基于有限元法的山藥采挖機鏟刀的優化設計

苗杰

摘 要：介紹了一種振動式山藥采挖機，通過Solidworks對機具的關鍵部位——挖掘鏟刀進行了有限元分析和優化設計，保證了設計的強度要求，同時降低了部件重量，進一步降低收獲阻力和機具成本。

關鍵詞：有限元;CAE;山藥采挖機;鏟刀;優化設計

中圖分類號：S225.79文獻標識碼：A開放科學（資源服務）標識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.02.005Open Science Identity（OSID）

山藥具有重要的藥用價值和食用價值，我國山藥的種植歷史悠久，種植面積大，江蘇、河北、河南、山西、廣西是我國山藥主要產區（見表1）。發展山藥種植產業對于增加農民收入，振興縣域經濟具有重要的戰略意義。

由于山藥收獲的挖掘深度達1 m左右，一般收獲動土量達1800～2100 m3·hm-2，勞動強度大。因此山藥收獲尚無理想的作業機具，一般采用人工收獲，費工費力勞動強度大，易鏟斷塊莖，制約了山藥產業的發展[1]。

本文介紹了一種山藥采挖機，機具為懸掛式，通過挖掘鏟刀對土壤進行割裂和碎土，振動齒實現對土壤的振動深松作用，滿足人工起拔山藥收獲的要求。為了保證設計效果，采用Solidworks中Simulation模塊對機具的關鍵部件——挖掘鏟刀進行了有限元CAE分析，并進一步進行了優化設計。

1 山藥采挖機總體結構

山藥采挖機根據立刀類型分為直立刀和斜立刀兩種，基本的結構和傳動方式均相同，如圖1所示。拖拉機通過懸掛結構連接機具，后輸出軸與機具減速箱通過長軸連接，工作時減速箱輸出軸將旋轉運動通過振動軸總成轉化為連桿的往復擺動，進一步實現振動齒總成的往復振動，立刀和橫刀實現土壤的破土和割裂，將土壤和作物整體疏松，后續人工進行起拔收獲。

2 鏟刀的設計

2.1 牽引阻力

鏟刀作為機具工作時的主要受力部件，承受了絕大多數的牽引阻力。因此首先要進行機具整體的牽引阻力分析。參考犁的受力分析，機具的牽引阻力為

R=K₀ab^[2]

式中 R—牽引阻力（N）;

K₀—犁耕阻比;

a—耕深（cm）;

b—單犁體幅寬（cm）。

考慮到山藥種植實際農藝，取中等犁耕阻比K0=40 kPa;因收獲深度大于80 cm，取a=80 cm;此外，因設計要求b=50 cm，算出R=160 000 N。

2.2 鏟刀結構

山藥采挖機工作原理與全方位深松機類似，鏟刀也采用相似的結構設計，區別在于山藥采挖機為平刀加橫刀組合，全方位深松機為V字形結構。鏟刀組合結構如圖2。

3 有限元仿真計算和優化設計

3.1 有限元法概述

有限元方法（Finite Element Method）是力學、數學、物理學、計算方法、計算機技術等多種學科綜合發展的結合的產物。有限元方法的實質是將復雜的連續體劃分成為有限多個簡單的單元體，化無限自由度問題為有限自由度問題，將連續場函數的（偏）微分方程求解問題轉化為有限個參數的代數方程組求解問題。用有限元方法分析工程結構的問題時，將一個理想體離散化后，如何保證其數值的收斂性和穩定性是有限元理論討論的主要內容之一，而數值解的收斂性與單元的劃分及單元形狀有關。在求解過程中，通常以位移為基本變量，使用虛位移原理或最小勢能原理來求解[3]。

對于機械設計而言，有限元方法主要采用計算機CAE軟件進行，工作流程包括建模、前處理（網格化、約束、載荷設置）、計算以及后處理和結果分析。主流的CAE軟件包括ANSYS、MSC MARC以及各種建模軟件如Solidworks等自帶的有限元分析模塊。

3.2 Solidworks Simulation模塊簡介

Simulation模塊具有完全嵌入Solidworks中的一致、強大且直觀的仿真功能，設計人員可在設計過程的早期了解產品性能，避免成本高昂的過度設計。設計者只需在模型界面完成建模后，啟動模塊，進行適合的前處理工作，即可交由計算機進行仿真案例的計算，最后輸出仿真結果。

3.3 鏟刀模型的前處理

完成鏟刀模型的制作后，即可進入Simulation模塊進行仿真分析。首先進行前處理，包括材料設置、網格生成、約束和載荷的添加。鏟刀材料為65Mn;網格選擇四面體;由于立刀上半部分焊接在機架側板上，選擇對立刀的對應焊接面添加固定約束;載荷為重力以及水平方向160 kN的牽引阻力，添加至立刀下半部分和橫刀的刀面。如圖3所示。

3.4 鏟刀的仿真后處理

運行算例后，模塊進行計算后得到模型的von Mises應力、位移以及應變，以云圖的方式顯示。鏟刀的von Mises應力如圖4所示?？芍獞Ψ植记闆r，最大應力位于立刀固定位置下方。由于立刀焊接在機架上，此處相當于簡支梁結構，符合最大應力的理論分布。

3.5 優化設計

由圖4可知最大應力為593 MPa，小于材料屈服應力750 MPa?？紤]到仿真直接將全部牽引阻力作為最大載荷進行仿真，而實際工作時振動機構會在一定程度上減輕整體牽引阻力，因此該設計有較大的安全系數，還可進行鏟刀的優化，減輕整體重量和尺寸，有利于節省制造成本。

由于最大載荷位于立刀，優化設計主要針對橫刀的板厚進行了調節，分別取35 mm、30 mm、25 mm、20 mm進行了多次仿真計算，對比最大應力如表2所示。

可知橫刀板厚20 mm時最大應力仍小于材料屈服應力，考慮到實際工作可能出現的超負荷情況，橫刀應取20～25 mm之間，有最佳性價比。

4 結論

本文在分析了一種新型的振動式山藥采挖機牽引阻力后，對其關鍵部位挖掘鏟刀利用CAE技術進行了有限元仿真校核和優化計算，最終通過改變橫刀尺寸，減少了機具重量和加工成本。計算機有限元CAE技術的應用，減少了理論計算工作量，對機具快速設計和驗證提供了可靠依據，縮短了機具研發周期，大大降低了農機開發成本和試制試驗風險。

參考文獻：

[1]馮曉靜， 楊欣， 劉洪杰，等. 麻山藥收獲機械化技術現狀與對策[J]. 中國農機化學報， 2017（4）.

[2] 中國農業機械化科學技術研究院.農業機械設計手冊[M].北京：中國農業科學技術出版社.2007.

[3] DS SolidWorks公司.SolidWorks Simulation基礎教程[M].北京：機械工業出版社， 2014.

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