甘蔗地凿式深松犁的受力仿真分析

韦丽娇，李　明※，董学虎，李柏林，李官保，张　园

（1.中国热带农业科学院　农业机械研究所，湛江　524091；2.海南大学　机电工程学院，海口　570228）

甘蔗地凿式深松犁的受力仿真分析

韦丽娇1，李明1※，董学虎1，李柏林2，李官保2，张园1

（1.中国热带农业科学院农业机械研究所，湛江524091；2.海南大学机电工程学院，海口570228）

针对在甘蔗地使用的凿式深松犁，对比分析了在相同受力条件下，圆弧式和立柱式两种犁体的静力学特性；同时对圆弧式深松犁在不同悬挂位置进行了静力学仿真。运用SolidWoks软件从以上两个方面研究深松犁的强度特性，分析发现圆弧式结构强度较好，螺栓孔的位置较低时犁体受力较小，这为进一步完善甘蔗地使用的深松机械提供了参考。

甘蔗地，凿式深松犁，应力，仿真

0　前言

甘蔗是重要的经济作物，在我国主要分布于雷州半岛、广西大部、海南及云南部分地区。深松作业是一项免耕技术，能显著提高根深作物的产量［1-2］。甘蔗地的深松作业能疏松土壤，打破犁底层，增加土壤的氧含量及储水量，为甘蔗根系的生长发育提供有利条件［3-4］。研究表明［5］，深松技术能使甘蔗产量提高16.08%。与我国北方的土壤相比，我国南方甘蔗地的土壤大多为砖红壤，土质粘重、杂草蔗头多，因此在北方广泛应用的深松犁不适用于南方热带地区甘蔗地［6］。用于甘蔗地的深松犁，工作时受到的阻力更大，需满足的强度要求更高。

国内虽有不少学者已对我国南方热区深松机械作了相关研究，但相对于北方地区［7］，热带地区深松技术研究与应用成熟程度还是有很大差距。海南大学仇倩倩、甘声豹设计研究了香蕉地深松机械［8-9］；王彬针对南方地区设计了可拆装式凿型深松铲［10］；华南农业大学甄文斌对深松部件在蔗地的牵引阻力进行了研究［11］。通过阅读有关文献，发现对甘蔗地深松犁强度问题的研究不多。在生产实践中，发现犁体样式和犁的悬挂位置是两个对深松犁使用寿命有较大影响的因素。本文将借助仿真软件，对比圆弧式和立柱式犁体的受力情况，同时探讨悬挂位置对圆弧式犁体受力的影响。

1　犁体的三维建模

运用SolidWorks软件绘制圆弧式及立柱式深松犁三维模型，其中圆弧式深松犁参照中国热带农业科学院农业机械研究所研制的1SL系列凿式深松机犁体建模，在圆弧型式犁柄基础上加以调整即得到立柱式犁柄模型，两种深松犁尺寸基本一致。犁头为凿式，凿式犁具有工作性能好，工作阻力低，强度大的优点［12］，适用于砖红壤。在甘蔗地的土壤条件下，深松犁尺寸应较北方地区所使用的大［13］，需满足更高的强度要求。选取犁体总高度为93cm，犁柄宽16cm，犁柄厚度为3cm，入土角为26°。犁柄中段选用截面为三角形的结构形式，长45cm。三维模型如下图所示：

图1　两种深松犁三维模型

2　两种深松犁的静力学仿真建模

运用SolidWorks中的Simulation模块分别对圆弧式和立柱式深松犁进行静力学分析，以对比分析在相同受力条件下两种犁的应力、应变、安全系数特征。

2.1材料的选择与网格划分

两种深松犁的犁柄，犁头的材料选用65Mn钢，材料的主要参数如表1所示。

表1　深松犁材料的主要参数

网格划分是有限元分析中的关键步骤，网格单元越小，运算越精确，但所需时间越多。为了运算的精确性，同时避免花费过多的时间，选择网格大小为中等。网格划分细节如下。

雅可比点：4点

单元大小：14.1 421mm

公差：0.707 105mm

网格品质：高

节总数：27 578

单元总数：16 716

最大高宽比例：14.638

带高宽比例的单元百分比＜3∶97.4

带高宽比例的单元百分比＞10∶0.0239

2.2载荷和约束的施加

深松犁所受的土壤阻力，由犁柄阻力和犁头阻力两部分组成。深松犁的工作阻力受深松深度、机具前进速度、土壤类型、入土角等因素影响。参考有关文献，设定甘蔗地深松作业深松犁所受阻力的平均值，以确保深松犁能在甘蔗地普遍适用。设定犁柄受力为4 000 N［14］，犁头受力为2 900 N。选择约束为固定铰链。如图2所示。

图2　深松犁受力示意图

3　仿真结果与分析

3.1两种深松犁静应力比较分析

经过Simulation的运算，可得到两种深松犁的应力、应变、位移、安全系数云图。如图3和图4所示。

比较图3和图4，可以发现：圆弧式深松犁最大应力约为21.4 MPa，最大应力集中在与第3个螺栓孔平行的犁柄边缘处；最大应变为8.355×10-5；最大变形为0.358mm，发生在铲尖处，最小安全系数为25。立柱式深松犁最大应力约为26.2 MPa，集中位置与圆弧式一致；最大应变为1.006×10-4；最大变形为0.433mm，也发生在铲尖处，最小安全系数为20。对比分析后，发现圆弧式深松犁结构强度要优于立柱式，所以，在甘蔗地使用的深松犁宜选用圆弧式结构。

3.2圆弧式深松犁不同悬挂位置受力比较

图3　圆弧深松铲静力分析云图

图4　立柱式深松犁静力分析云图

调节深松犁深松深度的途径有两种：一是通过液压系统控制拖拉机悬挂的升降，二是改变深松犁悬挂的位置。深松犁犁柄处通常有4个螺栓孔，每个螺栓孔圆心间距10cm，通过螺栓在间隔的2个螺栓孔连接深松犁与机架。分析比较不同悬挂位置对深松犁受力的影响，对螺栓孔位置的合理安排有借鉴意义。前面已对圆弧式深松犁悬挂位置在第1、第3个螺栓孔处时进行了仿真分析，下面分析悬挂位置在第2，第4个螺栓孔处的静应力。仿真云图

如下：

图5　圆弧深松犁在不同悬挂位置的仿真分析

通过仿真，发现悬挂位置在第2，第4螺栓孔处时深松犁最大应力为 16.8 MPa，最大变形为0.253mm，最小安全系数为31，优于悬挂位置在第1，第3处螺栓孔时的强度、刚度。所以，应把螺栓孔设计在较低的位置。

4　结论

1）立柱式深松犁的优点是结构简单制造容易［15］，圆弧式结构制造相对困难但有更高的强度。通过仿真，可知在相同的受力条件下，圆弧式犁体所受应力比立柱式的少18.3%。

2）深松犁通过较低螺栓处孔悬挂在机架上时，所受应力较小。这是由于固定点与受力点的距离的减小，即力臂的缩短，导致犁体所受弯矩的减小。所以，在保证深松深度的情况下，犁体螺栓孔位置不应离地面太远。

3）深松犁的设计应有针对性，不同类型的土壤、作物对深松犁的要求不同，需要根据特定的应用条件对深松犁结构进行调整。利用有限元分析软件能在较短的时间找出较优的结构，节约了研制成本。

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［14］陈实，张喜瑞，梁栋，等.圆弧深松铲两种安装方式的仿真分析与探讨［J］.农机化研究，2015 （3）：70-73.

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The Stress Simulation Analysis of Chisel Shaped Sub-soiling Plough Used in Sugarcane Land

Wei Lijiao1，Li Mi1※，Dong Xuehu1，Li Bolin2，Li Guanbao2
（1.Agro-machinery Research Institute of Chinese Academic of Tropical Agricultural Sciences，Zhanjiang 524091，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hainan University，Haikou 570228，China）

In allusion to the chisel shaped Sub-soiling plough used in sugarcane land，the static characteristics of two types of plow body arc and column are？compared？and？analyzed under the same stress，and static simulation is carried out on the circular arc type Sub-soiling plough in different suspension positions.SolidWorks would be used to study the strength characteristics of Sub-soiling plough from the above two aspects，the analysis results shows that the arc structure has better strength，when the position of the bolt hole is lower，the plough body is less stressed，this provides a reference for the further improvement of Sub-soiling machine used in sugarcane field.

sugarcane field，chisel shaped Sub-soiling plough，stress，simulation

科技部农业科技成果转化项目（2014GB2E000040）；海南省自然科学基金项目（20155208）。

韦丽娇（1984—），女，壮族，广西南宁人，助理研究员，研究方向为热带农业装备。E-mail:406775423@qq.com。

李明（1964—），男，汉族，广东化州人，研究员，研究方向为热带农业装备。E-mail:lm3785899@qq.com。