基于ADAMS旋耕刀工作參數優化及ANSYS仿真分析

陳雪+張周+黃化剛+符德龍+張富貴+吳雪梅

摘要 為達到旋耕刀最佳工作狀態，并對該狀態下旋耕刀進行設計及校核驗證，以復式作業機械為平臺，對旋耕刀尺寸參數進行設計，確定旋耕刀外形尺寸參數為彎刀R240。采用UG三維軟件結合設計尺寸參數建立旋耕刀三維模型，將模型導入ADAMS仿真軟件進行運動學分析，得到旋耕刀最佳轉速為ω=5 r/s，機組最佳前進速度為V=1.537 8 m/s。根據旋耕刀工作參數計算出旋耕刀工作載荷F=448.56 N，采用ANSYS軟件在工作載荷的作用下分析校核旋耕刀。結果表明，刀尖變形量最大，為0.249 mm，刀柄所受的應力最大，為48.65 MPa，遠小于許用應力300 MPa，滿足工作要求。本研究為復式作業機械的旋耕部件改進設計提供了參考依據。

關鍵詞 復式作業機械；旋耕刀；ADAMS；參數優化；運動學；有限元分析

中圖分類號 S222.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）02-0167-04

Optimization of Rotary Blade Working Parameters Based on ADAMS and ANSYS Simulation Analysis

CHEN Xue 1 ZHANG Zhou 2 HUANG Hua-gang 1 FU De-long 1 ZHANG Fu-gui 2 WU Xue-Mei 2

（1 Bijie Branch of Guizhou Provincial Tobacco Corporation，Bijie Guizhou 551700； 2 College of Mechanical Engineering，Guizhou University）

Abstract In order to achieve the best working condition of rotary blade，check and verify the rotary blade under the condition，the dimension parameters were designed for rotary blade of compound machine in this paper，and it was concluded that the boundary dimension of rotary blade was bent blade R240.On the basis of UG three-dimensional software and designed dimension parameters，a three-dimensional model of rotary blade was established and imported into ADMAS simulation software for kinematics analysis.It was concluded that the optimal rotation rate and the optimal advancing velocity were ω=5 r/s and V=1.537 8 m/s，respectively.Based on the working parameters of rotary blade，it was estimated that the working load of rotary blade was F=448.56 N. Under this working load，the ANSYS software was used to analyze and examine the rotary blade.The results showed that nose of the tool showed the greatest deformation（0.249 mm）and the handle carried the greatest stress（48.65 MPa），far less than the allowable stress 300 MPa，which met the working requirement.This study provides reference for the improvement of rotary component in compound machine.

Key words compound machine；rotary blade；ADAMS；parameter optimization；kinematics；finite element analysis

旋耕起壟施肥復式作業機械在農業機械中被廣泛使用，旋耕是復式作業機械中的重要環節。旋耕刀的設計與機械的工作效率、使用性能有重要的聯系[1-3]。隨著科技的發展，旋耕刀傳統設計方法逐漸被數字化設計方法取代。例如，呂曉蘭等[4]在Radioss有限元分析方法的基礎上采用了QptiStruct軟件進行拓撲優化分析后，對旋耕刀重新設計，重新設計的旋耕刀效果理想；張靈芝等[5]以IT245旋耕刀為基礎，運用AutoLISP編程結合Solidworks進行三維建模，用Simulation插件對旋耕刀進行有限元分析。同時，土壤的物理性質對旋耕刀性能也有重要的影響，很多研究人員通過分析土壤性質設計分析旋耕刀。例如，日力夏提·阿布都熱西提等[6]為解決土壤和草根對旋耕刀產生的疲勞失效問題，利用有限元分析對旋耕刀結構進行優化和穩定性分析；方會敏等[7-8]采用離散元方法分析了土壤、秸稈對旋耕刀的影響。大量研究表明，旋耕刀是依靠現有成型旋耕刀為基礎的基于有限元分析軟件分析優化設計。

本文對旋耕部件的分析主要依托雙料箱施肥機為平臺，設計旋耕刀外形尺寸參數，采用UG三維軟件建模，ADAMS軟件選取旋耕最佳運動狀態，最后基于ANSYS有限元分析軟件對旋耕刀進行優化校核。本研究為復式作業機械的旋耕部件改進設計提供了參考依據。endprint

1 雙料箱旋耕部件結構

1.1 雙料箱施肥機結構

旋耕刀仿真分析是基于雙料箱施肥機為平臺進行分析設計。雙料箱整機結構如圖1所示。

1.2 旋耕部件

1.2.1 旋耕刀部件性能參數。旋耕刀旋轉由拖拉機動力輸出軸輸出動力經萬向節傳遞給變速箱驅動刀輥回轉。根據雙料箱施肥要求所設計的旋耕刀性能參數如表1所示。

1.2.2 旋耕刀設計。旋耕刀按結構形式可分為鑿形刀、直角刀和彎刀[9]。為保證有較強的切土能力，旋耕刀結構選用彎刀，彎刀刀刃由側切刃和正切刃2個部分組成，正切刃與側切刃相切過渡。彎刀的側切刃輪廓為等進螺旋線（即阿基米德螺旋線），其尺寸參數如圖2所示。

參照《農業機械化設計手冊》，根據阿基米德螺旋線的基本方程[10]，建立旋耕刀三維模型。

ρ計算公式如下：

ρ=ρ0+α′θ（1）

式（1）中，θ為螺線上任意點的極角，單位為rad；α′為極角增量，曲線每增加1 rad極角所增加的長度，單位為mm；ρ0為起點極徑，單位為mm；為使非刀刃部分不切削土壤，ρ0可由式（2）求得：

式（2）中，S為設計切土節距，單位為mm；d為設計耕深，單位為mm；R為彎刀回轉半徑，單位為mm。耕深一般為140～160 mm，故取d=15 mm，R=240 mm。通常情況下保證可以使2個部分刀刃相切連接。

取ρn=230 mm，螺線R-ρn=10～20 mm，終點極角θn可由式（3）求出：

式（3）中，τn為螺線終點處的滑切角，根據要求取τn=45°。每弧度增量α′由ρn、ρ0及θn可求出：

α′=（ρn-ρ0）/θn（4）

旋耕刀尺寸參數如表2所示。

1.2.3 旋耕刀建模。根據表2中的旋耕刀設計參數尺寸，通過UG三維建模軟件，設計出旋耕刀三維模型，具體如圖3所示。

2 旋耕刀運動學仿真分析

2.1 運動參數

通過觀察旋耕刀關鍵位置的運動情況，得到最佳的轉速和行進速度組合，使旋耕刀更好地進行旋耕土壤。為提高仿真效率，仿真時只導入旋耕刀，單位設為m（長度）、s（時間）、rad（角度），將工作網格尺寸設置為X=600 mm、Y=600 mm。導入ADAMS中，在旋耕刀正切刃和側切刃交匯處利用點功能繪制相對于刀具的標記點。添加的運動副，模擬并在簡化刀架上添加相對于地面的移動副，模擬機具在拖拉機的牽引下做直線運動；在旋耕刀刀柄處添加一個相對于機架的旋轉副，旋轉方向為順時針。

為了觀察不同速度狀態下旋耕刀的運動情況，根據拖拉機常用的行進速度，結合雙料箱施肥復式作業機械選取驅動速度。將不同速度匹配關系命名為Pij（i表示轉速標號，j表示行進速度標號），仿真匹配關系如表3所示。

2.2 運動學分析及結果

在ADAMS中對不同的速度匹配關系Pij進行運動學仿真分析，得到的不同匹配速度下的總軌跡如圖4所示。可以看出，不同匹配速度下的軌跡圖6種匹配關系均為余擺線，各匹配關系仿真軌跡的最大弦長關系為Lmax12>Lmax23>Lmax22>Lmax13>Lmax11>Lmax21。弦長表示旋耕刀的切土范圍及松土性能，6種匹配關系均能實現松土的功能，比較得P12的松土性能較好。

標記點總位移分析如圖5所示。可以看出，P11情況下標記點的總位移曲線在0.2 s和0.4 s時的位移相同，有重耕現象；P21、P22情況下標記點的總位移曲線在0.2 s時的位移量小于在0.1 s時的位移量，且該現象呈一定的規律性，產生了嚴重的周期性重耕現象。刀具重耕不但會使松土效率降低，而且地膜重復被刀具切割容易纏繞在刀具上，故有重耕現象的匹配關系不宜使用。

標記點總速度分析如圖6所示。可以看出，旋耕刀標記點總速度與機具行進速度成正比，總速度的變化規律均為正弦函數形式，行進速度越大，總速度的振幅越大。

通過對旋耕刀標記點加速度的分析，可知旋耕刀的行進速度不影響加速度。綜上分析，可以確定旋耕刀的最優工作參數為P12，即旋耕刀轉速為ω1=5 r/s，機組的前進速度為V2=1.537 8 m/s時刀具具有較大的旋土范圍，不發生重耕現象，旋耕性能達到最優。

3 旋耕刀有限元分析

3.1 旋耕刀工作載荷的確定

根據GB/T 5669—2008和已有旋耕刀的相關研究，本文旋耕刀選用材料為65Mn鋼，其材料屬性如表4所示。

旋耕刀工作旋轉時，刀具所受的阻力由各旋耕刀的阻力合成。其阻力大小、方向及作用點與土壤物理性狀、耕深、刀具轉速、機具前進速度等因素有關，影響因素繁多復雜。為簡化阻的力計算，按如下經驗公式計算刀具所受功耗[11]：

Nα=0.1KλdυmB（5）

Kλ=KgK1K2K3K4（6）

式（5）（6）中，Nα為功耗，單位為kW；Kλ為旋耕比阻，單位為N/cm3；d為耕深，單位為cm；υm為機組前進速度，單位為m/s；B為耕幅，單位為m；Kg為初始旋耕比阻，單位為N/cm3；K1為耕深修正系數；K2為土壤含水率修正系數；K3為殘茬植被系數；K4為作業方式修正系數。

根據本文旋耕刀的工作參數及實際工作環境，耕深d取值為15 cm；機組前進速度υm為1.5 m/s；B為1.2 m；根據切土節距在12～15 cm之間，初始旋耕比阻Kg取值范圍為11～13 N/cm3，取12 N/cm3；根據耕深要求，耕深修正系數K1取1.0；根據含水率<30%，取土壤含水率修正系數K2為0.97；根據工作環境取殘茬植被系數K3為1.1，取作業方式修正系數K4為0.66。

此外，根據變速箱的設計要求及外界因素的影響，傳動效率為η=0.8，由以上分析，刀具的所受功耗為：endprint

3.2 旋耕刀有限元分析結果

將模型導入ANSYS模型中，選擇刀具材料屬性，進行網格劃分，每單元格網格大小設置為3 mm，旋耕刀網格劃分如圖7所示。旋耕刀工作時，刀刃最先受力，旋耕刀所受載荷達到屈服極限時將會產生變形、斷裂或疲勞損傷等失效行為，需要對設計的旋耕進行校核變形量、應力、拉應力是否滿足設計要求。根據旋耕刀工作載荷，均勻向刀刃加載力F=448.56 N。

經過ANSYS有限元分析，刀尖到刀柄位移變形量逐漸變小，最大變形量為0.249 mm，旋耕刀位移變化如圖8所示。刀柄所受的應力最大為48.65 MPa，遠小于許用應力300 MPa。旋耕刀應力云如圖9所示。根據分析結果可知，旋耕刀滿足設計要求。

4 結論

旋耕刀設計參數與旋耕刀性能有直接聯系。本文旋耕刀總體設計以雙料箱施肥機復式作業機械為平臺，利用UG三維軟件進行旋耕刀建模，ADAMS仿真軟件對旋耕刀進行運動學仿真，確定旋耕刀最佳運動參數。然后，旋耕刀設計參數結合材料屬性確定了旋耕刀的工作載荷。最后通過ANSYS分析軟件分析校核了旋耕刀應力和變形情況。綜上分析結果表明，以雙料箱施肥機復式作業機械為平臺設計的旋耕刀在得到最佳的旋轉速度與前進速度時，其位移最大變形量為0.249 mm；應力主要集中在刀輥與刀柄之間，最大應力為48.65 MPa，遠小于許用應力300 MPa，滿足要求。該旋耕刀設計可行、效果理想，與此同時，本研究為復式作業機械的旋耕部件改進設計提供了參考依據。

5 參考文獻

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