行间深松机的深松铲设计及有限元分析

王　磊，林　静

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳　110866)



行间深松机的深松铲设计及有限元分析

王磊，林静

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳110866)

摘要：深松耕法是一种新的土壤耕作方法，其有打破犁底层，加深耕作层，改善耕层结构、提高土壤蓄水保墒、抗旱耐涝的作用。针对东北地区常年作业土壤耕层较浅、土壤板结的问题，设计了一种行间深松机，并运用SolidWorks软件对其深松铲进行三维建模。同时，运用ANSYS Workbench软件对深松铲进行有限元分析，主要包括静力分析、模态分析、等效应力和全位移分析。结果表明：深松铲的应力主要集中在铲柄与机架连接的位置，而且最大应力为38.72MPa；模态分析表明：振动频率间隔较大且不会发生共振。研究成果为深松铲的改进设计提供了参考。

关键词：深松机；有限元分析；SolidWorks；ANSYS Workbench

0引言

据调查发现，我国东北大部分地区传统的垄耕灭茬耕作方式，每年都将秸秆焚烧，用铧式犁进行翻耕，长此以往会造成水土流失，也会引起沙尘暴，并且会给土壤土质造成一定的影响[1-2]。每年用传统方式进行作业，会导致土壤耕层较浅，土壤板结也会越来越严重，耕作阻力也就会不断变大。采用土壤深松技术能够改善土壤内部结构，打破犁底层，提高土壤的蓄水能力，为植物水分的吸收作充分准备，还能够适当的抗旱，避免了倒伏的情况，有利于改善环境[3-4]。目前，我国东北大部分地区平均每户的土地并不是很多，这就导致了欧美大机器覆盖作业在我国很多地区并不适用[5]，所以需要设计符合我国国情的行间深松机。虽然我国中小型深松机的研究已经很成熟，且广泛的应用于现代化农业当中，但耕作阻力大这个难题一直也没有解决[6-8]。为此，设计了一台行间深松机的深松铲，能增温放寒，促进养分转化，提高产量，适合于干旱、半干旱地区和丘陵地区的耕作。

为了使深松铲在作业中具有足够的刚度和强度，本文用ANSYS Workbench 对深松铲进行有限元分析。首先对深松铲进行静力分析，通过分析结果来检验深松铲铲头和铲柄在作业时的变形情况。为了保证深松铲在作业过程中具有优良的动态特性，对深松铲进行了模态分析，通过ANSYS Workbench 的求解器得出深松铲的固有频率及各阶状态下深松铲的频率位移云图。

1行间深松机的整体结构及工作原理

行间深松机主要由机架、三点悬挂装置、铲柄、铲尖、限深轮及铲固定装置等部分构成，如图1所示。限深轮是为了控制入土深度，保证深松的深度；铲固定装置将机架和深松铲稳固地连接起来。

1.机架　2.三点悬挂装置　3.铲柄

田间深松作业时，行间深松机通过三点悬挂装置与拖拉机相连，通过拖拉机的带动进行耕整地作业。拖拉机对机器的牵引力通过机架传导到深松铲上，转化为深松铲切削土壤的力，破坏深松铲和土壤的粘结力[9]，尽可能地减少前进的工作阻力，最大程度地降低牵引阻力，最后深松铲对土地进行耕整地作业。

2深松铲的设计

深松铲作为行间深松机的关键部件，其质量直接影响深松机的作业效果。深松作业时，由于土壤阻力较大，深松铲应有比较强的入土能力及足够的耐磨性，从而保证深松机大幅度作业而不发生损坏。目前，深松铲铲尖有很多种，包括凿形铲、翼型铲及松土铲等[10]。凿形铲应用广泛，具有碎土能力较强、结构简单和工作阻力比较小的特点。凿形铲适合行间深松，但工作幅宽比较小，深松效率比较低，在作业过程中产生的能耗较大。凿形铲加翼之后会增加作业幅宽提高作业效率，但工作阻力会随之增加、能耗增加。与凿形铲相比，双翼铲有较大的作业幅宽，入土能力和碎土能力均较强；但是双翼铲的结构相对来说比较复杂，不易加工。所以，本文选择凿形松土铲。

深松作业时，深松铲的入土角θ和入土隙角β影响着深松作业效果。入土角不仅能够影响入土能力而且能够影响前进阻力：随着入土角不断增大，入土性能也会随之下降，切削阻力也会增加；反之，入土角过小，强度也会相应减弱。通过对上述因素的研究，综合考虑其对入土效果的影响，最终将深松铲的入土角θ确定为35°。深松铲底面与地面之间的夹角成为入土隙角，其主要作用是让深松铲更加顺利、方便地入土。通过实验可知，入土隙角β取10°。深松铲铲尖的几何关系示意图如图2所示。

图2　深松铲铲尖的几何关系示意图

深松铲铲柄主要分为中型和轻型，我国机械行业标准规定[11]，铲柄要使用性能不低于A6的钢制造。为了减少阻力，增加作业效果，深松铲铲柄通常做成弯曲形状，材料选取为65Mn钢。

3深松铲三维模型的建立及有限元分析

3.1　三维模型的建立

深松铲主要由铲尖和铲柄两部分组成[10]，材料选为65Mn钢。铲尖在工作过程中切削土壤但不翻转土壤，而铲柄主要为了更加稳固地连接铲尖和机架，让深松机更好地工作。在SolidWorks中，根据实际情况建立深松铲的三维模型，如图3所示。

图3　深松铲结构示意图

3.2　深松铲的有限元分析

3.2.1深松铲ANSYS Workbench 前期处理

双击Static Structure模块，设置单位为kg、mm、s；编辑深松铲铲尖和铲柄的材料属性为65Mn钢，将密度、杨氏模量、泊松比等数值填写完成；右键单击Grometry在弹出的菜单中选择Import Geometry Browse选项，将SolidWorks生成的三维模型导入ANSYS Workbench中。

3.2.2划分网格

双击Model环境，进行深松铲的网格划分。单元尺寸设置为最小尺寸，Relevance设置为100；点击Generate mesh，软件自动生成网格，共生成2 848个节点、638个单元。网格化分结果如图4所示。

3.2.3力的分析和边界条件的定义

对于深松铲的受力分析前人已经做了很多。前苏联著名学者西涅阿可夫等研究了深松铲受土壤受力后的力学模型，且证明了深度不同时土壤发生失效的形式也不同，因此深松铲受力可以分为部件和土壤的纯切削两种不同的形式来计算[12-14]。后期我国国内余泳昌教授等借助于国外专家的理论进行研究分析和不断的完善，最后推出了如下公式[15]，即

(1)

其中，F1为铲面受土壤的阻力；G为深松铲所受土壤的重力；β为前失效面的倾角；μ2为土壤之间的摩擦系数。

(2)

其中，F2为作用在铲柄上的总阻力；N2为锲刃上法向力；μ1为铲面与土壤的摩擦系数；α为刃倾角；N3为侧刀上的法向力。

根据深松铲的位置，采用Fixed support方法对铲柄的前吸附面进行固定约束，通过式(1)、式(2)计算算出铲尖铲柄受力情况，采用Force的形式加在铲尖和铲柄上，铲柄受力为624N，铲尖受到1 619N的牵引力相反的力和土壤147.7N的反作用力，如图5所示。

图4　划分网格效果图

图5　边界与载荷的约束图

3.2.4深松铲的分析结果

通过对深松铲的等效应力和全位移进行分析可知：深松铲主要应力的范围为0.002 5141～38.723MPa，最大应力主要集中在铲柄与机架连接的位置，如图6所示；最大应变主要在铲柄的弯曲部分，最大应变值为0.000 223 07mm，如图7所示；最大位移位于铲尖的前端，最大值为0.499 56mm，如图8所示。

图6　等效应力云图

图7　应变云图

图8　位移云图

3.2.5模态分析

模态分析是由计算或者实验分析来取得结构模态参数的分析过程，是一种近代主要研究结构的动力特性的方法，而且结构的固有频率、阻尼比和模态振型都是主要的参数。模态分析也叫自由振动分析[16]，它在工程振动领域应用比较多。

首先将深松铲进行单元划分，然后在各节点的基础上建立平衡方程组，最后经过整理总结可得出通用方程[17]为

(3)

式中 [M]—系统的总质量矩阵；

[K]—系统的总刚度矩阵；

[C]—系统的总阻尼矩阵；

{T(t)}—外载荷矩阵；

{u}—位移阵列；

模态分析一般是在无阻尼条件下进行的，系统的总阻尼就可以看成为零，模态分析一般也不考虑载荷，所以式中[C]=0,且{T(t)}=0。由此式(3)可简化为

(4)

式中{φi}—第i阶模态的振型向量(特征向量)；

求解式(4)，即可得出特征值和特征向量，从而得到模态振型和固有频率[18-19]。

深松铲的固有频率结果如表1所示。从图9中可以看出：第1阶模态振型主要是从铲柄的中下部分一直到铲尖沿Z轴的来回摆动，最大位移为29.722mm，发生在铲尖位置。深松铲各阶模态频率之间间隔较大，因而不会发生共振。

表1　深松铲的固有频率

图9　第1阶模态图

4结论

1)通过对国内外深松机具的分析，结合实际设计了一种行间深松机，并确定其总体结构及深松铲的结构参数。

2)通过对深松铲的有限元分析可以看出：在外力的载荷下，深松铲的应力主要集中在铲柄与机架连接的位置，模态分析可以得出各阶模态振型之间间隔较大且不会发生共振。

3)通过对行间深松机深松铲的设计，将三维模型导入ANSYS Workbench中进行网格划分之后进行有限元分析，通过等效应力分析和全位移分析，结果显示深松铲最大应力为38.723MPa，满足设计要求。通过整体变形和位移的角度，可以看出零件可能失效或者发生折损的部位，为下一步的优化提供了基础，也可以提高设计精度。

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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

中图分类号：S223.1+9

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0047-04

通讯作者：林静(1967-)，女，辽宁铁岭人，教授，博士生导师。

作者简介：王磊(1993-)，男，长春人，硕士研究生，(E-mail)18804063629@163.com。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201503116)；国家自然科学基金项目(51275318)

收稿日期：2015-09-24