韋麗嬌，李　明※，董學虎，李柏林，李官保，張　園

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院　農(nóng)業(yè)機械研究所，湛江　524091；2.海南大學　機電工程學院，海口　570228）

甘蔗地鑿式深松犁的受力仿真分析

韋麗嬌1，李明1※，董學虎1，李柏林2，李官保2，張園1

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究所，湛江524091；2.海南大學機電工程學院，海口570228）

針對在甘蔗地使用的鑿式深松犁，對比分析了在相同受力條件下，圓弧式和立柱式兩種犁體的靜力學特性；同時對圓弧式深松犁在不同懸掛位置進行了靜力學仿真。運用SolidWoks軟件從以上兩個方面研究深松犁的強度特性，分析發(fā)現(xiàn)圓弧式結(jié)構(gòu)強度較好，螺栓孔的位置較低時犁體受力較小，這為進一步完善甘蔗地使用的深松機械提供了參考。

甘蔗地，鑿式深松犁，應(yīng)力，仿真

0　前言

甘蔗是重要的經(jīng)濟作物，在我國主要分布于雷州半島、廣西大部、海南及云南部分地區(qū)。深松作業(yè)是一項免耕技術(shù)，能顯著提高根深作物的產(chǎn)量［1-2］。甘蔗地的深松作業(yè)能疏松土壤，打破犁底層，增加土壤的氧含量及儲水量，為甘蔗根系的生長發(fā)育提供有利條件［3-4］。研究表明［5］，深松技術(shù)能使甘蔗產(chǎn)量提高16.08%。與我國北方的土壤相比，我國南方甘蔗地的土壤大多為磚紅壤，土質(zhì)粘重、雜草蔗頭多，因此在北方廣泛應(yīng)用的深松犁不適用于南方熱帶地區(qū)甘蔗地［6］。用于甘蔗地的深松犁，工作時受到的阻力更大，需滿足的強度要求更高。

國內(nèi)雖有不少學者已對我國南方熱區(qū)深松機械作了相關(guān)研究，但相對于北方地區(qū)［7］，熱帶地區(qū)深松技術(shù)研究與應(yīng)用成熟程度還是有很大差距。海南大學仇倩倩、甘聲豹設(shè)計研究了香蕉地深松機械［8-9］；王彬針對南方地區(qū)設(shè)計了可拆裝式鑿型深松鏟［10］；華南農(nóng)業(yè)大學甄文斌對深松部件在蔗地的牽引阻力進行了研究［11］。通過閱讀有關(guān)文獻，發(fā)現(xiàn)對甘蔗地深松犁強度問題的研究不多。在生產(chǎn)實踐中，發(fā)現(xiàn)犁體樣式和犁的懸掛位置是兩個對深松犁使用壽命有較大影響的因素。本文將借助仿真軟件，對比圓弧式和立柱式犁體的受力情況，同時探討懸掛位置對圓弧式犁體受力的影響。

1　犁體的三維建模

運用SolidWorks軟件繪制圓弧式及立柱式深松犁三維模型，其中圓弧式深松犁參照中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械研究所研制的1SL系列鑿式深松機犁體建模，在圓弧型式犁柄基礎(chǔ)上加以調(diào)整即得到立柱式犁柄模型，兩種深松犁尺寸基本一致。犁頭為鑿式，鑿式犁具有工作性能好，工作阻力低，強度大的優(yōu)點［12］，適用于磚紅壤。在甘蔗地的土壤條件下，深松犁尺寸應(yīng)較北方地區(qū)所使用的大［13］，需滿足更高的強度要求。選取犁體總高度為93cm，犁柄寬16cm，犁柄厚度為3cm，入土角為26°。犁柄中段選用截面為三角形的結(jié)構(gòu)形式，長45cm。三維模型如下圖所示：

圖1　兩種深松犁三維模型

2　兩種深松犁的靜力學仿真建模

運用SolidWorks中的Simulation模塊分別對圓弧式和立柱式深松犁進行靜力學分析，以對比分析在相同受力條件下兩種犁的應(yīng)力、應(yīng)變、安全系數(shù)特征。

2.1材料的選擇與網(wǎng)格劃分

兩種深松犁的犁柄，犁頭的材料選用65Mn鋼，材料的主要參數(shù)如表1所示。

表1　深松犁材料的主要參數(shù)

網(wǎng)格劃分是有限元分析中的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格單元越小，運算越精確，但所需時間越多。為了運算的精確性，同時避免花費過多的時間，選擇網(wǎng)格大小為中等。網(wǎng)格劃分細節(jié)如下。

雅可比點：4點

單元大?。?4.1 421mm

公差：0.707 105mm

網(wǎng)格品質(zhì)：高

節(jié)總數(shù)：27 578

單元總數(shù)：16 716

最大高寬比例：14.638

帶高寬比例的單元百分比＜3∶97.4

帶高寬比例的單元百分比＞10∶0.0239

2.2載荷和約束的施加

深松犁所受的土壤阻力，由犁柄阻力和犁頭阻力兩部分組成。深松犁的工作阻力受深松深度、機具前進速度、土壤類型、入土角等因素影響。參考有關(guān)文獻，設(shè)定甘蔗地深松作業(yè)深松犁所受阻力的平均值，以確保深松犁能在甘蔗地普遍適用。設(shè)定犁柄受力為4 000 N［14］，犁頭受力為2 900 N。選擇約束為固定鉸鏈。如圖2所示。

圖2　深松犁受力示意圖

3　仿真結(jié)果與分析

3.1兩種深松犁靜應(yīng)力比較分析

經(jīng)過Simulation的運算，可得到兩種深松犁的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、安全系數(shù)云圖。如圖3和圖4所示。

比較圖3和圖4，可以發(fā)現(xiàn)：圓弧式深松犁最大應(yīng)力約為21.4 MPa，最大應(yīng)力集中在與第3個螺栓孔平行的犁柄邊緣處；最大應(yīng)變?yōu)?.355×10-5；最大變形為0.358mm，發(fā)生在鏟尖處，最小安全系數(shù)為25。立柱式深松犁最大應(yīng)力約為26.2 MPa，集中位置與圓弧式一致；最大應(yīng)變?yōu)?.006×10-4；最大變形為0.433mm，也發(fā)生在鏟尖處，最小安全系數(shù)為20。對比分析后，發(fā)現(xiàn)圓弧式深松犁結(jié)構(gòu)強度要優(yōu)于立柱式，所以，在甘蔗地使用的深松犁宜選用圓弧式結(jié)構(gòu)。

3.2圓弧式深松犁不同懸掛位置受力比較

圖3　圓弧深松鏟靜力分析云圖

圖4　立柱式深松犁靜力分析云圖

調(diào)節(jié)深松犁深松深度的途徑有兩種：一是通過液壓系統(tǒng)控制拖拉機懸掛的升降，二是改變深松犁懸掛的位置。深松犁犁柄處通常有4個螺栓孔，每個螺栓孔圓心間距10cm，通過螺栓在間隔的2個螺栓孔連接深松犁與機架。分析比較不同懸掛位置對深松犁受力的影響，對螺栓孔位置的合理安排有借鑒意義。前面已對圓弧式深松犁懸掛位置在第1、第3個螺栓孔處時進行了仿真分析，下面分析懸掛位置在第2，第4個螺栓孔處的靜應(yīng)力。仿真云圖

如下：

圖5　圓弧深松犁在不同懸掛位置的仿真分析

通過仿真，發(fā)現(xiàn)懸掛位置在第2，第4螺栓孔處時深松犁最大應(yīng)力為 16.8 MPa，最大變形為0.253mm，最小安全系數(shù)為31，優(yōu)于懸掛位置在第1，第3處螺栓孔時的強度、剛度。所以，應(yīng)把螺栓孔設(shè)計在較低的位置。

4　結(jié)論

1）立柱式深松犁的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單制造容易［15］，圓弧式結(jié)構(gòu)制造相對困難但有更高的強度。通過仿真，可知在相同的受力條件下，圓弧式犁體所受應(yīng)力比立柱式的少18.3%。

2）深松犁通過較低螺栓處孔懸掛在機架上時，所受應(yīng)力較小。這是由于固定點與受力點的距離的減小，即力臂的縮短，導(dǎo)致犁體所受彎矩的減小。所以，在保證深松深度的情況下，犁體螺栓孔位置不應(yīng)離地面太遠。

3）深松犁的設(shè)計應(yīng)有針對性，不同類型的土壤、作物對深松犁的要求不同，需要根據(jù)特定的應(yīng)用條件對深松犁結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。利用有限元分析軟件能在較短的時間找出較優(yōu)的結(jié)構(gòu)，節(jié)約了研制成本。

［1］何進，李洪文，高煥文.中國北方保護性耕作條件下深松效應(yīng)與經(jīng)濟效益研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2006，10（22）：62-67.

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The Stress Simulation Analysis of Chisel Shaped Sub-soiling Plough Used in Sugarcane Land

Wei Lijiao1，Li Mi1※，Dong Xuehu1，Li Bolin2，Li Guanbao2
（1.Agro-machinery Research Institute of Chinese Academic of Tropical Agricultural Sciences，Zhanjiang 524091，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hainan University，Haikou 570228，China）

In allusion to the chisel shaped Sub-soiling plough used in sugarcane land，the static characteristics of two types of plow body arc and column are？compared？and？analyzed under the same stress，and static simulation is carried out on the circular arc type Sub-soiling plough in different suspension positions.SolidWorks would be used to study the strength characteristics of Sub-soiling plough from the above two aspects，the analysis results shows that the arc structure has better strength，when the position of the bolt hole is lower，the plough body is less stressed，this provides a reference for the further improvement of Sub-soiling machine used in sugarcane field.

sugarcane field，chisel shaped Sub-soiling plough，stress，simulation

科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項目（2014GB2E000040）；海南省自然科學基金項目（20155208）。

韋麗嬌（1984—），女，壯族，廣西南寧人，助理研究員，研究方向為熱帶農(nóng)業(yè)裝備。E-mail:406775423@qq.com。

李明（1964—），男，漢族，廣東化州人，研究員，研究方向為熱帶農(nóng)業(yè)裝備。E-mail:lm3785899@qq.com。