可快速拆卸组合式水草切割装置的建模与分析.docx
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可快速拆卸组合式水草切割装置的建模与分析
目录
摘要1
1绪论2
1.1水草切割装置的发展历程2
1.2课题研究的背景及研究内容2
2设计要求3
3设计过程3
3.1调研3
3.1.1船3
3.1.2水草3
3.1.3刀具4
3.2拟定方案4
3.3受力分析6
3.1.3惯性力6
3.1.3摩擦力7
3.1.3切割阻力7
3.1.3流体阻力7
3.4水草切割装置的校核11
3.5系统建模与仿真分析13
3.5.1进行运动学仿真分析的意义13
3.5.2割刀装配体基于ADAMS仿真分析及输出结果14
3.5.3输出结果分析19
4结论23
谢辞24
参考文献25
附录图25
可快速拆卸组合式水草切割装置的建模与分析
摘要:
现在市场上有多种水草切割船,但并不适合于小型水域的淡水养殖,而且水草切割船体积大、消耗高,购买需要花费较大资金。
针对这种情况,淡水养殖人员需要一种可以安装在普通船只的切割器,而且具备装拆方便,简单廉价的特点。
在对淡水养殖地区进行调研后,本着以简单实用、可靠廉价为目的,设计了一种能用于养殖户现有小型船只的水草切割装置。
本文介绍了可拆卸组合式水草切割装置的方案、结构、尺寸和材料,并用SolidWorks软件对该装置进行了三维建模,用Adams软件进行了运动学分析,分析了割刀在运行过程中的受力和碰撞,以对割刀进行进一步改进。
关键词:
水草;可拆卸;切割机;建模;分析
Modelingandanalysisof aquaticweedscutterquickly assembledanddemolished
Abstract:
Therearemanyshipsonthemarkettodayusedtocuttheplants,butnotsuitableforsmallwaters.Theseshipshavelargebulk,,highconsumption,andcostmoremoneytobuy.Inviewofthissituation,freshwateraquacultureneedtoinstallacutterintheordinaryvessels,butwitheasyassemblyanddisassembly,asimple,inexpensivefeatures.Freshwateraquacultureintheregionoftheresearch,inlinewithsimple,practical,reliableandaffordableforthepurposeofthedesigncanbeusedforfarmers,asmallvesselofexistingplantscuttingdevice.Thisarticledescribestheremovablecuttingdeviceplantscombinedprogram,structure,sizeandmaterials,andusingSolidWorkssoftware,three-dimensionalmodelofthedevice,withAdamskinematicanalysissoftwaretoanalyzethecuttingknifebyrunningtheprocessforceandimpact,inordertofurtherimproveonthecuttingknife.
keywords:
aquaticweeds;modeling;analysis;assembledanddemolished
1绪论
1.1水草切割机发展历程
荷兰等国早在50年代就开始使用专门的水利机械进行河道的水草切割作业。
荷兰的IHCCOKonijn机械厂1958年研制出H系列两栖式水草切割船共6种机型,随后又相继开发出M系列、S系列和FB系列等多种水草切割机械;荷兰的HERDER公司也开始研制各种机型的河道除草机。
起初他们一般是把切割器安装在液压挖掘机或农用拖拉机上,把沟渠、河道内的蒲草、杂草切割后捞起放于岸边,其整机需停在岸边或沿岸边行驶进行作业,这就是陆用割草机。
由于陆用割草机的使用范围有较大限制,河道、沟渠旁常植有树木,无法停机,远离岸边的水草又无法切割到,因此研制一种能在河道中航行的水中割草机应运而生。
60年代,英国的Rolbe公司开发出Gibeaux系列水中割草机,英国的JohnWilder(工程)公司也开发出自己的系列产品,30多年来,这些产品至今还在世界各地广泛使用。
目前,市场上的水草收割机产品有WH1800型河道清草机、SGY-2.5型水草收割机、GC2230型河道割草保洁船、GC2000型小型河道割草作业机械、9GSCC-1.4型水生植物收割机船队和LW5000多功能水草收割船等,但这些产品外型大,长度都大于8m,需要多人及辅助机械协同作业,适用于大型水域水草的收割。
而景观水域的设计通常都采用自然造型,有各种不同的曲线,且水面较为狭小,不利于大型机械作业。
1992年北京市水利局为了清除京密运河上的各类水草,加快水的流速,减少沿路水的损耗,特邀请了水利系统几家设计和生产单位联合开发水中割草机,SGY-2.5型水中割草机即是其开发的产品之一。
该机与国内其它型号的割草机相比,具有不缠草、割草效果好、有避让保护系统等诸多优点。
1.2课题研究的背景及研究内容
东北地区和江苏等一些发展淡水养殖的地区,他们的养殖塘深一般在0.5m左右,最深达0.8m。
池塘面积一般十五六亩,大的可达五六十亩。
例如有些养殖螃蟹的养殖户,他们要在水塘中种植伊绿藻等水草,以喂食螃蟹。
但水草生长过快时,需要切割水草以维持池塘的生态平衡。
人们大都采用环保的人工收割和机械收割的物理方法来治理水草。
如果采用手工打捞为主,劳动强度大,作业效率低,往往打捞的速度跟不上水草生长的速度,因而机械收割就成为理想的水草治理方式。
采用物理手段,研制实用、高效的水草清理设备,对解决传统作业方式、降低劳动强度、提高生产率、加强环境保护,具有重要的现实意义。
并且大部分沉水植物含有较高的蛋白质(10.6%~15.6%),可制成优质草粉和配合饲料,如果能大面积收获沉水植物,就可以变害为利。
由于沉水植物生长在水中,有特殊的物料特性,用人工收获非常困难,而且经济性差,所以不可能大面积的实施,因此开发沉水植物收获机械具有重大的社会效益和经济效益。
目前市场上有多种水草切割机,它们的切割装置各有优缺点。
因此对于不同的水域和水生植物,有其合适的切割装置。
许多研发者致力于水草切割装置的优化和改进以提高其性能。
随着研究的深入和发展,水草切割装置越来越成熟,性能越来越优良。
随着水域生态景观的开发和养殖事业的迅猛发展,水草切割装置在中国小型水域中具有广泛的应用前景,因此水草切割装置的研究和发展也越来越重要。
因为专门的水草切割船体型大,消耗高,不适合在小型水域工作,且一般的养殖户无法承担水草切割船的费用。
针对这种情况,本文专门设计了可快速拆卸式水草切割装置。
2设计要求
设计一种简单、廉价、可靠的可拆卸式水草切割装置,可安装在养殖户的普通船只上,当池塘需要割草时,可以实现快速安装;当不需要割草时,可以快速拆卸,以免切割装置在露天环境中被侵蚀破坏,延长使用寿命。
在可以快速拆卸组合的基础上,通过调节刀架的高度,可以实现刀的上下移动,这样就可以在不同的水域,根据所要的水草高度,进行切割。
由养殖户的资金基础所限,这种切割装置要廉价简单,绝大多数养殖户可以接受并推广。
人工8小时可切割16亩左右,耗费资金80元左右。
要求所设计的切割装置8小时可切割20亩以上,且耗费低于80元。
3设计过程
3.1调研
3.1.1船的尺寸
养殖户的船宽度在0.9~1m左右,长度在3m左右,高度在400mm左右,吃水深度一般在0.1-0.2m之间。
3.1.2水草
池塘中的水草一般为藻类,在5-30摄氏度下生长,在15-25摄氏度时生长最快。
不同种类差异大,一些种类沉水植物的茎杆脆、强度低,易堵刀而不易捡拾,另一些茎杆强度较高、柔韧,极易缠绕。
它们具有的特点是:
(1)茎杆长、水平生长,为了在水中争得光照,多数沉水植物从水底长到水面,如不切割可沿水面生长长度达数米。
(2)生长无规则,茎杆相互缠绕,在水下连成一片,不易分离,连续缠绕长度可达3m以上,茎秆直径为1~3mm,极易在旋转部件及窄缝内缠绕,且紧实度高。
(3)携水量大,生物量高,沉水植物离开水面时携有大量的水,其鲜草含水率约为85%,已收获的物料需通过漏水装置才能输入装载船。
(4)密度高,多集中在水深为0.7~1.5m的水域,水底有淤泥,一般在浅水域(0.8m)为10~19Kg/m²,平均生产量(干质量)为0.87kg/m2。
养殖户一般一个月割一次,最多两次。
3.1.3刀具
水草收割机的作业类似牧草收获机械和稻麦收获机械,切割器是切割装置中的一个重要部件,它影响作业质量和生产率,目前采用的主要有3种:
绳索式,国外曾采用,适合只割不收的切割船上。
旋转式,湖北监利县农机研究所设计的收获机上采用,缠绕问题十分严重。
如采用圆盘式割刀,由于旋转轴极易缠绕沉水植物,轴架支承部分易拖挂成团沉水植物且与捡拾输送器不易配置而无法正常工作。
经实验在水下切割沉水植物以往复式切割器为宜。
从设计条件考虑选用标准无护刃器双动大刀片式较理想。
割刀传动装置将动力传递给割刀,同时将旋转运动改变为往复式直线运动,实现切割过程。
水草收获机械的割刀传动装置位于切割器的侧面,其曲柄连杆机构与切割器在同一平面内或通过分析可以简化在同一平面内,曲柄连杆机构与切割器所受力系为平面力系。
割刀传动装置要与水面成一定的入水角度驱动切割器在水下做平行于水面的往复直线运动对水草进行切割。
国内割草机多采用农业机械上广泛使用的往复式切割器,它由护刀器、动刀片、定刀片和压刀器成。
为了保证动刀片的前端能顺利地切入农作物茎杆,动刀片和定刀片之间必须保持2°~3°的倾角,以使动定刀片之间有0.2~0.3mm的间隙。
3.2拟定方案
3.2.1粗略方案
动力初步拟定为汽油机,汽油机体积小,振动低,启动简单。
最重要的是,万一有泄漏,汽油易挥发,不会污染水域。
刀具初步拟定为往复式割刀,采用一定刀片一动刀片的方式进行切割。
定刀片焊接在刀架上。
为达到刀具高度可以调节的目的,传动装置初步拟定为软轴传动。
支撑结构尽量采用型材,通过改造型材,刀架可以实现上下移动。
在本设计中,刀配体材料初步拟定为301不锈钢,它具有良好的力学性能和耐腐蚀性能。
刀架采用316不锈钢,其焊接性良好,适用于作结构材料。
3.2.2具体方案
3.2.2.1船
池塘的一般水深为500mm,最深处可达800mm,拟定船高为400mm,无载荷时吃水深度为50mm,船宽900mm。
其SolidWorks三维设计效果图如图3.1所示。
图3.1淡水养殖船
Fig.3.1Freshwaterboat
3.2.2.2刀
选择往复式切割器则能避免切割器被缠绕和堵转的问题,即使遇到强度、韧性比较大的水草,切割器的刀片也能依靠高速运动将水草割断。
在参考大量切割器资料后,最适宜的可直接购买的切割器刀具长度为1100mm。
比船稍宽,以保证船前面的水草切割干净。
其SolidWorks三维效果图如图3.2所示.
图3.2刀装配体
Fig.3.2Knifeassembly
因为往复式割刀的动刀片在速度为0.7m/s时最稳定,按照厂家生产的刀具,切割部分宽a=30.89mm,刀长b=1m,拟定输入转速n=500r/min:
每分钟割的面积
=2an=30.89m2
每小时割的面积
=60
=1853.4m2=2.78亩
8小时割
=8
=22.2亩
刀的移动速度:
偏心轮每转一周,动刀片往复移动一次,偏心距为35mm,那么每转路程L=70mm,速度
0.58m/s
船的适合速度:
v=2a×500/60=0.5m/s
为了提高效率,暂拟定切割部分宽35mm,其相关计算如下:
切割部分宽a=35mm,刀长b=1m,输入转速n=500r/min:
每小时割的面积
=60
=2100m2=3.15亩
8小时割
=8
=25亩
刀的移动速度
=0.58m/s
船的适合速度:
v=2a×500/60=0.58m/s
因为受力不大,材料初步拟定为301不锈钢,它具有良好的力学性能和耐腐蚀性能。
平板是最简单的构件,当平板被顺着平行来流方向安置时,由于水的粘滞性引起的水动力仅为摩擦阻力。
而平板与来流成角度时,会受到形状阻力等。
因此拟定本设计中刀平面与来流方向平行,以减少水的阻力。
3.3.2.3刀架
初步拟定刀片焊接在刀架上,为了实现刀的高度调节,刀架和支撑部分要同时设计。
支撑部分初步设计为开有槽的钢板,刀架可以装配在钢板的槽中以上下进行高度调节。
为了加强刀架的稳定性,同时阻止刀架旋转,初步设计刀架为三角形钢管焊接件。
其SolidWorks三维效果图如图3.3。
图3.3刀架
Fig.3.3Turret
刀架整体均是由直径20mm的钢管焊接,垂直距离为230mm,因为受力不大,材料初步拟定为316不锈钢,其焊接性良好,适用于作结构材料。
3.3.2.4支撑部分
因为池塘一般水深为500mm,当水草在300~400mm高时需要切割。
为节省开支,支撑部分一律用型材,初步拟定为8号槽钢。
8号槽钢高80mm,宽43mm,厚8mm。
根据上面设计的刀架,其垂直距离为230mm,那么可以设计第一个槽口圆形中心据离顶部为80+80+350-230=280mm。
因为上面刀架设计成两钢管中心距80mm,那么支撑部分立臂的槽口间距要80mm,为了满足刀架可以沿支撑立臂移动,暂且设计为由6个开槽。
那么刀架的移动范围可达80×5=400mm,完全可以满足池塘水草的切割。
其SolidWorks三维效果图如图3.4。
图3.4支撑部分
Fig.3.4Supportingpart
3.3.2.5传动部分
由于切割器的安装位置远离动力装置,并且转动方向与主轴夹角很大,所以动力输入端采用软轴传动,以曲柄滑块机构作为驱动机构,偏心轮转速选择为500r/min。
3.3.2.6螺栓螺母
为了使结构更加简单,装拆更加方便,配套螺栓螺母采用M20系列。
3.3.2.7动力部分
由于汽油机体积小,容易启动的特点,拟定动力部分为汽油机,转速为1500r/mim。
配合减速比为1:
3的单级齿轮减速器。
3.3.2.8偏心轮
由于设计采用一定刀片一动刀片的形式,刀片中刀齿间距为35mm,为了使刀片在运行过程中尽可能的增大切割面积,设计偏心半径为35mm。
这样偏心轮运转一周,动刀片完成一个往复动作。
3.3受力分析
割刀承受的力F主要由摩擦力、切割阻力、惯性力和流体阻力组成。
3.3.1惯性力分析
割刀动刀片相对于定刀片的速度为v(x),相对加速度为a(x),X为其相对位移,则由机构运动规律和动静法可以画出割刀惯性力与割刀相对位移X的关系图,如图3所示。
图3.5割刀惯性与割刀相对位移关系图
Fig.3.5Inertiaandcuttingknifecuttingkniferelativedisplacementgraph
假设割刀动刀片及其附件的惯性力为F1,m1为刀片质量,a为刀片加速度,则:
F1=-m1a(x)
其中负号表示力的方向与加速度a(x)的方向相反,显然割刀在运动的整个行程中,前、后半个行程,分别有着方向相反的惯性力,且随着a(x)数值的增加而增大。
偏心轮一转时间t为0.12s,则加速度a=0.58/0.03=19.3m/s^2
45号钢的密度为7.85×10^3kg/m^3,根据拟定的方案,动刀片有29个齿,齿高35mm,则
体积V=1150×20×2+2×29×(6+18)×35/2-(45×6+3.14×3×3)×2×7+3.14×6×6×5=6.67×10^(-5)m3
质量m=Ρv=7.85×10^3V=0.52Kg
惯性力F=m1a=0.52×19.3=10N
3.3.2摩擦力分析
钢与钢的摩擦系数:
静摩擦无润滑剂,0.15,有润滑剂0.1~0.12;动摩擦无润滑剂0.15,有润滑剂0.05~0.10。
这里取动摩擦无润滑剂0.15。
动刀片与定刀片之间的摩擦力f=0.15mg=0.15×5.2=0.78N
3.3.3切割力分析
往复式割刀的运动是一种变速度运动,切割过程中随着切割速度的增加,切割阻力下降,但惯性力增加,与牧草相比,沉水植物的茎杆强度较低。
因为水草的切割阻力很难测量,经查阅牧草的切割阻力为200~300N/m,取300N/m。
刀的切割范围为1m,那么割刀所受切割阻力为300N。
3.3.4流体阻力分析
刀具在水中运动或在具有水流的的作用下,水流对刀具的作用力。
称为刀具受到的水动力。
根据运动转换定律,无论是运动刀具或定置刀具,只要作用在刀具周围的水流流态相同,水流与刀具两者的相对运动实质是一样的,故水流与刀具间的相对速度及作用力完全相同。
为了方便起见,在研究刀具水动力时,一般可假设到刀具静止不动,而水流从不同的角度冲来,从而研究作用在刀具上的水动力,至于刀具前方一定距离处未被打扰的流速称为流速度。
设oxyz直角坐标轴系,坐标原点为o,水平为ox轴,垂直向上的为oy轴,与ox,oy轴相垂直的为oz轴,来流速度v为水平方向,而流体作用于流体上的水动力为R,该力通常可按三个方向分解:
一个分力按ox轴方向为RX;另外两个分别按oy和oz方向分解为RY和RZ。
因此水动力可分为如下三个分力:
图3.6水动力分力图
Fig.3.6Hydrodynamicpitch
当刀具在静止的水体中运动时,阻力的作用方向与刀具的运动方向相反。
当渔具静止不动时,水流对渔具的作用力在沿水流运动方向的分力就是阻力。
升力又称为扩张力,作用方向与渔具的运动方向或水流方向垂直。
侧向力,与阻力和升力垂直。
一个物体所承受的水阻力的大小取决于物体周围的旋涡和波浪的强度,以及液体的粘滞性等性质。
刀具所承受的水阻力Rx由两部分组成,即由水动力而形成的动水阻力Rd和水摩擦阻力Rf其中动水阻力又主要由压差阻力Rp和波浪阻力Rw组成。
Rx=Rd+Rf=(Rp+Rw)+Rf(2.1.1)
这几种阻力有时独立存在,有时几种并存。
刀具在流体中运动时,主要遇到水摩擦阻力和压差阻力。
如在水面运动时,则还遇到兴波阻力。
有限翼展的网板在运动时,将受到诱导阻力。
3.3.4.1摩擦阻力
由于水的粘性作用,与运动物体紧密接触的边界层内的水体也获得一定的速度。
紧贴物体表面的水质点相对物体的运动速度为零,而随与物体的距离增加,水质点的运动速度达到来流与物体的相对运动速度值,因此,在边界层内的水流具有速度。
水层之间互相摩擦,消耗了物体前进的能量,造成了摩擦阻力。
摩擦阻力的形成原因也可以看成:
当流体流经一物体时,由于流体的粘滞性在物体表面产生切向应力,这些切向应力的合力在来流方向上的分量就是摩擦阻力。
由此可知,摩擦阻力的大小主要与水的粘性、物体长度、浸湿面积以及物体的表面的粗糙度有关。
摩擦阻力以数学式表示,具有下列形式(单位宽度):
(2.1.2)
式中l——刚体周界封闭围线的长度;
τ0——作用在刚体壁体上的流体粘滞力的切应力;
dl——刚体周界封闭围线上的微小长度;
(τ0^x)——切向力与运动方向之间的夹角。
(2.1.2)式是以数学的形式表示摩擦阻力的定义。
在实践中,用这方法计算阻力比较繁复,特别是要先找出τ0随长度l变化的规律才能求解。
因此,对摩擦阻力一般采用弗洛德提出的“相当平板”来进行简化计算。
渔具的某些构件,如拖网网板,可以采用相当网板来计算。
但是,像网片、绳索等,一般通过实验来测定其阻力,获得经验公式用于计算。
关于流体的摩擦阻力,牛顿指出:
相邻两单元流体间的摩擦阻力与接触处的正压力无关,它的大小正比于从一个单元体转到另一个单元体所存在的速度变化。
这点与固体间的干摩擦阻力的规律不同。
观察流体的相邻两个单元体,它们沿X轴方向平行运动,见图示,两单元的速度在垂直于X轴的Y轴方向的微分差是dV,单位接触面积上的摩擦阻力(切应力)的定义:
(2.1.3)
其中μ(kg∙s/cm2)是粘滞系数,与流体的性质和温度有关。
当y=0时,有摩擦力为:
在平板的摩擦阻力计算中,有:
式中b——平板的宽度;
l——平板的长度。
在实际应用中,通常引入阻力系数的概念:
(2.1.4)
式中Cf——摩擦阻力系数,由实验测定;,
ρ——流体密度,kg/m3;
V——来流速度或平板运动速度,m/s;
S——光滑平板的湿表面积,m2。
因为实验测定无法实现,经查阅资料可得,钢与水的摩擦阻力系数在0.1~0.5之间,Cf取0.5;水的密度为1000kg/m3,则ρ=1000kg/m3;
因为船的前进速度为0.58m/s,水是静止状态,则V=0.58m/s。
上刀片的湿表面积S为1150×20×2+24×35×29+1150×2×2+35.5×2×29×2=0.079m2。
代入
得:
RF=6.64N
平板是最简单的构件,当平板被顺着平行来流方向安置时,由于水的粘滞性引起的水动力仅为摩擦阻力。
在本设计中,刀具面与来流方向平行,所以刀具只受摩擦阻力。
3.3.4.2兴波阻力
物体在水面运动时,扰动了水面,在物体后方留下了一个扰动区,产生波浪。
物体兴起波浪需要能量,能量还随波浪向外传递。
这些能量来自物体本身,相当于物体受到了阻力,即兴波阻力。
也可从压力差的角度理解:
由于波浪是因水质点在重力和惯性力的作用下引起的,波浪形成后使物体周围的压力分布有所变化,在物体运动方向的投影即压力差,即兴波阻力。
在本设计中,刀具在水面以下切割水草,不存在兴波阻力。
刀架的垂直高度只有80mm,而水草在水面以下100mm以下时就要切割,所以刀架也不会存在兴波阻力。
只有支撑部分的8号槽钢会受到一部分兴波阻力。
3.3.4.3刀架所受流体阻力
在研究圆柱体的水动力,经常采用无限长的圆柱体来代替有限长圆柱体,从而使三因次流简化为二因次流。
首先讨论圆柱体与流向相垂直时的情况。
设R为单位长度圆柱体上受到的阻力,即l=1,则阻力系数为:
图是实验测得的阻力系数CX与雷诺数Re的关系曲线。
(1)当雷诺数Re<1时,阻力系数满足一下列公式:
(2.4.1)
式中h——椭圆柱的短轴;
c——椭圆柱的长轴。
所以
对于正圆柱体,则c=h=d,故有:
(2.4.2)
(2)当Re<10时,圆柱体受的力中主要是黏性力,惯性力较小。
流体绕经圆柱体表面时,不发生界层分离,如图所示。
不同雷诺数时,圆柱体四周的压力分布以及理想分布见图。
(3)随着雷诺数增加,阻力系数减小,惯性力越来越大,而粘性力所占的比例越来越小。
图(b)是雷诺数Re=40时的情况。
图中的S点为层流边界层的分离点,在圆柱体的下游产生两个稳定的旋涡。
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- 快速 拆卸 组合式 水草 切割 装置 建模 分析