王　磊，林　靜

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽　110866)

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行間深松機(jī)的深松鏟設(shè)計(jì)及有限元分析

王磊，林靜

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)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(jié)構(gòu)、提高土壤蓄水保墑、抗旱耐澇的作用。針對東北地區(qū)常年作業(yè)土壤耕層較淺、土壤板結(jié)的問題，設(shè)計(jì)了一種行間深松機(jī)，并運(yùn)用SolidWorks軟件對其深松鏟進(jìn)行三維建模。同時，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對深松鏟進(jìn)行有限元分析，主要包括靜力分析、模態(tài)分析、等效應(yīng)力和全位移分析。結(jié)果表明：深松鏟的應(yīng)力主要集中在鏟柄與機(jī)架連接的位置，而且最大應(yīng)力為38.72MPa；模態(tài)分析表明：振動頻率間隔較大且不會發(fā)生共振。研究成果為深松鏟的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：深松機(jī)；有限元分析；SolidWorks；ANSYS Workbench

0引言

據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國東北大部分地區(qū)傳統(tǒng)的壟耕滅茬耕作方式，每年都將秸稈焚燒，用鏵式犁進(jìn)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(zhì)造成一定的影響[1-2]。每年用傳統(tǒng)方式進(jìn)行作業(yè)，會導(dǎo)致土壤耕層較淺，土壤板結(jié)也會越來越嚴(yán)重，耕作阻力也就會不斷變大。采用土壤深松技術(shù)能夠改善土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(zhǔn)備，還能夠適當(dāng)?shù)目购?，避免了倒伏的情況，有利于改善環(huán)境[3-4]。目前，我國東北大部分地區(qū)平均每戶的土地并不是很多，這就導(dǎo)致了歐美大機(jī)器覆蓋作業(yè)在我國很多地區(qū)并不適用[5]，所以需要設(shè)計(jì)符合我國國情的行間深松機(jī)。雖然我國中小型深松機(jī)的研究已經(jīng)很成熟，且廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)當(dāng)中，但耕作阻力大這個難題一直也沒有解決[6-8]。為此，設(shè)計(jì)了一臺行間深松機(jī)的深松鏟，能增溫放寒，促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，提高產(chǎn)量，適合于干旱、半干旱地區(qū)和丘陵地區(qū)的耕作。

為了使深松鏟在作業(yè)中具有足夠的剛度和強(qiáng)度，本文用ANSYS Workbench 對深松鏟進(jìn)行有限元分析。首先對深松鏟進(jìn)行靜力分析，通過分析結(jié)果來檢驗(yàn)深松鏟鏟頭和鏟柄在作業(yè)時的變形情況。為了保證深松鏟在作業(yè)過程中具有優(yōu)良的動態(tài)特性，對深松鏟進(jìn)行了模態(tài)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(tài)下深松鏟的頻率位移云圖。

1行間深松機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理

行間深松機(jī)主要由機(jī)架、三點(diǎn)懸掛裝置、鏟柄、鏟尖、限深輪及鏟固定裝置等部分構(gòu)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(jī)架和深松鏟穩(wěn)固地連接起來。

1.機(jī)架　2.三點(diǎn)懸掛裝置　3.鏟柄

田間深松作業(yè)時，行間深松機(jī)通過三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)相連，通過拖拉機(jī)的帶動進(jìn)行耕整地作業(yè)。拖拉機(jī)對機(jī)器的牽引力通過機(jī)架傳導(dǎo)到深松鏟上，轉(zhuǎn)化為深松鏟切削土壤的力，破壞深松鏟和土壤的粘結(jié)力[9]，盡可能地減少前進(jìn)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(jìn)行耕整地作業(yè)。

2深松鏟的設(shè)計(jì)

深松鏟作為行間深松機(jī)的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量直接影響深松機(jī)的作業(yè)效果。深松作業(yè)時，由于土壤阻力較大，深松鏟應(yīng)有比較強(qiáng)的入土能力及足夠的耐磨性，從而保證深松機(jī)大幅度作業(yè)而不發(fā)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(yīng)用廣泛，具有碎土能力較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單和工作阻力比較小的特點(diǎn)。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(yè)過程中產(chǎn)生的能耗較大。鑿形鏟加翼之后會增加作業(yè)幅寬提高作業(yè)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(yè)幅寬，入土能力和碎土能力均較強(qiáng)；但是雙翼鏟的結(jié)構(gòu)相對來說比較復(fù)雜，不易加工。所以，本文選擇鑿形松土鏟。

深松作業(yè)時，深松鏟的入土角θ和入土隙角β影響著深松作業(yè)效果。入土角不僅能夠影響入土能力而且能夠影響前進(jìn)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(qiáng)度也會相應(yīng)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(shí)驗(yàn)可知，入土隙角β取10°。深松鏟鏟尖的幾何關(guān)系示意圖如圖2所示。

圖2　深松鏟鏟尖的幾何關(guān)系示意圖

深松鏟鏟柄主要分為中型和輕型，我國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(yè)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(zhuǎn)土壤，而鏟柄主要為了更加穩(wěn)固地連接鏟尖和機(jī)架，讓深松機(jī)更好地工作。在SolidWorks中，根據(jù)實(shí)際情況建立深松鏟的三維模型，如圖3所示。

圖3　深松鏟結(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)值填寫完成；右鍵單擊Grometry在彈出的菜單中選擇Import Geometry Browse選項(xiàng)，將SolidWorks生成的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中。

3.2.2劃分網(wǎng)格

雙擊Model環(huán)境，進(jìn)行深松鏟的網(wǎng)格劃分。單元尺寸設(shè)置為最小尺寸，Relevance設(shè)置為100；點(diǎn)擊Generate mesh，軟件自動生成網(wǎng)格，共生成2 848個節(jié)點(diǎn)、638個單元。網(wǎng)格化分結(jié)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(jīng)做了很多。前蘇聯(lián)著名學(xué)者西涅阿可夫等研究了深松鏟受土壤受力后的力學(xué)模型，且證明了深度不同時土壤發(fā)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(jì)算[12-14]。后期我國國內(nèi)余泳昌教授等借助于國外專家的理論進(jìn)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，F(xiàn)1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(shù)。

(2)

其中，F(xiàn)2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(shù)；α為刃傾角；N3為側(cè)刀上的法向力。

根據(jù)深松鏟的位置，采用Fixed support方法對鏟柄的前吸附面進(jìn)行固定約束，通過式(1)、式(2)計(jì)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(wǎng)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(jié)果

通過對深松鏟的等效應(yīng)力和全位移進(jìn)行分析可知：深松鏟主要應(yīng)力的范圍為0.002 5141～38.723MPa，最大應(yīng)力主要集中在鏟柄與機(jī)架連接的位置，如圖6所示；最大應(yīng)變主要在鏟柄的彎曲部分，最大應(yīng)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(yīng)力云圖

圖7　應(yīng)變云圖

圖8　位移云圖

3.2.5模態(tài)分析

模態(tài)分析是由計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)分析來取得結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的分析過程，是一種近代主要研究結(jié)構(gòu)的動力特性的方法，而且結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型都是主要的參數(shù)。模態(tài)分析也叫自由振動分析[16]，它在工程振動領(lǐng)域應(yīng)用比較多。

首先將深松鏟進(jìn)行單元劃分，然后在各節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立平衡方程組，最后經(jīng)過整理總結(jié)可得出通用方程[17]為

(3)

式中 [M]—系統(tǒng)的總質(zhì)量矩陣；

[K]—系統(tǒng)的總剛度矩陣；

[C]—系統(tǒng)的總阻尼矩陣；

{T(t)}—外載荷矩陣；

{u}—位移陣列；

模態(tài)分析一般是在無阻尼條件下進(jìn)行的，系統(tǒng)的總阻尼就可以看成為零，模態(tài)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(tài)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(tài)振型和固有頻率[18-19]。

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

表1　深松鏟的固有頻率

圖9　第1階模態(tài)圖

4結(jié)論

1)通過對國內(nèi)外深松機(jī)具的分析，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)了一種行間深松機(jī)，并確定其總體結(jié)構(gòu)及深松鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

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(yīng)力主要集中在鏟柄與機(jī)架連接的位置，模態(tài)分析可以得出各階模態(tài)振型之間間隔較大且不會發(fā)生共振。

3)通過對行間深松機(jī)深松鏟的設(shè)計(jì)，將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行網(wǎng)格劃分之后進(jìn)行有限元分析，通過等效應(yīng)力分析和全位移分析，結(jié)果顯示深松鏟最大應(yīng)力為38.723MPa，滿足設(shè)計(jì)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(fā)生折損的部位，為下一步的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)，也可以提高設(shè)計(jì)精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]高煥文，李問盈，李洪文.中國特色保護(hù)性耕作技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(3)：1-3.

[2]李洪文，高煥文，王興文.可調(diào)翼鏟式深松機(jī)的試驗(yàn)研究[J].北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)學(xué)報，1995，15(2)：33-39.

[3]陳坤，胡曉麗，趙欣子,等.國內(nèi)外深松鏟研究現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2010，30(3):30-32.

[4]時均蓮，邱立春.國內(nèi)外深松技術(shù)及深松機(jī)具概況[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005(3):58-59.

[5]劉欣，呂霞，王帥.我國深松機(jī)械的現(xiàn)狀分析與發(fā)展建議[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011(2):130-131.

[6]姚靜.行星驅(qū)動式深松機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010:1-2.

[7]張金波，王躍輝，李寶成,等.深松耕作仿生減阻技術(shù)研究[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2015(5):53-54.

[8]王瑞麗.保護(hù)性耕作條件下深松機(jī)具的研究現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械文摘，2002(6)：205-206.

[9]W.R吉爾，G.E范德伯奇.耕作和牽引土壤動力學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981:264.

[10]李寶筏.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[11]張昭.深松機(jī)關(guān)鍵部件有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

[12]Г.н西涅阿可夫，и.м潘諾夫.土壤耕作機(jī)械的理論和計(jì)算[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981:689-694.

[13]Araya K.Optimization of the design of subsoiling and pressurized fluid injection equipment [J].Journal of Agricultural Engineering Research,1994,57(1)：39-52.

[14]郭新榮，谷謁白.全方位深松部件牽引阻力的分析[J].山西師范大學(xué)學(xué)報，1999，13(4):31-35.

[15]余泳昌，劉文藝，趙迎芳，等.立柱式深松鏟受力數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007(6)：109-113.

[16]凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS Workbench 13.0從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012：137-158.

[17]劉延柱，陳文良.振動力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1998：150-174.

[18]劉選偉，金亮，王景立.基于ANSYS Workbench的深松機(jī)機(jī)架模態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015，37(5):29-31.

[19]馬華永，王衛(wèi)兵，馮靜安，等.基于ANSYS的茬地免耕播種機(jī)機(jī)架有限元分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，36(4)：33-37.

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(xiàn)標(biāo)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(dǎo)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(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503116)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275318)

收稿日期：2015-09-24