行間深松機的深松鏟設計及有限元分析

王　磊，林　靜

(沈陽農業大學 工程學院，沈陽　110866)

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行間深松機的深松鏟設計及有限元分析

王磊，林靜

(沈陽農業大學 工程學院，沈陽110866)

摘要：深松耕法是一種新的土壤耕作方法，其有打破犁底層，加深耕作層，改善耕層結構、提高土壤蓄水保墑、抗旱耐澇的作用。針對東北地區常年作業土壤耕層較淺、土壤板結的問題，設計了一種行間深松機，并運用SolidWorks軟件對其深松鏟進行三維建模。同時，運用ANSYS Workbench軟件對深松鏟進行有限元分析，主要包括靜力分析、模態分析、等效應力和全位移分析。結果表明：深松鏟的應力主要集中在鏟柄與機架連接的位置，而且最大應力為38.72MPa；模態分析表明：振動頻率間隔較大且不會發生共振。研究成果為深松鏟的改進設計提供了參考。

關鍵詞：深松機；有限元分析；SolidWorks；ANSYS Workbench

0引言

據調查發現，我國東北大部分地區傳統的壟耕滅茬耕作方式，每年都將秸稈焚燒，用鏵式犁進行翻耕，長此以往會造成水土流失，也會引起沙塵暴，并且會給土壤土質造成一定的影響[1-2]。每年用傳統方式進行作業，會導致土壤耕層較淺，土壤板結也會越來越嚴重，耕作阻力也就會不斷變大。采用土壤深松技術能夠改善土壤內部結構，打破犁底層，提高土壤的蓄水能力，為植物水分的吸收作充分準備，還能夠適當的抗旱，避免了倒伏的情況，有利于改善環境[3-4]。目前，我國東北大部分地區平均每戶的土地并不是很多，這就導致了歐美大機器覆蓋作業在我國很多地區并不適用[5]，所以需要設計符合我國國情的行間深松機。雖然我國中小型深松機的研究已經很成熟，且廣泛的應用于現代化農業當中，但耕作阻力大這個難題一直也沒有解決[6-8]。為此，設計了一臺行間深松機的深松鏟，能增溫放寒，促進養分轉化，提高產量，適合于干旱、半干旱地區和丘陵地區的耕作。

為了使深松鏟在作業中具有足夠的剛度和強度，本文用ANSYS Workbench 對深松鏟進行有限元分析。首先對深松鏟進行靜力分析，通過分析結果來檢驗深松鏟鏟頭和鏟柄在作業時的變形情況。為了保證深松鏟在作業過程中具有優良的動態特性，對深松鏟進行了模態分析，通過ANSYS Workbench 的求解器得出深松鏟的固有頻率及各階狀態下深松鏟的頻率位移云圖。

1行間深松機的整體結構及工作原理

行間深松機主要由機架、三點懸掛裝置、鏟柄、鏟尖、限深輪及鏟固定裝置等部分構成，如圖1所示。限深輪是為了控制入土深度，保證深松的深度；鏟固定裝置將機架和深松鏟穩固地連接起來。

1.機架　2.三點懸掛裝置　3.鏟柄

田間深松作業時，行間深松機通過三點懸掛裝置與拖拉機相連，通過拖拉機的帶動進行耕整地作業。拖拉機對機器的牽引力通過機架傳導到深松鏟上，轉化為深松鏟切削土壤的力，破壞深松鏟和土壤的粘結力[9]，盡可能地減少前進的工作阻力，最大程度地降低牽引阻力，最后深松鏟對土地進行耕整地作業。

2深松鏟的設計

深松鏟作為行間深松機的關鍵部件，其質量直接影響深松機的作業效果。深松作業時，由于土壤阻力較大，深松鏟應有比較強的入土能力及足夠的耐磨性，從而保證深松機大幅度作業而不發生損壞。目前，深松鏟鏟尖有很多種，包括鑿形鏟、翼型鏟及松土鏟等[10]。鑿形鏟應用廣泛，具有碎土能力較強、結構簡單和工作阻力比較小的特點。鑿形鏟適合行間深松，但工作幅寬比較小，深松效率比較低，在作業過程中產生的能耗較大。鑿形鏟加翼之后會增加作業幅寬提高作業效率，但工作阻力會隨之增加、能耗增加。與鑿形鏟相比，雙翼鏟有較大的作業幅寬，入土能力和碎土能力均較強；但是雙翼鏟的結構相對來說比較復雜，不易加工。所以，本文選擇鑿形松土鏟。

深松作業時，深松鏟的入土角θ和入土隙角β影響著深松作業效果。入土角不僅能夠影響入土能力而且能夠影響前進阻力：隨著入土角不斷增大，入土性能也會隨之下降，切削阻力也會增加；反之，入土角過小，強度也會相應減弱。通過對上述因素的研究，綜合考慮其對入土效果的影響，最終將深松鏟的入土角θ確定為35°。深松鏟底面與地面之間的夾角成為入土隙角，其主要作用是讓深松鏟更加順利、方便地入土。通過實驗可知，入土隙角β取10°。深松鏟鏟尖的幾何關系示意圖如圖2所示。

圖2　深松鏟鏟尖的幾何關系示意圖

深松鏟鏟柄主要分為中型和輕型，我國機械行業標準規定[11]，鏟柄要使用性能不低于A6的鋼制造。為了減少阻力，增加作業效果，深松鏟鏟柄通常做成彎曲形狀，材料選取為65Mn鋼。

3深松鏟三維模型的建立及有限元分析

3.1　三維模型的建立

深松鏟主要由鏟尖和鏟柄兩部分組成[10]，材料選為65Mn鋼。鏟尖在工作過程中切削土壤但不翻轉土壤，而鏟柄主要為了更加穩固地連接鏟尖和機架，讓深松機更好地工作。在SolidWorks中，根據實際情況建立深松鏟的三維模型，如圖3所示。

圖3　深松鏟結構示意圖

3.2　深松鏟的有限元分析

3.2.1深松鏟ANSYS Workbench 前期處理

雙擊Static Structure模塊，設置單位為kg、mm、s；編輯深松鏟鏟尖和鏟柄的材料屬性為65Mn鋼，將密度、楊氏模量、泊松比等數值填寫完成；右鍵單擊Grometry在彈出的菜單中選擇Import Geometry Browse選項，將SolidWorks生成的三維模型導入ANSYS Workbench中。

3.2.2劃分網格

雙擊Model環境，進行深松鏟的網格劃分。單元尺寸設置為最小尺寸，Relevance設置為100；點擊Generate mesh，軟件自動生成網格，共生成2 848個節點、638個單元。網格化分結果如圖4所示。

3.2.3力的分析和邊界條件的定義

對于深松鏟的受力分析前人已經做了很多。前蘇聯著名學者西涅阿可夫等研究了深松鏟受土壤受力后的力學模型，且證明了深度不同時土壤發生失效的形式也不同，因此深松鏟受力可以分為部件和土壤的純切削兩種不同的形式來計算[12-14]。后期我國國內余泳昌教授等借助于國外專家的理論進行研究分析和不斷的完善，最后推出了如下公式[15]，即

(1)

其中，F1為鏟面受土壤的阻力；G為深松鏟所受土壤的重力；β為前失效面的傾角；μ2為土壤之間的摩擦系數。

(2)

其中，F2為作用在鏟柄上的總阻力；N2為鍥刃上法向力；μ1為鏟面與土壤的摩擦系數；α為刃傾角；N3為側刀上的法向力。

根據深松鏟的位置，采用Fixed support方法對鏟柄的前吸附面進行固定約束，通過式(1)、式(2)計算算出鏟尖鏟柄受力情況，采用Force的形式加在鏟尖和鏟柄上，鏟柄受力為624N，鏟尖受到1 619N的牽引力相反的力和土壤147.7N的反作用力，如圖5所示。

圖4　劃分網格效果圖

圖5　邊界與載荷的約束圖

3.2.4深松鏟的分析結果

通過對深松鏟的等效應力和全位移進行分析可知：深松鏟主要應力的范圍為0.002 5141～38.723MPa，最大應力主要集中在鏟柄與機架連接的位置，如圖6所示；最大應變主要在鏟柄的彎曲部分，最大應變值為0.000 223 07mm，如圖7所示；最大位移位于鏟尖的前端，最大值為0.499 56mm，如圖8所示。

圖6　等效應力云圖

圖7　應變云圖

圖8　位移云圖

3.2.5模態分析

模態分析是由計算或者實驗分析來取得結構模態參數的分析過程，是一種近代主要研究結構的動力特性的方法，而且結構的固有頻率、阻尼比和模態振型都是主要的參數。模態分析也叫自由振動分析[16]，它在工程振動領域應用比較多。

首先將深松鏟進行單元劃分，然后在各節點的基礎上建立平衡方程組，最后經過整理總結可得出通用方程[17]為

(3)

式中 [M]—系統的總質量矩陣；

[K]—系統的總剛度矩陣；

[C]—系統的總阻尼矩陣；

{T(t)}—外載荷矩陣；

{u}—位移陣列；

模態分析一般是在無阻尼條件下進行的，系統的總阻尼就可以看成為零，模態分析一般也不考慮載荷，所以式中[C]=0,且{T(t)}=0。由此式(3)可簡化為

(4)

式中{φi}—第i階模態的振型向量(特征向量)；

求解式(4)，即可得出特征值和特征向量，從而得到模態振型和固有頻率[18-19]。

深松鏟的固有頻率結果如表1所示。從圖9中可以看出：第1階模態振型主要是從鏟柄的中下部分一直到鏟尖沿Z軸的來回擺動，最大位移為29.722mm，發生在鏟尖位置。深松鏟各階模態頻率之間間隔較大，因而不會發生共振。

表1　深松鏟的固有頻率

圖9　第1階模態圖

4結論

1)通過對國內外深松機具的分析，結合實際設計了一種行間深松機，并確定其總體結構及深松鏟的結構參數。

2)通過對深松鏟的有限元分析可以看出：在外力的載荷下，深松鏟的應力主要集中在鏟柄與機架連接的位置，模態分析可以得出各階模態振型之間間隔較大且不會發生共振。

3)通過對行間深松機深松鏟的設計，將三維模型導入ANSYS Workbench中進行網格劃分之后進行有限元分析，通過等效應力分析和全位移分析，結果顯示深松鏟最大應力為38.723MPa，滿足設計要求。通過整體變形和位移的角度，可以看出零件可能失效或者發生折損的部位，為下一步的優化提供了基礎，也可以提高設計精度。

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Abstract ID:1003-188X(2016)10-0047-EA

Design and Finite Element Analysis of the Shovel for Inter-row Deep Loosening Machine

Wang Lei, Lin Jing

(College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Abstract：A Deep loosening tillage is a new kind of method for soil cultivation, it can break the plow layer, deepen the plow layer and improve the structure of the top layer, in addition, it has the ability of increasing soil water storage and keeping moisture, drought resistance water-logging. In view of the problem that the northeast region job perennial shallow topsoil, soil compaction has been getting worse in Northeast ridge zone in China, a new type of inter-row deep loosening machine is designed.Three-dimensional modeling of the shovel was established by using Solidworks software.ANSYS workbench was used to analysis the finite element analysis of the shovel, including static analysis, modal analysis and equivalent stress and total deformation analysis. The analysis results showed that the stress of the deep loosening shovel mainly concentrated in the location of the shovel handle connected to the frame,and the maximum stress is 38.723 MPa.The modal analysis showed that the vibration frequency interval was large and the resonance will not occur. This study provides a reference for the design of deep loosening shovel.

Key words：subsoiler; finite element analysis; SolidWorks; ANSYS workbench

中圖分類號：S223.1+9

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0047-04

通訊作者：林靜(1967-)，女，遼寧鐵嶺人，教授，博士生導師。

作者簡介：王磊(1993-)，男，長春人，碩士研究生，(E-mail)18804063629@163.com。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201503116)；國家自然科學基金項目(51275318)

收稿日期：2015-09-24