苗杰

摘 要：介紹了一種振動式山藥采挖機，通過Solidworks對機具的關(guān)鍵部位——挖掘鏟刀進行了有限元分析和優(yōu)化設(shè)計，保證了設(shè)計的強度要求，同時降低了部件重量，進一步降低收獲阻力和機具成本。

關(guān)鍵詞：有限元;CAE;山藥采挖機;鏟刀;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：S225.79文獻標(biāo)識碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.02.005Open Science Identity（OSID）

山藥具有重要的藥用價值和食用價值，我國山藥的種植歷史悠久，種植面積大，江蘇、河北、河南、山西、廣西是我國山藥主要產(chǎn)區(qū)（見表1）。發(fā)展山藥種植產(chǎn)業(yè)對于增加農(nóng)民收入，振興縣域經(jīng)濟具有重要的戰(zhàn)略意義。

由于山藥收獲的挖掘深度達1 m左右，一般收獲動土量達1800～2100 m3·hm-2，勞動強度大。因此山藥收獲尚無理想的作業(yè)機具，一般采用人工收獲，費工費力勞動強度大，易鏟斷塊莖，制約了山藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。

本文介紹了一種山藥采挖機，機具為懸掛式，通過挖掘鏟刀對土壤進行割裂和碎土，振動齒實現(xiàn)對土壤的振動深松作用，滿足人工起拔山藥收獲的要求。為了保證設(shè)計效果，采用Solidworks中Simulation模塊對機具的關(guān)鍵部件——挖掘鏟刀進行了有限元CAE分析，并進一步進行了優(yōu)化設(shè)計。

1 山藥采挖機總體結(jié)構(gòu)

山藥采挖機根據(jù)立刀類型分為直立刀和斜立刀兩種，基本的結(jié)構(gòu)和傳動方式均相同，如圖1所示。拖拉機通過懸掛結(jié)構(gòu)連接機具，后輸出軸與機具減速箱通過長軸連接，工作時減速箱輸出軸將旋轉(zhuǎn)運動通過振動軸總成轉(zhuǎn)化為連桿的往復(fù)擺動，進一步實現(xiàn)振動齒總成的往復(fù)振動，立刀和橫刀實現(xiàn)土壤的破土和割裂，將土壤和作物整體疏松，后續(xù)人工進行起拔收獲。

2 鏟刀的設(shè)計

2.1 牽引阻力

鏟刀作為機具工作時的主要受力部件，承受了絕大多數(shù)的牽引阻力。因此首先要進行機具整體的牽引阻力分析。參考犁的受力分析，機具的牽引阻力為

R=K₀ab^[2]

式中 R—牽引阻力（N）;

K₀—犁耕阻比;

a—耕深（cm）;

b—單犁體幅寬（cm）。

考慮到山藥種植實際農(nóng)藝，取中等犁耕阻比K0=40 kPa;因收獲深度大于80 cm，取a=80 cm;此外，因設(shè)計要求b=50 cm，算出R=160 000 N。

2.2 鏟刀結(jié)構(gòu)

山藥采挖機工作原理與全方位深松機類似，鏟刀也采用相似的結(jié)構(gòu)設(shè)計，區(qū)別在于山藥采挖機為平刀加橫刀組合，全方位深松機為V字形結(jié)構(gòu)。鏟刀組合結(jié)構(gòu)如圖2。

3 有限元仿真計算和優(yōu)化設(shè)計

3.1 有限元法概述

有限元方法（Finite Element Method）是力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計算方法、計算機技術(shù)等多種學(xué)科綜合發(fā)展的結(jié)合的產(chǎn)物。有限元方法的實質(zhì)是將復(fù)雜的連續(xù)體劃分成為有限多個簡單的單元體，化無限自由度問題為有限自由度問題，將連續(xù)場函數(shù)的（偏）微分方程求解問題轉(zhuǎn)化為有限個參數(shù)的代數(shù)方程組求解問題。用有限元方法分析工程結(jié)構(gòu)的問題時，將一個理想體離散化后，如何保證其數(shù)值的收斂性和穩(wěn)定性是有限元理論討論的主要內(nèi)容之一，而數(shù)值解的收斂性與單元的劃分及單元形狀有關(guān)。在求解過程中，通常以位移為基本變量，使用虛位移原理或最小勢能原理來求解[3]。

對于機械設(shè)計而言，有限元方法主要采用計算機CAE軟件進行，工作流程包括建模、前處理（網(wǎng)格化、約束、載荷設(shè)置）、計算以及后處理和結(jié)果分析。主流的CAE軟件包括ANSYS、MSC MARC以及各種建模軟件如Solidworks等自帶的有限元分析模塊。

3.2 Solidworks Simulation模塊簡介

Simulation模塊具有完全嵌入Solidworks中的一致、強大且直觀的仿真功能，設(shè)計人員可在設(shè)計過程的早期了解產(chǎn)品性能，避免成本高昂的過度設(shè)計。設(shè)計者只需在模型界面完成建模后，啟動模塊，進行適合的前處理工作，即可交由計算機進行仿真案例的計算，最后輸出仿真結(jié)果。

3.3 鏟刀模型的前處理

完成鏟刀模型的制作后，即可進入Simulation模塊進行仿真分析。首先進行前處理，包括材料設(shè)置、網(wǎng)格生成、約束和載荷的添加。鏟刀材料為65Mn;網(wǎng)格選擇四面體;由于立刀上半部分焊接在機架側(cè)板上，選擇對立刀的對應(yīng)焊接面添加固定約束;載荷為重力以及水平方向160 kN的牽引阻力，添加至立刀下半部分和橫刀的刀面。如圖3所示。

3.4 鏟刀的仿真后處理

運行算例后，模塊進行計算后得到模型的von Mises應(yīng)力、位移以及應(yīng)變，以云圖的方式顯示。鏟刀的von Mises應(yīng)力如圖4所示?？芍獞?yīng)力分布情況，最大應(yīng)力位于立刀固定位置下方。由于立刀焊接在機架上，此處相當(dāng)于簡支梁結(jié)構(gòu)，符合最大應(yīng)力的理論分布。

3.5 優(yōu)化設(shè)計

由圖4可知最大應(yīng)力為593 MPa，小于材料屈服應(yīng)力750 MPa?？紤]到仿真直接將全部牽引阻力作為最大載荷進行仿真，而實際工作時振動機構(gòu)會在一定程度上減輕整體牽引阻力，因此該設(shè)計有較大的安全系數(shù)，還可進行鏟刀的優(yōu)化，減輕整體重量和尺寸，有利于節(jié)省制造成本。

由于最大載荷位于立刀，優(yōu)化設(shè)計主要針對橫刀的板厚進行了調(diào)節(jié)，分別取35 mm、30 mm、25 mm、20 mm進行了多次仿真計算，對比最大應(yīng)力如表2所示。

可知橫刀板厚20 mm時最大應(yīng)力仍小于材料屈服應(yīng)力，考慮到實際工作可能出現(xiàn)的超負荷情況，橫刀應(yīng)取20～25 mm之間，有最佳性價比。

4 結(jié)論

本文在分析了一種新型的振動式山藥采挖機牽引阻力后，對其關(guān)鍵部位挖掘鏟刀利用CAE技術(shù)進行了有限元仿真校核和優(yōu)化計算，最終通過改變橫刀尺寸，減少了機具重量和加工成本。計算機有限元CAE技術(shù)的應(yīng)用，減少了理論計算工作量，對機具快速設(shè)計和驗證提供了可靠依據(jù)，縮短了機具研發(fā)周期，大大降低了農(nóng)機開發(fā)成本和試制試驗風(fēng)險。

參考文獻：

[1]馮曉靜， 楊欣， 劉洪杰，等. 麻山藥收獲機械化技術(shù)現(xiàn)狀與對策[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報， 2017（4）.

[2] 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)技術(shù)研究院.農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社.2007.

[3] DS SolidWorks公司.SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2014.

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