基于ANSYS的振動式深松耕作業機的有限元分析

黃 偉，楊龍寶，楊 軍

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧530004）

基于實現農業可持續發展的需要，本文闡述了振動式深松耕作業機的工作原理。目前振動式深松耕作業機的研究大部分都是通過經驗結論而不是通過科學的計算進行的；各個零件的尺寸也都是通過類比或經驗得出，采用這種傳統的方法具有一定的盲目性和局限性。因此，我們需要引進更為先進合理的設計方法，使設計出的振動式深松耕作業機更加科學和合理，為以后振動式深耕作業機的生產和制造提供更加有效的參考[1~2]。而有限元方法就是針對上述缺陷而提出的先進有效的設計方法。本文主要利用有限元理論結合ANSYS軟件，對振動式深松耕作業機的主要零部件進行結構分析驗證其剛度和強度。此方法對提高振動式深松耕作業機的壽命、加工精度和降低成本具有重要的指導意義。

1 振動式深松耕作業機

如圖1所示,振動式深松耕作業機主要由1懸掛、5機架、7緩沖裝置、6振動部件、3深松部件、1限深輪和4中耕部件等組成，深松部件由2過載安全器及3深松鏟構成。

圖1 振動式深松耕作業機結構簡圖

深松部件置于機架中呈對稱式分布。深松鏟鏟尖為弧形狀，其橫行距離為140 cm，鏟頭為槽形狀。中耕部件配置于中間和相應深松部件的后部，與機架相連。限深輪位于機架的后側。振動部件是振動式深松耕作業機的重要組成部分，在工作中起到激勵振動的作用。其構成裝置為偏心塊齒輪結構。振動式深松耕作業機工作時，動力由主動軸輸入，經齒輪傳動的減速增扭作用下驅動從動輪轉動，從而使偏心塊周期性擺動，進而激發整個機構的振動。

2 提升機構的力學分析

該振動式深松耕作機采用三點懸掛式提升機構，其機構簡圖如圖2所示。

圖2 提升機構簡圖

其中，ABCH為三點懸掛四桿機構，AFJD為液壓四桿提升機構，K為懸掛機構的重心，B點為下懸掛點，AB桿為拖拉機下拉桿，CH為拖拉機中央拉桿，JF為液壓缸[3~4]。

對B點取距則有：

其中，

M為下拉桿右端點到中心拉桿的距離；

G為機構所受重力；

B為重心到下懸掛點的距離BK。

同樣對A點取距得：

其中：

H為下拉桿左端點到中心拉桿的距離；

T為液壓缸提升力；

N為下拉桿左端點到液壓缸桿的距離；

a為下懸掛點至下拉桿固定鉸鏈點的水平距離。

若兩種情形等效，則桿JF對AB桿的作用力也為T。以AB桿為研究對象，對A點取矩，則有

其中，Q為換算到下懸掛點的提升力，由上三式得：

3 關鍵零部件的有限元分析

3.1 深松鏟鏟柱的有限元分析

（1）設定材料特性

根據結構參數,深松鏟鏟柱的材料為45號鋼。該材料的彈性模量E=2.02×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg/（mm）3，屈服極限為σs=355 MPa。

（2）單元選擇

單元格的類型選擇SOLID92三維實體單元，此單元有十個節點，可塑性、蠕動、膨脹、應力鋼化，具有大變形和大張力的能力[5]。

（3）網格劃分

采用ANSYS中的智能劃分網格方法，精度取6級[6]。

（4）有限元模型的建立

經智能網格劃分后深松鏟鏟柱的有限元模型如圖3所示：節點的數目為6 790，單元數目為1 096。

圖3 深松鏟鏟柱的有限元模型

（5）有限元計算結果與分析

經有限元計算得深松鏟鏟柱的變形云圖如圖4所示。

圖4 深松鏟鏟柱的變形云圖

經有限元分析得：切削刀片的最大變形為0.864×10-5m，發生在鏟尖處。

經有限元計算得深松鏟鏟柱的應力云圖如圖5所示。

圖5 深松鏟鏟柱的應力云圖

經有限元分析得：切削刀片的最大應力為762.2 Mpa，發生在被固定孔和下方兩孔的兩側。

經有限元計算得深松鏟鏟柱的應變云圖如圖6所示。

圖6 深松鏟鏟柱的應變云圖

經有限元分析得：切削刀片的最大應變為0.364×10-8MPa。

3.2 深松鏟的有限元分析

在ANSYS軟件中，分別建立深松鏟鏟柱和鏟頭的有限元模型，在ANSYS中將其裝配在一起，以達到模擬真實狀態的目的。

（1）設定材料特性

根據結構參數深松鏟鏟柱和鏟頭的材料為45號鋼。該材料的彈性模量E=2.02×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg/（mm）3，屈服極限為σs=355 MPa。

（2）單元選擇

單元格的類型選擇SOLID92三維實體單元，此單元有十個節點，可塑性、蠕動、膨脹、應力鋼化，具有大變形和大張力的特點。

（3）網格劃分

采用ANSYS中的智能劃分網格方法，精度取6級。

（4）有限元模型的建立

經智能網格劃分后深松鏟的有限元模型如圖7所示。

圖7 深松鏟的有限元模型

（5）有限元計算結果與分析

經有限元計算得動刀片的應力云圖如圖8所示。

圖8 深松鏟的的變形云圖

經有限元分析得：深松鏟的的最大變形為0.935×10-5m，最大變形處發生在鏟尖處。

經有限元計算得動刀片的應力云圖如圖9所示。

圖9 深松鏟的的應力云圖

經有限元分析得：深松鏟的的最大應力為775.9 Mpa，最大應力出現在孔的周圍。

經有限元計算得動刀片的應力云圖如圖10所示。

圖10 深松鏟的的應變云圖

經有限元分析得：深松鏟的的最大應變為0.347×10-8MPa，最大應變發生在孔的周圍。

4 結束語

（1）通過上述的有限元分析，振動式深松耕作業機的主要零件最大應力遠遠小于材料的許用應力，滿足強度條件。

（2）通過上述的有限元分析，振動式深松耕作業機的主要零件滿足剛度要求。

[1]王維忠，李明金.機械化深松整地技術初探[J].農業裝備技術，2006，32(6):14-15.

[2]王瑞麗，李寶筏，邱立春.1ZS-2型振動深松機的研究設計[J].農機化究，2004(5):134-135.

[3]哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學（I）[M]：第六版.北京：高等教育出版社，2002.

[4]濮良貴，紀名剛.機械設計[M]：第八版.北京：高等教育出版社，2005.

[5]張朝暉.ANSYS11.0結構分析工程應用實例解析：第二版[M].北京：機械工業出版社，2008.

[6]宋天霞.有限元理論及應用基礎教[M].武漢:華中工學院出版社，1987.