滅茬深松旋耕整地聯合作業機機架有限元分析及優化

河北雙天機械制造有限公司 趙西哲 張瑞星 張二栓 成志霞

引言

滅茬深松旋耕整地聯合作業機，一次作業即可完成滅茬、深松、旋耕、鎮壓多項作業，提高了生產效率，減少了資源浪費，同時避免了因多次拖拉機進地作業而造成土壤的二次壓實板結。通常滅茬機阻力在11~12.8KN 之間[1,2]，單個深松鏟的作業阻力在1900~2300N 在區間[3,4]，單個旋耕水平阻力平均值為87.6N，垂直阻力56.8N[5]。一臺聯合作業機具通常具有多個深松鏟和旋耕刀，其綜合作業阻力較大，這樣就對機架的強度有較高的要求。傳統機架的設計通常是通過類比試驗和經驗參考兩種方式，對機架的結構設計選材一般都會造成性能過剩。而有限元法是一種在工程中常用的數學模擬分析方法，其將復雜的結構模型離散化成單獨相互關聯的個體，然后通過單獨個體的特征和個體之間的相互作用關系，表征整體結構的變化。其優點在于可將復雜的機械問題采用數值近似和離散化的方式進行計算和分析。本文采用有限元分析法對聯合作業機的機架進行了強度和形變分析，同時對其結構優化提出了相應的建議。

1 整機結構及三維模型的建立

如圖1.1 所示，滅茬深松旋耕整地聯合作業機主要由機架、滅茬裝置、深松裝置、旋耕裝置和鎮壓裝置五部分組成。機架作為以上幾個部分的連接結構，主要由前后方管和鋼板焊接而成。梁結構采用80mm×6mm 的方管，連接板采用厚度為16 mm 的Q355B 鋼板，側板采用厚度為10 mm 的Q355B 鋼板，采用三維軟件構建其三維模型，其三維模型如圖1.2 所示。

圖1.1 整機結構示意圖

圖1.2 機架三維模型

2 聯合作業機機架有限元分析

2.1 單元劃分

采用ANSYS WORKBENCH 模塊對機架三維模型進行網格劃分。利用自動網格劃分法，其網格結構如圖2.1 所示，其模型節點個數為75112 個，單元數為23550 個。

圖2.1 機架三維網格劃分模型

2.2 材料定義、載荷及邊界材料的添加

按照Q355B 鋼的材料屬性，即彈性模量為2.06×1011 N/m2，泊松比為0.280，材料密度為7.85 g / cm3。在ANSYS WORKBENCH 中對幾何網格模型的材料屬性進行設置。

在網格模型上添加載荷和邊界條件（圖2.2），載荷分為滅茬載荷、深松載荷、旋耕載荷、鎮壓載荷四部分。由于鎮壓載荷較小可忽略不計。滅茬的水平阻力為12800N；單個深松鏟的耕作阻力為2300N, 聯合作業機共有4 個深松鏟合計阻力為9200N；單個旋耕刀水平阻力平均值為87.6N，垂直阻力56.8N，聯合作業機共有66 個旋耕刀，合計水平阻力為5781.6N，垂直阻力為3748.8N；為了模擬機架的真實工作情況，按照圖1.1 滅茬、深松和旋耕的布局將力添加到機架上，并在三點懸掛處施加固定約束。

圖2.2 機架載荷及邊界條件添加

2.3 計算結構分析

在ANSYS WORKBENCH 中對機架三維模型進行有限元分析，其結果如圖2.3、圖2.4 所示。圖2.3 為機架的應力云圖，從圖中可以看出機架應力值變化不大，其最大應力值位于布在機架三點懸掛的下側的兩個吊耳處，數值為82.902 Mpa，遠小于材料的屈服極限強度355 MPa。取安全系數為1.5，最大應力遠小于機架的許用應力[σ]=355 Mpa /1.5=236.667 Mpa，故機架的強度滿足要求。圖2.4 為機架的位移云圖，機架的變形主要發生在安裝深松鏟的機架橫梁和安裝旋耕機的三點懸掛吊耳位置，其最大位移為0.554mm，該最大變形量遠遠小于要求的10 mm[6]，表明該結構形式下機架具有很強的抗變形能力。

圖2.4 機架位移云圖

圖2.3 機架應力云圖

3 優化措施

通過計算結果可知，應力集中和形變量主要發生在三點懸掛吊耳連接處和機架安裝深松鏟橫梁處。故針對三點懸掛吊耳連接板可通過適當加寬其寬度和厚度、直角位置適當增加圓角過渡和增加加強筋的方式，提高吊耳連接板的穩定性；針對深松鏟機架安裝處可通過適當選用更大型號的型材、增加前后橫梁之間的連接量和增加加強筋的方式，提高機架的強度和穩定性。

4 結論

機架為聯合作業機械的主要部件，用傳統田間試驗方法優化并分析其結構的穩定性，其過程相對來說較為復雜和繁瑣。利用計算機仿真計算技術，通過三維模型軟件SOILDWORKS 建立機架的三維模型后，并利用有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH 對其模型進行有限分析，可很快得出機架結構的應力和形變等參數，從而對機架進行優化分析。應用仿真參數分析的方法，可快速對其結構進行優化設計，以減少不必要的浪費，提高工作效率，簡化優化設計過程。