旋耕刀結構優化設計與動力穩定性分析

日力夏提·阿布都熱西提，尼加提·玉素甫，買買提明·艾尼

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊　830049)

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旋耕刀結構優化設計與動力穩定性分析

日力夏提·阿布都熱西提，尼加提·玉素甫，買買提明·艾尼

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊830049)

摘要：為了解決土壤和草根對旋耕刀的阻力和刀尖受到的摩擦力及振動沖擊而造成的疲勞失效問題，利用有限元軟件對旋轉對稱六刀刃旋耕刀進行了強度評價并對其結構進行了5次優化改進，并分別對5種優化改進結構建立了數值模型，且進行了靜態和模態數值分析。靜態強度分析結果表明：隨著旋耕刀結構的優化改進，其最大應力集中和最大變形量明顯減小。動力學分析結果表明：第3次優化改進后的3種弧形旋耕刀各階固有頻率都提高于100Hz并避開了工作頻率。最后，通過對比分析5種優化改進結構的強度、固有頻率、振型和動力穩定性等提出了飛輪性旋轉對稱弧形刀刃圓角旋耕刀。該旋耕刀的特點是，應力和變形量比改進前的分別降低2倍和4倍以上，第1階固有頻率由改進前的12Hz提高到170Hz。新提出的旋耕刀型應力集中很小、固有頻率很高，具有可提高疲勞壽命、耐磨性好與使用壽命長等特點，是旋耕機上最適合用的刀片之一。如果不考慮偏心率的影響，在工作頻率范圍內弧形旋耕刀不會出現振動和共振現象。

關鍵詞：旋耕刀；有限元；模態分析；強度分析

0引言

微耕機械是我國耕作機具之一，由于其切土、碎土能力強、平整效果好，并且耕層松軟、耕深合適、蓄水能力強，能夠有效改善作物的生長環境，十分適合現代農業精作業的要求[1-2]。近年來，隨著大功率拖拉機的廣泛應用,微耕機朝著滅茬、旋耕、施肥和播種聯合化、大型化、高速化、輕量化迅速發展。由于我國西部地區耕地地形復雜，如山區、丘陵和小規模耕地等[3-4]，農民對微耕機也提出了工作穩定性的要求；特別是提出了振動、噪音和溫升小，以及微耕效率高、旋耕刀壽命長和除草性能好等要求。這就對微耕機的關鍵零部件的設計和制造技術等提出了新的挑戰，很有必要進行深入研究。

旋耕刀是微耕機的關鍵零部件之一，是耕作過程中直接與硬地表面和強根植接觸的承載部件。高速轉動的旋耕刀片切削和破碎土壤完成松土、鋤草等一系列的工作，并承受復雜的外力(切削土壤的反作用力)、力矩(動力輸出功率產生的驅動扭矩)及各種沖擊載荷，同時還會出現自身的振動、與系統共振等現象，其應力應變狀態非常復雜。雖然旋耕刀看起來很簡單，但可以說是微耕機設計中難度最大的專用關鍵零部件之一。比如，旋耕刀必須進行結構優化設計，以及強度和動力穩定性評價等。

國外，Yong和Hanna采用二維有限元方法研究了平面寬齒耕作部件的土壤切削問題，運用有限元分析，得出了土中的應力分布和變形狀況及耕作部件的法向和切向應力的分布[5]。Chi和Kushwaha采用三維有限元分析窄齒耕作部件的土壤切削問題，編制了有限元計算程序，通過計算得到了耕作部件的反作用力[6]。

國內，郭志軍在不考慮切削速度影響的條件下，采用二維有限元分析了拋物線型耕作部件的切削性能。研究表明：拋物線型耕作部件對部件尖端底部土壤有壓實現象，拋物線型比直線型耕作部件的切削性能要優良[7]。后來，郭志軍運用二維有限元方法對推土鏟與土壤接觸系統進行了研究，分別分析了寬齒切削和窄齒切削土壤所產生的應力及應變分布狀況，對比了他們在兩類切削問題的差異，對比結果表明兩者相差很小[8]。

雖然目前市場上微耕機和旋耕刀種類較多、形狀各異，也有一定的研究報道；但基本上是中小企業參考國外產品拼經驗或逆向工程設計仿造，沒有對其關鍵零部件用現代設計方法和手段進行原創性設計。此外，目前相關旋耕刀設計準則和技術原型方面的報道也很少[9-10]。

本文以微耕機的旋耕刀為研究背景，用現代設計方法對旋轉對稱六刀刃旋耕刀進行結構優化設計和動力穩定性評價。首先建立了帶和不帶飛輪的直刀刃、弧形刀刃旋耕刀及帶銳角和圓角等5種不同結構的旋耕刀，分別進行了靜強度評價、振動分析等。通過對比分析5種結構旋耕刀的應力、應變分布情況及固有頻率、振型，最后提出了結構相對合理的飛輪性旋轉對稱六刀刃弧形圓角旋耕刀。

1旋耕刀數值建模和邊界條件

1.1旋耕刀數值建模與網格劃分

首先分別建立了直刀刃和圓弧形刀刃帶飛輪和不帶飛輪等5種不同的旋耕刀結構。分別為：如圖1(a)、(b)所示的不帶飛輪性和帶飛輪性直刀刃旋耕刀；如圖2(a)、(b)、(c)所示的銳角不帶飛輪性、銳角帶飛輪性和圓角帶飛輪性圓弧形旋耕刀。

為了網格劃分方便將其模型進行了合理的簡化。飛輪、輪轂和旋耕刀側面都合并視為一體，同時去除對結構力學性能基本無影響的倒角和圓角，然后進行三維建模并進行了有限元網格劃分。本文網格單元類型全部選用了10個節點的四面體網格，網格大小均設定為4mm，總網格節點數和單元數分別如表1所示。

表1　5種旋耕刀網格接點數和單元數

(a)　不帶飛輪　　　　　　　　 (b)　帶飛輪

(a)　銳角不帶飛輪　　　　　　　　　　　(b)　銳角帶飛輪　　　　　　　　　　　　(c)　圓角帶飛輪

1.2旋耕刀的材料和機械特性

所有旋耕刀的材料都選用65Mn(彈簧鋼)，其材料屬性如表2所示。在同等的邊界條件和初始條件下分別進行了靜態和動態強度評價與模態分析。

表2　材料基本屬性

2旋耕刀的受力分析和邊界條件

微耕機工作時，旋耕刀一方面做回轉運動切削土壤；另一方面隨機具勻速前進。微耕機所受的外界阻力和動力平衡，克服外界阻力完成耕地作業。其中，微耕機工作阻力常用微耕比阻Κγ表示，它與土壤的很多因素有關，比如濕度、土質、秸稈殘余量、刀具的形狀與排列方式、耕深、耕寬和耕速等，一般情況下微耕比阻Κγ為100～160kPa[11-13]。在特定的土壤和機具設計條件下，微耕比阻Κγ與動力輸出功率Wε的關系為

其中，Κγ為微耕比阻(kPa)，Wε為動力輸出功率(kW)，B為耕作幅寬(m)，H為耕作深度(m)，VZ為微耕機前進速度(m/s)[14]。

根據農藝及條耕的需要，微耕機與旋耕刀設計有關的各項參考參數為：旋耕寬30～40cm；耕深10～15cm；作業效率0.13～2hm2/h；汽油機動力≥2.5kW；考慮到旋耕機工作的穩定性，將旋耕刀在微耕機上對稱安裝。本研究取微耕機的耕作幅寬為35cm，耕作深度為10cm，微耕機前進速度為3km/h，旋耕刀轉速為300r/min。本文重點分析微耕機中的微型旋耕刀，因此微耕比阻Κγ取100kPa，則有Wε=2.9kW。此外，本文中的微耕機用一級渦輪變速箱，根據變速箱設計要求總傳動效率取為η=0.8。根據以上分析，作用在旋耕刀的功率為

Wa=Wε·η=2.3kW

旋耕刀所受的轉矩為

刀刃面所受的力為

本研究對5種模型的靜態和動態分析的載荷條件和邊界條件都相同。由于不同時刻、不同位置旋耕刀所受的載荷大小和作用方向各不相同， 為了方便， 把載荷假設為均勻分布在旋耕刀刀刃上。根據以上旋耕刀的實際安裝和工作狀況，將旋耕刀輪轂內孔進行固定約束并圓弧刀刃面施加均布載荷，大小為486N，如圖3所示。

圖3　旋耕刀邊界條件

3旋耕刀有限元分析與結構優化

基本載荷有土壤對刀刃的反作用力。旋耕刀設計主要是考慮承受土壤對旋耕刀的反作用力和各種振動與沖擊，而各種振動與沖擊主要影響其動力學性能。因此，在靜力分析中我們將作用載荷加載刀刃上，只考慮土壤對旋耕刀反作用力的影響。

3.1旋耕刀靜態數值分析與強度評價

通過結構靜力分析可用來簡單校核旋耕刀在一定載荷條件下的變形與應力大小情況，獲得最大的變形與應力的部位。計算結果如圖4所示。

(a)　直刀刃不帶飛輪旋耕刀　　　　　(b) 直刀刃帶飛輪旋耕刀

(c)　圓弧形不帶飛輪旋耕刀　　　　　 (d)　圓弧形帶飛輪旋耕刀　　　　　 (e)　圓弧形帶飛輪圓角旋耕刀

通過計算結果獲得5種旋耕刀的應力—應變值如表3所示。從表3中可見，5種旋耕刀最大變形量和應力隨著改進呈逐漸減少的趨勢。可知，每次改進旋耕刀的結構越優化，其強度，尤其是圓弧形帶飛輪圓角旋耕刀的應力與變形值越理想。隨著改進應力值由199.42MPa減少到89.78MPa，最大的應力部位在刀片折疊處；變形量由1.806mm減少到0.424 1mm，最大的變形位于刀刃部。

表3　5種旋耕刀最大應力、變形量和出現位置

由于微耕機工作環境惡劣，根據常用的農業機械設計的安全準則[17]將其安全系數取為1.8。在該工況下圓弧形帶飛輪圓角與圓弧形帶飛輪旋耕刀所受的應力84.70MPa，小于許用應力340MPa，比改進前強度提高了4倍以上。

3.2旋耕刀的模態仿真結果

旋耕刀在工作過程中承受多種復雜的動載荷的作用，可認為是復雜的振動系統，因此分析其動力學性能十分重要。為了初步判斷旋耕刀的固有頻率是否落在系統和其他旋轉零部件的工作頻率之內，首先進行了模態分析。本文在研究5種旋耕刀振動特性時，通過自由振動分析法，并利用ANSYS軟件進行了模態分析。根據原動機的正常工作頻率(30～50Hz)接近改進前模型模態頻率的階數，提取了前10階模態并進行了對比分析，如表4所示。

通過對五種旋耕刀進行模態分析，得到10階模態的固有頻率與振形，利用這些數據可以分析旋耕刀的相關動力學特性，發現薄弱環節并進行優化。

表4　5種旋耕刀前10階固有頻率和振型

由表4可知：雖然5種旋耕刀的各階振型基本相同，但是直刀刃旋耕刀的前10階固有頻率不帶飛輪時12～48Hz、帶飛輪時21～64Hz；而旋耕刀自身的工作頻率為0～20Hz,原動機的動力輸入軸的工作頻率為0～60Hz,都落在工作頻率之內，會出現旋耕刀的強烈振動和共振。第3次改進后的圓弧形旋耕刀，不管是帶飛還是不帶飛輪，帶圓角還不帶圓角，第1階模態頻率分別為102、170、170Hz，都從第1階開始避開了工作頻率。這表明，直刀刃帶飛輪或不帶飛輪的旋耕刀在整個工作頻率范圍內會發生振動甚至共振現象，很大程度上影響微耕機的穩定性和正常工作效率。而圓弧形旋耕刀，如果不考慮偏心率的情況下，都避開了工作頻率范圍，不會發生振動或共振，因此其振動特性滿足工作需求。

4結論

1)改進設計了5種不同結構的旋轉對稱六刀刃旋耕刀結構并建立了數值模型。同時，進行了數值分析、對比分析了強度、固有頻率、振型和動力穩定性，提出了飛輪性旋轉對稱弧形刀刃圓角旋耕刀。

2)靜態強度分析結果表明：隨著旋耕刀結構的改進其應力值與變形量明顯減小。飛輪性旋轉對稱弧形刀刃圓角旋耕刀的應力降低到89.78MPa、變形量降低到0.424 1，比改進前分別降低了2倍和4倍以上。

3)動力學分析結果表明：第3次改進后的3種弧形旋耕刀各階固有頻率都避開了工作頻率，如果不考慮偏心率的影響，在工作頻率范圍內弧形旋耕刀不出現振動和共振現象。

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Structural Optimization and Dynamic Stability Analysis of Rotary Blade

Rishat Abdirshit, Nijat Yusup, Mamtimin Geni

Abstract：In order to solve the problem of soil and root friction fatigue and vibration impact on the rotary blade and tip resistance is caused by the failure, this paper of rotationally symmetric six blade rotary blade of strength evaluation and its structure was optimized and improved and then 5 times respectively on five optimization improvement structure established numerical model, the numerical analysis of static and modal using finite element software. The analysis results show that static strength, with the optimization of rotary blade structure improvement and the maximum stress concentration and the maximum deflection decreases obviously. Dynamic analysis results also indicate that the third optimization of 3arc rotary blade improved each order natural frequency are increased in the 100Hz and split the work frequency. Finally, through the comparative analysis of five kinds of optimization proposed flywheel rotation symmetric arc-shaped blade fillet rotary blade improved structure strength, natural frequency, vibration mode and dynamic stability. The characteristics of the rotary blade, stress and deformation than the improved reduced respectively2 times and 4 times above, the first order natural frequency than the previous algorithm improved from 12Hz to 170Hz.Rotary blade type new stress concentration is very small, the natural frequency is very high, so it can improve the characteristics of fatigue life of good wear resistance and long service life, one of the most suitable blade rotary cultivator for. If we do not consider the influence of eccentricity, in the working frequency range of arc rotary blade vibration and the resonance phenomenon does not appear.

Key words：rotary blade; FEM; modal analysis; strength analysis

文章編號：1003-188X(2016)01-0057-05

中圖分類號：S222.3;S220.3

文獻標識碼：A

作者簡介：日力夏提·阿布都熱西提(1988-),男(維吾爾族)，烏魯木齊人,碩士研究生,(E-mail)89356113 8@qq.com。通訊作者：尼加提·玉素甫(1964-),男(維吾爾族),烏魯木齊人,副教授，碩士生導師,(E-mail)nijatyusup@163.com。

收稿日期：2014-12-18

國家發明專利：飛輪性旋轉對稱弧形旋刀(2013101227164)