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挖坑機是一種在林業(yè)中廣泛應(yīng)用的園林機械，由于園林機械的工作條件復(fù)雜，載荷的隨機性大，因而要求整機必須具備性能可靠、振動小、重量輕和使用方便等特點。而我國現(xiàn)有的挖坑機，其使用性能和結(jié)構(gòu)等方面，都得不到令人滿意的效果。特別是挖坑機的鉆頭，通常都是采用經(jīng)驗類比設(shè)計。由于鉆頭螺旋面是一個空間曲面殼體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用傳統(tǒng)計算方法無法對其進(jìn)行強度分析，挖坑機鉆頭螺旋面結(jié)構(gòu)強度的研究在國內(nèi)尚未開展，因此從理論計算上弄清螺旋面的應(yīng)力分布狀況和易破壞的位置及原因，對鉆頭的強度、剛度分析是很有意義的。本研究運用有限元分析法的基本理論，建立了挖坑機螺旋鉆頭的計算模型，對其進(jìn)行計算分析。在此基礎(chǔ)上，通過變換鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)，在計算機上進(jìn)行模擬對比試驗，對影響鉆頭強度的結(jié)構(gòu)參數(shù)作了分析研究。
挖坑機工作時處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。根據(jù)達(dá)郎伯原理，可建立“靜力”平衡條件的有限元方程式中，為螺旋面的總體剛度矩陣，K為螺旋面全部節(jié)點位移向量，R為螺旋面總載荷列陣。螺旋面是一空間曲面殼體，其單元類型屬于板殼元，它是平面應(yīng)力元和薄板彎曲元的簡單組合，因此單元剛度矩陣由兩部分組成。挖坑機鉆頭主要由鉆桿、鉆尖、刀片和螺旋面組成。在建立鉆頭計算模型時，略去一些次要結(jié)構(gòu)，如鉆尖和刀片。
將螺旋面與鉆桿焊接處以端定端處理，螺旋面繞鉆桿螺旋上升，采用板殼元中的三角形單元，這樣從模型上對結(jié)構(gòu)實體有很好的逼近性。在劃分單元時，考慮到受力區(qū)和非受力區(qū)的不同，對受力區(qū)單元劃分稠密，對非受力區(qū)單元劃分相對稀疏，同時考慮刀背及刀背附近區(qū)域受力更大以及與鉆桿固結(jié)區(qū)域的受力相對大些，故劃分的單元密而小。經(jīng)過對各區(qū)的不同處理，螺旋曲面被劃分成285個大小不等的三角形板單元，共176個節(jié)點。在實際工作中，挖坑機螺旋鉆頭外緣和坑壁有一定的間隙，它們之間的摩擦主要是螺旋面上土流和坑壁土壤的接觸。
對螺旋面來說，外緣邊界上作用有面力，可作無約束狀態(tài)處理。鉆頭工作時，受力狀態(tài)比較復(fù)雜。通過運用現(xiàn)代測試技術(shù)，經(jīng)測試試驗并回歸分析，得出了土流對螺旋面的正壓力P，T螺旋面承受摩擦力F，邊緣摩擦力F，重力G，離心慣性力C以及刀背上的R，t等七種力。
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