烟苗井窖式移栽成穴机关键部件静力与模态分析

贺方云，蒋光兵，王茂贤，冯小芽* ，邓 莹，饶兴义，刘明宏，冯厚平，丁 飞

(1.遵义市烟草公司，贵州遵义563100;2.西南大学工程技术学院，重庆400715)

移栽是烟草生产的重要环节，移栽的时间和质量，影响到烟草的成活、全苗和大田的生长发育，更重要的是移栽的时间影响到烟草生育阶段对自然资源条件的合理利用，故移栽对烟草的产量和品质影响很大［1－3］。

烤烟井窖式移栽技术是贵州省松桃县烟草分公司烟叶生产技术人员在发现“牛脚窝现象”的基础上，由铜仁市烟草公司组织研究出的一项具有自主知识产权的烤烟移栽新技术。该技术是将未达到要求的小苗植入一定规格的井窖内，利用井窖的相对保湿作用，促使烟苗早生快发中期稳长健长、叶片开张度好，后期分层落黄不早衰，成为烟农“新宠”，并在多地获得广泛应用。

打孔成穴是烤烟井窖式移栽技术的关键性技术，其成穴质量不仅对小苗的成活率和后期的生长有重要的影响，而且打孔成穴的用工量较多。传统的打孔成穴方式效率低劳动强度大，因此，为了提高打孔成穴质量和效率，贵州省遵义市烟草公司与遵义永欣科技联合研发了烟苗井窖式移栽成穴机。该成穴机采用人力背负式汽油机提供动力，软轴传递动力，锥形钻头打孔的模式，只需要一个人就可以较轻松地完成打孔工作。用户在打孔时，将背负式汽油机背在双肩上，左右手分别握着前后把手，按动油门把手，锥形钻头即高速旋转，钻入土壤成穴。其中土壤对成穴装置和套管都有不小的反作用力，如果成穴装置和套管的强度不足以满足要求，那么有可能会造成整个装置受力变形过大而遭到破坏。此外，由于工作时，汽油机会产生较大的振动，成穴装置处于高速旋转状态，如果结构设计不当，可能会导致与成穴装置发生共振。因此有必要对成穴装置的自然频率进行分析，从而对结构进行优化，避免共振的发生。

1 成穴装置受力分析

图1为该烟苗井窖式移栽成穴机的成穴装置的受力分析图。在成穴装置成穴时，所受土壤外力主要由钻尖所受力矩M尖和钻体所受力矩M锥，此外椎体部分还受到了土壤向上的阻力F组成。根据钻头入土深度理论推算［4］

式中:q1－系数，对于松软土壤，取值q1=1 618 N/m;

k1－系数，对于松软土壤，取值k1=39 240 N/m2;

S－钻头的每转进给量，取值S=0.003 6;

D1－钻尖的回转直径，D1=0.035 m。

代入(1)式得M尖=(161+3 924×0.003 6)×0.0352=0.214 5 N/m

式中:F—正压力，在一般的作业过程中，人对成穴装置的压力可以取值F=50N;

∂－锥角，取值120°;

γ－圆柱直径，γ=0.1 m;

f－钻柱与土壤之间的摩擦系数，取值f=0.5。

2 套管与成穴装置形变与应力分析

2.1 Proe三维建模 利用Proe建模软件［5］所做的套管和成穴装置三维实体模型如图2所示。该机构主要由成穴装置1、套管2、前手把3、后手把4等组成。后把手处安装有停止按钮、油门把手及限位把手，套管为中空管，里面安装有软轴。工作时，用户左手握着前把手，右手握着后把手，握下油门把手，将成穴装置对准需要打孔的地方，左手稍微用力按下套管，待打孔完毕后提起成穴装置，成穴完成。

2.2 ANSY模型建立 由于ANSYS本身的建模功能比较弱［6－8］，故采用在PROE中建立模型生成parasolid格式文件后导入ANSYS的方法，导入后的模型如图3所示。为了简化模型减少计算量，在不影响结果的前提下将前后手把去除。选用20node 186作为单元类型，solid186是一种高阶3维20节点，每个节点具有3个沿xyz方向的移动自由度的实体单元。其中套管采用铝合金材料，成穴装置采用合金钢，材料属性如表1所式。

划分网格时设置最大单元尺寸为5 mm，采用智能自由网格划分。由于该模型为装配体文件，故而在划分网格之后还需要定义套管和成穴装置的面与面的接触，接触定义采用ANSYS前处理中的接触向导完成。施加载荷时，在后手把处将移动自由度DOF设置为0，在前手把处施加50 N的向下的压力模拟用户对于套管的压力。在成穴装置椎体部分施加向上的挤压力50 N。加载后的ANSYS模型如图4所示。

表1 材料属性值

2.3 形变及应力结果与分析 在分析计算处理模块中开始解算。通过在通用后处理器中查看装置的形变和应力云图(图5和6)。从计算结果看，最大形变点位于钻尖处，最大的应力点位于套管上端，符合实际情况。装置的最大变形量为0.028 mm，最大应力值为15.7 MPa，变形量较小，最大应力值小于材料的极限强度，完全可以满足要求，整个强度存在一定的富裕，必要时，可以通过进一步优化结构降低成本。

3 模态分析

3.1 ANSYS模型建立 同样通过在Proe中生成parasolid格式中间文件的方法在ANSYS中建立成穴装置的三维模型。由于该成穴装置在实际工作过程中高速旋转，工作时易受到离心力的影响，其固有频率跟静止时相比会有一定的变化。为此，在进行模态分析时需要考虑离心力的影响，对部件进行有预应力的结构的ANSYS模态分析。选取Brick 8 node 185作为单元类型，solid 185是8节点，具有UX，UY，UZ 3个移动自由度的三维实体单元。划分网格采用默认划分方式，大小采用默认大小，划分网格后的ANSYS后的模型如图7所示。加载时只约束UX、UY、UZ及VELX、VELY等5个方向的自由度。在钻体椎体Z轴正方向施加97.43N的压力，在Z轴旋转方向施加6 000 r/min的转速。为在钻体圆柱面和圆锥面上施加切向力，将ANSYS中的工作坐标先按照Y方向旋转90度，然后将当前工作坐标系设为柱坐标，这样在Y轴方向施加的力就是圆柱和圆锥的切向力，切向力共为22.9N。施加完载荷后的成穴装置ANSYS模型如图8所示。

3.2 模态结果与分析 首先，在求解类型里面选择静力分析，勾选预应力选项。静力分析解算完成后，需要重新在分析类型内选择“Modal”模态分析选项。设定模态分析方法中选择Block Lanczos，设定提取阶数为10，并勾选Incl prestress effects预应力效应选项，这样在进行模态分析时，将把静态分析的计算结果考虑进去。

经过模态分析后，得出的前10阶固有频率值如图9所示。限于篇幅，这里只给出前2阶模态振型图(图10)。

由ANSYS求解出来的第一阶成穴装置固有频率值为14 336 HZ，其余各阶都依次增大，为后续实际生产实践提供参考。由于实际工作时汽油机振动相对较大，所以特别是在设计汽油机背包座和套管的时候应该同样考虑其固有频率，以避免共振的发生。

4 结论

对成穴装置的成穴过程中所受到的土壤反力进行了分析，计算出了成穴装置所受力和力矩的大小。

利用有限元软件ANSYS对套管和成穴装置进行了形变和应力分析，得出最大形变和应力点分别集中于成穴装置钻尖和套管上端，最大行变量为0.028 mm，最大应力为15.7 MPa，能够满足工作要求。

利用有限元软件ANSYS对于高速运动部件成穴装置进行带有预应力的模态分析，得出了前10阶频率值，为后面设计汽油背包座和套管提供参考和依据，避免共振。

［1］许灵杰，杜相革，翟欣，等.不同栽培方式对威宁县烤烟生长与效益的影响［J］.安徽农业科学，2013，41(20):8488 －8490，8528.

［2］罗会斌，龙鹏臻，马键，等.烤烟井窖式小苗移栽技术研究与应用［J］.贵州农业科学，2012，40(8):101 －107.

［3］陈代明，曾宪立，沈铮.谈烤烟井窖式移栽的推广应用［J］.重庆与世界，2012，29(11):67 －68.

［4］赵忠松.挖坑机钻头有限元分析和悬挂机构运动分析［D］.杨凌:西北农林科技大学，2010.

［5］钟日铭等.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 从入门到精通［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［6］康渊，陈信吉.ANSYS 入门［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［7］邓平凡.ANSYS12有限元分析自学手册［M］.北京:人民邮电出版社，2011.

［8］胡任喜.ANSYS14.0机械与结构与结构有限元分析从入门到精通［M］.北京:机械工业出版社，2013.