枣园施肥机开沟器的设计与有限元分析

张　琦，王　伟，廖结安

(塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔　843300)



枣园施肥机开沟器的设计与有限元分析

张琦，王伟，廖结安

(塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔843300)

摘要：枣园开沟施肥是一项繁重的体力劳动，为了把果农从繁重的体力劳动中解放出来，设计了一种微型枣园施肥机的开沟器。开沟器采用双圆盘式，设计开沟深度为300mm，宽度为240mm。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对旋耕弯刀切削土壤的过程进行有限元分析，结果表明：在弯刀切削土壤的过程中，随着弯刀与土壤接触面积的不断增大，土壤逐渐被完全破坏并有跟随弯刀运动的趋势；弯刀切削土壤的最大等效应力主要集中在土壤与弯刀内侧的接触处，整个切削过程土壤最大等效应力的波动幅度不大，切削较为平稳。

关键词：枣园；开沟器；弯刀；有限元分析

0引言

枣原产于我国，文字记载枣树在我国的栽培历史达3 000年以上[1]。我国红枣种植面积很大，2012年产量达到637.7万t，不仅能够满足国内需求，还远销国外多个国家和地区。目前，枣园开沟施肥主要依靠人工作业，劳动强度大、工作效率低；市场上虽然有一些施肥机，但大多存在机身振动剧烈、走直性差、可靠性低、功耗大等问题。因此，未来枣园施肥机有着广阔的市场。

针对矮化密植枣园空间狭小的特点，设计了一种微型的自走式开沟施肥机。开沟施肥机的性能在很大程度上取决于开沟器，因此研究一种稳定、高效的开沟器，对于提高枣园开沟施肥的效率、降低果农的劳动强度及促进红枣产业的迅速发展有重要的意义。本文阐述了一种微型施肥机开沟器的设计，并利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对旋耕弯刀切削土壤的过程进行动态模拟分析，为开沟部件的设计提供了科学的理论依据。

1开沟器的设计

1.1圆盘开沟器直径的确定

圆盘式开沟器分为单圆盘开沟器和双圆盘开沟器。单圆盘开沟器结构简单、质量较轻，但是播幅较窄，且在运动过程中容易失去平衡[2]；双圆盘开沟器切削土壤时类似于滑刀切土，对土壤有更强的适应能力，工作比较可靠。因此，本设计采用双圆盘开沟器。圆盘开沟器的结构示意如图1所示。

1.弯刀　2.轮圈　3.轮毂　4.幅条

圆盘开沟器直径是圆盘式开沟器重要的设计参数，对开沟机的功耗、开沟深度及抛土距离等都有很大的影响[3]。圆盘直径对开沟机功耗的影响主要体现在以下几个方面：随着圆盘直径的增大，旋耕刀的切削弧长增加，导致铣切功耗增加；随着圆盘直径的增大，可以减小被切削土壤垡片的曲率，进而使切削土壤的阻力减小，导致切土功耗减小；圆盘直径还会影响开沟机工作的扭矩不均匀系数ξ。ξ表示开沟机工作过程中扭矩变化的程度，是衡量开沟机工作性能的一个重要指标。依据机械原理的知识，圆盘开沟器的转动惯量与ξ有如下关系，即

(1)

式中ΔE—圆盘开沟器在转动过程中的动能变化量；

ω—圆盘开沟器的角速度。

由于圆盘开沟器的质量主要集中在刀盘外缘上，因此圆盘在转动过程中可看作一个飞轮。开沟器的转动惯量为

(2)

式中m—圆盘开沟器的质量；

R—圆盘开沟器的半径；

D—圆盘开沟器的直径。

由式(1)、式(2)得

(3)

由式(3)可以看出：如果增大圆盘的直径，则圆盘开沟器的转动惯量增大，而ξ减小，进而使功耗降低。

由以上分析得知：圆盘开沟器直径对开沟机功耗各方面的影响并不是一致的。因此，在确定开沟刀盘直径时应综合考虑各方面的因素，找到一个最合适的数值。根据枣园开沟施肥的农艺要求，设计开沟深度为300mm。目前尚无精确确定圆盘直径的计算公式，一般根据以下经验公式确定的直径，即

D=(1.25～1.45)dcscδ

(4)

式中d—开沟深度；

δ—沟壁与地面的夹角。

由式(4)得圆盘开沟器直径的大致取值范围是375～435mm。为了使机具结构更加紧凑，并且减少功耗，设计开沟器的直径为400mm，两个圆盘的距离为240mm(距离可调)，即开沟宽度为240mm左右。

1.2弯刀的设计

旋耕刀的种类主要有凿形刀、直角刀和弯刀。凿形刀前端刃口较窄，有较强的入土能力，功耗较少；但是容易缠草，在黏重的土壤中作业时容易发生漏耕现象，主要适用于砂石较多的土壤。直角刀的刃口较为锋利，刚度好，砍切能力较强。弯刀由正切部和侧切部构成，按照正切部的弯曲方向，弯刀可以分为左弯刀和右弯刀；弯刀有较锋利的正切刃和侧切刃，刃口为曲线，具有较强的滑切能力，作为旋耕机的配套零部件在我国得到了广泛的应用[4]。综合考虑以上各因素，选择弯刀作为开沟刀片。弯刀作为圆盘开沟器的主要工作部件，其形状、结构参数的设计对于开沟机的工作性能、功耗等有重要的影响。目前，旋耕弯刀已经实现标准化，市场上很容易买到，但存在入土和抛土能力差等问题。因此，有必要自主设计一种切土和抛土能力强的旋耕弯刀。

弯刀的设计参数主要包括回转半径R、动态滑切角γ、弯刀工作幅宽b、正切部弯折半径r、正切部弯折角β、侧切刃包角θmax、磨刃宽度、正切部顶面长a及刃口厚度C等。其中，回转半径R已经确定，刃口厚以及磨刃宽度等容易调整。弯刀的设计参数非常重要，其直接决定了开沟弯刀的工作性能。经过计算并查阅《农业机械设计手册》，最终确定旋耕弯刀的主要设计参数如表1所示。利用Pro/E软件绘制的弯刀三维图如图2所示。

表1　旋耕弯刀主要设计参数

图2　旋耕弯刀

1.3旋耕弯刀的数量与排列方式的确定

弯刀的数量及在旋耕轮上的排列方式，对提高开沟施肥机的工作性能、平衡机具的受力情况及降低功耗有重要的影响。合理确定弯刀的数量、布置弯刀的排列，能够有效减小机具工作时的振动，降低机具的功耗，并且能够提高机具的工艺性，使机具的加工制造变得容易[5]。弯刀的排列应遵循以下原则：①弯刀应均匀地分布在圆盘上，圆盘每转过一定的角度便有一把弯刀入土，从而减小切土时阻扭矩的波动。②尽量使每一切土小区内的各把弯刀的切土节距相等，从而保证弯刀切土均匀，并能使每把弯刀受到的切土阻力比较接近，延长弯刀的使用寿命。③保证左右弯刀交替入土，从而平衡圆盘轴承受到的轴向冲击，减小机具受到的偏转力矩，保证机具的走直性。根据以上排列原则，并参考大量文献，最终确定每个圆盘上安装8把弯刀。左圆盘上装有8把左弯刀，右圆盘上装有8把右弯刀，弯刀在每个圆盘上等分排列，两个圆盘上共安装了16把弯刀。开沟施肥机工作时，圆盘开沟器每转过20°便有一把弯刀入土，左右圆盘上的弯刀交替入土切削土壤，能够满足开沟施肥的农艺要求。

1.4防漏耕犁

由于变速箱厚度的影响，造成开沟器无法切削箱体下面的土壤，造成漏耕现象。通过在变速箱下面设置防漏耕犁，可以消除由于变速箱厚度引起的漏耕现象，提高开沟作业的质量。

2弯刀切削土壤的动态仿真分析

2.1ANSYS/LS-DYNA简介

ANSYS/LS-DYNA结合了ANSYS和LS-DYNA的优点，既具有ANSYS强大的前后处理功能，又具有LS-DYNA强大的分析能力。ANSYS是目前应用最为广泛的有限元分析软件，LS-DYNA则是全世界应用最为广泛的通用显式动力分析软件。LS-DYNA能够处理各种复杂的非线性问题，既能够处理二维、三维非线性结构的金属成型、高速碰撞及爆炸等动态分析问题，又能够处理流固耦合、传热及流体动力学问题；另外，能够模拟各种接触问题，提供了多种可供选择的接触类型。因此，本文选择有限元分析软件中的ANSYS/LS-DYNA对弯刀切削土壤的过程进行动态仿真模拟[6]。

2.2弯刀切削土壤模型的建立

2.2.1对仿真分析模型的假设

1) 假设弯刀的材料为各向同性的线弹性材料，并且在切削土壤的过程中弯刀水平移动的速度和转速不变。

2)假设刀轴在竖直方向的高度不变，即开沟深度不变。

3)假设土壤为各向同性材料，土壤的含水率、坚实度及密度等物理参数恒定[7-8]。

2.2.2建立弯刀切土的模型

由于在ANSYS软件中建模比较复杂，因此对于复杂模型的仿真分析一般是在专门的绘图软件中完成，然后再导入ANSYS中[9]。本文在Pro/E中建立弯刀切削土壤的三维模型，并保存为IGES格式文件，利用Pro/E与ANSYS之间的无缝接口将模型导入ANSYS中，建立的切土模型如图3所示。采用g-mm-ms-N-MPa单位制，土壤模型为长方体，其尺寸为800mm×200mm×200mm。

2.3仿真模拟参数的设定

根据ANSYS/LS-DYNA仿真分析的特点及开沟器的设计要求，仿真模拟的主要参数设定如下：

1)弯刀和土壤单元类型选择为三维实体单元3D Solid 164。考虑到模拟分析的实际情况，选择单元分点算法求解。

2)定义弯刀的材料为刚性材料模型Rigid Material，材料的密度为7.83×10-3g/mm3，弹性模量为2.07×105MPa，泊松比为0.3；约束设定为Y、Z方向的移动约束和X、Y方向的转动约束[10]。

定义土壤的材料为MAT147，结合南疆地区土壤的特性，设定土壤模型的主要参数如表2所示。

图3　切土模型

参数单位数值含水率%12土壤密度g/mm30.0024土粒相对密度2.8水密度g/mm30.001剪切模量MPa20体积模量MPa30内摩擦角rad0.436内聚力MPa0.015

3)考虑到弯刀形状不规则，选择划分网格的方式为自由网格划分，选择单元形状为四面体；由于土壤形状规则，选择划分网格的方式为映射网格划分，选择单元形状为六面体[11]。划分网格后的模型如图4所示。

4)由于弯刀切土过程中会穿过土壤，似于弹丸侵蚀靶板的过程，因此定义弯刀与土壤的接触方式为侵蚀接触。选择弯刀为Contact Part，土壤为Target Part，建立弯刀与土壤的接触对。

5)在建立切土模型时，应使弯刀尽量接近土壤，从而减小切土前的空闲时间；土壤模型尺寸应稍大些，可以防止弯刀与土壤边界接触产生应力陡增的现象。施加约束时，对土壤底面、侧面施加全约束。

6)根据设计要求，切土深度设定为100mm，弯刀沿X方向的速度大小设定为1mm/ms，绕Z轴的转速大小为0.03rad/ms，求解时间设定为280ms。

图4　划分网格后的切土模型

2.4仿真模拟结果的分析

在ANSYS/LS-DYNA中设置仿真模拟参数并完成求解，由于后处理器LS-PREPOST具有更强大的后处理功能，能够读取和输出ANSYS/LS-DYNA中的关键词，并可以迅速地将有限元分析模型显示给用户，以供用户分析使用，因此求解完成后利用LS-PREPOST对仿真结果进行分析[12]。本文主要模拟分析在弯刀切削土壤的过程中土壤被破坏的经过及土壤所受等效应力变化的情况。

2.4.1切削土壤的过程

由图5可以清晰地观察到弯刀切削土壤过程中土壤破坏的过程。初始设定弯刀在土壤的上方，二者距离很近但是没有接触，弯刀沿X轴的速度为1mm/ms，绕Z轴的角速度为0.03rad/s。图5(a)为弯刀的刀刃刚刚与土壤接触，土壤受到弯刀的挤压和剪切双重作用，土壤开始发生变形破坏；图5(b)为随着时间的推移弯刀不断向前推进，弯刀与土壤的接触面积不断增大，土壤迅速发生破坏失效；由图5(c)可以观察到：在弯刀切削土壤的过程中，土壤有明显的沿X轴和Y轴运动的趋势，证明弯刀对土壤有一定的横向推动和抛撒能力；图5(d)所示为弯刀即将离开土壤进入下一个切削周期，此时土壤仍有向前运动的趋势，这也证明了弯刀切削土壤的连续性。从整个弯刀切削土壤的过程可以发现：弯刀对土壤的扰动较小，土壤模型边界没有发生崩溃现象，证明了旋耕弯刀结构设计及工作参数设置的正确性。

图5　弯刀切削土壤过程等效应力云图

2.4.2土壤等效应力的分析

图6所示为弯刀切削土壤过程土壤的von Mises stress的变化过程。图6(a)是弯刀刚与土壤接触时的应力云图，此时的最大等效应力为19.77MPa；到达图6(b)时刻的最大等效应力为17.15MPa；到达图6(c)时刻，弯刀已经完全切入土壤，此时的最大等效应力为10.22MPa；图6(d)时刻旋耕弯刀已经开始切出土壤，此时的最大等效应力为15.66MPa。从旋耕弯刀切削土壤的整个过程来看，土壤受到的最大等效应力先是从零开始增大，达到最大值19.77MPa以后开始逐渐减小并趋于稳定。这是因为弯刀与土壤刚开始接触时土壤还是一个完整的整体，要想将土壤破坏需要较大的切削力；随着切削过程的继续，土壤逐渐被完全破坏，土壤受到的最大等效应力趋于稳定。由土壤的等效应力云图可以发现：土壤所受到的最大等效应力集中在土壤与旋耕弯刀的接触处，并且弯刀内侧的土壤受到的最大等效应力最大；土壤受到的扰动也是最大，这是由于与弯刀接触的土壤受到弯刀强烈的挤压和剪切作用。在旋耕弯刀切削土壤的过程中，最大等效应力波动幅度不大，切削过程比较平稳。

图6　土壤等效应力云图

3结论

1)针对新疆矮化密植枣园的种植模式，设计了微型开沟施肥机的开沟器。该开沟器采用双圆盘式，设计开沟深度为300mm，宽度为240mm。

2)利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对旋耕弯刀切削土壤的过程进行仿真分析，直观地展示了弯刀切削土壤时土壤的破坏过程：弯刀与土壤的接触面积逐渐增大，土壤逐渐被完全破坏；在此过程中土壤有跟随弯刀一起运动的趋势，弯刀以一定的速度连续切削土壤。

3)旋耕弯刀切削土壤过程中土壤的最大等效应力为19.77MPa，最大等效应力出现在弯刀刚与土壤接触时弯刀的内侧。土壤的最大等效应力先是逐渐增加，土壤被完全破坏以后最大等效应力逐渐减小并趋于稳定，整个切削过程最大等效应力波动不大，切削比较平稳。

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Design of Fertilizing Machine’s Furrow Opener in Jujube Orchard and Finite Element Analysis

Zhang Qi, Wang Wei, Liao Jiean

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar 843300, China)

Abstract：Fertilization in jujube orchard is a heavy physical labor, in order to free growers of the heavy physical labor, designed a mini fertilizing machine’s furrower opener, the furrower opener used double disc type, designed trench depth is 300mm, trench width is 240mm. Using finite element software ANSYS/LS-DYNA to analyse the process of bent blade cut the soil, analysis results showed that during the cutting process the contact area between bent blade and soil was increasing and soil was moving with blade finally was destroyed completely, During bent blade cut soil the maximum equivalent stress mainly concentrated at the inner side where the soil contacted with bent blade, the fluctuation of maximum equivalent stress was small, cutting was relatively stable.

Key words：jujube orchard; furrow opener; bent blade; finite element analysis

文章编号：1003-188X(2016)04-0023-06

中图分类号：S222.5+2

文献标识码：A

通讯作者：王伟(1979-)，男，沈阳人，副教授，硕士生导师。

作者简介：张琦(1989-)，男，河南开封人，硕士研究生，(E-mail)nicholaqi@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51265048)

收稿日期：2015-03-19