叫 系 統(tǒng) 方 程 的 最 優(yōu) 控 制 元 為 中 的 歐 氏 范 數(shù) 證 明 定 理 設(shè) 如 系 統(tǒng) 方 程 式 給 出 則 是 不 以 上 的 嚴(yán) 格 凸 函 數(shù) 證 明 對 任 意 的 呱 半 久 有 二 一 一 才 一 一 一 量 記 從 二 十 則 由 式 知 對 任 意 任 從 號 易 知 從 亦 弱 收 斂 于 由 解 對 控 制 參 數(shù) 的 連 續(xù) 依 賴 性 與 式 知 為 關(guān) 于 的 連 續(xù) 泛 函 從 而 對 上 述 存 在 占 當(dāng) 一 占 時 有 又 一 一 冬 一 入 一 對 上 述 占 由 引 理 知 存 在 幾 廣 一一 鎮(zhèn) 圖 從 一 使 得 一 一 習(xí) 幾 從 一 占 由 式 并 注 意 到 的 凸 性 我 們 得 一 一 習(xí) 從 習(xí) 從 幾 義 一 一 一 鎮(zhèn) 萬 一 久 引 理 一 叮 二 自 反 空 間 的 單 位 閉 球 是 弱 自 列 緊 的 引 理 川 設(shè) 為 線 性 賦 范 空 間 仁 弱 收 斂 于 則 對 任 意 存 在 一 哥 二 使 得 藝 磯 號 二 號 客 一 哥 廠 毛 定 理 對 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) 量 存 在 唯 一 的 呀 由 使 得 任 與 證 明 由 式 易 知 心 是 自 反 空 間 的 有 界 閉 凸 集 若 是 以 心 中 式 的 極 小 化 序 列 即 由 的 任 意 性 得 由 的 嚴(yán) 格 凸 性 知 是 唯 一 的 結(jié) 論 通 過 以 上 證 明 可 以 得 出 當(dāng) 阻 尼 函 數(shù) 作 為 控 制 變 量 時 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 存 在 最 優(yōu) 控 制 元 這 對 挖 坑 機 械 工 作 效 率 的 提 高 具 有 指 導(dǎo) 意 義 和 應(yīng) 用 價 值 由 于 影 響 鉆 頭 動 力 學(xué) 性 能 的 因 素 十 分 復(fù) 雜 有 些 問 題 目 前 還 難 以 掌 握 因 此 本 文 在 分 析 中 仍 然 是 在 一 定 的 假 設(shè) 條 件 基 礎(chǔ) 上 下 進(jìn) 行 的 還 有 待 于 今 后 進(jìn) 一 步 的 研 究 參 考 文 獻(xiàn) 黑 一 卿 一 由 引 理 可 知 從 中 可 選 出 弱 收 斂 的 子 列 仁 設(shè) 其 弱 收 斂 任 嘰 即 黑 弱 收 斂 由 式 對 任 意 存 在 任 當(dāng) 時 有 王 輝 一 類 機 器 人 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 數(shù) 學(xué) 的 實 踐 與 認(rèn) 識 一 王 麗 潔 何 雷 一 類 彈 性 振 動 系 統(tǒng) 的 控 制 問 題 數(shù) 學(xué) 的 實 踐 與 認(rèn) 識 一 孟 慶 華 王 輝 受 霉 素 影 響 的 單 群 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 問 題 哈 爾 濱 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報 即 一 張 恭 慶 林 源 渠 泛 函 分 析 講 義 上 冊 北 京 大 學(xué) 出 版 社 責(zé) 任 編 輯 肖 生 靈 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第 22 卷 第 6 期 森 林 工 程 Vol122 No16 2006 年 11 月 FOREST ENGINEERING Nov 2006 基 于 ANSYS 的 植 樹 挖 坑 機 主 軸 的 優(yōu) 化 設(shè) 計 屈 錦 衛(wèi) 于 建 國 東 北 林 業(yè) 大 學(xué) 哈 爾 濱 150040 摘 要 用 有 限 元 分 析 軟 件 ANSYS對 挖 坑 機 主 軸 進(jìn) 行 優(yōu) 化 設(shè) 計 從 理 論 上 說 明 優(yōu) 化 設(shè) 計 的 數(shù) 學(xué) 模 型 并 給 出 具 體 的 設(shè) 計 步 驟 通 過 得 出 的 優(yōu) 化 結(jié) 果 說 明 ANSYS優(yōu) 化 設(shè) 計 模 塊 在 機 械 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設(shè) 計 上 的 優(yōu) 越 性 和 可 行 性 為 其 他 較 為 復(fù) 雜 的 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 提 供 新 的 思 路 和 方 法 關(guān) 鍵 詞 ANSYS 挖 坑 機 主 軸 優(yōu) 化 設(shè) 計 中 圖 分 類 號 S7761262 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 A 文 章 編 號 1001 005X 2006 06 0012 02 The Optimization Design of Principal Axis of Earth Auger Based on ANSYSPQu Jinwei Yu Jianguo Northeast Forestry University Harbin 150040 Abstract This paper optimized the principal axis of the earth auger by ANSYS introduced the mathematic model and the steps of the optimization design The optimization results showed the superiority and feasibility of the ANSYS model used in me2 chanical structure optimization design A new method to optimize other complex structures was provided in this paper Key words ANSYS earth auger principal axis optimization design 收 稿 日 期 2006 03 30 基 金 項 目 教 育 部 高 等 學(xué) 校 博 士 學(xué) 科 點 專 項 科 研 基 金 20040225005 第 一 作 者 簡 介 屈 錦 衛(wèi) 1981 男 河 南 省 周 口 人 碩 士 研 究 生 研 究 方 向 現(xiàn) 代 設(shè) 計 方 法 植 樹 挖 坑 機 是 機 械 化 造 林 設(shè) 備 中 的 主 要 設(shè) 備 其 性 能 直 接 影 響 植 樹 造 林 的 速 度 和 質(zhì) 量 對 于 手 提 式 挖 坑 機 其 重 量 是 影 響 其 廣 泛 應(yīng) 用 的 重 要 原 因 本 文 利 用 大 型 有 限 元 分 析 軟 件 ANSYS 對 挖 坑 機 的 主 軸 進(jìn) 行 了 優(yōu) 化 設(shè) 計 不 僅 大 大 減 輕 了 主 軸 的 重 量 也 為 設(shè) 計 出 性 能 優(yōu) 重 量 輕 便 于 攜 帶 的 手 提 式 挖 坑 機 提 供 了 理 論 依 據(jù) 1 2 1 ANSYS 軟 件 簡 介 ANSYS 軟 件 是 由 美 國 ANSYS 公 司 開 發(fā) 的 一 個 功 能 強 大 的 通 用 有 限 元 分 析 軟 件 融 結(jié) 構(gòu) 熱 流 體 電 磁 聲 學(xué) 分 析 于 一 體 具 有 友 好 的 前 處 理 界 面 高 效 精 確 的 求 解 器 和 完 善 的 后 處 理 功 能 廣 泛 應(yīng) 用 于 機 械 制 造 航 空 航 天 汽 車 交 通 土 木 工 程 電 子 工 程 等 一 般 的 工 業(yè) 和 科 學(xué) 研 究 領(lǐng) 域 AN2 SYS軟 件 有 效 地 把 有 限 元 數(shù) 值 分 析 技 術(shù) 和 CAD CAE有 機 地 結(jié) 合 在 一 起 使 用 戶 可 以 直 觀 精 確 地 分 析 可 能 出 現(xiàn) 的 問 題 有 效 地 節(jié) 省 生 產(chǎn) 和 開 發(fā) 費 用 ANSYS 優(yōu) 化 設(shè) 計 能 力 非 常 強 大 廣 泛 應(yīng) 用 于 外 形 應(yīng) 力 頻 率 和 溫 度 等 方 面 3 2 基 于 ANSYS 的 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設(shè) 計 211 優(yōu) 化 設(shè) 計 原 理 優(yōu) 化 設(shè) 計 是 一 種 尋 求 最 優(yōu) 設(shè) 計 方 案 的 技 術(shù) 所 謂 最 優(yōu) 設(shè) 計 指 的 是 一 種 方 案 不 僅 可 以 滿 足 設(shè) 計 要 求 而 且 所 需 的 支 出 如 重 量 體 積 費 用 等 最 小 也 就 是 說 最 優(yōu) 設(shè) 計 方 案 就 是 一 種 最 有 效 率 的 方 案 ANSYS 程 序 提 供 了 2 種 優(yōu) 化 方 法 即 零 階 法 和 一 階 法 零 階 法 是 一 個 很 完 善 的 處 理 方 法 可 以 有 效 地 處 理 大 多 數(shù) 的 工 程 問 題 一 階 法 基 于 目 標(biāo) 函 數(shù) 對 設(shè) 計 變 量 的 敏 感 程 度 因 此 更 適 用 于 精 確 的 優(yōu) 化 分 析 3 4 優(yōu) 化 設(shè) 計 是 通 過 構(gòu) 建 優(yōu) 化 模 型 5 在 滿 足 設(shè) 計 要 求 的 條 件 下 進(jìn) 行 的 迭 代 運 算 求 得 目 標(biāo) 函 數(shù) 的 極 值 得 到 最 優(yōu) 設(shè) 計 方 案 優(yōu) 化 問 題 的 數(shù) 學(xué) 模 型 可 以 表 示 為 Min F x F x1 x2 xn 滿 足 gi x g x1 x2 xn 0 i 1 2 m hj x hj x1 x2 xn 0 j 1 2 p x x1 x2 xn T 式 中 F x 為 目 標(biāo) 函 數(shù) 是 需 要 獲 得 最 優(yōu) 值 的 變 量 是 設(shè) 計 變 量 的 函 數(shù) 在 ANSYS 中 只 能 有 一 個 目 標(biāo) 函 數(shù) gi x hj x 為 狀 態(tài) 變 量 用 于 約 束 設(shè) 計 作 為 因 變 量 狀 態(tài) 變 量 都 是 設(shè) 計 變 量 的 函 數(shù) 狀 態(tài) 變 量 可 能 有 上 下 限 也 可 能 只 有 上 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 限 或 下 限 x 為 設(shè) 計 變 量 作 為 自 變 量 優(yōu) 化 是 通 過 改 變 設(shè) 計 變 量 的 數(shù) 值 來 實 現(xiàn) 的 每 個 設(shè) 計 變 量 都 有 上 下 限 它 定 義 了 設(shè) 計 變 量 的 變 化 范 圍 212 ANSYS 優(yōu) 化 的 基 本 過 程 ANSYS 優(yōu) 化 的 基 本 過 程 如 圖 1 所 示 圖 1 優(yōu) 化 過 程 213 ANSYS 對 挖 坑 機 主 軸 的 優(yōu) 化 ANSYS 對 挖 坑 機 主 軸 的 優(yōu) 化 如 圖 2 所 示 初 始 計 算 時 挖 坑 機 主 軸 半 徑 為 0102 m 長 度 為 1 m 對 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 優(yōu) 化 目 標(biāo) 為 結(jié) 構(gòu) 的 體 積 最 小 質(zhì) 量 最 小 設(shè) 計 變 量 rid 取 值 范 圍 為 01011 01025 m 長 度 h 取 值 范 圍 為 018 112 m 設(shè) 計 變 量 優(yōu) 化 結(jié) 果 見 表 1 圖 2 挖 坑 機 主 軸 簡 圖 根 據(jù) ANSYS 提 供 的 最 佳 序 列 為 第 五 次 迭 代 結(jié) 果 第 八 次 迭 代 目 標(biāo) 函 數(shù) 雖 然 最 小 但 等 效 應(yīng) 力 過 大 狀 態(tài) 變 量 設(shè) 計 變 量 以 及 目 標(biāo) 函 數(shù) 的 優(yōu) 化 曲 線 分 別 見 圖 3 圖 6 表 1 優(yōu) 化 結(jié) 果 迭 代 次 數(shù) 最 大 等 效 應(yīng) 力 PPa 半 徑 Pm 長 度 Pm 體 積 Pm3 1 01245 22E 07 01200 00E 01 11000 0 01122 94E 02 2 01180 94E 07 01227 08E 01 11037 2 01158 78E 02 3 01381 41E 07 01158 20E 01 11107 7 01769 47E 03 4 01303 74E 07 01180 63E 01 11085 4 01100 39E 02 5 01622 49E 07 01129 74E 01 11180 6 01517 87E 03 6 01444 73E 07 01152 69E 01 11128 7 01715 97E 03 7 01468 70E 07 01133 97E 01 11184 8 01552 54E 03 8 01706 97E 07 01125 38E 01 11196 3 01483 44E 03 圖 3 狀 態(tài) 變 量 變 化 曲 線 圖 4 設(shè) 計 變 量 半 徑 變 化 曲 線 圖 5 設(shè) 計 變 量 長 度 變 化 曲 線 圖 6 目 標(biāo) 函 數(shù) 變 化 曲 線 下 轉(zhuǎn) 第 16 頁 31第 6 期 屈 錦 衛(wèi) 等 基 于 ANSYS的 植 樹 挖 坑 機 主 軸 的 優(yōu) 化 設(shè) 計 1994 2009 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 3 分 類 驗 證 試 驗 樣 本 如 圖 1 所 示 共 分 10 大 類 每 類 60 個 樣 本 30 個 標(biāo) 準(zhǔn) 樣 本 30 個 作 測 試 樣 本 用 主 分 量 分 析 的 方 法 將 原 來 14 維 的 特 征 參 量 降 為 4 維 那 么 參 數(shù) 的 描 述 紋 理 的 性 能 會 有 怎 樣 的 變 化 呢 本 文 采 用 最 近 鄰 分 類 器 K近 鄰 分 類 器 和 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 分 類 器 對 木 材 樣 本 的 分 類 正 確 率 來 說 明 這 個 問 題 分 類 正 確 率 如 表 2 所 示 由 表 2 可 見 用 主 分 量 分 析 后 樣 本 分 類 正 確 率 與 原 始 參 數(shù) 的 分 類 正 確 率 比 較 接 近 并 且 有 較 高 分 類 精 度 但 數(shù) 據(jù) 量 卻 大 大 減 小 了 因 此 用 主 分 量 分 析 提 取 木 材 樣 本 灰 度 共 生 矩 陣 參 數(shù) 的 4 個 綜 合 參 數(shù) 能 有 效 描 述 木 材 紋 理 表 2 分 類 正 確 率 比 較 最 近 鄰 分 類 器 K近 鄰 分 類 器 BP神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 分 類 器 原 始 參 數(shù) 1 14 851667 89100 881667 主 分 量 分 析 后 的 綜 合 參 數(shù) 1 4 841667 861333 88100 圖 1 圖 像 樣 本 受 篇 幅 限 制 每 類 只 列 出 1 個 參 考 文 獻(xiàn) 1 Haralick R M Statistical and structural approaches to texture A In Proceeding of IEEE C 1975 67 5 786 804 2 Robert M H Shanmugam K Textural features for image classification J IEEE Transaction on Systems Man and Cybernetics 1973 SMC 3 6 610 621 3 Wang L He D C Texture Classification Using Texture Spectrum J Pattern Recognition 1990 23 905 910 4 王 克 奇 陳 立 君 王 輝 基 于 空 間 灰 度 共 生 矩 陣 的 木 材 紋 理 特 征 提 取 J 森 林 工 程 2006 22 1 24 26 5 吳 翊 李 永 樂 胡 慶 軍 應(yīng) 用 數(shù) 理 統(tǒng) 計 M 長 沙 國 防 科 技 大 學(xué) 出 版 社 1995 6 孫 即 祥 現(xiàn) 代 模 式 識 別 M 長 沙 國 防 科 技 大 學(xué) 出 版 社 2002 責(zé) 任 編 輯 董 希 斌 上 接 第 13 頁 3 結(jié) 論 通 過 對 挖 坑 機 主 軸 的 優(yōu) 化 使 其 在 保 證 設(shè) 計 要 求 的 同 時 體 積 減 小 約 50 極 大 的 減 輕 了 重 量 如 果 采 用 空 心 軸 重 量 還 能 再 降 低 一 些 由 此 可 見 基 于 ANSYS 的 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設(shè) 計 在 解 決 優(yōu) 化 問 題 時 是 有 效 的 實 用 的 是 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設(shè) 計 的 重 要 方 法 尤 其 對 于 結(jié) 構(gòu) 較 為 復(fù) 雜 的 情 況 參 考 文 獻(xiàn) 1 姚 昌 恬 九 五 期 間 我 國 林 業(yè) 發(fā) 展 狀 況 分 析 J 林 業(yè) 經(jīng) 濟 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 1997 14 1 73 77 3 孟 慶 華 于 建 國 鮑 春 雨 一 類 挖 坑 機 械 鉆 頭 橫 向 振 動 系 統(tǒng) 的 最 優(yōu) 控 制 問 題 J 森 林 工 程 2005 21 5 25 26 4 張 亞 歐 谷 志 飛 宋 勇 等 ANSYS710 有 限 元 分 析 實 用 教 程 M 清 華 大 學(xué) 出 版 社 2004 5 李 宏 雁 ANSYS的 設(shè) 計 優(yōu) 化 理 論 及 應(yīng) 用 J 一 重 技 術(shù) 2003 2 24 26 責(zé) 任 編 輯 劉 美 爽 61 森 林 工 程 第 22 卷 挖坑機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 本文對挖坑機的重要工作零件 刀片建立 了其純切削模型 并運用 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 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 挖坑機工作原理 挖坑機的主軸由拖拉機動力輸出軸 電動機或液壓 馬達(dá)驅(qū)動做旋轉(zhuǎn)運動 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 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 基金項目 教育部博士點基金項目 圖 1 挖坑機刀片局部放大圖 林業(yè)機械與木工設(shè) 備 設(shè)計計算 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)值計算及可視化圖形處理的工程語言 它將數(shù)值 分析 矩陣計算 圖形圖像處理和仿真等諸多強大的功 能集成在較易使用的交互式計算機環(huán)境中 為科學(xué)研 究 工程應(yīng)用提供了一種功能強 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 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 之間時兩分力變化 較小 不易引起較大破壞 對于 而言 當(dāng) 較小時 側(cè)刃面所受阻力較大 用于切削的力則較小 當(dāng) 大 于 40 時 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 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 1997 14 1 73 77 3 曾德超 機械土壤動力學(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 研究方向為機械設(shè)計及理論 屈錦衛(wèi) 1981 男 河南周口人 東北林業(yè)大學(xué)機械設(shè)計及理論專業(yè) 在讀碩士研究生 研究方向為現(xiàn)代設(shè)計方法 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)機械與木工設(shè) 備 設(shè)計計算 植 樹 挖 坑 機 的 設(shè) 計 蔣 泉 山 大 同 市 農(nóng) 機 局 山 西 大 同 摘 要 通 過 對 挖 坑 機 設(shè) 計 試 驗 和 生 產(chǎn) 的 綜 合 分 析 闡 述 了 提 升 機 構(gòu) 傳 動 裝 置 齒 輪 箱 安 全 離 合 器 傳 動 軸 和 螺 旋 葉 片 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 技 術(shù) 參 數(shù) 和 工 作 特 性 以 及 動 力 匹 配 為 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 提 供 參 考 關(guān) 鍵 詞 挖 坑 機 設(shè) 計 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 中 圖 分 類 號 S 7 7 6 2 6 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 文 章 編 號 1 0 0 1 4 4 6 2 2 0 0 6 0 5 0 0 2 4 0 2 1 1 1 1 36 1 31 1 期 第 0 卷 左 端 兩 孔 與 約 束 在 曲 線 槽 內(nèi) 由 轉(zhuǎn) 動 銷 連 接 因 此 主 臂 擺 動 帶 動 桿 和 桿 另 兩 端 點 既 做 軸 線 方 向 移 動 又 做 沿 曲 線 槽 的 擺 動 曲 線 槽 和 直 線 槽 共 同 的 約 束 使 兩 點 保 證 在 主 臂 擺 動 過 程 中 始 終 保 持 在 一 條 固 定 的 垂 線 上 曲 線 方 程 安 全 裝 置 設(shè) 計 挖 坑 機 工 作 環(huán) 境 的 多 樣 性 和 突 變 性 決 定 其 必 須 配 備 安 全 裝 置 否 則 在 遇 到 突 然 大 沖 擊 負(fù) 荷 情 況 下 就 會 造 成 挖 頭 和 主 機 動 力 輸 出 軸 損 壞 安 全 裝 置 設(shè) 計 要 求 反 應(yīng) 靈 活 安 全 可 靠 在 突 然 大 沖 擊 負(fù) 荷 下 主 機 動 力 與 挖 頭 應(yīng) 能 安 全 分 離 坑 徑 和 坑 深 為 3 22 22 時 主 機 動 力 為 0 采 用 標(biāo) 準(zhǔn) 齒 墊 用 六 桿 雙 層 彈 簧 連 接 來 壓 縮 齒 墊 彈 簧 壓 力 適 度 在 突 然 沖 擊 負(fù) 荷 下 齒 墊 可 實 現(xiàn) 打 滑 分 離 保 證 主 機 安 全 見 圖 5 為 了 保 證 傳 動 的 穩(wěn) 定 性 安 全 裝 置 設(shè) 計 應(yīng) 盡 量 靠 近 變 速 箱 一 側(cè) 設(shè) 計 參 考 齒 墊 外 徑 8 3 22 齒 高 22 使 用 內(nèi) 外 雙 層 彈 簧 外 層 彈 簧 稍 大 于 內(nèi) 層 彈 簧 壓 力 在 靜 止 狀 態(tài) 下 調(diào) 整 到 許 用 扭 矩 狀 態(tài) 下 變 速 齒 輪 設(shè) 計 當(dāng) 挖 頭 直 徑 8 3 長 度 22 時 轉(zhuǎn) 速 在 4 3 為 宜 齒 輪 模 數(shù) 2 接 觸 長 度 為 1 22 時 通 過 試 驗 其 強 度 耐 磨 性 和 工 作 的 可 靠 性 都 可 滿 足 要 求 而 模 數(shù) 261 時 磨 損 嚴(yán) 重 絕 大 多 數(shù) 機 型 大 齒 輪 軸 的 固 定 采 用 懸 臂 式 試 驗 證 明 該 結(jié) 構(gòu) 在 挖 頭 直 徑 8 1 22 坑 深 A 3 22 時 齒 輪 工 作 擺 動 很 大 導(dǎo) 致 嚙 合 狀 態(tài) 不 良 加 速 磨 損 因 此 大 齒 輪 軸 的 設(shè) 計 一 定 要 采 用 兩 端 固 定 的 結(jié) 構(gòu) 見 圖 設(shè) 計 參 考 從 經(jīng) 濟 性 可 靠 性 適 用 性 方 面 最 好 選 用 東 方 紅 B 4 型 拖 拉 機 中 央 傳 動 的 大 小 螺 旋 錐 齒 輪 其 彎 曲 強 度 接 觸 強 度 都 滿 足 設(shè) 計 要 求 下 轉(zhuǎn) 第 頁 年 第 期第 卷 林林林林林林林林林林林林林 林林林林林林林林林林林林 林 業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) 業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) 業(yè) 機機機機機機機機機機機機機 機機機機機機機機機機機機 機 械械械械械械械械械械械械械 械械械械械械械械械械械械 械 與與與與與與與與與與與與與 與與與與與與與與與與與與 與 木木木木木木木木木木木木木 木木木木木木木木木木木木 木 工工工工工工工工工工工工工 工工工工工工工工工工工工 工 設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè) 設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè) 設(shè) 備備備備備備備備備備備備備 備備備備備備備備備備備備 備 設(shè) 計 計 算 伸 縮 方 軸 軸 0 9 挖 頭 設(shè) 計 挖 頭 挖 坑 時 切 土 螺 旋 提 升 和 拋 土 過 程 雖 然 簡 單 但 其 力 學(xué) 摸 型 及 計 算 十 分 復(fù) 雜 而 且 結(jié) 果 定 量 的 指 導(dǎo) 性 很 差 當(dāng) 挖 頭 為 螺 旋 式 葉 片 內(nèi) 徑 即 中 心 管 67 88 葉 片 外 徑 88 坑 深 88 時 宜 采 用 單 頭 式 左 旋 導(dǎo) 程 為 88 外 徑 切 土 入 土 角 外 7 內(nèi) 徑 切 土 入 土 角 內(nèi) 7 3 平 均 入 土 角 均 7 拋 土 半 徑 88 此 時 十 分 有 利 于 原 土 回 填 試 驗 表 明 能 夠 完 全 滿 足 工 作 要 求 試 驗 也 證 明 采 用 單 頭 比 雙 頭 易 于 入 土 尤 其 在 堅 硬 土 壤 情 況 下 更 能 顯 出 其 優(yōu) 越 性 作 者 簡 介 蔣 泉 山 男 山 西 懷 仁 縣 人 大 同 市 農(nóng) 機 局 工 作 高 級 工 程 師 長 期 從 事 農(nóng) 機 設(shè) 計 研 究