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钻头螺旋面的强度分析及结构参数优化

发布于:2016-04-11 18:19
强度分析

      挖坑机是一种在林业中广泛应用的园林机械,由于园林机械的工作条件复杂,载荷的随机性大,因而要求整机必须具备性能可靠、振动小、重量轻和使用方便等特点。而我国现有的挖坑机,其使用性能和结构等方面,都得不到令人满意的效果。特别是挖坑机的钻头,通常都是采用经验类比设计。由于钻头螺旋面是一个空间曲面壳体,结构复杂,用传统计算方法无法对其进行强度分析,挖坑机钻头螺旋面结构强度的研究在国内尚未开展,因此从理论计算上弄清螺旋面的应力分布状况和易破坏的位置及原因,对钻头的强度、刚度分析是很有意义的。本研究运用有限元分析法的基本理论,建立了挖坑机螺旋钻头的计算模型,对其进行计算分析。在此基础上,通过变换钻头结构参数,在计算机上进行模拟对比试验,对影响钻头强度的结构参数作了分析研究。
      挖坑机工作时处于旋转状态。根据达郎伯原理,可建立“静力”平衡条件的有限元方程式中,为螺旋面的总体刚度矩阵,K为螺旋面全部节点位移向量,R为螺旋面总载荷列阵。螺旋面是一空间曲面壳体,其单元类型属于板壳元,它是平面应力元和薄板弯曲元的简单组合,因此单元刚度矩阵由两部分组成。挖坑机钻头主要由钻杆、钻尖、刀片和螺旋面组成。在建立钻头计算模型时,略去一些次要结构,如钻尖和刀片。
      将螺旋面与钻杆焊接处以端定端处理,螺旋面绕钻杆螺旋上升,采用板壳元中的三角形单元,这样从模型上对结构实体有很好的逼近性。在划分单元时,考虑到受力区和非受力区的不同,对受力区单元划分稠密,对非受力区单元划分相对稀疏,同时考虑刀背及刀背附近区域受力更大以及与钻杆固结区域的受力相对大些,故划分的单元密而小。经过对各区的不同处理,螺旋曲面被划分成285个大小不等的三角形板单元,共176个节点。在实际工作中,挖坑机螺旋钻头外缘和坑壁有一定的间隙,它们之间的摩擦主要是螺旋面上土流和坑壁土壤的接触。
      对螺旋面来说,外缘边界上作用有面力,可作无约束状态处理。钻头工作时,受力状态比较复杂。通过运用现代测试技术,经测试试验并回归分析,得出了土流对螺旋面的正压力P,T螺旋面承受摩擦力F,边缘摩擦力F,重力G,离心惯性力C以及刀背上的R,t等七种力。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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