深植挖坑機(jī)鉆頭動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)學(xué)描述與仿真研究.pdf

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

2、學(xué)融合為一體，通過(guò)理論分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)深植挖坑機(jī)鉆頭與土壤作用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)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(dòng)力以及鉆頭動(dòng)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(dòng)態(tài)邊界，從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)依據(jù)波動(dòng)理論，結(jié)合有限元法建立了深植挖坑機(jī)鉆頭與土壤作用系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)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(duì)所建動(dòng)力學(xué)模型解的存在性及其解相關(guān)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究；運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)所建動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行求解，得到便于計(jì)算機(jī)編程的數(shù)值計(jì)算模型。采用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言首次研發(fā)了深植挖坑機(jī)鉆頭與土壤作用系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性仿真軟件，此軟件通過(guò)對(duì)邊界條件子程序和基本參數(shù)的不斷調(diào)試，可適用于對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型、不同工況條件的深植挖坑機(jī)鉆頭動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。 本研究以立式深植挖坑機(jī)為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，采用目前國(guó)內(nèi)較先進(jìn)數(shù)據(jù)測(cè)試分析系統(tǒng)，首次

4、對(duì)深植挖坑機(jī)鉆頭動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)所建動(dòng)力學(xué)模型及仿真軟件進(jìn)行了充分驗(yàn)證，并利用單因素試驗(yàn)方法得到了鉆頭主要工作參數(shù)對(duì)鉆頭振動(dòng)響應(yīng)特性的影響規(guī)律。 根據(jù)切削理論對(duì)深植挖坑機(jī)鉆頭切削刀片受力建立數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用MATLAB 對(duì)切削刀片的安裝角進(jìn)行仿真分析，得到最佳安裝角范圍；通過(guò)應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)挖坑機(jī)鉆頭主軸進(jìn)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(chǎng)

5、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將深植挖坑機(jī)鉆頭的橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)波動(dòng)扭矩的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真實(shí)驗(yàn)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(jī)最佳工作狀態(tài)：被測(cè)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(dǎo)程為 H=70mm，鉆頭長(zhǎng) 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(jìn)給速度在 0.045m/s 左右。 以大量仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，綜合分析鉆頭在不同工

6、況參數(shù)下的振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，首次得到深植挖坑機(jī)鉆頭正常工作最大振動(dòng)范圍為：振動(dòng)位移值在±4mm之間，波動(dòng)扭矩值在±2.5N·m 之間，即如果所選工作參數(shù)水平超過(guò)產(chǎn)生最大振動(dòng)量的工作參數(shù)水平時(shí)，振動(dòng)量有急劇擴(kuò)大的趨勢(shì)，此時(shí)模擬工作機(jī)器將出現(xiàn)事故。本文深入開(kāi)展了深植挖坑機(jī)鉆頭與土壤作用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性理論及實(shí)驗(yàn)研究，并運(yùn)用自主研發(fā)的深植挖坑機(jī)鉆頭與土壤作用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性仿真軟件進(jìn)行了大量仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐證明所研發(fā)的軟件具有較好的適應(yīng)性，尤其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)