基于過載保護原理的深松裝置設計及有限元分析

祝清震，黃玉祥，2

(1. 西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省農業裝備工程研究中心，陜西 楊凌 712100)

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基于過載保護原理的深松裝置設計及有限元分析

祝清震1，黃玉祥1，2

(1. 西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省農業裝備工程研究中心，陜西 楊凌 712100)

為防止堅硬的犁底層對深松鏟尖和鏟柄的過載破壞，在研究過載保護裝置工作原理的基礎上，設計了一種具有過載保護功能的深松裝置，并對其關鍵部件安全銷的選型方法進行了研究和有限元校核驗證。通過研究深松裝置在正常載荷和超載荷兩種不同狀態下的受力，對其關鍵部件安全銷的直徑尺寸和材料選型方法進行了闡述，并利用ANSYS Workbench軟件對選用材料為45碳素鋼、直徑為20mm安全銷的過載保護深松裝置，進行穩定工作和超載荷工作兩種狀況下的靜力學分析。結果顯示：在超載荷狀態下，過載保護裝置的安全銷最大應力為538.47MPa，遠大于45碳素鋼的屈服強度355MPa。這表明，過載保護裝置設計合理，能夠起到過載保護作用。該研究可以為深松鏟的過載保護設計提供依據。

深松鏟；過載保護；有限元分析

0 引言

深松可以改善耕層土壤結構，活化犁底層，提高土壤的蓄水保墑能力和增加農作物的產量，是一種先進的耕作模式[1-3]。深松作業工況復雜，堅硬的犁底層，容易造成鏟尖或鏟柄折斷和變形，影響深松作業效果和降低深松作業效率。目前，國內外學者采用改善深松鏟尖材料參數和鏟柄結構參數的方法，提高鏟尖和鏟柄的抗破壞能力[4-6]。Shmulevich I等應用離散元法，分析了深松鏟柄的刃角對深松鏟通過性的影響[7]；胡軍等采用等離子堆焊技術對深松鏟尖表面制備碳化鉻晶粒-碳鉻鐵涂層，使鏟尖平均硬度提高5～10倍[8]；張金波等對鏟尖表面進行仿生肋條結構設計，可以有效增加鏟尖的耐磨性能[9]；王彬等研究了鑿型鏟刀的入土角度和鏟柄的形狀曲線對深松機具的入土性能和深松作業阻力的影響[10]。

目前，國內學者已經將過載保護裝置應用于深松鏟保護中，取得了良好的防護效果[11-13]。例如，趙金和張晉國采用在深松鏟柄上前端設置安全銷的方案，對深松鏟起到了良好的過載保護作用[14]。過載保護裝置的安全銷具有更換性方便、成本低等特點[15]，對工況條件差的深松機具加裝過載保護裝置是非常必要且可行的。然而，對于安全銷選型標準和校核方面的研究欠缺，研究人員大多根據已有的實踐經驗，選型安全銷，往往缺少選型依據和校核。為防止堅硬的犁底層對深松鏟尖和鏟柄的過載破壞，本文設計了一種具有過載保護功能的深松裝置，對關鍵部件安全銷的選型標準進行了研究，并利用有限元軟件對過載保護裝置進行靜力學分析研究，旨在為深松鏟過載保護的設計提供依據。

1 過載保護原理及裝置設計

1.1 過載保護工作原理

在深松作業過程中，鏟尖和鏟柄主要與堅硬的犁底層接觸，一旦犁底層中包含大的石塊、樹木粗壯根系時，深松鏟瞬間承受的沖擊載荷可以達到正常工作的3倍左右[15]，極易造成鏟尖崩斷、彎曲或鏟柄扭曲的危險狀況。圖1為過載作業損壞的深松鏟。

過載保護功能深松裝置的關鍵部件是安全銷，當深松作業阻力較大時，安全銷被絞斷，起到保護深松鏟尖和鏟柄的作用。過載保護深松裝置的安全銷必須滿足2個條件：①深松鏟平穩作業過程中，安全銷的強度滿足不被鏟柄絞斷的要求；②深松鏟超載作業時，安全銷能夠首先被鏟柄絞斷，避免鏟尖和鏟柄被破壞。

圖1 過載損壞的深松鏟

所以，當深松機構平穩作業時，過載保護裝置的安全銷可以承受的剪切力F2必須滿足下式，即

(1)

其中，F1為深松鏟平穩作業承受的阻力(N)；d1為載荷F1對過載保護裝置中心軸的矢距(mm)；d2為載荷F2對過載保護裝置中心軸的矢距(mm)。

當深松鏟超載作業時，過載保護裝置的安全銷可承受最大剪切力F2必須滿足下式，即

(2)

其中，F3為深松鏟超載作業承受的阻力(N)；d3為載荷F3對過載保護裝置中心軸的矢距(mm)。綜上所述，過載保護裝置的安全銷最大剪切力F2必須滿足下式，即

(3)

1.2 結構設計

根據過載保護裝置的工作原理，本文設計了一種具有過載保護功能的深松鏟裝置，如圖2所示。該裝置主要由鏟座、六角頭螺栓、安全銷、鏟柄和鏟尖等組成。鏟座前端面可固定于深松機架，后端兩個夾板通過六角頭螺栓和安全銷固定鏟柄，鏟尖通過螺栓、螺母等固定于鏟柄下端，整個過載保護深松裝置可以隨深松機架進行深松作業。其中，鏟柄為仿制《深松鏟和深松鏟柄(JB/T9788-1999)》所規定的圓弧形中型深松鏟柄，鏟柄刃角為60°，厚度為30mm；鏟尖為《深松鏟和深松鏟柄(JB/T9788-1999)》所規定的鑿形深松鏟，長165mm，寬40mm，厚10mm；螺栓選用《六角頭螺栓(GB/T 5782-2000)》規定的M24×100六角頭螺栓。圖2(b)中，H為裝置的高度(mm)；R為鏟柄刃的曲率半徑(mm)；b1為裝置上端寬度(mm)；b2為裝置下端寬度(mm)；h1為鏟尖距離六角螺栓心軸的垂直距離(mm)；h2為安全銷中心軸距離六角螺栓心軸的距離(mm)。

1．鏟座 2.六角頭螺栓 3. 安全銷 4. 鏟柄 5. 鏟尖

1.3 安全銷設計

深松鏟在穩定工作過程中，一般承受載荷約為2～5kN[16-18]，這里取單鏟深松作業最大阻力F1=5kN。

參照機械設計對軸切應力校核公式[15]，可得安全銷的切應力τ滿足下式，即

(4)

其中，r為安全銷的直徑(mm)。

[τ]為安全銷加工材料的極限切應力，當τ<[τ]時，安全銷不可以被破壞；當τ>[τ]時，安全銷被破壞。安全銷的切應力[τ]與許用拉壓應力[σ]的關系為

(5)

本文取[τ]=0.7[σ]。

所以，當深松鏟穩定作業過程中，安全銷直徑設計尺寸應該滿足下式，即

(6)

當深松鏟超載作業時，安全銷直徑設計尺寸應該滿足下式，即

(7)

深松作業過程滿足重度沖擊工況，根據機械設計(第6版)，超載荷深松作業阻力與穩定深松作業阻力關系滿足下式，即

F3=K·F1

(8)

其中，K為超載系數，本文取K=3。

綜上，安全銷的直徑設計直徑應滿足的關系式為

(9)

不同安全銷的加工材料對其抗拉強度具有重要影響[19]。安全銷的材料可以選擇的種類繁多，如35、45、50優質碳素鋼，T8A、T10A優質工具鋼或Y12易切鋼[15]。一般在農業機具的過載保護設計過程中，安全銷的材料以抗拉強度適中的 35、45 碳素鋼為宜。本文結合深松鏟的工況狀態，選擇安全銷的加工材料為45碳素鋼。

已知45碳素鋼的抗拉強度[σ]=600MPa，并參考《圓柱銷(GB119-86)》標準，本文設計安全銷的直徑r=20mm。

圖3為安全銷的工程圖。其中，安全銷總長度93mm，安全銷兩端為直徑16mm螺柱，長度為15mm，可以用螺母對安全銷進行緊固，防止安全銷脫落。

2 過載保護深松鏟裝置靜力學分析

ANSYS Workbench 作為一個整合了ANSYS 現有的各種應用的框架平臺，具有強大的后處理功能，可以準確、直觀地得到模型各部位的應力、應變分布情況[20]。本文選擇ANSYS Workbench 對所設計的過載保護深松裝置做靜力學分析，主要檢驗裝置的安全銷參數設計是否合理和材料選型是否恰當。通過分析正常載荷下，過載保護深松裝置的最大應力值是否小于其材料的屈服強度；在超載荷下，裝置中安全銷的最大應力值是否大于所選材料的屈服強度。

圖3 安全銷工程圖

2.1 有限元仿真前處理

ANSYS Workbench平臺中的DesignModeler組件可以和Siemens NX三維軟件兼容，并可以協同建模，能夠實現幾何模型的無縫傳遞[21]。本文設計的過載保護深松裝置為復雜的三維實體模型，因而采用Siemens NX三維軟件建立裝置的三維模型，通過嵌入接口將模型直接導入ANSYS Workbench中，并連接結構靜力分析模塊Static Structural。具有過載保護功能的深松裝置三維簡化模型如圖4所示。

圖4 有限元結構靜力學模型

根據《深松鏟與深松鏟柄(JB/T9788-1999)》對深松鏟和鏟柄的技術要求，本文深松鏟尖模型的材料采用GB/T711規定的65Mn鋼，深松鏟柄模型的材料采用不低于GB/T700規定的Q275鋼，鏟座、螺栓模型的材料采用GB/T 699規定的45鋼。3種鋼材的力學性能如表1所示。

表1 65Mn、Q275和45鋼的力學性能表

在模型接觸方面，ANSYS Workbench平臺中提供了綁定、不分離、無摩擦接觸、粗糙接觸和有摩擦接觸5種類型。前兩者是線性接觸，后三者是非線性接觸，且接觸類型為綁定時，不允許面或線間有相對滑動或分離[22]。本文根據深松鏟過載保護裝置的實際裝配方式，設置鏟尖與鏟柄、安全銷與鏟座、安全銷與鏟柄、螺栓與鏟柄和螺栓與鏟座的接觸方式為綁定接觸。

有限元模型的網格質量決定了有限元分析的計算精度和準確性，在ANSYS Workbench平臺的網格劃分模塊為應用者提供了多種網格劃分的方法。對于深松鏟過載保護裝置的結構模型，本文選用自動劃分網格方式，該方法可基于幾何模型的復雜性自動生成相應的網格類型。對于深松過載保護裝置模型，屬性窗口中設置相關性 relevance 為100，關聯中心Relevance Center為Medium，網格大小Element Size為5mm，平滑度Smoothing為Medium，過渡Transition為Fast。經過網格劃分后模型共生成18 396個節點和9 601個單元。網格劃分后模型如圖5所示。

圖5 網格劃分模型

過載保護深松裝置在深松作業過程中，鏟座前端固定在機架上，鏟尖與鏟柄作用于土壤。本文對鏟座前端面添加固定約束，限制該端面的6個自由度，對整體坐標添加重力加速度Standard Earth Gravity，值為-9 806.6mm/s2，深松鏟穩定作業狀態，對深松鏟尖上端面設置等效載荷Remote Force，其值為5kN；深松超載作業時，對鏟尖上端面設置等效載荷值15kN。約束與載荷施加方式如圖6所示。

圖6 施加載荷模型

2.2 有限元結果分析

結構靜力分析模塊Static Structural的Solution可以提供包括全位移( Total Deformation)、等效彈性應變( Equivalent Elastic Strain)、等效應力(Equivalent Stress)等方面的分析，本文主要選擇對兩種深松狀態下的深松裝置各部件的等效應力結果進行分析。由于深松過載保護裝置的各零件的材料屬性不同，需對各部件單獨分析。圖7為穩定深松作業狀態下的各部件的等效應力云圖，圖8為超載深松作業狀態下鏟座、螺栓和安全銷的局部等效應力云圖。

由圖7(a)可知：鏟座、螺栓、安全銷的最大應力值為179.86MPa，45號碳素鋼材料的屈服強度為355MPa，能夠滿足穩定工作要求。由圖7(b)可知：鏟尖的最大應力值為193.66MPa，65Mn鋼材料的屈服強度為430MPa，可以滿足不被破壞要求。由圖7(c)可知：鏟柄的最大應力值為269.18MPa，Q275鋼材料的屈服強度為275MPa，同樣可以滿足不被破壞的要求。由圖7可知：在穩定深松作業過程中，過載保護裝置可以正常工作，不會發生安全銷被絞斷的狀況。

圖7 正常深松作業狀態下的等效應力云圖

圖8 過載深松作業狀態下的等效應力云圖

由圖8可知：鏟座、螺栓和安全銷在超載深松作業狀態中，最大應力值為538.47MPa，位于安全銷與鏟座連接處。該值遠大于安全銷材料45號碳素鋼的屈服強度355MPa，說明此時安全銷已經破壞，能夠起到過載保護作用。

綜合分析過載保護深松裝置在穩定深松和超載荷深松兩種工作狀態下的應力值與加工材料的屈服強度，說明選擇安全銷加工材料為45號碳素鋼，直徑為20mm，能夠滿足設計要求。

3 結論

1)分析了深松過載保護裝置的工作原理，在此基礎上設計了一種具有過載保護功能深松裝置。對其關鍵部件安全銷的設計與選型進行了重點分析，確定安全銷的設計直徑為20mm，加工材料為45碳素鋼，兩端為直徑為16mm的螺桿，可以用螺母緊固。

2)采用ANSYS Workbench軟件，對所選的45碳素鋼和直徑為20mm安全銷的過載保護深松裝置進行結構靜力分析，在穩定深松作業和超載荷作業狀態下，分析模型的應力分布狀況，說明安全銷尺寸設計合理，材料選擇合適，能夠起到過載保護作用，滿足深松作業的要求。

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Subsoiling Device Design and Finite Element Analysis Based on the Principle of Overload

Zhu Qingzhen1, Huang Yuxiang1,2

(1.College of Mechanical and Electric Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. Shaanxi Engineering Research center for Agricultural Equipment, Yangling 712100, China)

To prevent overload damage of the hard plow pan for Subsoiler tip and Shanks, designed a subsoiling device with overload protection function on the basis of research overload protection device operating principle, and its key components of the safety pin selection method were studied and finite element validation check. In this paper, by studying the subsoiling device under normal load and super load two different states of stress, it expounded its key components of the safety pin's diameter and material selection methods, and for the selection of materials of the 45 carbon steel with a diameter of 20mm safety pin overload protection subsoiling device using ANSYS Workbench software for statics analysis under two conditions of stability and ultra-load work. The results showed that the overload protection device of safety pin maximum stress is 538.47MPa in the ultra-load state, which is much larger than the 45 carbon steel yield strength 355MPa. It is also shows that the overload protection device designed reasonable, and can play the role of overload protection. The study can provide the basis for the overload protection design of the Subsoiler.

subsoiler; overload protection; finite element analysis

2016-06-19

陜西省科技攻關項目(2013K02-11)；楊凌示范區科技計劃項目(2014NY-29)；西北農林科技大學重點項目(Z101021501)

祝清震(1989-)，男，山東菏澤人，碩士研究生,(E-mail)zhenforyou@163.com。

黃玉祥(1980-)，男，寧夏中寧人，副教授，博士,(E-mail)hyx@nwsuaf.edu.cn。

S222.12+9

A

1003-188X(2017)08-0032-06