基于ANSYS的果園避障旋耕機旋耕刀片有限元分析

李文春+王斌+劉曉麗

摘要：對果園避障旋耕機旋耕刀片特殊工況下（機組前進作業時機架附加橫向運動）的受力狀況進行了理論分析與計算，獲得了單刀受力的數學模型。運用SolidWorks軟件建立了旱地用C型旋耕刀實體模型，基于ANSYS Workbench分別對旋耕左刀和右刀進行了正常工況與避障作業2種情況下的應力、應變與變形仿真分析。仿真結果表明，避障動作改變了旋耕刀的受力狀況，但對旋耕刀片最大應力、應變、變形的位置沒有產生影響。仿真結果為分析特殊工況下旋耕刀失效形式、安全性能提供了方法，也為研究設計新型旋耕刀片提供了理論依據。

關鍵詞：果園避障旋耕機；C型旋耕刀；ANSYS Workbench；有限元分析

中圖分類號：S222.3 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2017）01-0193-04

旋耕機具有很強的切土、碎土能力，耕后地表平整、松碎，又不會破壞深層土壤結構，與目前推行的免耕、少耕的保護性耕作模式相適應，發展迅速，是運用最廣泛的中耕作業機械。但普通旋耕機果園作業時，受耕作對象的局限會在株距之間形成一條非耕作區，需要人工進行株間除草松土等二次作業[1]。為了使工作部件能夠自動伸入株間進行松土除草作業，筆者設計了一種液壓式果園避障旋耕機。該旋耕機機架右前方設置有一個感應觸桿，作業時觸桿首先碰觸到果樹，進而控制機架上液壓缸動作，液壓缸伸出帶動旋耕機架橫向退回，完成避障動作[2-3]。

旋耕刀輥是果園避障旋耕機的主要工作部件，也是旋耕作業中承受載荷最大的工作部件。通常情況下，由于旋耕作業時，機具只進行等幅寬作業，刀輥沿刀軸方向的受力很小，在分析刀片受力時只側重考慮垂直方向的受力[4-7]；但果園避障旋耕機旋耕作業時，遇到果樹能夠自動避障，旋耕刀輥在垂直于機組前進方向有明顯的橫向運動，因此，軸向受力不能忽略。在果園避障旋耕機具有橫向避讓動作的工況下，對旋耕刀片進行有限元分析可以計算刀片的結構剛度、靜應力等靜態參數，有利于分析旋耕刀的失效形式、失效位置，驗證旋耕刀片的安全性能，改善旋耕刀的設計參數，為研究設計新型旋耕刀提供理論依據。

1 果園避障旋耕機旋耕刀片受力分析

果園避障旋耕機避障作業時，刀輥受到的阻力來源于各組刀片阻力的合成，旋耕刀單刀的工作受力情況如圖1所示。旋耕刀切削過程中，刀具和土壤之間的相互作用大致可分為3個部分：切削面ABE產生的切削阻力及克服側切削刃與待切削土壤之間的摩擦力、切削面AEFD產生的土壤剪切阻力和刀具前刃切削中土壤金屬的摩擦力、刀盤沿軸向移動時刀片與土壤間摩擦力及已切土壤與未切土壤之間的摩擦阻力和黏結阻力等。

上述阻力中的前兩部分即為普通旋耕刀切削土壤時的切削阻力，第三部分為果園避障旋耕機避障作業時受到的軸向附加阻力，為了計算方便，把兩部分力分開計算，即總阻力為：

Ff=Fxy+Fz。

式中：Fxy=Fqianyin=Zbnh0k0，Z為刀盤數，bn為單體刀寬，h0為設計耕深，k0為土壤旋耕比阻[8]；Fz=（1+a）（μ1m1g+μ2m2g），μ1為旋耕刀與土壤的摩擦系數，m1為機架總質量，μ2為土壤的內摩擦系數，m2為刀輥推動土壤的質量，a為考慮已切土壤與未切土壤之間黏聚力賦予的阻力系數。

設計中有：Z=7，b=23 cm，h0=16 cm，k0=9.645 N/cm2，μ1=0.6，μ2=0.75，m1=300 kg，m2=100 kg，a取0.5，帶入各數據得旋耕刀單刀切土阻力Fxy=1 218 N，Fz=182 N。

2 旋耕刀片實體建模

新疆南疆果園土壤多為沙質土壤，耕作比阻小，由于C型旋耕刀兼具直角刀剛性好、碎土能力強和彎刀不易纏草的特點，適宜旱地作業。同時，使用C型旋耕刀耕作時土壤有明顯的分層和流動現象，土壤圍繞旋轉軸從刀片凹面的前部和后部翻出形成運動流，兼具埋草效果[9]。因此，適用于新疆南疆果園土壤耕作。

在建模過程中，考慮C型旋耕刀結構復雜，ANSYS軟件的建模能力相對較弱，但提供了豐富的數據接口程序，使得在其他3D軟件中建立模型后導入ANSYS變得簡單方便。因此，本研究選擇在SolidWorks軟件中進行三維建模，再通過SolidWorks和ANSYS的數據接口，解決ANSYS建模困難的問題。具體實施方法如下：（1）建立SolidWorks與ANSYS的軟件關聯；（2）采用描點法測繪C型旋耕刀結構參數，運用SolidWorks軟件繪制旋耕刀草圖，并通過拉伸、彎曲、切除等命令建立C型旋耕刀片實體模型；（3）從SolidWorks主面板菜單中打開ANSYS Workbench16.0，則ANSYS Workbench 16.0共享獲得C型旋耕刀模型（圖2）。

3 旋耕刀片有限元分析

有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是指利用數學近似的方法模擬真實物理系統中的幾何約束和載荷工況，進而用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統分析方法。現階段應用最廣泛的有限元分析軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，能與市場上大多數計算機輔助設計（computer-aided design，CAD）軟件接口通信，實現數據共享和交換，已廣泛應用于結構力學、流體力學、熱力學、聲學、電磁學、電路學、化學化工反應等領域[10]。

3.1 材料設置與網格劃分

旋耕刀是旋耕機工作時直接與土壤相互作用的部件，通過高速旋轉和前進運動，將土壤切碎、拋出，為易損件。旋耕刀的材料要求硬度高、耐磨、韌性好，工業上常選取60 Si2Mn材料并進行熱處理作為旋耕刀的原料[11]。其參數見表1。

旋耕刀的單元劃分采用ANSYS Workbench自帶的智能網格劃分，該方法可以根據模型的幾何關系，自動將網格劃分得稀疏得當。單元尺寸控制在0.005 m，劃分好的旋耕刀網格如圖3所示。

3.2 約束與載荷施加

由前述分析可知，旋耕刀在整機避障時受力情況為：在受正常作業切削阻力的同時受到軸向阻力，因此在旋耕刀正切刃和側切刃上施加垂直于刃口方向的1 218 N的力，在旋耕刀面沿刀軸方向施加182 N的力（圖4）。旋耕刀通過安裝孔固定在刀盤上，因此在模型安裝孔的位置施加固定約束。

3.3 求解與分析

添加總變形、應力和應變分析項目進行求解，求解結果見圖5。

應力云圖結果如圖5所示：果園避障旋耕機正常作業時左刀最大等效應力為88.60 MPa，右刀最大等效應力為 87.75 MPa；避障作業時，左刀最大等效應力為114.14 MPa，右刀最大等效應力為108.14 MPa，均遠遠小于材料屈服強度值， 說明旋耕刀的結構仍然存在很大的優化空間。最大應力點所在位置為遠離切土點的安裝孔位置和刀盤與刀接觸位置，即刀與刀盤連接處會產生較大應力集中，與實際工作中刀盤的斷裂形式相吻合，驗證了仿真模型的準確性。應力最小值位于旋耕刀正切部。避障動作對左右刀片應力值影響不同是因為避障時2個刀片所受到土壤給與的軸向力受力面不同且方向相反。

應變云圖結果如圖6所示：果園避障旋耕機正常作業和避障作業時，旋耕刀最大應變和最小應變位置均與相同工況下最大最小應力位置相同，正常作業時左刀最大應變為 6.44×10-4 m/m，右刀最大應變為4.26×10-4 m/m；避障作業時左刀最大應變為8.79×10-4 m/m，右刀最大應變為5.26×10-4 m/m，均在旋耕刀與刀盤連接處，說明此處承受載荷較大。

變形云圖結果如圖7所示：果園避障旋耕機正常作業和避障作業時，旋耕刀最大變形位置均在旋耕刀刀尖處，說明作業中刀尖處剛度表現最差。正常作業時左刀最大變形量為0.346 mm，右刀最大變形量為0.508 mm；避障作業時左刀最大變形量為0.359 mm，右刀最大變形量為0.543 mm，在剛度允許范圍內。

4 結論

以果園避障旋耕機C型旋耕刀為研究對象，分析了旋耕機避障作業時旋耕刀片的受力狀況，運用SolidWorks軟件建立了旋耕刀的三維模型，基于ANSYS Workbench有限元分析軟件對旋耕刀片在正常工況和避障作業工況下分別進行了應力、應變和變形分析。分析結果表明：果園避障旋耕機正常工況下和避障作業時，旋耕刀片的最大應力和應變區域均在刀片與刀盤連接處，與實際工作過程中旋耕刀斷裂處一致，表明該處為旋耕刀在工作過程中最薄弱的環節；旋耕刀片總變形最大處均在旋耕刀的正切部，表明旋耕刀正切部剛度最差，應采用工藝手段加強處理；由于避障作業時旋耕刀輥是沿刀軸方向向左回縮，左刀正面受力，右刀背面受力，因此該工況對左刀片應力、應變的影響大于右刀片，變形的影響小于右刀片，以此推斷當避障作業結束后刀輥橫向向右伸出時，工況對右刀片應力、應變的影響大于左刀片，變形的影響小于左刀片，這在后續仿真中得到了證實。

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