翻转式犁式挖坑机深松刀的设计与ANSYS分析

程梦昊，张　云，梁建平

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018；2.内蒙古林业科学研究院林业研究所，呼和浩特　010018)



翻转式犁式挖坑机深松刀的设计与ANSYS分析

程梦昊1，张云1，梁建平2

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018；2.内蒙古林业科学研究院林业研究所，呼和浩特010018)

摘要：针对翻转式犁式挖坑机深松刀进行了设计及ANSYS分析，首先根据资料确定出深松刀尺寸，建立了Pro/E三维模型，利用ANSYS对其进行了网格划分，最后得出了深松刀尺的应力云图，找到了深松刀易破坏的薄弱环节。结果显示：在设计深松铲时，注意刀柄与刀刃的接口处的位置，只要保证了这个位置的强度，深松刀就能正常工作。

关键词：翻转式鱼鳞坑开沟犁；深松刀；ANSYS；应力云图

0引言

为了改善我国北方干旱、半干旱地区[1]的生态环境，遏制住沙漠化扩展的势头和治理水土流失工作中的被动局面，需要有效地提高机械化集雨植被恢复技术。翻转式犁式挖坑机是林业设备上一种常用的挖坑集雨机械，在工作过程中犁体将受到较大的耕深工作阻力。为了有效地减少犁体受力，在挖坑机上安装深松刀，需要提前切出深500mm、宽400mm的沟墙，同时切断土壤中的杂草以减少犁体所受阻力和胫刃的磨损[2]。因此，本文对深松刀进行理论设计，选取合适的设计参数并利用有限元对设计计算进行强度分析，为深松刀的设计优化提供理论基础[3-5]。

1翻转式犁式挖坑机深松刀的设计

深松刀有圆犁刀和直犁刀两种形式[2]，其应用范围如表1所示。

表1　圆犁刀与直犁刀特点

翻转式犁式挖坑机主要用于林业上植树挖坑，深松刀的工作环境恶劣，耕深较大，经对比决定采用直犁刀，其结构如图1所示。

图1　直立刀平面结构图

为满足滑切要求：β≤90°-φ。

其中，β为深松刀与水平面夹角；φ为土壤与深松刀刃的摩擦角，且φ为23°～26°，故β≤64°～67°。

深松刀尖位于犁体水平面之上,其距离Δα=30～40mm，并在铧尖前20～30mm。

犁刀总长为

刃部总长为

式中H—犁梁底面相对于水平面距离；

h—横梁厚；

α—所设计的耕深；

β—水平面相对于刀刃夹角；

Δα—犁体水平面与刀尖距离；

ΔL—刃柄预留长度；

ΔL1—刀刃预留长度，取值范围为100～150mm；

文中β取67°，Δα取35mm，ΔL取180mm。h为120mm,H为1 010mm,通过已知数据带入公式可求得直立刀全长1 370mm,刃部长度为621mm。深松刀采用2个夹板及限位螺栓夹在机具的桥接板上，左右位置在犁体宽度的左侧边缘，且随犁体一起起降。深松刀在工作过程中，磨损较快。为了保证刀体具有足够的刚度和强度，选择45#钢制作深松刀，刀刃经淬火处理。实体模型如图2所示。

图2　深松刀实体模型

2深松刀切割力的测定

2.1试验时间及地点

试验时间：2014年5-6月。

试验地点：内蒙古包头市昆区。

2.2试验设备及工具

1台88.2kW轮式拖拉机、1台翻转式鱼鳞坑挖坑样机、田间机械动力学参数遥测仪(黑龙江省农业机械工程科学研究院研制，上拉杆传感器的量程-30～30kN，精度等级：0.1%；左右悬挂销传感器的量程0～30kN，精度等级：0.2%)、自行设计的左右悬挂销挂接装置、笔记本电脑1台、土壤坚实度仪(TYD-2型)、烘箱、取土铝盒、取土钻、取土环刀、小铲撬、秒表，以及电子天平1台(精度为0.01g)。

2.3试验步骤

试验主要包括以下几个步骤：

1)通过土壤坚实度仪、取土钻等工具对土壤进行坚实度的测定。

2)将上拉杆及左右悬挂销传感器与拖拉机通过三点悬挂方式进行连接。上拉杆传感器连接到拖拉机三点悬挂处的上铰接与机具的上铰接点；左右悬挂销分别一端安装在拖拉机的下拉杆上，另一端与犁体相连；然后进行数据线的连接。在软件上需编好要测哪些力的数据与通道，程序的通道号要与传感器连接无线动态数据采集器(见图3)的接口通道号保持一致。

3)让拖拉机以低Ⅱ挡匀速行驶，分别测出深松刀和深松铲总的水平牵引阻力及只有深松铲的水平牵引阻力。通过存储计算机(见图4)存储牵引阻力数值，进行后续处理与分析。田间试验如图5所示。

图3　无线动态参数遥测仪　　　　图4　存储计算机

dynamic parameters

图5　深松刀田间试验

2.4土壤坚实度测定

土壤坚实度是一个重要土壤物理特性指标，农业和林业机械进行耕、载等试验过程中，要对土壤进行坚实度的测定。土壤坚实度测定仪是常用的一种测定土壤坚实度的仪器，采用五点法取样对试验地进行测定。

2.4.1五点法取样

五点法取土示意图如图6所示。在图示试验区内，取2条对角线上的4个顶点及对角线交点作为5个取样点位进行取样或测量；每个测试点按10cm分层，取5个土壤深度等级的土壤，分别为0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm；分别计算各分层的平均值和全耕层平均值，以便测出土壤的坚实度。

图6　五点法取样示意图

2.4.2土壤坚实度结果

试验地块的土壤坚实度如表2所示。由表2可知：土层深度为0～10cm时，土壤坚实度在434N/m2左右；土层深度为10～20cm时，土壤坚实度在921.2N/m2左右；土层深度为20～30cm时，土壤坚实度在1 089.8N/m2左右；土层深度为30～40cm时，土壤坚实度在1 932.8N/m2左右；土层深度为40～45cm时，土壤坚实度在1 822.8N/m2左右。土壤坚实度现场试验如图7所示。

表 2　土壤含水率测量数据

2.5试验原理及深松刀的简化受力模型

田间机械动力学遥测仪可以对以三点悬挂为挂接方式的农机具实现力学性能的实时监测。在拖拉机匀速工作过程中，上拉杆可看作是纯二力杆结构，通过其内部的角度传感器和拉压力传感器来同时测得上拉杆所受的拉力及与相对于水平地面的角度；再通过简单换算求得上拉杆受到的水平牵引力和垂直分力；左右悬挂销传感器是利用相互平行的一对作用力产生的剪切力来测试力的大小。

试验中，上拉杆传感器及左右悬挂销传感器将测得的土壤牵引阻力通过数据线以电信号形式传递给无线动态参数遥测仪，再通过接收天线储存计算机上会显示相应的牵引阻力大小。深松刀受力简图如图8所示。

图7　土壤坚实度测定

1.下拉杆　2.上拉杆传感器　3.机架　4.深松刀

2.6深松刀切割力的计算及结果

深松刀水平牵引阻力=深松刀和深松铲总的水平牵引阻力-深松铲水平牵引阻力；牵引力=左悬挂销牵引力+右悬挂销牵引力+上拉杆水平分力；上拉杆水平分力=上拉杆拉力×cosα；α为深松刀与相对水平面的夹角，α=30°。牵引阻力曲线如图9所示。平均牵引力如表3所示。

3深松刀有限元模型的建立

将建好的深松刀Pro/E模型导入有限元分析软件ANSYS中，对其进行静应力强度分析，观察应力应变图看是否满足设计要求[2]。

深松刀的结构比较简单，利用三维绘图软件Pro/E绘制图形，去掉不必要的倒角，然后保存导入Workbench中；点击Workbench中的Engineering Data，进入材料属性界面，深沟刀的材料用的45钢。材料属性如表4所示，网格划分如图10所示，节点数目为1 460个，网格数量为655个。

图9　深松刀牵引阻力

行走路程/m行走时间/s平均速度/m·s-1平均牵引力/N总牵引力/N正程3002201.4862.33反程3002251.4848.96850

表4　材料属性

图10　深松刀网格划分图

在Workbench中，以深松铲炳作为固定约束，将测量的深松刀所受的阻力值850N施加在深松刀入土工作面，从而得出深松刀的应力位移云图，如图11和图12所示。

图11　深松刀应力图

图12　深松刀位移图

4模型求解与分析

从深松刀应力、位移图可以看出：深松刀在工作工程中整个刀体上都承受应力的作用，位移最大为2.15e-5m，发生在刀尖处；在刀柄与刀刃的接口处应力最大，最大值为1.56e6Pa，远小于材料的许用应力1.68e8，满足使用要求。但其同样存在强度太大所造成的材料浪费的问题，因此可以通过适当优化刀体尺寸以减少材料损耗，为以后做刀体优化提供了理论基础。

5结论

通过对翻转式犁式挖坑机深松刀的设计与有限元分析，获得了深松刀所受应力、位移最大的位置，分析表明：在设计深松铲时，注意刀柄与刀刃的接口处的位置，只要保证了这个位置的强度，深松刀就能正常工作。

参考文献：

[1]时永杰，杨志强.中国北方半干旱地区生态环境的退化及其防治[J].中国兽医医药杂志，2003(S1)：104-109.

[2]李宝筏.农业机械学[M].北京：中国农业出版社，2003.

[3]徐中华，王建华.有限元法分析土壤切削土壤问题研究进展[J].农业机械学报，2005(1)：134-137.

[4]初旭宏,王俊发,邱聪雨.基于ANSYS的深耕挖掘犁刀强度分析[J].佳木斯大学学报：自然科学版,2009(4):545-546.

[5]何磊,曹卫彬,李树峰.基于SolidWorks的破茬开沟犁刀的设计与强度分析[J].安徽农业科学,2011(3):1819-1821.

Design and Finite Element Analysis of Tilting and Scale-hole Deep Loosening Knife Digging Machines

Cheng Menghao1, Zhang Yun1, Liang Jianping2

(1.College of Machine and Electronics Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018,China; 2.Forestry Research Institute of Inner Mongolia Forestry Science Academy, Hohhot 010018,China)

Abstract：Based on tilting and scale-hole deep loosening earth auger knife has carried on the design and analysis of ANSYS, first determinng the deep loosening cutter size according to the data, the Pro/E 3 d model was established, using ANSYS on the grid, finally it is concluded that the deep loosening knife ruler of the stress nephogram, find the weak link in deep loosening knife is easy to damage.Results show that when designing deep loosening shovel, paying attention to the position of the handle and the blade outlet, as long as to ensure the strength of the position, deep loosening knife can work normally.

Key words：tilting and scale-hole furrow plough; deep pine knife; ANSYS; stress nephogram

文章编号：1003-188X(2016)07-0137-05

中图分类号：S222.5+2

文献标识码：A

作者简介：程梦昊(1986-)，男，河南许昌人，硕士研究生，(E-mail)651037013@qq.com。通讯作者：张云(1958-)，男，呼和浩特人，教授，(E-mail)zhangyund1958@163.com。

基金项目：国家农业资金成果转化项目(2013GB2A400067)

收稿日期：2015-06-11