基于ANSYS的果園避障旋耕機(jī)旋耕刀片有限元分析

李文春+王斌+劉曉麗

摘要：對(duì)果園避障旋耕機(jī)旋耕刀片特殊工況下（機(jī)組前進(jìn)作業(yè)時(shí)機(jī)架附加橫向運(yùn)動(dòng)）的受力狀況進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，獲得了單刀受力的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用SolidWorks軟件建立了旱地用C型旋耕刀實(shí)體模型，基于ANSYS Workbench分別對(duì)旋耕左刀和右刀進(jìn)行了正常工況與避障作業(yè)2種情況下的應(yīng)力、應(yīng)變與變形仿真分析。仿真結(jié)果表明，避障動(dòng)作改變了旋耕刀的受力狀況，但對(duì)旋耕刀片最大應(yīng)力、應(yīng)變、變形的位置沒有產(chǎn)生影響。仿真結(jié)果為分析特殊工況下旋耕刀失效形式、安全性能提供了方法，也為研究設(shè)計(jì)新型旋耕刀片提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：果園避障旋耕機(jī)；C型旋耕刀；ANSYS Workbench；有限元分析

中圖分類號(hào)：S222.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）01-0193-04

旋耕機(jī)具有很強(qiáng)的切土、碎土能力，耕后地表平整、松碎，又不會(huì)破壞深層土壤結(jié)構(gòu)，與目前推行的免耕、少耕的保護(hù)性耕作模式相適應(yīng)，發(fā)展迅速，是運(yùn)用最廣泛的中耕作業(yè)機(jī)械。但普通旋耕機(jī)果園作業(yè)時(shí)，受耕作對(duì)象的局限會(huì)在株距之間形成一條非耕作區(qū)，需要人工進(jìn)行株間除草松土等二次作業(yè)[1]。為了使工作部件能夠自動(dòng)伸入株間進(jìn)行松土除草作業(yè)，筆者設(shè)計(jì)了一種液壓式果園避障旋耕機(jī)。該旋耕機(jī)機(jī)架右前方設(shè)置有一個(gè)感應(yīng)觸桿，作業(yè)時(shí)觸桿首先碰觸到果樹，進(jìn)而控制機(jī)架上液壓缸動(dòng)作，液壓缸伸出帶動(dòng)旋耕機(jī)架橫向退回，完成避障動(dòng)作[2-3]。

旋耕刀輥是果園避障旋耕機(jī)的主要工作部件，也是旋耕作業(yè)中承受載荷最大的工作部件。通常情況下，由于旋耕作業(yè)時(shí)，機(jī)具只進(jìn)行等幅寬作業(yè)，刀輥沿刀軸方向的受力很小，在分析刀片受力時(shí)只側(cè)重考慮垂直方向的受力[4-7]；但果園避障旋耕機(jī)旋耕作業(yè)時(shí)，遇到果樹能夠自動(dòng)避障，旋耕刀輥在垂直于機(jī)組前進(jìn)方向有明顯的橫向運(yùn)動(dòng)，因此，軸向受力不能忽略。在果園避障旋耕機(jī)具有橫向避讓動(dòng)作的工況下，對(duì)旋耕刀片進(jìn)行有限元分析可以計(jì)算刀片的結(jié)構(gòu)剛度、靜應(yīng)力等靜態(tài)參數(shù)，有利于分析旋耕刀的失效形式、失效位置，驗(yàn)證旋耕刀片的安全性能，改善旋耕刀的設(shè)計(jì)參數(shù)，為研究設(shè)計(jì)新型旋耕刀提供理論依據(jù)。

1 果園避障旋耕機(jī)旋耕刀片受力分析

果園避障旋耕機(jī)避障作業(yè)時(shí)，刀輥受到的阻力來源于各組刀片阻力的合成，旋耕刀單刀的工作受力情況如圖1所示。旋耕刀切削過程中，刀具和土壤之間的相互作用大致可分為3個(gè)部分：切削面ABE產(chǎn)生的切削阻力及克服側(cè)切削刃與待切削土壤之間的摩擦力、切削面AEFD產(chǎn)生的土壤剪切阻力和刀具前刃切削中土壤金屬的摩擦力、刀盤沿軸向移動(dòng)時(shí)刀片與土壤間摩擦力及已切土壤與未切土壤之間的摩擦阻力和黏結(jié)阻力等。

上述阻力中的前兩部分即為普通旋耕刀切削土壤時(shí)的切削阻力，第三部分為果園避障旋耕機(jī)避障作業(yè)時(shí)受到的軸向附加阻力，為了計(jì)算方便，把兩部分力分開計(jì)算，即總阻力為：

Ff=Fxy+Fz。

式中：Fxy=Fqianyin=Zbnh0k0，Z為刀盤數(shù)，bn為單體刀寬，h0為設(shè)計(jì)耕深，k0為土壤旋耕比阻[8]；Fz=（1+a）（μ1m1g+μ2m2g），μ1為旋耕刀與土壤的摩擦系數(shù)，m1為機(jī)架總質(zhì)量，μ2為土壤的內(nèi)摩擦系數(shù)，m2為刀輥推動(dòng)土壤的質(zhì)量，a為考慮已切土壤與未切土壤之間黏聚力賦予的阻力系數(shù)。

設(shè)計(jì)中有：Z=7，b=23 cm，h0=16 cm，k0=9.645 N/cm2，μ1=0.6，μ2=0.75，m1=300 kg，m2=100 kg，a取0.5，帶入各數(shù)據(jù)得旋耕刀單刀切土阻力Fxy=1 218 N，F(xiàn)z=182 N。

2 旋耕刀片實(shí)體建模

新疆南疆果園土壤多為沙質(zhì)土壤，耕作比阻小，由于C型旋耕刀兼具直角刀剛性好、碎土能力強(qiáng)和彎刀不易纏草的特點(diǎn)，適宜旱地作業(yè)。同時(shí)，使用C型旋耕刀耕作時(shí)土壤有明顯的分層和流動(dòng)現(xiàn)象，土壤圍繞旋轉(zhuǎn)軸從刀片凹面的前部和后部翻出形成運(yùn)動(dòng)流，兼具埋草效果[9]。因此，適用于新疆南疆果園土壤耕作。

在建模過程中，考慮C型旋耕刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，ANSYS軟件的建模能力相對(duì)較弱，但提供了豐富的數(shù)據(jù)接口程序，使得在其他3D軟件中建立模型后導(dǎo)入ANSYS變得簡(jiǎn)單方便。因此，本研究選擇在SolidWorks軟件中進(jìn)行三維建模，再通過SolidWorks和ANSYS的數(shù)據(jù)接口，解決ANSYS建模困難的問題。具體實(shí)施方法如下：（1）建立SolidWorks與ANSYS的軟件關(guān)聯(lián)；（2）采用描點(diǎn)法測(cè)繪C型旋耕刀結(jié)構(gòu)參數(shù)，運(yùn)用SolidWorks軟件繪制旋耕刀草圖，并通過拉伸、彎曲、切除等命令建立C型旋耕刀片實(shí)體模型；（3）從SolidWorks主面板菜單中打開ANSYS Workbench16.0，則ANSYS Workbench 16.0共享獲得C型旋耕刀模型（圖2）。

3 旋耕刀片有限元分析

有限元分析（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）是指利用數(shù)學(xué)近似的方法模擬真實(shí)物理系統(tǒng)中的幾何約束和載荷工況，進(jìn)而用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)分析方法?，F(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的有限元分析軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，能與市場(chǎng)上大多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer-aided design，CAD）軟件接口通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、電路學(xué)、化學(xué)化工反應(yīng)等領(lǐng)域[10]。

3.1 材料設(shè)置與網(wǎng)格劃分

旋耕刀是旋耕機(jī)工作時(shí)直接與土壤相互作用的部件，通過高速旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，將土壤切碎、拋出，為易損件。旋耕刀的材料要求硬度高、耐磨、韌性好，工業(yè)上常選取60 Si2Mn材料并進(jìn)行熱處理作為旋耕刀的原料[11]。其參數(shù)見表1。

旋耕刀的單元?jiǎng)澐植捎肁NSYS Workbench自帶的智能網(wǎng)格劃分，該方法可以根據(jù)模型的幾何關(guān)系，自動(dòng)將網(wǎng)格劃分得稀疏得當(dāng)。單元尺寸控制在0.005 m，劃分好的旋耕刀網(wǎng)格如圖3所示。

3.2 約束與載荷施加

由前述分析可知，旋耕刀在整機(jī)避障時(shí)受力情況為：在受正常作業(yè)切削阻力的同時(shí)受到軸向阻力，因此在旋耕刀正切刃和側(cè)切刃上施加垂直于刃口方向的1 218 N的力，在旋耕刀面沿刀軸方向施加182 N的力（圖4）。旋耕刀通過安裝孔固定在刀盤上，因此在模型安裝孔的位置施加固定約束。

3.3 求解與分析

添加總變形、應(yīng)力和應(yīng)變分析項(xiàng)目進(jìn)行求解，求解結(jié)果見圖5。

應(yīng)力云圖結(jié)果如圖5所示：果園避障旋耕機(jī)正常作業(yè)時(shí)左刀最大等效應(yīng)力為88.60 MPa，右刀最大等效應(yīng)力為 87.75 MPa；避障作業(yè)時(shí)，左刀最大等效應(yīng)力為114.14 MPa，右刀最大等效應(yīng)力為108.14 MPa，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度值， 說明旋耕刀的結(jié)構(gòu)仍然存在很大的優(yōu)化空間。最大應(yīng)力點(diǎn)所在位置為遠(yuǎn)離切土點(diǎn)的安裝孔位置和刀盤與刀接觸位置，即刀與刀盤連接處會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，與實(shí)際工作中刀盤的斷裂形式相吻合，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。應(yīng)力最小值位于旋耕刀正切部。避障動(dòng)作對(duì)左右刀片應(yīng)力值影響不同是因?yàn)楸苷蠒r(shí)2個(gè)刀片所受到土壤給與的軸向力受力面不同且方向相反。

應(yīng)變?cè)茍D結(jié)果如圖6所示：果園避障旋耕機(jī)正常作業(yè)和避障作業(yè)時(shí)，旋耕刀最大應(yīng)變和最小應(yīng)變位置均與相同工況下最大最小應(yīng)力位置相同，正常作業(yè)時(shí)左刀最大應(yīng)變?yōu)?6.44×10-4 m/m，右刀最大應(yīng)變?yōu)?.26×10-4 m/m；避障作業(yè)時(shí)左刀最大應(yīng)變?yōu)?.79×10-4 m/m，右刀最大應(yīng)變?yōu)?.26×10-4 m/m，均在旋耕刀與刀盤連接處，說明此處承受載荷較大。

變形云圖結(jié)果如圖7所示：果園避障旋耕機(jī)正常作業(yè)和避障作業(yè)時(shí)，旋耕刀最大變形位置均在旋耕刀刀尖處，說明作業(yè)中刀尖處剛度表現(xiàn)最差。正常作業(yè)時(shí)左刀最大變形量為0.346 mm，右刀最大變形量為0.508 mm；避障作業(yè)時(shí)左刀最大變形量為0.359 mm，右刀最大變形量為0.543 mm，在剛度允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

以果園避障旋耕機(jī)C型旋耕刀為研究對(duì)象，分析了旋耕機(jī)避障作業(yè)時(shí)旋耕刀片的受力狀況，運(yùn)用SolidWorks軟件建立了旋耕刀的三維模型，基于ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)旋耕刀片在正常工況和避障作業(yè)工況下分別進(jìn)行了應(yīng)力、應(yīng)變和變形分析。分析結(jié)果表明：果園避障旋耕機(jī)正常工況下和避障作業(yè)時(shí)，旋耕刀片的最大應(yīng)力和應(yīng)變區(qū)域均在刀片與刀盤連接處，與實(shí)際工作過程中旋耕刀斷裂處一致，表明該處為旋耕刀在工作過程中最薄弱的環(huán)節(jié)；旋耕刀片總變形最大處均在旋耕刀的正切部，表明旋耕刀正切部剛度最差，應(yīng)采用工藝手段加強(qiáng)處理；由于避障作業(yè)時(shí)旋耕刀輥是沿刀軸方向向左回縮，左刀正面受力，右刀背面受力，因此該工況對(duì)左刀片應(yīng)力、應(yīng)變的影響大于右刀片，變形的影響小于右刀片，以此推斷當(dāng)避障作業(yè)結(jié)束后刀輥橫向向右伸出時(shí)，工況對(duì)右刀片應(yīng)力、應(yīng)變的影響大于左刀片，變形的影響小于左刀片，這在后續(xù)仿真中得到了證實(shí)。

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