灭茬深松旋耕整地联合作业机机架有限元分析及优化

河北双天机械制造有限公司 赵西哲 张瑞星 张二栓 成志霞

引言

灭茬深松旋耕整地联合作业机，一次作业即可完成灭茬、深松、旋耕、镇压多项作业，提高了生产效率，减少了资源浪费，同时避免了因多次拖拉机进地作业而造成土壤的二次压实板结。通常灭茬机阻力在11~12.8KN 之间[1,2]，单个深松铲的作业阻力在1900~2300N 在区间[3,4]，单个旋耕水平阻力平均值为87.6N，垂直阻力56.8N[5]。一台联合作业机具通常具有多个深松铲和旋耕刀，其综合作业阻力较大，这样就对机架的强度有较高的要求。传统机架的设计通常是通过类比试验和经验参考两种方式，对机架的结构设计选材一般都会造成性能过剩。而有限元法是一种在工程中常用的数学模拟分析方法，其将复杂的结构模型离散化成单独相互关联的个体，然后通过单独个体的特征和个体之间的相互作用关系，表征整体结构的变化。其优点在于可将复杂的机械问题采用数值近似和离散化的方式进行计算和分析。本文采用有限元分析法对联合作业机的机架进行了强度和形变分析，同时对其结构优化提出了相应的建议。

1 整机结构及三维模型的建立

如图1.1 所示，灭茬深松旋耕整地联合作业机主要由机架、灭茬装置、深松装置、旋耕装置和镇压装置五部分组成。机架作为以上几个部分的连接结构，主要由前后方管和钢板焊接而成。梁结构采用80mm×6mm 的方管，连接板采用厚度为16 mm 的Q355B 钢板，侧板采用厚度为10 mm 的Q355B 钢板，采用三维软件构建其三维模型，其三维模型如图1.2 所示。

图1.1 整机结构示意图

图1.2 机架三维模型

2 联合作业机机架有限元分析

2.1 单元划分

采用ANSYS WORKBENCH 模块对机架三维模型进行网格划分。利用自动网格划分法，其网格结构如图2.1 所示，其模型节点个数为75112 个，单元数为23550 个。

图2.1 机架三维网格划分模型

2.2 材料定义、载荷及边界材料的添加

按照Q355B 钢的材料属性，即弹性模量为2.06×1011 N/m2，泊松比为0.280，材料密度为7.85 g / cm3。在ANSYS WORKBENCH 中对几何网格模型的材料属性进行设置。

在网格模型上添加载荷和边界条件（图2.2），载荷分为灭茬载荷、深松载荷、旋耕载荷、镇压载荷四部分。由于镇压载荷较小可忽略不计。灭茬的水平阻力为12800N；单个深松铲的耕作阻力为2300N, 联合作业机共有4 个深松铲合计阻力为9200N；单个旋耕刀水平阻力平均值为87.6N，垂直阻力56.8N，联合作业机共有66 个旋耕刀，合计水平阻力为5781.6N，垂直阻力为3748.8N；为了模拟机架的真实工作情况，按照图1.1 灭茬、深松和旋耕的布局将力添加到机架上，并在三点悬挂处施加固定约束。

图2.2 机架载荷及边界条件添加

2.3 计算结构分析

在ANSYS WORKBENCH 中对机架三维模型进行有限元分析，其结果如图2.3、图2.4 所示。图2.3 为机架的应力云图，从图中可以看出机架应力值变化不大，其最大应力值位于布在机架三点悬挂的下侧的两个吊耳处，数值为82.902 Mpa，远小于材料的屈服极限强度355 MPa。取安全系数为1.5，最大应力远小于机架的许用应力[σ]=355 Mpa /1.5=236.667 Mpa，故机架的强度满足要求。图2.4 为机架的位移云图，机架的变形主要发生在安装深松铲的机架横梁和安装旋耕机的三点悬挂吊耳位置，其最大位移为0.554mm，该最大变形量远远小于要求的10 mm[6]，表明该结构形式下机架具有很强的抗变形能力。

图2.4 机架位移云图

图2.3 机架应力云图

3 优化措施

通过计算结果可知，应力集中和形变量主要发生在三点悬挂吊耳连接处和机架安装深松铲横梁处。故针对三点悬挂吊耳连接板可通过适当加宽其宽度和厚度、直角位置适当增加圆角过渡和增加加强筋的方式，提高吊耳连接板的稳定性；针对深松铲机架安装处可通过适当选用更大型号的型材、增加前后横梁之间的连接量和增加加强筋的方式，提高机架的强度和稳定性。

4 结论

机架为联合作业机械的主要部件，用传统田间试验方法优化并分析其结构的稳定性，其过程相对来说较为复杂和繁琐。利用计算机仿真计算技术，通过三维模型软件SOILDWORKS 建立机架的三维模型后，并利用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH 对其模型进行有限分析，可很快得出机架结构的应力和形变等参数，从而对机架进行优化分析。应用仿真参数分析的方法，可快速对其结构进行优化设计，以减少不必要的浪费，提高工作效率，简化优化设计过程。