藏宇

摘要：為滿足遼西地區(qū)保護(hù)性耕作的要求，設(shè)計可減小土壤阻力的流線翼形深松鏟，利用UG軟件建立深松鏟三維模型，并采用ANSYS軟件進(jìn)行靜力分析，確定深松鏟耕作時的變形和應(yīng)力分布情況，為深松鏟的研制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深松鏟；三維建模；有限元分析；變形；應(yīng)力

中圖分類號：S220.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）03-0024-03

深松可打破犁底層、改善土壤結(jié)構(gòu)、建立土壤水庫、促進(jìn)作物高產(chǎn)，是保護(hù)性耕作的關(guān)鍵技術(shù)之一。深松耕作需打破犁底層，作業(yè)深度一般在25 cm以上，耕作阻力大，能耗高。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過合理優(yōu)化深松部件結(jié)構(gòu)、改變土壤物理機(jī)械性質(zhì)來減小牽引阻力和降低能耗。為此，設(shè)計一種可減小土壤對深松鏟阻力的流線翼形深松鏟，并利用UG和ANSYS軟件對深松鏟進(jìn)行三維建模和有限元分析，確定深松鏟的結(jié)構(gòu)特征和模態(tài)參數(shù)，為深松部件的設(shè)計提供參考。

1 深松鏟設(shè)計要求

深松鏟是深松機(jī)的主要工作部件，承受耕層土壤內(nèi)復(fù)雜且隨機(jī)變化的載荷作用。深松阻力過大，易導(dǎo)致深松鏟彎曲變形。深松鏟的設(shè)計應(yīng)符合以下要求：1） 入土容易，作業(yè)時入土行程短；2） 對表層土壤擾動小，對土壤破壞的橫向影響范圍小，不損傷作物根系；3） 外形圓滑過渡，沒有較大的應(yīng)力集中；4） 結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)方便。

2 深松鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計

流線翼形深松鏟主要由鏟柱、鏟尖、鏟尖立板和左右鏟翼組成。作業(yè)時，隨著深松鏟與土壤的接觸，切削角不斷變化，碎土而不翻土。深松鏟的各項具體參數(shù)見圖2。

翼張角2γ是深松鏟兩翼沿著拖拉機(jī)前進(jìn)方向的水平面夾角，其確定依據(jù)是使秸稈（或草根）沿鏟刃口滑動切割，以減小切割阻力，避免雜草（或秸稈）纏繞。只有切割阻力沿刃口的分力大于秸稈（或草根）和刃口間的摩擦阻力，秸稈（或草根）才能順利地沿刃口向后滑移。秸稈阻力取決于秸稈種類、土壤類型及其物理機(jī)械特性，不同的土壤耕作應(yīng)采用不同的γ角。實施保護(hù)性耕作的遼西地區(qū)土壤介于砂土和中壤土之間，淺松時的2γ可取70～80°，以減小土壤的側(cè)向位移。根據(jù)以上分析，翼張角設(shè)計為60°。

隙角ε是鏟尖下表面與水平面間的夾角，其值不宜過小。為保證鏟尖的入土性能，γ設(shè)計為8°。碎土角β的作用是破碎土壤，其值越大，碎土能力越強(qiáng)。但碎土角過大，會攪混上、下土層，增加土層側(cè)向位移及牽引阻力。結(jié)合實際情況，γ設(shè)計為10°。入土角α的設(shè)計應(yīng)滿足疏松土壤、且不翻轉(zhuǎn)土層的要求。α越小，切土阻力越小，但入土性能會減弱。綜合考慮，入土角設(shè)計為18°。

深松鏟的幅寬B根據(jù)入土條件、松土性能和強(qiáng)度要求確定。根據(jù)田間試驗結(jié)果和機(jī)具設(shè)計要求，幅寬設(shè)計為100 mm。為減小作業(yè)阻力及深松鏟的橫向影響范圍，深松鏟雙翼設(shè)計一定夾角δ。結(jié)合實際情況，翼夾角設(shè)計為120°。鏟尖寬度b影響深松鏟的入土能力和作業(yè)阻力，因此應(yīng)結(jié)合深松鏟的具體結(jié)構(gòu)，盡量減小鏟尖的寬度。b設(shè)計為25 mm。鏟尖曲率半徑R是保證深松鏟入土性能的重要參數(shù)。根據(jù)我國傳統(tǒng)的犁鏵曲率半徑取值，R選用800 mm。鏟尖立板和直鏟柱構(gòu)成拋物線型鏟柄，以不鏟秸稈為原則，確定曲率半徑R0為400 mm。深松鏟采用65Mn經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到HRC40以上。

3 深松鏟三維建模

利用UG軟件，通過畫草圖、拉伸、掃略、求和、求差、鏡像等操作建立深松鏟的三維模型。為進(jìn)行有限元分析和建模方便，對流線翼形深松鏟進(jìn)行處理：將螺紋連接的部分去掉，假定全部采用焊接連接，同時去掉板上所有小于φ20的孔特征。在文件中建立深松鏟整體模型，并把裝配關(guān)系變?yōu)椴紶柡完P(guān)系。

4 深松鏟有限元分析

用UG軟件把深松鏟的UG模型導(dǎo)出IGES格式，再導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行靜力分析，分析步驟為：【導(dǎo)入模型】→【定義單元類型】→【定義材料性能參數(shù)和密度】→【劃分網(wǎng)格】→【施加約束和載荷】→【求解】→【查看結(jié)果】。根據(jù)深松鏟材料的屬性和深松作業(yè)實際情況，固定深松鏟鏟柱的上端面，在鏟尖面施加3.15×107 N/m2壓力，靜力分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：在深松過程中，鏟柱變形很大；鏟柱兩側(cè)、鏟尖立板同鏟柱結(jié)合處、鏟尖立板同鏟尖結(jié)合處應(yīng)力集中，應(yīng)該加強(qiáng)鏟柱強(qiáng)度，并加強(qiáng)鏟柱與機(jī)架的聯(lián)接，減小鏟柱變形。

5 深松鏟改進(jìn)設(shè)計

對深松鏟的靜力分析可以看出：深松作業(yè)阻力較大時，深松鏟承受較大的應(yīng)力，容易發(fā)生形變。為增加深松鏟的剛度，對深松鏟進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，重新設(shè)計深松鏟與機(jī)架相連接的部件，形成深松機(jī)單體上的深松鏟總成。

對深松鏟總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)深松作業(yè)的實際情況和土槽試驗結(jié)果，固定鏟柱連接板的上端面，在鏟尖施加水平力1 202 ×1.5=1 800（N）和垂直力1 913×1.5=2 870（N）。深松鏟總成靜力分析結(jié)果表明：深松鏟總成產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.2×108 N/m2，在右翼的前端部；最大應(yīng)變?yōu)?.6×10-4，發(fā)生在右翼的前端部。與改進(jìn)前相比，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均有不同程度地減小，說明深松鏟的強(qiáng)度和剛度得到了提高。

6 結(jié)論

根據(jù)保護(hù)性耕作深松技術(shù)要求設(shè)計的流線翼形深松鏟，耕作阻力較小，但在耕作過程中鏟柱變形較大，且在鏟柱兩側(cè)、鏟尖立板同鏟柱結(jié)合處、鏟尖立板與鏟尖結(jié)合處應(yīng)力集中嚴(yán)重，應(yīng)從材料選擇和尺寸方面加以改善。

摘要：為滿足遼西地區(qū)保護(hù)性耕作的要求，設(shè)計可減小土壤阻力的流線翼形深松鏟，利用UG軟件建立深松鏟三維模型，并采用ANSYS軟件進(jìn)行靜力分析，確定深松鏟耕作時的變形和應(yīng)力分布情況，為深松鏟的研制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深松鏟；三維建模；有限元分析；變形；應(yīng)力

中圖分類號：S220.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）03-0024-03

深松可打破犁底層、改善土壤結(jié)構(gòu)、建立土壤水庫、促進(jìn)作物高產(chǎn)，是保護(hù)性耕作的關(guān)鍵技術(shù)之一。深松耕作需打破犁底層，作業(yè)深度一般在25 cm以上，耕作阻力大，能耗高。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過合理優(yōu)化深松部件結(jié)構(gòu)、改變土壤物理機(jī)械性質(zhì)來減小牽引阻力和降低能耗。為此，設(shè)計一種可減小土壤對深松鏟阻力的流線翼形深松鏟，并利用UG和ANSYS軟件對深松鏟進(jìn)行三維建模和有限元分析，確定深松鏟的結(jié)構(gòu)特征和模態(tài)參數(shù)，為深松部件的設(shè)計提供參考。

1 深松鏟設(shè)計要求

深松鏟是深松機(jī)的主要工作部件，承受耕層土壤內(nèi)復(fù)雜且隨機(jī)變化的載荷作用。深松阻力過大，易導(dǎo)致深松鏟彎曲變形。深松鏟的設(shè)計應(yīng)符合以下要求：1） 入土容易，作業(yè)時入土行程短；2） 對表層土壤擾動小，對土壤破壞的橫向影響范圍小，不損傷作物根系；3） 外形圓滑過渡，沒有較大的應(yīng)力集中；4） 結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)方便。

2 深松鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計

流線翼形深松鏟主要由鏟柱、鏟尖、鏟尖立板和左右鏟翼組成。作業(yè)時，隨著深松鏟與土壤的接觸，切削角不斷變化，碎土而不翻土。深松鏟的各項具體參數(shù)見圖2。

翼張角2γ是深松鏟兩翼沿著拖拉機(jī)前進(jìn)方向的水平面夾角，其確定依據(jù)是使秸稈（或草根）沿鏟刃口滑動切割，以減小切割阻力，避免雜草（或秸稈）纏繞。只有切割阻力沿刃口的分力大于秸稈（或草根）和刃口間的摩擦阻力，秸稈（或草根）才能順利地沿刃口向后滑移。秸稈阻力取決于秸稈種類、土壤類型及其物理機(jī)械特性，不同的土壤耕作應(yīng)采用不同的γ角。實施保護(hù)性耕作的遼西地區(qū)土壤介于砂土和中壤土之間，淺松時的2γ可取70～80°，以減小土壤的側(cè)向位移。根據(jù)以上分析，翼張角設(shè)計為60°。

隙角ε是鏟尖下表面與水平面間的夾角，其值不宜過小。為保證鏟尖的入土性能，γ設(shè)計為8°。碎土角β的作用是破碎土壤，其值越大，碎土能力越強(qiáng)。但碎土角過大，會攪混上、下土層，增加土層側(cè)向位移及牽引阻力。結(jié)合實際情況，γ設(shè)計為10°。入土角α的設(shè)計應(yīng)滿足疏松土壤、且不翻轉(zhuǎn)土層的要求。α越小，切土阻力越小，但入土性能會減弱。綜合考慮，入土角設(shè)計為18°。

深松鏟的幅寬B根據(jù)入土條件、松土性能和強(qiáng)度要求確定。根據(jù)田間試驗結(jié)果和機(jī)具設(shè)計要求，幅寬設(shè)計為100 mm。為減小作業(yè)阻力及深松鏟的橫向影響范圍，深松鏟雙翼設(shè)計一定夾角δ。結(jié)合實際情況，翼夾角設(shè)計為120°。鏟尖寬度b影響深松鏟的入土能力和作業(yè)阻力，因此應(yīng)結(jié)合深松鏟的具體結(jié)構(gòu)，盡量減小鏟尖的寬度。b設(shè)計為25 mm。鏟尖曲率半徑R是保證深松鏟入土性能的重要參數(shù)。根據(jù)我國傳統(tǒng)的犁鏵曲率半徑取值，R選用800 mm。鏟尖立板和直鏟柱構(gòu)成拋物線型鏟柄，以不鏟秸稈為原則，確定曲率半徑R0為400 mm。深松鏟采用65Mn經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到HRC40以上。

3 深松鏟三維建模

利用UG軟件，通過畫草圖、拉伸、掃略、求和、求差、鏡像等操作建立深松鏟的三維模型。為進(jìn)行有限元分析和建模方便，對流線翼形深松鏟進(jìn)行處理：將螺紋連接的部分去掉，假定全部采用焊接連接，同時去掉板上所有小于φ20的孔特征。在文件中建立深松鏟整體模型，并把裝配關(guān)系變?yōu)椴紶柡完P(guān)系。

4 深松鏟有限元分析

用UG軟件把深松鏟的UG模型導(dǎo)出IGES格式，再導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行靜力分析，分析步驟為：【導(dǎo)入模型】→【定義單元類型】→【定義材料性能參數(shù)和密度】→【劃分網(wǎng)格】→【施加約束和載荷】→【求解】→【查看結(jié)果】。根據(jù)深松鏟材料的屬性和深松作業(yè)實際情況，固定深松鏟鏟柱的上端面，在鏟尖面施加3.15×107 N/m2壓力，靜力分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：在深松過程中，鏟柱變形很大；鏟柱兩側(cè)、鏟尖立板同鏟柱結(jié)合處、鏟尖立板同鏟尖結(jié)合處應(yīng)力集中，應(yīng)該加強(qiáng)鏟柱強(qiáng)度，并加強(qiáng)鏟柱與機(jī)架的聯(lián)接，減小鏟柱變形。

5 深松鏟改進(jìn)設(shè)計

對深松鏟的靜力分析可以看出：深松作業(yè)阻力較大時，深松鏟承受較大的應(yīng)力，容易發(fā)生形變。為增加深松鏟的剛度，對深松鏟進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，重新設(shè)計深松鏟與機(jī)架相連接的部件，形成深松機(jī)單體上的深松鏟總成。

對深松鏟總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)深松作業(yè)的實際情況和土槽試驗結(jié)果，固定鏟柱連接板的上端面，在鏟尖施加水平力1 202 ×1.5=1 800（N）和垂直力1 913×1.5=2 870（N）。深松鏟總成靜力分析結(jié)果表明：深松鏟總成產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.2×108 N/m2，在右翼的前端部；最大應(yīng)變?yōu)?.6×10-4，發(fā)生在右翼的前端部。與改進(jìn)前相比，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均有不同程度地減小，說明深松鏟的強(qiáng)度和剛度得到了提高。

6 結(jié)論

根據(jù)保護(hù)性耕作深松技術(shù)要求設(shè)計的流線翼形深松鏟，耕作阻力較小，但在耕作過程中鏟柱變形較大，且在鏟柱兩側(cè)、鏟尖立板同鏟柱結(jié)合處、鏟尖立板與鏟尖結(jié)合處應(yīng)力集中嚴(yán)重，應(yīng)從材料選擇和尺寸方面加以改善。

摘要：為滿足遼西地區(qū)保護(hù)性耕作的要求，設(shè)計可減小土壤阻力的流線翼形深松鏟，利用UG軟件建立深松鏟三維模型，并采用ANSYS軟件進(jìn)行靜力分析，確定深松鏟耕作時的變形和應(yīng)力分布情況，為深松鏟的研制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深松鏟；三維建模；有限元分析；變形；應(yīng)力

中圖分類號：S220.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）03-0024-03

深松可打破犁底層、改善土壤結(jié)構(gòu)、建立土壤水庫、促進(jìn)作物高產(chǎn)，是保護(hù)性耕作的關(guān)鍵技術(shù)之一。深松耕作需打破犁底層，作業(yè)深度一般在25 cm以上，耕作阻力大，能耗高。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要通過合理優(yōu)化深松部件結(jié)構(gòu)、改變土壤物理機(jī)械性質(zhì)來減小牽引阻力和降低能耗。為此，設(shè)計一種可減小土壤對深松鏟阻力的流線翼形深松鏟，并利用UG和ANSYS軟件對深松鏟進(jìn)行三維建模和有限元分析，確定深松鏟的結(jié)構(gòu)特征和模態(tài)參數(shù)，為深松部件的設(shè)計提供參考。

1 深松鏟設(shè)計要求

深松鏟是深松機(jī)的主要工作部件，承受耕層土壤內(nèi)復(fù)雜且隨機(jī)變化的載荷作用。深松阻力過大，易導(dǎo)致深松鏟彎曲變形。深松鏟的設(shè)計應(yīng)符合以下要求：1） 入土容易，作業(yè)時入土行程短；2） 對表層土壤擾動小，對土壤破壞的橫向影響范圍小，不損傷作物根系；3） 外形圓滑過渡，沒有較大的應(yīng)力集中；4） 結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)方便。

2 深松鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計

流線翼形深松鏟主要由鏟柱、鏟尖、鏟尖立板和左右鏟翼組成。作業(yè)時，隨著深松鏟與土壤的接觸，切削角不斷變化，碎土而不翻土。深松鏟的各項具體參數(shù)見圖2。

翼張角2γ是深松鏟兩翼沿著拖拉機(jī)前進(jìn)方向的水平面夾角，其確定依據(jù)是使秸稈（或草根）沿鏟刃口滑動切割，以減小切割阻力，避免雜草（或秸稈）纏繞。只有切割阻力沿刃口的分力大于秸稈（或草根）和刃口間的摩擦阻力，秸稈（或草根）才能順利地沿刃口向后滑移。秸稈阻力取決于秸稈種類、土壤類型及其物理機(jī)械特性，不同的土壤耕作應(yīng)采用不同的γ角。實施保護(hù)性耕作的遼西地區(qū)土壤介于砂土和中壤土之間，淺松時的2γ可取70～80°，以減小土壤的側(cè)向位移。根據(jù)以上分析，翼張角設(shè)計為60°。

隙角ε是鏟尖下表面與水平面間的夾角，其值不宜過小。為保證鏟尖的入土性能，γ設(shè)計為8°。碎土角β的作用是破碎土壤，其值越大，碎土能力越強(qiáng)。但碎土角過大，會攪混上、下土層，增加土層側(cè)向位移及牽引阻力。結(jié)合實際情況，γ設(shè)計為10°。入土角α的設(shè)計應(yīng)滿足疏松土壤、且不翻轉(zhuǎn)土層的要求。α越小，切土阻力越小，但入土性能會減弱。綜合考慮，入土角設(shè)計為18°。

深松鏟的幅寬B根據(jù)入土條件、松土性能和強(qiáng)度要求確定。根據(jù)田間試驗結(jié)果和機(jī)具設(shè)計要求，幅寬設(shè)計為100 mm。為減小作業(yè)阻力及深松鏟的橫向影響范圍，深松鏟雙翼設(shè)計一定夾角δ。結(jié)合實際情況，翼夾角設(shè)計為120°。鏟尖寬度b影響深松鏟的入土能力和作業(yè)阻力，因此應(yīng)結(jié)合深松鏟的具體結(jié)構(gòu)，盡量減小鏟尖的寬度。b設(shè)計為25 mm。鏟尖曲率半徑R是保證深松鏟入土性能的重要參數(shù)。根據(jù)我國傳統(tǒng)的犁鏵曲率半徑取值，R選用800 mm。鏟尖立板和直鏟柱構(gòu)成拋物線型鏟柄，以不鏟秸稈為原則，確定曲率半徑R0為400 mm。深松鏟采用65Mn經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到HRC40以上。

3 深松鏟三維建模

利用UG軟件，通過畫草圖、拉伸、掃略、求和、求差、鏡像等操作建立深松鏟的三維模型。為進(jìn)行有限元分析和建模方便，對流線翼形深松鏟進(jìn)行處理：將螺紋連接的部分去掉，假定全部采用焊接連接，同時去掉板上所有小于φ20的孔特征。在文件中建立深松鏟整體模型，并把裝配關(guān)系變?yōu)椴紶柡完P(guān)系。

4 深松鏟有限元分析

用UG軟件把深松鏟的UG模型導(dǎo)出IGES格式，再導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行靜力分析，分析步驟為：【導(dǎo)入模型】→【定義單元類型】→【定義材料性能參數(shù)和密度】→【劃分網(wǎng)格】→【施加約束和載荷】→【求解】→【查看結(jié)果】。根據(jù)深松鏟材料的屬性和深松作業(yè)實際情況，固定深松鏟鏟柱的上端面，在鏟尖面施加3.15×107 N/m2壓力，靜力分析結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：在深松過程中，鏟柱變形很大；鏟柱兩側(cè)、鏟尖立板同鏟柱結(jié)合處、鏟尖立板同鏟尖結(jié)合處應(yīng)力集中，應(yīng)該加強(qiáng)鏟柱強(qiáng)度，并加強(qiáng)鏟柱與機(jī)架的聯(lián)接，減小鏟柱變形。

5 深松鏟改進(jìn)設(shè)計

對深松鏟的靜力分析可以看出：深松作業(yè)阻力較大時，深松鏟承受較大的應(yīng)力，容易發(fā)生形變。為增加深松鏟的剛度，對深松鏟進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，重新設(shè)計深松鏟與機(jī)架相連接的部件，形成深松機(jī)單體上的深松鏟總成。

對深松鏟總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)深松作業(yè)的實際情況和土槽試驗結(jié)果，固定鏟柱連接板的上端面，在鏟尖施加水平力1 202 ×1.5=1 800（N）和垂直力1 913×1.5=2 870（N）。深松鏟總成靜力分析結(jié)果表明：深松鏟總成產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.2×108 N/m2，在右翼的前端部；最大應(yīng)變?yōu)?.6×10-4，發(fā)生在右翼的前端部。與改進(jìn)前相比，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均有不同程度地減小，說明深松鏟的強(qiáng)度和剛度得到了提高。

6 結(jié)論

根據(jù)保護(hù)性耕作深松技術(shù)要求設(shè)計的流線翼形深松鏟，耕作阻力較小，但在耕作過程中鏟柱變形較大，且在鏟柱兩側(cè)、鏟尖立板同鏟柱結(jié)合處、鏟尖立板與鏟尖結(jié)合處應(yīng)力集中嚴(yán)重，應(yīng)從材料選擇和尺寸方面加以改善。