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隨著南疆地區(qū)林果業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，增加林果樹種植面積成為亟待解決的問題之一。傳統(tǒng)的林果樹種植模式基本上是密植、選苗、移栽、嫁接等，種植周期長，勞動強度大，耗費人力多，很難適應(yīng)規(guī)模化的林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展。以南疆代表作物紅棗的種植為例，傳統(tǒng)的種植模式為1年播種、2年嫁接、3年成園。其中，僅播種環(huán)節(jié)采用機(jī)械化直播，但發(fā)芽率僅有80%，后期的嫁接和選苗過程需要大量人力和周期。因此，將先進(jìn)移栽裝備與林果樹的種植農(nóng)藝結(jié)合從而研制出果樹類移栽機(jī)成為解決此問題的一個很好的方法。
本文涉及的傳動滾筒是果樹類移栽機(jī)中帶式同步傳動機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件之一。目前，國內(nèi)傳動滾筒的設(shè)計方法主要是利用經(jīng)驗公式法、類比法和許用應(yīng)力法。這些方法往往是按照經(jīng)驗公式，并采用較大的安全系數(shù)來保證滾筒的安全性，設(shè)計出來的滾筒尺寸較大，質(zhì)量較重，并未對容易發(fā)生缺陷的部位采取有效的預(yù)防措施，盲目性較大，缺乏科學(xué)的分析。為此，將有限元分析和三維模型的建立結(jié)合起來，對帶式同步機(jī)構(gòu)中的傳動滾筒進(jìn)行有限元分析，能夠設(shè)計出尺寸較小、質(zhì)量較輕、安全性很好的滾筒，旨在對滾筒的改進(jìn)和優(yōu)化提供科學(xué)的理論依據(jù)，對滾筒以及移栽機(jī)械的設(shè)計和優(yōu)化具有重要意義。
帶式同步機(jī)構(gòu)由兩對繞有皮帶且豎直放置的傳動滾筒和輔助張緊構(gòu)件構(gòu)成，其主要作用是在移栽過程中對樹苗進(jìn)行夾持及通過齒輪和鏈條傳動機(jī)構(gòu)與移栽機(jī)地輪的同步，保持樹苗與地面的同步，為后續(xù)的栽植、覆土和壓實做準(zhǔn)備。其工作的示意圖如圖1所示。
圖1中，兩對傳動滾筒按照滾軸與豎直面平行的方向放置，兩皮帶之間的間隙可通過果樹苗。工作時，兩個皮帶按照圖示方向與移栽機(jī)地輪等線速度運動，此時皮帶依靠摩擦力帶動樹苗朝著與移栽機(jī)相反向運動，即樹苗此時與地面保持相對靜止，完成種植、覆土和壓實工作。
本文采用的是外驅(qū)動的光面滾筒、輻板和軸焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。傳動滾筒的基本參數(shù)為：滾筒直徑D=240mm，筒皮厚度t=5mm，滾筒寬度L=320mm，皮帶寬度B=300mm，帶速v=1.1m/s，包角α=180°，摩擦因數(shù)μ=0.3。
Pro/E三維軟件建立實體模型，建模過程中，將通過焊縫連結(jié)起來的零件視為連續(xù)的整體，同時省略軸承模型以減少計算時間，將其對滾筒軸的約束施加在有限元模型中。三維模型在建立過程中進(jìn)行了以下簡化：1)將包膠和筒體視為整體，將其質(zhì)量加在滾筒質(zhì)量中；2)將焊接的2個零件視為1個；3)忽略次要構(gòu)件，如軸承座、預(yù)緊螺栓、螺釘及鍵槽等；4)忽略部分軸肩，將其視為等直徑軸；5)忽略倒角、圓角螺孔的影響，將其等效到實體中去。根據(jù)以上簡化之后，建立的三維實體模型如圖3所示。
有限元模型的建立主要是定義材料的屬性，施加載荷和約束，規(guī)定各零部件之間的關(guān)系以及有限元網(wǎng)格的劃分。
有限元模型建立過程中進(jìn)行了以下簡化：1)將焊縫連結(jié)的零部件視為一個連續(xù)整體；2)將各零部件視為剛性聯(lián)結(jié)各零部件材料屬性和力學(xué)性能如表1所示。表中，滾軸的45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。
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