基于CATIA的施肥深松机的设计与有限元分析

姚鹏华 ，郭永川 ，姚智华

（1.湖北文理学院汽车与交通工程学院，湖北 襄阳441053；2.纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室，湖北 襄阳441053；3.湖北文理学院后勤保障与资产管理部，湖北 襄阳441053；4.安徽科技学院机械工程学院，安徽 凤阳233100）

土壤深松作业是指对正常犁耕深度的犁底层土壤进行松土作业。通过深松作业，可以增加土壤的透气性和透水性，防止土壤板结，有利于作物生长[1]。常规的深松机一般只具有深松功能。本文设计了一种新型的深松施肥机，在深松土壤的同时，还可以对深层土壤进行施肥作业，保证作物在生长后期的肥料供应，这是一般的施肥作业难以实现的。本文首先进行了施肥深松机的整机结构设计，并对关键部件进行了分析，并利用CATIA软件的数字化建模功能辅助三维设计。深松机在工作工作中，铲头与土壤的受力状况较为复杂。为此采用CATIA软件自身的有限元分析模块，对深松作业关键部件深松铲铲头进行静力学分析，得到了铲头内部的应力分布和受力特性[2-6]。分析结果对改进深松铲铲头结构，优化整机结构提供了理论依据。

1 整机结构及工作原理

本次设计的深松施肥机如图1所示。该机采用三点悬挂机构与拖拉机挂接。其主要工作部件为装在机架上的凿形深松铲。施肥箱布置在机架的后侧，排肥器采用外槽轮式排肥器。工作时，拖拉机通过悬挂装置牵引施肥深松机在田间工作，由于深松铲有一定的入土角，在深松机自重作用下，铲头可深入土壤底层进行深松作业。地轮一方面起限深作用，另一方面地轮的转动通过链传动带动排肥轴转动，肥箱中的肥料通过排肥器、输肥管和肥料管落至深松铲底部土壤中，一次性完成深松和深层土壤施肥作业。

图1 施肥深松机的整体结构

2 关键部件设计

2.1 机架的设计

机架采用框架结构，主要采用80 mm×80 mm的方钢焊接而成。机架分为前后两部分，中间有一横梁，如图2所示。机架前部分用于三点悬挂装置，并与拖拉机挂接，横梁为下拉杆作用梁。施肥箱布置在机架的后部分。深松铲通过螺栓与机架相连。该机架刚度较好，结构简单，容易制造。

图2 机架结构示意图

2.2 深松铲的设计

深松铲是深松机的关键工作部件。该深松施肥机一共设置了五个深松铲，分前后两排并相互错开，保证深松行间距为400 mm.深松铲的工作深度为250-350 mm，其工作深度由地轮调节装置控制。深松铲分为铲头和铲柄两部分。铲头应具有较强的松土能力，同时应具有一定的强度、刚度和耐磨性。深松铲的铲头形式有凿型、翼型和三角型等多种形式。根据工作要求，本深松施肥机选择凿型铲头。该铲头强度较高，松碎土壤性能好。铲头的材料选择65Mn，硬度为HRC50.铲柄上设置有螺栓孔，通过螺栓与机架连接。铲尖结构参数及铲柄其他结构参数参照JB/T 9788—1999[7].

2.3 施肥部件的设计

施肥箱固定在机架的后方。排肥器采用外槽轮式排肥器，排肥轴上安装有小链轮，地轮上安装有大链轮。当拖拉机带动深松施肥机前进时，地轮旋转并通过链传动带动排肥轴转动，使肥料通过排肥器落入塑料波纹输肥管。

常规的施肥机需要开沟器，本次设计巧妙利用了深松铲的开沟功能，无需施肥开沟器，使整机结构上进一步简化。从图1可以看出，在深松铲背后焊接方管和圆管作为肥料管，塑料波纹肥料管套入到肥料管中。这样肥料就可以沿着肥料管，落至深松铲开好的沟底，实现了深层土壤施肥。

利用CATIA软件的机械设计功能进行三维设计。首先根据设计尺寸对深松机的各零件进行三维建模，再利用配合命令，定义相合、偏置、角度、固定等约束，将其零部件结合到一起，最终完成施肥深松机各零件的装配。设计好的三维装配图如图3所示。

图3 施肥深松机的三维建模

3 施肥深松机铲头的有限元分析

深松铲是深松机的主要工作部件，铲头是深松铲的关键部件，用于深松土壤。铲头受力较大且受力复杂，常规的力学理论解析分析难以进行。有限元方法适合于分析复杂工程受力问题。为此本文利用CATIA的有限元分析功能进行铲头的静力学分析。

3.1 材料属性

铲头材料为65Mn，为此选择metal材料中的steel选项。设置材料密度ρ＝7 850 kg/m3，弹性模量E=2.0×105MPa，泊松比μ=0.3.

3.2 定义约束和施加载荷

约束是用来约束模型的相对的运动。每一个节点都存在6个自由度，分别为x，y，z三个竖直方向和三个转动。根据深松铲的结构，在深松铲铲头与机架的螺栓连接处设置固定约束。

铲头在深松作业时，其所受到的载荷很难计算，这是因为铲头的受力与作业工况、结构参数、铲头入土角度和土壤物理性质等有关[8]。为了简化计算，本文采用文献[9]的相关结论，当深松铲铲头入土深度为350 mm，拖拉机速度为0.5 m/s时，铲头阻力F可用公式表示为：

F＝1.1473lnA-6.1471

式中：F为铲头受力，A为铲头在底平面的投影面积。

根据本深松施肥机铲头的结构尺寸，代入数据，可近似得到铲头的受力F=3.8 kN.

为了简化分析，将该载荷F添加在铲头的中间高度位置上。添加好约束与载荷的铲头如图4所示。

图4 深松铲的约束和载荷图

3.3 网格划分

网格划分能够对三维实体模型划分成各个参数，是有限元分析的重要环节。进入网格划分模块，在size文本域中输入数值为3 mm，在Element type区域中选择Parabolic选项，完成最终网格划分，如图5所示。

图5 深松铲的网格划分

3.4 深松铲头的静应力分析

对位移量图和主应力图进行分析，分析结果如图6所示。

图6 深松铲的应力与位移图

从图6可以看出，当深松施肥机的行走速度为0.5 m/s，铲头入土深度为350 mm时，铲头内部的最大应力为268 MPa，本次设计的深松铲铲头材料采用65 Mn，其屈服强度[σs]=784 MPa，可见最大应力小于铲头材料的屈服强度。最大位移为6.01×10-5mm，变形量较小。铲头内部应力和位移量变形较为合理，铲头强度可以满足作业要求。设计的样机在某农场试验，深松施肥效果良好，工作部件可靠性较好。

4 结论

本文设计的施肥深松机，能一次性完成深松和施肥复式作业，效率较高。设计中采用CATIA软件进行三维设计与有限元静力学分析，提高了设计效率，在设计阶段就避免了农业作业过程中的失效问题。本文分析结果对优化施肥深松机结构提供了理论参考。