深植挖坑機鉆頭動態(tài)過程數(shù)學描述與仿真研究.pdf

1、我國是荒漠化較為嚴重的國家，荒漠化面積占國土總面積27.32％，深栽造林是荒漠化地區(qū)植被恢復最有效手段之一。因此，研究深植挖坑機主要工作部件鉆頭動態(tài)性能、建立和完善鉆頭與土壤作用系統(tǒng)動力學理論、明確鉆頭工作過程動態(tài)特性具有重要意義，將為深植挖坑機動態(tài)參數(shù)設(shè)計、整機性能改善、植樹造林效率提高提供理論支撐。 本文將鉆頭幾何學、運動學、動力學、土壤力學、彈性力學、振動理論、微分方程、數(shù)值計算方法、泛函分析、仿真理論及計算機應(yīng)用技術(shù)等科

2、學融合為一體，通過理論分析并結(jié)合實驗測試，對深植挖坑機鉆頭與土壤作用系統(tǒng)動力學響應(yīng)特性進行了系統(tǒng)的研究。主要研究工作有： 本研究首次將鉆頭與土壤縱向鉆削、橫向刮削和扭轉(zhuǎn)切削、升土阻力矩、外驅(qū)動力以及鉆頭動態(tài)工作參數(shù)、鉆尖及切削刀片類型、土壤性質(zhì)等因素綜合考慮成動態(tài)邊界，從系統(tǒng)動力學角度出發(fā)依據(jù)波動理論，結(jié)合有限元法建立了深植挖坑機鉆頭與土壤作用系統(tǒng)的動力學模型。 以泛函分析中Sobolev空間理論為工具，利用Galerk

3、in法和局部延拓法對所建動力學模型解的存在性及其解相關(guān)優(yōu)化問題進行了研究；運用數(shù)值計算方法對所建動力學模型進行求解，得到便于計算機編程的數(shù)值計算模型。采用計算機高級語言首次研發(fā)了深植挖坑機鉆頭與土壤作用系統(tǒng)的動力學特性仿真軟件，此軟件通過對邊界條件子程序和基本參數(shù)的不斷調(diào)試，可適用于對不同結(jié)構(gòu)類型、不同工況條件的深植挖坑機鉆頭動力學特性進行仿真分析。 本研究以立式深植挖坑機為實驗研究對象，采用目前國內(nèi)較先進數(shù)據(jù)測試分析系統(tǒng)，首次

4、對深植挖坑機鉆頭動力學響應(yīng)特性進行實驗研究，現(xiàn)場實驗結(jié)果對所建動力學模型及仿真軟件進行了充分驗證，并利用單因素試驗方法得到了鉆頭主要工作參數(shù)對鉆頭振動響應(yīng)特性的影響規(guī)律。 根據(jù)切削理論對深植挖坑機鉆頭切削刀片受力建立數(shù)學模型，并運用MATLAB 對切削刀片的安裝角進行仿真分析，得到最佳安裝角范圍；通過應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS 對挖坑機鉆頭主軸進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，依據(jù)最優(yōu)化原理得到鉆頭主軸幾何優(yōu)化尺寸。 在理論分析和現(xiàn)場

5、實驗基礎(chǔ)上，將深植挖坑機鉆頭的橫向振動、縱向振動以及扭轉(zhuǎn)波動扭矩的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與仿真實驗數(shù)據(jù)的綜合分析結(jié)論作為依據(jù)，得到了深植挖坑機最佳工作狀態(tài)：被測試螺旋型鉆頭(鉆頭直徑D=90mm，鉆頭主軸直徑 d=32mm，升土螺旋翼片導程為 H=70mm，鉆頭長 L=1.5m，配備平面三角型鉆尖、45°刀刃角)的最佳工作轉(zhuǎn)速在 360rpm 左右，進給速度在 0.045m/s 左右。 以大量仿真實驗和現(xiàn)場實驗為依據(jù)，綜合分析鉆頭在不同工

6、況參數(shù)下的振動響應(yīng)規(guī)律，首次得到深植挖坑機鉆頭正常工作最大振動范圍為：振動位移值在±4mm之間，波動扭矩值在±2.5N·m 之間，即如果所選工作參數(shù)水平超過產(chǎn)生最大振動量的工作參數(shù)水平時，振動量有急劇擴大的趨勢，此時模擬工作機器將出現(xiàn)事故。本文深入開展了深植挖坑機鉆頭與土壤作用系統(tǒng)動力學特性理論及實驗研究，并運用自主研發(fā)的深植挖坑機鉆頭與土壤作用系統(tǒng)動力學特性仿真軟件進行了大量仿真實驗。實踐證明所研發(fā)的軟件具有較好的適應(yīng)性，尤其對現(xiàn)場實