基于SolidWorks Simulation的旋耕刀有限元分析与优化.pdf

|四川农业与农机/2023年5期|在农业生产中旋耕机是一种非常重要的基础性设备，一方面能够在耕作田块的同时切断土壤表面的植被层并均匀混合于耕作层中，给后续植物栽培创造一个优良的栽培环境，另一方面在对田块耕整作业的同时能将化肥、农药等物质均匀混合在土壤中，一定程度上提高了农业生产效率1。旋耕机的功耗大小和作业效果很大程度上取决于旋耕刀的结构形状和参数设置。在传统设计中，通常会依靠经验加大安全系数来满足刀具强度要求，但盲目依靠经验加大安全系数设计出来的刀具结构笨重、尺寸较大，难以匹配旋耕机的微型化和自动化发展2，因此，对旋耕刀进行有限元分析与优化显得尤为重要。1旋耕刀的结构在我国使用最广泛的是弯刀旋耕刀，因此，本文以弯刀展开讨论研究。弯刀旋耕刀由侧切刃、正切刃和刀柄三部分组成。在实际工作中，离刀辊轴较近的刃口先切土，即先由侧切刃纵向切开土壤，然后逐渐转向远离回转中心，最后正切刃横向切开土块，达到耕整和平整田地的效果。这样的耕作方式能够利用较坚硬的耕地与刀刃交叉将草茎类进行切断，进而提高耕整质量，同时难以切断的草茎类能够顺着刃口曲线自动向刀尖脱开，避免缠绕到旋耕刀上卡死旋耕机，从而进一步提高旋耕机的使用效率与稳定性3。2旋耕刀模型建立和载荷确定2.1旋耕刀的三维实体建模以微耕机上最常见的245型旋耕刀进行三维实体建模，刀柄宽度300.00 mm、刀柄厚度10.000.53 mm、刀柄孔径 12.50 mm、弯刀回转半径 R 245.00 mm、幅宽50.00 mm、正切面弯折角120、刃口厚度1.002.00 mm，利用SolidWorks软件中的拉伸、剪切等特性命令,对旋耕刀进行三维实体造型2，如图1所示。2.2载荷确定旋耕刀在实际开展耕整作业时,刀具所受到的阻力与耕作土的理化性质、耕作深度、刀具旋转速度、机械运动速率等参数密切相关，影响因素繁多复杂。微耕机在田块中耕作时旋耕作业和前进动作均由旋耕刀负载完成，此时，可认为旋耕刀承受了发动机的全部动力4。为简化旋耕刀所受阻力的计算，旋耕刀所受合力与发动机功率、刀轴转速、旋耕刀回转半径的关系为：P=2Fv1000=2FwR1000P发动机功率，kW；F作用在旋耕刀刀尖的载荷，N；v旋耕刀刀尖回转速度，m/s；w旋转到回转角速度w=2n60；n旋转刀转速，280 r/min；R旋转刀回转半径，245.00 mm；微耕机的驱动功率通常在3.08.0 kW之间。其中，小型微耕机的驱动功率较小，一般在3.05.0 kW之间，主要适用于小型农田的耕作作业，取微耕机功率P=4.5 kw，得到旋耕刀刀尖所受载荷F=313.0 N。考虑刀尖入土时的瞬时冲击影响，取初始旋耕比阻系数为1.5，旋耕刀取计算载荷：基于SolidWorks Simulation的旋耕刀有限元分析与优化唐磊岳阳市农业农村事务中心，湖南岳阳摘要：本文对微耕机的弯形旋耕刀进行了机构分析，建立了旋耕刀的三维模型，基于SolidWorks Simulation有限元分析平台对旋耕刀的应力、位移和应变进行分析。结果表明：在距离刀辊轴最远的刀尖处出现了最大变形量，表面旋耕刀正切刃处的刚度最差，在旋耕刀的刀柄与刀背圆滑过渡连接处出现最大应力集中和最大应变，这与旋耕刀实际工况中产生的刀片弯曲变形或断裂实效的情况一致，验证了有限元分析指导旋耕刀设计生产的可靠性。与此同时，在有限元分析的基础上对旋耕刀结构进行优化设计，采取加厚刀柄和刀背压凹的方式，在不增加刀具质量和现有输出能耗的前提下，大幅度减小了刀具应力集中的产生，从根本上大大减少了刀具断裂频率，延长了刀具使用寿命。关键词：旋耕刀；SolidWorks Simulation；实体建模；有限元分析；优化设计作者简介：唐磊（1992年-），本科，工程师。研究方向：农业机械研究与推广。图 1旋耕刀三维模型28设计试验|四川农业与农机/2023年5期|F=1.5313=469.5 N在实际工作中，旋耕刀具伴随着回转轴循环旋转，往复式对耕作土壤进行切削，使得作用到旋耕刀上的阻力是一个周期性交替变化的震荡力，为便于研究旋耕刀的受力性能，把切削力等效分解为分别作用在侧切刃、过渡面刃以及正切刃处各施加垂直刃口方向的合力，合力大小为469.5 N。3旋耕刀有限元分析3.1旋耕刀的材料加载在恶劣的农耕工作环境中，要求旋耕刀能够持续工作，且在接触到砖头、岩石等时候一般不会产生变形、断裂或疲劳损伤等不可逆转的失效行为，从而在旋耕刀的选材上要求硬度高、弹性强、韧性好，定义旋耕刀的材料属性为65 Mn，材料密度为7.85103kg m-3，弹性模量为1.98103MPa，泊松比为0.3，屈服强度为800 MPa。3.2约束与载荷的施加在实际的使用环境中，旋耕刀通过螺栓固定于回转刀辊轴上，和回转刀辊轴同时做循环回转运动，因此，在旋耕刀安装孔处施加固定约束5，同时，使用“标准网络”对模型进行网格划分，选取雅可比点：4点，自动将网格划分得稀疏得当，获得模型节点数为32 499个，划分网格数为20 097个，在侧切刃、过渡面刃和正切刃处施加垂直于刃口方向的合力469.5 N，完成旋耕刀有限元预处理模型设置如图2所示。4旋耕刀的有限元求解与结果分析当载荷值达到或超过材料屈服极限值，旋耕刀将会产生弯曲变形、断裂等不可逆转的失效行为，为此通过添加总变形、应力和应变分析项目进行求解和优化6。应力分布云图（图3）表明：在旋耕刀刀柄与刀背曲线圆滑过渡处以及刀柄通孔处，出现最大载荷为289.96 MPa，但是依然没有超过材料属性的许用应力值430.00 MPa，通过应力云图可以直观看出，应力向刀尖的水平方向弥散减小,因为旋耕刀在进行作业时,会受到刀辊轴旋转带来的离心力和附着在旋耕刀上泥土本身的重力,而且65Mn也有比较好的机械性能,从而会使受到的应力比较平稳地向四周扩展7。位移分布云图（图 4）表明：刀尖出现最大位移量1.434 mm，在作业中的旋耕刀刚度最差处在刀尖，最小位移为1.00010-30mm，变形比例为17.129。应变分析云图（图5）表明：旋耕刀最大应变为9.34410-4，发生在刀柄通孔处和刀柄与刀背过渡处，所受载荷越大越容易发生弯曲变形、断裂等失效，与实际生产过程中旋耕刀产生弯曲、断裂等失效一致。5优化设计对旋耕刀的模型结构、等效静应力及结合实际耕作过程进行全面分析，在实际恶劣的农耕生产环境下，耕作土壤中经常含有坚硬石块，与旋耕刀产生摩擦和碰撞，使旋耕刀产生严重的磨损。通常采用增大刀具的截面积或减小极端工况下的应力集中来优化，考虑到可操作性及实际生产，通常采用在刀具上增加加强筋，增大应力集中处的截面积来实现减小应力集中产生。通过对旋耕刀模型优化后进行分析，在刀柄与刀背的圆滑连接处，距离刀柄与刀背弯曲连接侧6.00 mm处进行压凹处理，产生出一条直径为6.00 mm的凹槽，同时对刀柄两侧对称加厚2.00 mm，图6为优化后旋耕刀的应力云图。结果显示，最大应力由289.96 MPa降到了200.23 Mpa，减小了30.9%，本优化方案在不改变刀具外形结构和基本尺寸、不增加刀具质量和输出能耗的情况下，减小了最大应力集中的效果。图 2旋耕刀实体模型网格划分及约束、载荷加载图 3应力分布云图图 4位移分布云图图 5应变分布云图图6优化后旋耕刀的应力云图29|四川农业与农机/2023年5期|6结论旋耕刀具的结构形状和参数能够直接影响耕整作业质量及刀具使用寿命。本文利用 SolidWorks软件对微耕机245型旋耕刀进行了三维实体建模，导入Simulation进行了静力分析，从理论上分析了旋耕刀工作状态下的应力、应变和变形情况以及刀具弯曲、断裂等失效可能均与实际生产匹配。同时，针对旋耕刀在复杂、恶劣的农耕环境中容易造成应力过大，易产生断裂和弯曲变形的问题，提出了行之有效的优化方案，即刀柄两侧对称加厚，采用压凹的方法对刀具进行优化设计，在不改变刀具外形结构和外形基本尺寸、不增加刀具质量和输出能耗的情况下，达到了减小最大应力集中的效果，从根本上降低了刀具的断裂、变形失效频率，为刀具的结构设计提供了有价值的参考理论依据。参考文献：1朱留宪,杨玲,杨明金,等.我国微型耕耘机的技术现状及发展J.农机化研究,2011,33(7):236239.2丁彩云,况云峰.基于Solidworks的零件建模的若干方法J.机械设计与制造.2006(5):74-75.3朱金权.SolidWorks软件在机械设计中的应用与研J.新技术新工艺,2009(2):4144.4葛云,吴飞雪,王磊等.基于ANSYS微型旋耕机旋耕弯刀的应力仿真J.石河子大学学报(自然科学版),2007,25(5):627-629.5张灵芝,朱为国.基于Solidworks旋耕刀实体建模与有限元分析J.农机化研究,2013,35(11):2629.6高玉芝,王君玲,雷晓柱.基于Solidworks的旋耕刀实体建模与有限元分析J.农业机械,2010(5):136137.7葛云,吴雪飞,王磊,等.基于ANSYS微型旋耕机旋耕弯刀的应力仿真J.石河子大学学报(自然科学版),2007,25(5):627629.的监测点占比仅为30.2%。从监测点土壤速效钾等级分布来看，2022年到达高量水平的比例达39.5%，较2019年提高11.6个百分点，这对于水果品质的提升有重要作用。3小结与讨论土壤酸碱性与土壤养分的有效性关系密切，直接影响植物对土壤养分的吸收利用8。虽然成都市有77.0%的柑橘园土壤pH值适合柑橘生长，但只有16.6%的土壤处于最适宜范围，且有53.5%的柑橘园土壤pH值小于5.50。对于土壤酸性较强的柑橘园，在生产中应适当施用石灰或土壤调理剂进行土壤酸碱度调节，并建议科学施用有机肥和碱性肥料。土壤有机质是土壤肥力的核心，对于柑橘园的可持续性丰产稳产有重要影响9。成都市柑橘园土壤有机质整体处于中等水平，有65.1%的柑橘园有机质含量高于20.0 g/kg，有利于柑橘的生产。氮、磷、钾元素是植物生长发育大量必需的元素，土壤中的氮、磷、钾主要来自人为施用肥料，其含量高低及比例直接影响果树生长和果品品质10-11。成都市柑橘园碱解氮、有效磷和速效钾含量平均值分别为144.8 mg/kg、52.5 mg/kg、159.8 mg/kg，处于极缺或缺乏水平的占比分别是25.6%、25.6%和30.2%，只有小部分柑橘园大量元素比较缺乏。总体来说，近年来随着成都市测土配方施肥、增施有机肥、水肥一体化、秸秆还田等化肥减量增效技术的推广应用，保障了土壤pH值和有机质含量的稳定，促进了土壤碱解氮和速效钾含量的提升，确保了土壤有效磷含量趋于合理，推动了成都市果园土壤质量的提升。参考文献：1王珏,周卫军,商贵铎,等.不同母质柑橘园土壤养分特征及肥力综合评价J.生态学杂志,2022,41(5):933-940.2王科,张成,卿晓剑,等.成都市龙泉山水果功能区桃园土壤养分丰缺状况评价J.四川农业与农机,2020(4):43-45.3鲁剑巍.湖北省柑橘园土壤植物养分状况与柑橘平衡施肥技术研究D.武汉:华中农业大学,2003.4王晓荣,付甜,唐万鹏,等.不同施肥管理对三峡库区柑橘园土壤养分动态的影响J.湖北农业科学,2021,60(8):63-69.5郭跃升,孙洪助,马荣辉,等.胶东苹果主产区土壤酸化状况及施用钙肥改良效果J.中国农技推广,2021,37(02):66-69.6张志政,马淼,张旭龙.深松对乌拉尔甘草根际土壤养分以及微生物群落功能多样性的影响J.生态学报,2017,37(15):5137-5145.7张绩,李俊杰,万连杰,等.施钾水平对纽荷尔脐橙养分、产量和品质的影响J.中国农业科学2020,53(20):4271-4286.8宋文峰,王超,陈荣府,等.长期不同施肥下小麦离子吸收对土壤酸化贡献能力的比较J.土壤,2017,49(1):7-12.9段丽君,张海涛,郭龙,等.典型柑橘种植区土壤有机质空间分布与含量预测J.华中农业大学学报,2019,38(1):73-81.10陈会玲,胡建文,勾蒙蒙,等.湖北秭归柑橘园土壤养分特征和肥力评价J.陆地生态系统与保护学报,2022,2(04):21-31.11王庆峰,褚长彬,赵峥,等.崇明三岛柑橘园土壤养分特征研究J.上海农业学报,2022,38(2):70-75.表 6成都市柑橘园土壤速效钾变化趋势县（市）2019202020212022样品数(个)68373943均值(mg/kg)131.5129.1155.1159.8变幅(mg/kg)31.0301.036.0288.035.0294.049.0348.0变异系数(%)49.856.541.851.5各级别土壤占比(%)高量27.924.328.239.5适量41.232.453.830.2缺乏26.532.415.427.9极缺4.410.82.62.3（上接第21页）30