彎形旋耕刀的靜應(yīng)力分析

鄧祥豐，鄢 強(qiáng)，宋慧瑾，吳明春，徐茂輝，何 玲，吳 亮

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

旋耕作業(yè)是農(nóng)耕中一個重要的環(huán)節(jié).目前，旋耕機(jī)械在農(nóng)業(yè)作業(yè)中被廣泛使用，旋耕刀的設(shè)計和結(jié)構(gòu)性能對旋耕機(jī)械的工作效率有重要影響[1-3].隨著科技的發(fā)展，旋耕刀的設(shè)計方法也逐漸數(shù)字化，相關(guān)研究表明，旋耕刀的改進(jìn)多為依靠現(xiàn)有成型旋耕刀為基礎(chǔ)并基于有限元分析軟件來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[4-6].對此，本研究以某型號彎形旋耕刀作為研究對象，利用SolidWorks軟件建模，改變該旋耕刀的外形尺寸參數(shù)，再導(dǎo)入ANSYS軟件對旋耕刀耕作過程的受力情況進(jìn)行有限元分析.通過對比多組彎形旋耕刀的不同彎曲角度與刀刃傾斜距離，來分析該型彎形旋耕刀在工作時的應(yīng)力分布位置與位移變化程度，以此來研究尺寸參數(shù)對于該型彎形旋耕刀的耕作影響，擬為旋耕機(jī)械的旋耕部件的改進(jìn)設(shè)計提供參考依據(jù).

1 彎形旋耕刀形狀分析

旋耕刀按結(jié)構(gòu)形式可分為鑿形刀、直角刀和彎形刀[5].為保證有較強(qiáng)的切土能力，旋耕刀結(jié)構(gòu)多數(shù)選用彎形刀，彎形刀刀刃由側(cè)切刃和正切刃2個部分組成，正切刃與側(cè)切刃相切過渡.彎形刀的側(cè)切刃輪廓為等進(jìn)螺旋線(即阿基米德螺旋線).本研究參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊[7]，按適用180 mm旋耕刀標(biāo)準(zhǔn)GB/T9788-1999，根據(jù)阿基米德螺旋線的基本方程，利用SolidWorks軟件建立某型號彎形旋耕刀的三維實(shí)體模型，如圖1所示.

1.正切刃； 2.側(cè)切刃； 3.緊固螺釘孔； 4.變形刀刀柄

圖1彎形旋耕刀三維實(shí)體模型示意圖

為了研究側(cè)切刃彎曲角度與刀刃傾斜距離對旋耕刀入土?xí)r的受力影響程度，分別設(shè)計了4組不同尺寸參數(shù)的旋耕刀(以1～4號來表示)(見圖2)，然后再對應(yīng)地進(jìn)行靜力分析，根據(jù)所得結(jié)果來討論兩者之間的關(guān)系(見表1).

圖2 彎形旋耕刀主要尺寸參數(shù)

2 靜應(yīng)力分析

2.1 工作載荷的確定

旋耕刀工作時，刀具所受的阻力由各旋耕刀的阻力合成.其阻力大小、方向及作用點(diǎn)與土壤物理性狀、耕深、刀具轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度等因素有關(guān).為簡化阻力計算，按如下經(jīng)驗(yàn)公式[8]計算刀具所受功耗，

Nα=0.1KλdυmB

(1)

Kλ=KgK1K2K3K4

(2)

式中，Nα為功耗，kW；Kλ為旋耕比阻，N/cm3；d為耕深，cm；υm為機(jī)組前進(jìn)速度，m/s；B為耕幅，m；Kg為初始旋耕比阻，N/cm3；K1為耕深修正系數(shù)；K2為土壤含水率修正系數(shù)；K3為殘茬植被系數(shù)；K4為作業(yè)方式修正系數(shù).

根據(jù)彎形旋耕刀的工作參數(shù)及實(shí)際工作環(huán)境，耕深d取值為150 mm；機(jī)組前進(jìn)速度υm為1.6 m/s；B為1 200 mm；根據(jù)切土深度在160～190 mm之間，初始旋耕比阻Kg取值范圍為11～13 N/cm3，取12 N/cm3；根據(jù)耕深要求，耕深修正系數(shù)K1取1.0；根據(jù)含水率<30%，取土壤含水率修正系數(shù)K2為0.86；根據(jù)耕作環(huán)境取殘茬植被系數(shù)K3為1.2，取耕作方式修正系數(shù)K4為0.64.此外，根據(jù)變速箱的設(shè)計準(zhǔn)則及考慮外部因素影響，取傳動效率η為0.8.

彎形旋耕刀作為執(zhí)行部件切削土壤時，旋耕刀的側(cè)切刃部分最先接觸土壤，隨著切削深度的不斷增加，過渡面刃口以及正切刃口依次接觸并不斷翻耕土壤.由于土壤力學(xué)性能的特殊性使得切削力是一個交替變化的震蕩力，為了便于研究旋耕刀的受力性能，本研究對切削力進(jìn)行了等效處理，即：把切削力等效分解為分別作用在側(cè)切刃、過渡面刃口以及正切刃處各施加垂直刃口方向的力[9].

2.2 有限元分析

為準(zhǔn)確模擬外部載荷加載的合理性，需對彎形旋耕刀的載荷承載處(彎形旋耕刀的側(cè)切刃)及約束部位(鏟柄上端的前后接觸面)進(jìn)行分割線劃分.定義彎形旋耕刀的材料屬性[10]為65 Mn，材料密度為7.85×103kg/m-3，彈性模量為1.98×103MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為800 MPa.同時，使用系統(tǒng)默認(rèn)的線性空間四面體對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采取“自動過度”特征對模型局部細(xì)節(jié)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，最終的模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 662，劃分網(wǎng)格數(shù)為1 083[11]，對刀柄處施加固定約束，通過公式(1)和(2)計算得出施加在側(cè)切刃上的載荷為428.16 N.彎形旋耕刀的有限元預(yù)處理模型如圖3所示.

圖3彎形旋耕刀有限元預(yù)處理模型

彎形旋耕刀工作時，由于刀刃最先接觸土壤并且受力，所以受到的載荷達(dá)到屈服極限時將會產(chǎn)生變形、斷裂或疲勞損傷等失效行為.為此，需要對設(shè)計的旋耕刀進(jìn)行校核位移量，并考慮應(yīng)力是否滿足設(shè)計要求.在通過對4組不同尺寸的彎形旋耕刀進(jìn)行應(yīng)力分析之后，其整體應(yīng)力云圖如圖4所示.

圖4 彎形旋耕刀應(yīng)力云圖

由圖4可知：應(yīng)力主要集中在彎形旋耕刀刀刃與刀柄的連接處，這是由于在設(shè)計上，旋耕刀從刀柄上端到刀尖依次變薄，呈現(xiàn)上寬下窄的形狀，這有利于旋耕刀切入土中高效地工作；從應(yīng)力分布的均勻程度上來看，應(yīng)力產(chǎn)生于刀柄與刀刃連接處并向刀尖的方向進(jìn)行擴(kuò)散減小，這是由于旋耕刀在耕作時，會受到機(jī)具給予的旋轉(zhuǎn)力與泥土自身的重力，由于65 Mn材料具有較好的柔韌性，所以會將受到的力較為均勻地向四周擴(kuò)散，由于刀柄較刀刃厚，所以應(yīng)力主要向刀刃處擴(kuò)散.其中，圖4(a)的應(yīng)力分布較為明顯相對集中，最大應(yīng)力為10.6 MPa，隨著旋耕刀刀身的彎曲角度變小，以及刀刃傾斜距離的增加；圖4(b)的最大應(yīng)力為0.8 MPa；圖4(c)的最大應(yīng)力0.6 MPa，且應(yīng)力的分布較圖4(a)變得更為均勻，但應(yīng)力的集中點(diǎn)由點(diǎn)塊狀變成條形狀，且處于刀柄與刀刃的連接處，此容易導(dǎo)致疲勞破壞；當(dāng)側(cè)切刃彎曲度為70°，刀刃傾斜距離為5 mm時(見圖4(d))，應(yīng)力的集中點(diǎn)大幅變小，再次變?yōu)辄c(diǎn)塊狀且比圖4(a)小些，應(yīng)力分布更加均勻.總體來看，雖然1號旋耕刀與2號旋耕刀的尺寸相差不大，但2號旋耕刀使用時所受應(yīng)力相對于1號旋耕刀減少了92.5%.

彎形旋耕刀總體位移云圖如圖5所示.

由圖5可知，彎形旋耕刀的變形程度由刀尖到刀柄方向逐漸減小，模型最大變形處位于刀尖，圖5(a)的變形位移最大為0.13 mm，隨著側(cè)切刃彎曲度的減小與刀刃傾斜距離的增加，位移變形也越來越小，圖5(d)的變形位移為0.05 mm，變形量減少了61.5%.總體來看，調(diào)節(jié)刀具相應(yīng)尺寸參數(shù)對于位移的變化并沒有多大影響，這4組旋耕刀的總體位移變化也相對不明顯.

3 結(jié) 論

本研究結(jié)合SolidWorks軟件和ANSYS軟件建立了彎形旋耕刀受力的有限元模型，通過設(shè)計4組不同尺寸參數(shù)的旋耕刀具，相互對比每組旋耕刀在與土壤相互作用過程中的應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖，并根據(jù)對應(yīng)云圖來做合理的分析，了解旋耕刀本身尺寸參數(shù)的改變對于應(yīng)力與位移的影響.計算結(jié)果顯示，彎形施耕刀的最大應(yīng)力區(qū)位于刀刃與刀柄的連接處，而應(yīng)力的分部則向刀尖方向擴(kuò)散，且位移發(fā)生變化也是從這個位置開始.當(dāng)側(cè)切刃彎曲度為80°、刀刃傾斜距離為3.5 mm時，旋耕刀所受的應(yīng)力為10.6 MPa，位移為0.13 mm；當(dāng)側(cè)切刃彎曲度和刀刃傾斜距離分別為78°、75°、70°和4 mm、4.5 mm、5 mm時，所受應(yīng)力驟降到0.8 MPa、0.6 MPa和0.4 MPa，位移則為0.1 mm、0.07 mm、0.05 mm.結(jié)果表明，側(cè)切刃彎曲度與刀刃傾斜距離對于彎形旋耕刀的受力有較大影響，隨著彎曲度的降低、厚度的增加，刀具所受到的應(yīng)力也會隨之而減少，且應(yīng)力的分布則更加均勻，但對于位移無明顯影響.

圖5彎形旋耕刀總體位移云圖