煙苗井窖式移栽成穴機關鍵部件靜力與模態分析

賀方云，蔣光兵，王茂賢，馮小芽* ，鄧 瑩，饒興義，劉明宏，馮厚平，丁 飛

(1.遵義市煙草公司，貴州遵義563100;2.西南大學工程技術學院，重慶400715)

移栽是煙草生產的重要環節，移栽的時間和質量，影響到煙草的成活、全苗和大田的生長發育，更重要的是移栽的時間影響到煙草生育階段對自然資源條件的合理利用，故移栽對煙草的產量和品質影響很大［1－3］。

烤煙井窖式移栽技術是貴州省松桃縣煙草分公司煙葉生產技術人員在發現“牛腳窩現象”的基礎上，由銅仁市煙草公司組織研究出的一項具有自主知識產權的烤煙移栽新技術。該技術是將未達到要求的小苗植入一定規格的井窖內，利用井窖的相對保濕作用，促使煙苗早生快發中期穩長健長、葉片開張度好，后期分層落黃不早衰，成為煙農“新寵”，并在多地獲得廣泛應用。

打孔成穴是烤煙井窖式移栽技術的關鍵性技術，其成穴質量不僅對小苗的成活率和后期的生長有重要的影響，而且打孔成穴的用工量較多。傳統的打孔成穴方式效率低勞動強度大，因此，為了提高打孔成穴質量和效率，貴州省遵義市煙草公司與遵義永欣科技聯合研發了煙苗井窖式移栽成穴機。該成穴機采用人力背負式汽油機提供動力，軟軸傳遞動力，錐形鉆頭打孔的模式，只需要一個人就可以較輕松地完成打孔工作。用戶在打孔時，將背負式汽油機背在雙肩上，左右手分別握著前后把手，按動油門把手，錐形鉆頭即高速旋轉，鉆入土壤成穴。其中土壤對成穴裝置和套管都有不小的反作用力，如果成穴裝置和套管的強度不足以滿足要求，那么有可能會造成整個裝置受力變形過大而遭到破壞。此外，由于工作時，汽油機會產生較大的振動，成穴裝置處于高速旋轉狀態，如果結構設計不當，可能會導致與成穴裝置發生共振。因此有必要對成穴裝置的自然頻率進行分析，從而對結構進行優化，避免共振的發生。

1 成穴裝置受力分析

圖1為該煙苗井窖式移栽成穴機的成穴裝置的受力分析圖。在成穴裝置成穴時，所受土壤外力主要由鉆尖所受力矩M尖和鉆體所受力矩M錐，此外椎體部分還受到了土壤向上的阻力F組成。根據鉆頭入土深度理論推算［4］

式中:q1－系數，對于松軟土壤，取值q1=1 618 N/m;

k1－系數，對于松軟土壤，取值k1=39 240 N/m2;

S－鉆頭的每轉進給量，取值S=0.003 6;

D1－鉆尖的回轉直徑，D1=0.035 m。

代入(1)式得M尖=(161+3 924×0.003 6)×0.0352=0.214 5 N/m

式中:F—正壓力，在一般的作業過程中，人對成穴裝置的壓力可以取值F=50N;

?－錐角，取值120°;

γ－圓柱直徑，γ=0.1 m;

f－鉆柱與土壤之間的摩擦系數，取值f=0.5。

2 套管與成穴裝置形變與應力分析

2.1 Proe三維建模 利用Proe建模軟件［5］所做的套管和成穴裝置三維實體模型如圖2所示。該機構主要由成穴裝置1、套管2、前手把3、后手把4等組成。后把手處安裝有停止按鈕、油門把手及限位把手，套管為中空管，里面安裝有軟軸。工作時，用戶左手握著前把手，右手握著后把手，握下油門把手，將成穴裝置對準需要打孔的地方，左手稍微用力按下套管，待打孔完畢后提起成穴裝置，成穴完成。

2.2 ANSY模型建立 由于ANSYS本身的建模功能比較弱［6－8］，故采用在PROE中建立模型生成parasolid格式文件后導入ANSYS的方法，導入后的模型如圖3所示。為了簡化模型減少計算量，在不影響結果的前提下將前后手把去除。選用20node 186作為單元類型，solid186是一種高階3維20節點，每個節點具有3個沿xyz方向的移動自由度的實體單元。其中套管采用鋁合金材料，成穴裝置采用合金鋼，材料屬性如表1所式。

劃分網格時設置最大單元尺寸為5 mm，采用智能自由網格劃分。由于該模型為裝配體文件，故而在劃分網格之后還需要定義套管和成穴裝置的面與面的接觸，接觸定義采用ANSYS前處理中的接觸向導完成。施加載荷時，在后手把處將移動自由度DOF設置為0，在前手把處施加50 N的向下的壓力模擬用戶對于套管的壓力。在成穴裝置椎體部分施加向上的擠壓力50 N。加載后的ANSYS模型如圖4所示。

表1 材料屬性值

2.3 形變及應力結果與分析 在分析計算處理模塊中開始解算。通過在通用后處理器中查看裝置的形變和應力云圖(圖5和6)。從計算結果看，最大形變點位于鉆尖處，最大的應力點位于套管上端，符合實際情況。裝置的最大變形量為0.028 mm，最大應力值為15.7 MPa，變形量較小，最大應力值小于材料的極限強度，完全可以滿足要求，整個強度存在一定的富裕，必要時，可以通過進一步優化結構降低成本。

3 模態分析

3.1 ANSYS模型建立 同樣通過在Proe中生成parasolid格式中間文件的方法在ANSYS中建立成穴裝置的三維模型。由于該成穴裝置在實際工作過程中高速旋轉，工作時易受到離心力的影響，其固有頻率跟靜止時相比會有一定的變化。為此，在進行模態分析時需要考慮離心力的影響，對部件進行有預應力的結構的ANSYS模態分析。選取Brick 8 node 185作為單元類型，solid 185是8節點，具有UX，UY，UZ 3個移動自由度的三維實體單元。劃分網格采用默認劃分方式，大小采用默認大小，劃分網格后的ANSYS后的模型如圖7所示。加載時只約束UX、UY、UZ及VELX、VELY等5個方向的自由度。在鉆體椎體Z軸正方向施加97.43N的壓力，在Z軸旋轉方向施加6 000 r/min的轉速。為在鉆體圓柱面和圓錐面上施加切向力，將ANSYS中的工作坐標先按照Y方向旋轉90度，然后將當前工作坐標系設為柱坐標，這樣在Y軸方向施加的力就是圓柱和圓錐的切向力，切向力共為22.9N。施加完載荷后的成穴裝置ANSYS模型如圖8所示。

3.2 模態結果與分析 首先，在求解類型里面選擇靜力分析，勾選預應力選項。靜力分析解算完成后，需要重新在分析類型內選擇“Modal”模態分析選項。設定模態分析方法中選擇Block Lanczos，設定提取階數為10，并勾選Incl prestress effects預應力效應選項，這樣在進行模態分析時，將把靜態分析的計算結果考慮進去。

經過模態分析后，得出的前10階固有頻率值如圖9所示。限于篇幅，這里只給出前2階模態振型圖(圖10)。

由ANSYS求解出來的第一階成穴裝置固有頻率值為14 336 HZ，其余各階都依次增大，為后續實際生產實踐提供參考。由于實際工作時汽油機振動相對較大，所以特別是在設計汽油機背包座和套管的時候應該同樣考慮其固有頻率，以避免共振的發生。

4 結論

對成穴裝置的成穴過程中所受到的土壤反力進行了分析，計算出了成穴裝置所受力和力矩的大小。

利用有限元軟件ANSYS對套管和成穴裝置進行了形變和應力分析，得出最大形變和應力點分別集中于成穴裝置鉆尖和套管上端，最大行變量為0.028 mm，最大應力為15.7 MPa，能夠滿足工作要求。

利用有限元軟件ANSYS對于高速運動部件成穴裝置進行帶有預應力的模態分析，得出了前10階頻率值，為后面設計汽油背包座和套管提供參考和依據，避免共振。

［1］許靈杰，杜相革，翟欣，等.不同栽培方式對威寧縣烤煙生長與效益的影響［J］.安徽農業科學，2013，41(20):8488 －8490，8528.

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［5］鐘日銘等.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 從入門到精通［M］.北京:機械工業出版社，2010.

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