輻盤式挖掘裝置的結構與有限元分析

王方艷

(1.青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109；2.中國農業大學 工學院，北京 100083)

輻盤式挖掘裝置的結構與有限元分析

王方艷1,2

(1.青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109；2.中國農業大學 工學院，北京 100083)

針對單株塊根作物收獲機具短缺、結構設計粗放的特點，分析了輻盤式挖掘裝置的結構及工作參數，并利用三維虛擬樣機技術建立輻盤式挖掘裝置的模型。同時，根據挖掘裝置的受載情況，借助ANSYS 軟件，對挖掘裝置的變形及應力進行有限元分析。 根據分析結果，找出挖掘裝置易產生損傷部位，為后續挖掘裝置的優化設計及性能提升提供理論依據。

挖掘裝置；輻盤式；有限元分析

0 引言

挖掘裝置是作物收獲過程中重要的工作部件，決定著機具的收獲性能及使用范圍，影響著機具的動力消耗及適用性。當前，根莖類作物收獲采用的挖掘裝置主要有鏵鏟式挖掘裝置、叉桿式挖掘裝置、圓盤式挖掘裝置和復式挖掘裝置[1-5]。它們各具特點，分別適應不同的作物收獲及工作環境，并借助傳統的試驗方法得到了改進和完善。其中，鏵鏟式挖掘裝置的使用范圍較廣，且借助虛擬仿真技術得到了仿真優化[6-10]，但不適于蘿卜、甜菜等單株塊根作物的挖掘收獲。

隨著我國經濟作物生產裝備的發展，蘿卜、甜菜等單株塊根作物的收獲問題被逐漸提上日程。結合單株塊根作物的特點，研制相應的機具，攻克機械化收獲的技術瓶頸，已成為當前研究工作的重中之重。當前，關于蘿卜、甜菜等單株塊根作物的收獲研究主要集中在挖掘裝置的挖掘方式和挖掘阻力，即如何保證對單株塊根作物的定向挖掘及順暢收獲。因此，針對蘿卜、甜菜等單株塊根作物生長范圍較集中。在土壤中的分布范圍穩定的特點，因地制宜研究挖掘機理及方式，設計合理的挖掘結構，對提高作物挖掘效率具有重要的意義。

1 輻盤式挖掘裝置的結構及工作參數

1.1 主要結構

輻盤式挖掘裝置主要采用滾動挖掘形式，利用1對挖掘輻盤與土壤、土壤與塊根之間的作用實現塊根作物擠壓、拔取挖掘，既可減少土壤的挖掘量，又可避免雜草的纏繞及土壤的壅堵，為塊根作物快速除土及輸送環節提供了條件。輻盤式挖掘裝置由挖掘輻盤、軸臂架、調節塊、安裝座及防漏盤等組成，結構如圖1所示。其輻盤為40Mn，軸臂架為Q235，其他零件為45鋼。

1.調節塊 2.安裝座 3.軸臂架 4.防漏盤 5.挖掘輻盤圖1 輻盤式挖掘裝置結構Fig.1 The structure of radial-disc digging device

1.2 工作參數

輻盤式挖掘裝置結構復雜。挖掘輻盤為空間結構，輻盤凹面與土壤作用近似為一對三面楔的作用，輻盤凸面與土壤作用為擠壓力和刮擦力。兩個輻盤刃口面成一定的夾角為ε，決定著兩個輻盤的張口大小，由兩個輻盤刃緣的最大距離cmax、最小距離cmin及圓盤的半徑R確定；挖掘輻盤的二面角所在面與垂直面的偏角為i，決定著兩個挖掘輻盤刃口最小距離處的位置；挖掘輻盤與前進方向所成偏角為γ，影響挖掘輻盤的推土效果；與鉛垂面成傾角為β，決定著挖掘輻盤的翻土效果。其中，傾角β及偏角γ是挖掘裝置的關鍵參數，決定著挖掘部件-土壤-作物之間的相互作用。傾角β影響土壤在垂直方向的運動情況，偏角γ影響輻盤刃口對土壤的鉛垂分力，決定挖掘輻盤的切土、碎土及翻土效果。當張角ε為常量時，偏角γ與傾角β可由偏角i表示。簡化挖掘輻盤結構，工作參數如圖2所示,且各個參數滿足式(1)～式(3)。結合理論分析及試驗[11-12]，確定其工作參數β=13.3°，γ=7.8°，ε=15.25°，i=30°。

tanβ=tanεcosi

(1)

tanγ=tanεsini

(2)

sinε=(cmax-cmin)/4R

(3)

圖2 輻盤式挖掘裝置的工作參數Fig.2 Working parameters of the radial-disc digging device

2 輻盤式挖掘裝置的有限元分析

2.1 模型建立

輻盤式挖掘裝置的結構和參數決定著挖掘裝置的工作穩定性和性能。借助SolidWorks三維軟件建立輻盤式挖掘裝置的虛擬仿真模型，利用SolidWorks與ANSYS Workbench無縫連接端口完成模型的導入模型，建立的模型大地坐標系，并在Model里進行零部件材料賦予和網格的劃分[13-15]。其材料屬性如表1所示。因挖掘裝置是多個零件組裝而成且存在較多的接觸，在比較Tetrahedrons四面體單元和Hex Dominant六面體主導的網格自由劃分單元質量的基礎上，采用Tetrahedrons進行網格劃分。通過對挖掘裝置的靜力學分析，可預測易發生破壞的位置，為挖掘系統的研發提供依據。

表1 材料的屬性

2.2 載荷加載及約束限定

在工作中，輻盤式挖掘裝置為被動滾動，主要受到機架的牽引力、土壤給予挖掘輻盤的承載力、摩擦力及粘附力等。為了便于計算，將作用于挖掘輻盤面上的力進行理論計算及簡化，并合成為M=65040N·mm，Fx'=2706N，Fy'=-271N,Fz'=2294N[1]。結合輻盤式挖掘裝置工作狀態及實際工作條件，將載荷分別施加于挖掘輻盤或軸臂架，以減少安裝誤差帶來的影響。對挖掘輻盤進行分析時，選擇固定約束命令對挖掘輻盤安裝孔6 個自由度進行約束；對圓盤軸臂架進行單獨分析時，選擇固定約束命令將對軸臂架的安裝架6 個自由度進行約束[16-17]。加載如圖3所示。

圖3 加載圖Fig.3 Load figure

2.3 挖掘裝置的靜力分析

2.3.1 挖掘圓盤的靜力分析

將挖掘輻盤三維模型按照實際空間工作位置導入ANSYS Workbench，采用Tetrahedrons四面體單元進行網格劃分，精度定義為100，節點數為75 660，單元數為44 654，并將挖掘輻盤與土壤的合力載入，分析輻盤的形變和等效應力情況。其網格劃分結果如圖4所示，變形云及等效應力云如圖5所示。

圖4 挖掘輻盤網格劃分Fig.4 Grid partitioning of digging radial disk

圖5 挖掘輻盤變形云及等效應力云Fig.5 Deformation cloud and equivalent stress cloud of digging radial disk

由圖5(a)可知：輻盤的變形主要分布在挖掘輻盤的刃緣，最大形變為0.17442mm，相對于挖掘裝置的尺寸較小，小于40Mn的延伸率5%，不會影響整體裝置的運行軌跡及工作性能，也不足以引起機構間的干涉，可忽略不計。由圖5(b)可知：挖掘輻盤的應力集中點較多且分散，最大應力點分布在輻盤的連接輻條處，且最大等效應力為51.721MPa，小于40Mn材料的屈服強度355MPa，可以滿足零件的強度要求。同時，提高挖掘輻盤的強度，應在加工挖掘輻盤的過程中盡量減少鑄造缺陷及應力集中。

2.3.2 軸臂架的靜力分析

將軸臂架的三維模型導入ANSYS Workbench。設置材料屬性，采用Tetrahedrons四面體單元進行網格劃分，劃分的相關性為100，節點數為254 577，單元數為145 899，并將作用于挖掘圓盤上的力等效轉移到軸臂架的軸上，分析得到軸臂架的變形及等效應力云圖。網格劃分結果如圖6所示，軸臂架的變形及等效應力云如圖7所示。

圖6 軸臂架網格劃分Fig.6 Grid partitioning of axis boom

圖7 軸臂架變形云及等效應力云Fig.7 Deformation cloud and equivalent stress cloud of axis boom

由圖7(a)可知：軸臂架的位移變形與安裝架的位置有關，最大變形位置在安裝輻盤的軸緣，且變形值為0.334 91mm，小于鋼材料的延伸率，不影響挖掘裝置的正常工作。由圖7(b)可知：挖掘裝置的調節塊、軸臂架及安裝架都存在應力集中，調節塊和軸臂架上的最大等效應力分別為121.96MP和143.53MPa，且都遠小于45鋼屈服強度355MPa和Q235屈服極限，滿足零部件的強度要求。

綜合以上分析可知：輻盤式挖掘裝置的結構設計合理，關鍵零部件的變形量與應力均在材料允許的范圍內，滿足工作強度要求和結構要求。

3 結論

1)輻盤式挖掘裝置結構復雜，適合單株塊根作物的挖掘收獲，可有效減少土壤的挖掘量，避免雜草的纏繞及土壤的壅堵。輻盤式挖掘裝置的輻盤凹面與土壤作用近似為平共1對三面楔的作用，輻盤凸面與土壤作用為擠壓力和刮擦力。

2)挖掘裝置的輻盤夾角ε、偏角i、偏角γ和傾角β決定著挖掘部件-土壤-作物之間的相互作用，傾角β影響土壤在垂直方向的運動情況，偏角γ影響輻盤刃口對土壤的鉛垂分力，決定挖掘輻盤的切土、碎土、翻土效果。其工作參數如下：β=13.3°，γ=7.8°，ε=15.25°，i=30°。

3)對挖掘裝置進行了靜態有限元分析可知：輻盤

式挖掘裝置的結構設計合理，關鍵零部件的變形量與應力均在材料允許的范圍內，滿足工作強度要求和結構要求。

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ID:1003-188X(2018)02-0066-EA

The Study on Structure of Radial Disk Digging Device with Finite Element Analysis

Wang Fangyan1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 2.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstract： Aiming at the shortage of single-crop root-crop harvesting equipment and the extensive structure design, the structure and working parameters of the radial disk digging device are analyzed. The model of the radial disk excavating device is established by 3D virtual prototyping technology. According to the loading situation of excavating device, the paper analysis the deformation of the excavation device and stress by virtue of ANSYS software. According to the analysis results, it is easy to find the damage site of the excavating device, which provides a theoretical basis for the optimization design and performance improvement of the subsequent excavating device.

excavation device; radial disk; finite element analysis

2016-11-20

國家自然科學基金項目(51505246)；山東省高等學校科技計劃項目(J15LB06)；校高層次人才科研基金項目(631429)

王方艷(1979-),女，山東淄博人，副教授，博士，(E-mail) wfy_66@163.com。

S225；S220.3

A

1003-188X(2018)02-0066-04