祝清震，黃玉祥，2

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心，陜西 楊凌 712100)

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基于過(guò)載保護(hù)原理的深松裝置設(shè)計(jì)及有限元分析

祝清震1，黃玉祥1，2

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心，陜西 楊凌 712100)

為防止堅(jiān)硬的犁底層對(duì)深松鏟尖和鏟柄的過(guò)載破壞，在研究過(guò)載保護(hù)裝置工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種具有過(guò)載保護(hù)功能的深松裝置，并對(duì)其關(guān)鍵部件安全銷的選型方法進(jìn)行了研究和有限元校核驗(yàn)證。通過(guò)研究深松裝置在正常載荷和超載荷兩種不同狀態(tài)下的受力，對(duì)其關(guān)鍵部件安全銷的直徑尺寸和材料選型方法進(jìn)行了闡述，并利用ANSYS Workbench軟件對(duì)選用材料為45碳素鋼、直徑為20mm安全銷的過(guò)載保護(hù)深松裝置，進(jìn)行穩(wěn)定工作和超載荷工作兩種狀況下的靜力學(xué)分析。結(jié)果顯示：在超載荷狀態(tài)下，過(guò)載保護(hù)裝置的安全銷最大應(yīng)力為538.47MPa，遠(yuǎn)大于45碳素鋼的屈服強(qiáng)度355MPa。這表明，過(guò)載保護(hù)裝置設(shè)計(jì)合理，能夠起到過(guò)載保護(hù)作用。該研究可以為深松鏟的過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

深松鏟；過(guò)載保護(hù)；有限元分析

0 引言

深松可以改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，活化犁底層，提高土壤的蓄水保墑能力和增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，是一種先進(jìn)的耕作模式[1-3]。深松作業(yè)工況復(fù)雜，堅(jiān)硬的犁底層，容易造成鏟尖或鏟柄折斷和變形，影響深松作業(yè)效果和降低深松作業(yè)效率。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用改善深松鏟尖材料參數(shù)和鏟柄結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，提高鏟尖和鏟柄的抗破壞能力[4-6]。Shmulevich I等應(yīng)用離散元法，分析了深松鏟柄的刃角對(duì)深松鏟通過(guò)性的影響[7]；胡軍等采用等離子堆焊技術(shù)對(duì)深松鏟尖表面制備碳化鉻晶粒-碳鉻鐵涂層，使鏟尖平均硬度提高5～10倍[8]；張金波等對(duì)鏟尖表面進(jìn)行仿生肋條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效增加鏟尖的耐磨性能[9]；王彬等研究了鑿型鏟刀的入土角度和鏟柄的形狀曲線對(duì)深松機(jī)具的入土性能和深松作業(yè)阻力的影響[10]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)將過(guò)載保護(hù)裝置應(yīng)用于深松鏟保護(hù)中，取得了良好的防護(hù)效果[11-13]。例如，趙金和張晉國(guó)采用在深松鏟柄上前端設(shè)置安全銷的方案，對(duì)深松鏟起到了良好的過(guò)載保護(hù)作用[14]。過(guò)載保護(hù)裝置的安全銷具有更換性方便、成本低等特點(diǎn)[15]，對(duì)工況條件差的深松機(jī)具加裝過(guò)載保護(hù)裝置是非常必要且可行的。然而，對(duì)于安全銷選型標(biāo)準(zhǔn)和校核方面的研究欠缺，研究人員大多根據(jù)已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選型安全銷，往往缺少選型依據(jù)和校核。為防止堅(jiān)硬的犁底層對(duì)深松鏟尖和鏟柄的過(guò)載破壞，本文設(shè)計(jì)了一種具有過(guò)載保護(hù)功能的深松裝置，對(duì)關(guān)鍵部件安全銷的選型標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，并利用有限元軟件對(duì)過(guò)載保護(hù)裝置進(jìn)行靜力學(xué)分析研究，旨在為深松鏟過(guò)載保護(hù)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 過(guò)載保護(hù)原理及裝置設(shè)計(jì)

1.1 過(guò)載保護(hù)工作原理

在深松作業(yè)過(guò)程中，鏟尖和鏟柄主要與堅(jiān)硬的犁底層接觸，一旦犁底層中包含大的石塊、樹(shù)木粗壯根系時(shí)，深松鏟瞬間承受的沖擊載荷可以達(dá)到正常工作的3倍左右[15]，極易造成鏟尖崩斷、彎曲或鏟柄扭曲的危險(xiǎn)狀況。圖1為過(guò)載作業(yè)損壞的深松鏟。

過(guò)載保護(hù)功能深松裝置的關(guān)鍵部件是安全銷，當(dāng)深松作業(yè)阻力較大時(shí)，安全銷被絞斷，起到保護(hù)深松鏟尖和鏟柄的作用。過(guò)載保護(hù)深松裝置的安全銷必須滿足2個(gè)條件：①深松鏟平穩(wěn)作業(yè)過(guò)程中，安全銷的強(qiáng)度滿足不被鏟柄絞斷的要求；②深松鏟超載作業(yè)時(shí)，安全銷能夠首先被鏟柄絞斷，避免鏟尖和鏟柄被破壞。

圖1 過(guò)載損壞的深松鏟

所以，當(dāng)深松機(jī)構(gòu)平穩(wěn)作業(yè)時(shí)，過(guò)載保護(hù)裝置的安全銷可以承受的剪切力F2必須滿足下式，即

(1)

其中，F(xiàn)1為深松鏟平穩(wěn)作業(yè)承受的阻力(N)；d1為載荷F1對(duì)過(guò)載保護(hù)裝置中心軸的矢距(mm)；d2為載荷F2對(duì)過(guò)載保護(hù)裝置中心軸的矢距(mm)。

當(dāng)深松鏟超載作業(yè)時(shí)，過(guò)載保護(hù)裝置的安全銷可承受最大剪切力F2必須滿足下式，即

(2)

其中，F(xiàn)3為深松鏟超載作業(yè)承受的阻力(N)；d3為載荷F3對(duì)過(guò)載保護(hù)裝置中心軸的矢距(mm)。綜上所述，過(guò)載保護(hù)裝置的安全銷最大剪切力F2必須滿足下式，即

(3)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)過(guò)載保護(hù)裝置的工作原理，本文設(shè)計(jì)了一種具有過(guò)載保護(hù)功能的深松鏟裝置，如圖2所示。該裝置主要由鏟座、六角頭螺栓、安全銷、鏟柄和鏟尖等組成。鏟座前端面可固定于深松機(jī)架，后端兩個(gè)夾板通過(guò)六角頭螺栓和安全銷固定鏟柄，鏟尖通過(guò)螺栓、螺母等固定于鏟柄下端，整個(gè)過(guò)載保護(hù)深松裝置可以隨深松機(jī)架進(jìn)行深松作業(yè)。其中，鏟柄為仿制《深松鏟和深松鏟柄(JB/T9788-1999)》所規(guī)定的圓弧形中型深松鏟柄，鏟柄刃角為60°，厚度為30mm；鏟尖為《深松鏟和深松鏟柄(JB/T9788-1999)》所規(guī)定的鑿形深松鏟，長(zhǎng)165mm，寬40mm，厚10mm；螺栓選用《六角頭螺栓(GB/T 5782-2000)》規(guī)定的M24×100六角頭螺栓。圖2(b)中，H為裝置的高度(mm)；R為鏟柄刃的曲率半徑(mm)；b1為裝置上端寬度(mm)；b2為裝置下端寬度(mm)；h1為鏟尖距離六角螺栓心軸的垂直距離(mm)；h2為安全銷中心軸距離六角螺栓心軸的距離(mm)。

1．鏟座 2.六角頭螺栓 3. 安全銷 4. 鏟柄 5. 鏟尖

1.3 安全銷設(shè)計(jì)

深松鏟在穩(wěn)定工作過(guò)程中，一般承受載荷約為2～5kN[16-18]，這里取單鏟深松作業(yè)最大阻力F1=5kN。

參照機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)軸切應(yīng)力校核公式[15]，可得安全銷的切應(yīng)力τ滿足下式，即

(4)

其中，r為安全銷的直徑(mm)。

[τ]為安全銷加工材料的極限切應(yīng)力，當(dāng)τ<[τ]時(shí)，安全銷不可以被破壞；當(dāng)τ>[τ]時(shí)，安全銷被破壞。安全銷的切應(yīng)力[τ]與許用拉壓應(yīng)力[σ]的關(guān)系為

(5)

本文取[τ]=0.7[σ]。

所以，當(dāng)深松鏟穩(wěn)定作業(yè)過(guò)程中，安全銷直徑設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)該滿足下式，即

(6)

當(dāng)深松鏟超載作業(yè)時(shí)，安全銷直徑設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)該滿足下式，即

(7)

深松作業(yè)過(guò)程滿足重度沖擊工況，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)(第6版)，超載荷深松作業(yè)阻力與穩(wěn)定深松作業(yè)阻力關(guān)系滿足下式，即

F3=K·F1

(8)

其中，K為超載系數(shù)，本文取K=3。

綜上，安全銷的直徑設(shè)計(jì)直徑應(yīng)滿足的關(guān)系式為

(9)

不同安全銷的加工材料對(duì)其抗拉強(qiáng)度具有重要影響[19]。安全銷的材料可以選擇的種類繁多，如35、45、50優(yōu)質(zhì)碳素鋼，T8A、T10A優(yōu)質(zhì)工具鋼或Y12易切鋼[15]。一般在農(nóng)業(yè)機(jī)具的過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，安全銷的材料以抗拉強(qiáng)度適中的 35、45 碳素鋼為宜。本文結(jié)合深松鏟的工況狀態(tài)，選擇安全銷的加工材料為45碳素鋼。

已知45碳素鋼的抗拉強(qiáng)度[σ]=600MPa，并參考《圓柱銷(GB119-86)》標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)安全銷的直徑r=20mm。

圖3為安全銷的工程圖。其中，安全銷總長(zhǎng)度93mm，安全銷兩端為直徑16mm螺柱，長(zhǎng)度為15mm，可以用螺母對(duì)安全銷進(jìn)行緊固，防止安全銷脫落。

2 過(guò)載保護(hù)深松鏟裝置靜力學(xué)分析

ANSYS Workbench 作為一個(gè)整合了ANSYS 現(xiàn)有的各種應(yīng)用的框架平臺(tái)，具有強(qiáng)大的后處理功能，可以準(zhǔn)確、直觀地得到模型各部位的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況[20]。本文選擇ANSYS Workbench 對(duì)所設(shè)計(jì)的過(guò)載保護(hù)深松裝置做靜力學(xué)分析，主要檢驗(yàn)裝置的安全銷參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理和材料選型是否恰當(dāng)。通過(guò)分析正常載荷下，過(guò)載保護(hù)深松裝置的最大應(yīng)力值是否小于其材料的屈服強(qiáng)度；在超載荷下，裝置中安全銷的最大應(yīng)力值是否大于所選材料的屈服強(qiáng)度。

圖3 安全銷工程圖

2.1 有限元仿真前處理

ANSYS Workbench平臺(tái)中的DesignModeler組件可以和Siemens NX三維軟件兼容，并可以協(xié)同建模，能夠?qū)崿F(xiàn)幾何模型的無(wú)縫傳遞[21]。本文設(shè)計(jì)的過(guò)載保護(hù)深松裝置為復(fù)雜的三維實(shí)體模型，因而采用Siemens NX三維軟件建立裝置的三維模型，通過(guò)嵌入接口將模型直接導(dǎo)入ANSYS Workbench中，并連接結(jié)構(gòu)靜力分析模塊Static Structural。具有過(guò)載保護(hù)功能的深松裝置三維簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

圖4 有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模型

根據(jù)《深松鏟與深松鏟柄(JB/T9788-1999)》對(duì)深松鏟和鏟柄的技術(shù)要求，本文深松鏟尖模型的材料采用GB/T711規(guī)定的65Mn鋼，深松鏟柄模型的材料采用不低于GB/T700規(guī)定的Q275鋼，鏟座、螺栓模型的材料采用GB/T 699規(guī)定的45鋼。3種鋼材的力學(xué)性能如表1所示。

表1 65Mn、Q275和45鋼的力學(xué)性能表

在模型接觸方面，ANSYS Workbench平臺(tái)中提供了綁定、不分離、無(wú)摩擦接觸、粗糙接觸和有摩擦接觸5種類型。前兩者是線性接觸，后三者是非線性接觸，且接觸類型為綁定時(shí)，不允許面或線間有相對(duì)滑動(dòng)或分離[22]。本文根據(jù)深松鏟過(guò)載保護(hù)裝置的實(shí)際裝配方式，設(shè)置鏟尖與鏟柄、安全銷與鏟座、安全銷與鏟柄、螺栓與鏟柄和螺栓與鏟座的接觸方式為綁定接觸。

有限元模型的網(wǎng)格質(zhì)量決定了有限元分析的計(jì)算精度和準(zhǔn)確性，在ANSYS Workbench平臺(tái)的網(wǎng)格劃分模塊為應(yīng)用者提供了多種網(wǎng)格劃分的方法。對(duì)于深松鏟過(guò)載保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)模型，本文選用自動(dòng)劃分網(wǎng)格方式，該方法可基于幾何模型的復(fù)雜性自動(dòng)生成相應(yīng)的網(wǎng)格類型。對(duì)于深松過(guò)載保護(hù)裝置模型，屬性窗口中設(shè)置相關(guān)性 relevance 為100，關(guān)聯(lián)中心Relevance Center為Medium，網(wǎng)格大小Element Size為5mm，平滑度Smoothing為Medium，過(guò)渡Transition為Fast。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分后模型共生成18 396個(gè)節(jié)點(diǎn)和9 601個(gè)單元。網(wǎng)格劃分后模型如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分模型

過(guò)載保護(hù)深松裝置在深松作業(yè)過(guò)程中，鏟座前端固定在機(jī)架上，鏟尖與鏟柄作用于土壤。本文對(duì)鏟座前端面添加固定約束，限制該端面的6個(gè)自由度，對(duì)整體坐標(biāo)添加重力加速度Standard Earth Gravity，值為-9 806.6mm/s2，深松鏟穩(wěn)定作業(yè)狀態(tài)，對(duì)深松鏟尖上端面設(shè)置等效載荷Remote Force，其值為5kN；深松超載作業(yè)時(shí)，對(duì)鏟尖上端面設(shè)置等效載荷值15kN。約束與載荷施加方式如圖6所示。

圖6 施加載荷模型

2.2 有限元結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)靜力分析模塊Static Structural的Solution可以提供包括全位移( Total Deformation)、等效彈性應(yīng)變( Equivalent Elastic Strain)、等效應(yīng)力(Equivalent Stress)等方面的分析，本文主要選擇對(duì)兩種深松狀態(tài)下的深松裝置各部件的等效應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析。由于深松過(guò)載保護(hù)裝置的各零件的材料屬性不同，需對(duì)各部件單獨(dú)分析。圖7為穩(wěn)定深松作業(yè)狀態(tài)下的各部件的等效應(yīng)力云圖，圖8為超載深松作業(yè)狀態(tài)下鏟座、螺栓和安全銷的局部等效應(yīng)力云圖。

由圖7(a)可知：鏟座、螺栓、安全銷的最大應(yīng)力值為179.86MPa，45號(hào)碳素鋼材料的屈服強(qiáng)度為355MPa，能夠滿足穩(wěn)定工作要求。由圖7(b)可知：鏟尖的最大應(yīng)力值為193.66MPa，65Mn鋼材料的屈服強(qiáng)度為430MPa，可以滿足不被破壞要求。由圖7(c)可知：鏟柄的最大應(yīng)力值為269.18MPa，Q275鋼材料的屈服強(qiáng)度為275MPa，同樣可以滿足不被破壞的要求。由圖7可知：在穩(wěn)定深松作業(yè)過(guò)程中，過(guò)載保護(hù)裝置可以正常工作，不會(huì)發(fā)生安全銷被絞斷的狀況。

圖7 正常深松作業(yè)狀態(tài)下的等效應(yīng)力云圖

圖8 過(guò)載深松作業(yè)狀態(tài)下的等效應(yīng)力云圖

由圖8可知：鏟座、螺栓和安全銷在超載深松作業(yè)狀態(tài)中，最大應(yīng)力值為538.47MPa，位于安全銷與鏟座連接處。該值遠(yuǎn)大于安全銷材料45號(hào)碳素鋼的屈服強(qiáng)度355MPa，說(shuō)明此時(shí)安全銷已經(jīng)破壞，能夠起到過(guò)載保護(hù)作用。

綜合分析過(guò)載保護(hù)深松裝置在穩(wěn)定深松和超載荷深松兩種工作狀態(tài)下的應(yīng)力值與加工材料的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明選擇安全銷加工材料為45號(hào)碳素鋼，直徑為20mm，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

1)分析了深松過(guò)載保護(hù)裝置的工作原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種具有過(guò)載保護(hù)功能深松裝置。對(duì)其關(guān)鍵部件安全銷的設(shè)計(jì)與選型進(jìn)行了重點(diǎn)分析，確定安全銷的設(shè)計(jì)直徑為20mm，加工材料為45碳素鋼，兩端為直徑為16mm的螺桿，可以用螺母緊固。

2)采用ANSYS Workbench軟件，對(duì)所選的45碳素鋼和直徑為20mm安全銷的過(guò)載保護(hù)深松裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，在穩(wěn)定深松作業(yè)和超載荷作業(yè)狀態(tài)下，分析模型的應(yīng)力分布狀況，說(shuō)明安全銷尺寸設(shè)計(jì)合理，材料選擇合適，能夠起到過(guò)載保護(hù)作用，滿足深松作業(yè)的要求。

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Subsoiling Device Design and Finite Element Analysis Based on the Principle of Overload

Zhu Qingzhen1, Huang Yuxiang1,2

(1.College of Mechanical and Electric Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. Shaanxi Engineering Research center for Agricultural Equipment, Yangling 712100, China)

To prevent overload damage of the hard plow pan for Subsoiler tip and Shanks, designed a subsoiling device with overload protection function on the basis of research overload protection device operating principle, and its key components of the safety pin selection method were studied and finite element validation check. In this paper, by studying the subsoiling device under normal load and super load two different states of stress, it expounded its key components of the safety pin's diameter and material selection methods, and for the selection of materials of the 45 carbon steel with a diameter of 20mm safety pin overload protection subsoiling device using ANSYS Workbench software for statics analysis under two conditions of stability and ultra-load work. The results showed that the overload protection device of safety pin maximum stress is 538.47MPa in the ultra-load state, which is much larger than the 45 carbon steel yield strength 355MPa. It is also shows that the overload protection device designed reasonable, and can play the role of overload protection. The study can provide the basis for the overload protection design of the Subsoiler.

subsoiler; overload protection; finite element analysis

2016-06-19

陜西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2013K02-11)；楊凌示范區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014NY-29)；西北農(nóng)林科技大學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(Z101021501)

祝清震(1989-)，男，山東菏澤人，碩士研究生,(E-mail)zhenforyou@163.com。

黃玉祥(1980-)，男，寧夏中寧人，副教授，博士,(E-mail)hyx@nwsuaf.edu.cn。

S222.12+9

A

1003-188X(2017)08-0032-06