旋耕刀结构优化设计与动力稳定性分析

日力夏提·阿布都热西提，尼加提·玉素甫，买买提明·艾尼

(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐　830049)



旋耕刀结构优化设计与动力稳定性分析

日力夏提·阿布都热西提，尼加提·玉素甫，买买提明·艾尼

(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐830049)

摘要：为了解决土壤和草根对旋耕刀的阻力和刀尖受到的摩擦力及振动冲击而造成的疲劳失效问题，利用有限元软件对旋转对称六刀刃旋耕刀进行了强度评价并对其结构进行了5次优化改进，并分别对5种优化改进结构建立了数值模型，且进行了静态和模态数值分析。静态强度分析结果表明：随着旋耕刀结构的优化改进，其最大应力集中和最大变形量明显减小。动力学分析结果表明：第3次优化改进后的3种弧形旋耕刀各阶固有频率都提高于100Hz并避开了工作频率。最后，通过对比分析5种优化改进结构的强度、固有频率、振型和动力稳定性等提出了飞轮性旋转对称弧形刀刃圆角旋耕刀。该旋耕刀的特点是，应力和变形量比改进前的分别降低2倍和4倍以上，第1阶固有频率由改进前的12Hz提高到170Hz。新提出的旋耕刀型应力集中很小、固有频率很高，具有可提高疲劳寿命、耐磨性好与使用寿命长等特点，是旋耕机上最适合用的刀片之一。如果不考虑偏心率的影响，在工作频率范围内弧形旋耕刀不会出现振动和共振现象。

关键词：旋耕刀；有限元；模态分析；强度分析

0引言

微耕机械是我国耕作机具之一，由于其切土、碎土能力强、平整效果好，并且耕层松软、耕深合适、蓄水能力强，能够有效改善作物的生长环境，十分适合现代农业精作业的要求[1-2]。近年来，随着大功率拖拉机的广泛应用,微耕机朝着灭茬、旋耕、施肥和播种联合化、大型化、高速化、轻量化迅速发展。由于我国西部地区耕地地形复杂，如山区、丘陵和小规模耕地等[3-4]，农民对微耕机也提出了工作稳定性的要求；特别是提出了振动、噪音和温升小，以及微耕效率高、旋耕刀寿命长和除草性能好等要求。这就对微耕机的关键零部件的设计和制造技术等提出了新的挑战，很有必要进行深入研究。

旋耕刀是微耕机的关键零部件之一，是耕作过程中直接与硬地表面和强根植接触的承载部件。高速转动的旋耕刀片切削和破碎土壤完成松土、锄草等一系列的工作，并承受复杂的外力(切削土壤的反作用力)、力矩(动力输出功率产生的驱动扭矩)及各种冲击载荷，同时还会出现自身的振动、与系统共振等现象，其应力应变状态非常复杂。虽然旋耕刀看起来很简单，但可以说是微耕机设计中难度最大的专用关键零部件之一。比如，旋耕刀必须进行结构优化设计，以及强度和动力稳定性评价等。

国外，Yong和Hanna采用二维有限元方法研究了平面宽齿耕作部件的土壤切削问题，运用有限元分析，得出了土中的应力分布和变形状况及耕作部件的法向和切向应力的分布[5]。Chi和Kushwaha采用三维有限元分析窄齿耕作部件的土壤切削问题，编制了有限元计算程序，通过计算得到了耕作部件的反作用力[6]。

国内，郭志军在不考虑切削速度影响的条件下，采用二维有限元分析了抛物线型耕作部件的切削性能。研究表明：抛物线型耕作部件对部件尖端底部土壤有压实现象，抛物线型比直线型耕作部件的切削性能要优良[7]。后来，郭志军运用二维有限元方法对推土铲与土壤接触系统进行了研究，分别分析了宽齿切削和窄齿切削土壤所产生的应力及应变分布状况，对比了他们在两类切削问题的差异，对比结果表明两者相差很小[8]。

虽然目前市场上微耕机和旋耕刀种类较多、形状各异，也有一定的研究报道；但基本上是中小企业参考国外产品拼经验或逆向工程设计仿造，没有对其关键零部件用现代设计方法和手段进行原创性设计。此外，目前相关旋耕刀设计准则和技术原型方面的报道也很少[9-10]。

本文以微耕机的旋耕刀为研究背景，用现代设计方法对旋转对称六刀刃旋耕刀进行结构优化设计和动力稳定性评价。首先建立了带和不带飞轮的直刀刃、弧形刀刃旋耕刀及带锐角和圆角等5种不同结构的旋耕刀，分别进行了静强度评价、振动分析等。通过对比分析5种结构旋耕刀的应力、应变分布情况及固有频率、振型，最后提出了结构相对合理的飞轮性旋转对称六刀刃弧形圆角旋耕刀。

1旋耕刀数值建模和边界条件

1.1旋耕刀数值建模与网格划分

首先分别建立了直刀刃和圆弧形刀刃带飞轮和不带飞轮等5种不同的旋耕刀结构。分别为：如图1(a)、(b)所示的不带飞轮性和带飞轮性直刀刃旋耕刀；如图2(a)、(b)、(c)所示的锐角不带飞轮性、锐角带飞轮性和圆角带飞轮性圆弧形旋耕刀。

为了网格划分方便将其模型进行了合理的简化。飞轮、轮毂和旋耕刀侧面都合并视为一体，同时去除对结构力学性能基本无影响的倒角和圆角，然后进行三维建模并进行了有限元网格划分。本文网格单元类型全部选用了10个节点的四面体网格，网格大小均设定为4mm，总网格节点数和单元数分别如表1所示。

表1　5种旋耕刀网格接点数和单元数

(a)　不带飞轮　　　　　　　　 (b)　带飞轮

(a)　锐角不带飞轮　　　　　　　　　　　(b)　锐角带飞轮　　　　　　　　　　　　(c)　圆角带飞轮

1.2旋耕刀的材料和机械特性

所有旋耕刀的材料都选用65Mn(弹簧钢)，其材料属性如表2所示。在同等的边界条件和初始条件下分别进行了静态和动态强度评价与模态分析。

表2　材料基本属性

2旋耕刀的受力分析和边界条件

微耕机工作时，旋耕刀一方面做回转运动切削土壤；另一方面随机具匀速前进。微耕机所受的外界阻力和动力平衡，克服外界阻力完成耕地作业。其中，微耕机工作阻力常用微耕比阻Κγ表示，它与土壤的很多因素有关，比如湿度、土质、秸秆残余量、刀具的形状与排列方式、耕深、耕宽和耕速等，一般情况下微耕比阻Κγ为100～160kPa[11-13]。在特定的土壤和机具设计条件下，微耕比阻Κγ与动力输出功率Wε的关系为

其中，Κγ为微耕比阻(kPa)，Wε为动力输出功率(kW)，B为耕作幅宽(m)，H为耕作深度(m)，VZ为微耕机前进速度(m/s)[14]。

根据农艺及条耕的需要，微耕机与旋耕刀设计有关的各项参考参数为：旋耕宽30～40cm；耕深10～15cm；作业效率0.13～2hm2/h；汽油机动力≥2.5kW；考虑到旋耕机工作的稳定性，将旋耕刀在微耕机上对称安装。本研究取微耕机的耕作幅宽为35cm，耕作深度为10cm，微耕机前进速度为3km/h，旋耕刀转速为300r/min。本文重点分析微耕机中的微型旋耕刀，因此微耕比阻Κγ取100kPa，则有Wε=2.9kW。此外，本文中的微耕机用一级涡轮变速箱，根据变速箱设计要求总传动效率取为η=0.8。根据以上分析，作用在旋耕刀的功率为

Wa=Wε·η=2.3kW

旋耕刀所受的转矩为

刀刃面所受的力为

本研究对5种模型的静态和动态分析的载荷条件和边界条件都相同。由于不同时刻、不同位置旋耕刀所受的载荷大小和作用方向各不相同， 为了方便， 把载荷假设为均匀分布在旋耕刀刀刃上。根据以上旋耕刀的实际安装和工作状况，将旋耕刀轮毂内孔进行固定约束并圆弧刀刃面施加均布载荷，大小为486N，如图3所示。

图3　旋耕刀边界条件

3旋耕刀有限元分析与结构优化

基本载荷有土壤对刀刃的反作用力。旋耕刀设计主要是考虑承受土壤对旋耕刀的反作用力和各种振动与冲击，而各种振动与冲击主要影响其动力学性能。因此，在静力分析中我们将作用载荷加载刀刃上，只考虑土壤对旋耕刀反作用力的影响。

3.1旋耕刀静态数值分析与强度评价

通过结构静力分析可用来简单校核旋耕刀在一定载荷条件下的变形与应力大小情况，获得最大的变形与应力的部位。计算结果如图4所示。

(a)　直刀刃不带飞轮旋耕刀　　　　　(b) 直刀刃带飞轮旋耕刀

(c)　圆弧形不带飞轮旋耕刀　　　　　 (d)　圆弧形带飞轮旋耕刀　　　　　 (e)　圆弧形带飞轮圆角旋耕刀

通过计算结果获得5种旋耕刀的应力—应变值如表3所示。从表3中可见，5种旋耕刀最大变形量和应力随着改进呈逐渐减少的趋势。可知，每次改进旋耕刀的结构越优化，其强度，尤其是圆弧形带飞轮圆角旋耕刀的应力与变形值越理想。随着改进应力值由199.42MPa减少到89.78MPa，最大的应力部位在刀片折叠处；变形量由1.806mm减少到0.424 1mm，最大的变形位于刀刃部。

表3　5种旋耕刀最大应力、变形量和出现位置

由于微耕机工作环境恶劣，根据常用的农业机械设计的安全准则[17]将其安全系数取为1.8。在该工况下圆弧形带飞轮圆角与圆弧形带飞轮旋耕刀所受的应力84.70MPa，小于许用应力340MPa，比改进前强度提高了4倍以上。

3.2旋耕刀的模态仿真结果

旋耕刀在工作过程中承受多种复杂的动载荷的作用，可认为是复杂的振动系统，因此分析其动力学性能十分重要。为了初步判断旋耕刀的固有频率是否落在系统和其他旋转零部件的工作频率之内，首先进行了模态分析。本文在研究5种旋耕刀振动特性时，通过自由振动分析法，并利用ANSYS软件进行了模态分析。根据原动机的正常工作频率(30～50Hz)接近改进前模型模态频率的阶数，提取了前10阶模态并进行了对比分析，如表4所示。

通过对五种旋耕刀进行模态分析，得到10阶模态的固有频率与振形，利用这些数据可以分析旋耕刀的相关动力学特性，发现薄弱环节并进行优化。

表4　5种旋耕刀前10阶固有频率和振型

由表4可知：虽然5种旋耕刀的各阶振型基本相同，但是直刀刃旋耕刀的前10阶固有频率不带飞轮时12～48Hz、带飞轮时21～64Hz；而旋耕刀自身的工作频率为0～20Hz,原动机的动力输入轴的工作频率为0～60Hz,都落在工作频率之内，会出现旋耕刀的强烈振动和共振。第3次改进后的圆弧形旋耕刀，不管是带飞还是不带飞轮，带圆角还不带圆角，第1阶模态频率分别为102、170、170Hz，都从第1阶开始避开了工作频率。这表明，直刀刃带飞轮或不带飞轮的旋耕刀在整个工作频率范围内会发生振动甚至共振现象，很大程度上影响微耕机的稳定性和正常工作效率。而圆弧形旋耕刀，如果不考虑偏心率的情况下，都避开了工作频率范围，不会发生振动或共振，因此其振动特性满足工作需求。

4结论

1)改进设计了5种不同结构的旋转对称六刀刃旋耕刀结构并建立了数值模型。同时，进行了数值分析、对比分析了强度、固有频率、振型和动力稳定性，提出了飞轮性旋转对称弧形刀刃圆角旋耕刀。

2)静态强度分析结果表明：随着旋耕刀结构的改进其应力值与变形量明显减小。飞轮性旋转对称弧形刀刃圆角旋耕刀的应力降低到89.78MPa、变形量降低到0.424 1，比改进前分别降低了2倍和4倍以上。

3)动力学分析结果表明：第3次改进后的3种弧形旋耕刀各阶固有频率都避开了工作频率，如果不考虑偏心率的影响，在工作频率范围内弧形旋耕刀不出现振动和共振现象。

参考文献：

[1]高焕文，李洪文.保护性耕作的发展[J].农业机械学报，2008，39(9):43-48.

[2]张欣悦，李连豪.1GSZ--350型灭茬旋耕机联合整地机的设计与实验叨[J].农业工程学报，2009，25(5)：73-77.

[3]赵伟，张文春.深松旋耕组合作业机的研制与试验研究[J]．农业工程学报，2007，23(1)：125-128.

[4]闰国琦，张铁民.我国微耕机技术现状与发展趋势[J].安徽农业科学，2008，36(25)：37-39.

[5]Yong RN,Hanna A W.Finite element analysis of plane soil cutting[J]．Of Terramechanic，1977，14(3)：103-125.

[6]Chi L，Kushwaha R L.Finite element analysis of forces on a plane soil blade[J].Can.Agric.Eng,1989,31(2):135-140.

[7]郭志军，周志立，佟金，等．抛物线型切削面刀具切削性能二维有限元分析[J]．洛阳工学院学报，2002，23(4)：1-4.

[8]郭志军,孙政伟,张毅,等.推土铲切削性能的二维有限元分析[J]．拖拉机与农用运输车，2006,33(6):29-33.

[9]张柯柯，卢剑锋，张富贵，等.微耕机的结构设计与动力学分析[J].农机化研究，2012,34(4)：58-60.

[10]刘芳，叶进.微耕机与现代设计方法[J].农机化研究，2013,35(5):246-248.

[11]赵少汴，王忠保．抗疲劳设计[M]．北京：机械工业出版社，1997：65-80.

[12]高烨．多轴疲劳研究阴[J]．机械强度，1996，18(1)：9-13.

[13]黄虎，王晓燕．固定道保护性耕作节能效果试验研究[J]．农业工程学报，2007，23(12)：140-143.

[14]王洪亮,张瑞宏.基于NXNASTRAN的旋耕刀轴结构与疲劳分析木[J]．中国农机化学报，2013，34(3)：135-138.

[15]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2010：210-212.

[16]范钦珊，唐静静.工程力学[M].北京：高等教育出版社，2007：59-62.

[17]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[K].北京：中国农业科学技术出版社，2007:150-170.

Structural Optimization and Dynamic Stability Analysis of Rotary Blade

Rishat Abdirshit, Nijat Yusup, Mamtimin Geni

Abstract：In order to solve the problem of soil and root friction fatigue and vibration impact on the rotary blade and tip resistance is caused by the failure, this paper of rotationally symmetric six blade rotary blade of strength evaluation and its structure was optimized and improved and then 5 times respectively on five optimization improvement structure established numerical model, the numerical analysis of static and modal using finite element software. The analysis results show that static strength, with the optimization of rotary blade structure improvement and the maximum stress concentration and the maximum deflection decreases obviously. Dynamic analysis results also indicate that the third optimization of 3arc rotary blade improved each order natural frequency are increased in the 100Hz and split the work frequency. Finally, through the comparative analysis of five kinds of optimization proposed flywheel rotation symmetric arc-shaped blade fillet rotary blade improved structure strength, natural frequency, vibration mode and dynamic stability. The characteristics of the rotary blade, stress and deformation than the improved reduced respectively2 times and 4 times above, the first order natural frequency than the previous algorithm improved from 12Hz to 170Hz.Rotary blade type new stress concentration is very small, the natural frequency is very high, so it can improve the characteristics of fatigue life of good wear resistance and long service life, one of the most suitable blade rotary cultivator for. If we do not consider the influence of eccentricity, in the working frequency range of arc rotary blade vibration and the resonance phenomenon does not appear.

Key words：rotary blade; FEM; modal analysis; strength analysis

文章编号：1003-188X(2016)01-0057-05

中图分类号：S222.3;S220.3

文献标识码：A

作者简介：日力夏提·阿布都热西提(1988-),男(维吾尔族)，乌鲁木齐人,硕士研究生,(E-mail)89356113 8@qq.com。通讯作者：尼加提·玉素甫(1964-),男(维吾尔族),乌鲁木齐人,副教授，硕士生导师,(E-mail)nijatyusup@163.com。

收稿日期：2014-12-18

国家发明专利：飞轮性旋转对称弧形旋刀(2013101227164)