棗園施肥機(jī)開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)與有限元分析

張　琦，王　偉，廖結(jié)安

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾　843300)

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棗園施肥機(jī)開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)與有限元分析

張琦，王偉，廖結(jié)安

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300)

摘要：棗園開(kāi)溝施肥是一項(xiàng)繁重的體力勞動(dòng)，為了把果農(nóng)從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，設(shè)計(jì)了一種微型棗園施肥機(jī)的開(kāi)溝器。開(kāi)溝器采用雙圓盤(pán)式，設(shè)計(jì)開(kāi)溝深度為300mm，寬度為240mm。利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)旋耕彎刀切削土壤的過(guò)程進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明：在彎刀切削土壤的過(guò)程中，隨著彎刀與土壤接觸面積的不斷增大，土壤逐漸被完全破壞并有跟隨彎刀運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；彎刀切削土壤的最大等效應(yīng)力主要集中在土壤與彎刀內(nèi)側(cè)的接觸處，整個(gè)切削過(guò)程土壤最大等效應(yīng)力的波動(dòng)幅度不大，切削較為平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：棗園；開(kāi)溝器；彎刀；有限元分析

0引言

棗原產(chǎn)于我國(guó)，文字記載棗樹(shù)在我國(guó)的栽培歷史達(dá)3 000年以上[1]。我國(guó)紅棗種植面積很大，2012年產(chǎn)量達(dá)到637.7萬(wàn)t，不僅能夠滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求，還遠(yuǎn)銷(xiāo)國(guó)外多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。目前，棗園開(kāi)溝施肥主要依靠人工作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低；市場(chǎng)上雖然有一些施肥機(jī)，但大多存在機(jī)身振動(dòng)劇烈、走直性差、可靠性低、功耗大等問(wèn)題。因此，未來(lái)?xiàng)棃@施肥機(jī)有著廣闊的市場(chǎng)。

針對(duì)矮化密植棗園空間狹小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種微型的自走式開(kāi)溝施肥機(jī)。開(kāi)溝施肥機(jī)的性能在很大程度上取決于開(kāi)溝器，因此研究一種穩(wěn)定、高效的開(kāi)溝器，對(duì)于提高棗園開(kāi)溝施肥的效率、降低果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度及促進(jìn)紅棗產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展有重要的意義。本文闡述了一種微型施肥機(jī)開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)，并利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)旋耕彎刀切削土壤的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，為開(kāi)溝部件的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的理論依據(jù)。

1開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)

1.1圓盤(pán)開(kāi)溝器直徑的確定

圓盤(pán)式開(kāi)溝器分為單圓盤(pán)開(kāi)溝器和雙圓盤(pán)開(kāi)溝器。單圓盤(pán)開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較輕，但是播幅較窄，且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易失去平衡[2]；雙圓盤(pán)開(kāi)溝器切削土壤時(shí)類(lèi)似于滑刀切土，對(duì)土壤有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，工作比較可靠。因此，本設(shè)計(jì)采用雙圓盤(pán)開(kāi)溝器。圓盤(pán)開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

1.彎刀　2.輪圈　3.輪轂　4.幅條

圓盤(pán)開(kāi)溝器直徑是圓盤(pán)式開(kāi)溝器重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)開(kāi)溝機(jī)的功耗、開(kāi)溝深度及拋土距離等都有很大的影響[3]。圓盤(pán)直徑對(duì)開(kāi)溝機(jī)功耗的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：隨著圓盤(pán)直徑的增大，旋耕刀的切削弧長(zhǎng)增加，導(dǎo)致銑切功耗增加；隨著圓盤(pán)直徑的增大，可以減小被切削土壤垡片的曲率，進(jìn)而使切削土壤的阻力減小，導(dǎo)致切土功耗減??；圓盤(pán)直徑還會(huì)影響開(kāi)溝機(jī)工作的扭矩不均勻系數(shù)ξ。ξ表示開(kāi)溝機(jī)工作過(guò)程中扭矩變化的程度，是衡量開(kāi)溝機(jī)工作性能的一個(gè)重要指標(biāo)。依據(jù)機(jī)械原理的知識(shí)，圓盤(pán)開(kāi)溝器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與ξ有如下關(guān)系，即

(1)

式中ΔE—圓盤(pán)開(kāi)溝器在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能變化量；

ω—圓盤(pán)開(kāi)溝器的角速度。

由于圓盤(pán)開(kāi)溝器的質(zhì)量主要集中在刀盤(pán)外緣上，因此圓盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中可看作一個(gè)飛輪。開(kāi)溝器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

(2)

式中m—圓盤(pán)開(kāi)溝器的質(zhì)量；

R—圓盤(pán)開(kāi)溝器的半徑；

D—圓盤(pán)開(kāi)溝器的直徑。

由式(1)、式(2)得

(3)

由式(3)可以看出：如果增大圓盤(pán)的直徑，則圓盤(pán)開(kāi)溝器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，而ξ減小，進(jìn)而使功耗降低。

由以上分析得知：圓盤(pán)開(kāi)溝器直徑對(duì)開(kāi)溝機(jī)功耗各方面的影響并不是一致的。因此，在確定開(kāi)溝刀盤(pán)直徑時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面的因素，找到一個(gè)最合適的數(shù)值。根據(jù)棗園開(kāi)溝施肥的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)開(kāi)溝深度為300mm。目前尚無(wú)精確確定圓盤(pán)直徑的計(jì)算公式，一般根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式確定的直徑，即

D=(1.25～1.45)dcscδ

(4)

式中d—開(kāi)溝深度；

δ—溝壁與地面的夾角。

由式(4)得圓盤(pán)開(kāi)溝器直徑的大致取值范圍是375～435mm。為了使機(jī)具結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且減少功耗，設(shè)計(jì)開(kāi)溝器的直徑為400mm，兩個(gè)圓盤(pán)的距離為240mm(距離可調(diào))，即開(kāi)溝寬度為240mm左右。

1.2彎刀的設(shè)計(jì)

旋耕刀的種類(lèi)主要有鑿形刀、直角刀和彎刀。鑿形刀前端刃口較窄，有較強(qiáng)的入土能力，功耗較少；但是容易纏草，在黏重的土壤中作業(yè)時(shí)容易發(fā)生漏耕現(xiàn)象，主要適用于砂石較多的土壤。直角刀的刃口較為鋒利，剛度好，砍切能力較強(qiáng)。彎刀由正切部和側(cè)切部構(gòu)成，按照正切部的彎曲方向，彎刀可以分為左彎刀和右彎刀；彎刀有較鋒利的正切刃和側(cè)切刃，刃口為曲線(xiàn)，具有較強(qiáng)的滑切能力，作為旋耕機(jī)的配套零部件在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用[4]。綜合考慮以上各因素，選擇彎刀作為開(kāi)溝刀片。彎刀作為圓盤(pán)開(kāi)溝器的主要工作部件，其形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)于開(kāi)溝機(jī)的工作性能、功耗等有重要的影響。目前，旋耕彎刀已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，市場(chǎng)上很容易買(mǎi)到，但存在入土和拋土能力差等問(wèn)題。因此，有必要自主設(shè)計(jì)一種切土和拋土能力強(qiáng)的旋耕彎刀。

彎刀的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括回轉(zhuǎn)半徑R、動(dòng)態(tài)滑切角γ、彎刀工作幅寬b、正切部彎折半徑r、正切部彎折角β、側(cè)切刃包角θmax、磨刃寬度、正切部頂面長(zhǎng)a及刃口厚度C等。其中，回轉(zhuǎn)半徑R已經(jīng)確定，刃口厚以及磨刃寬度等容易調(diào)整。彎刀的設(shè)計(jì)參數(shù)非常重要，其直接決定了開(kāi)溝彎刀的工作性能。經(jīng)過(guò)計(jì)算并查閱《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，最終確定旋耕彎刀的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。利用Pro/E軟件繪制的彎刀三維圖如圖2所示。

表1　旋耕彎刀主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2　旋耕彎刀

1.3旋耕彎刀的數(shù)量與排列方式的確定

彎刀的數(shù)量及在旋耕輪上的排列方式，對(duì)提高開(kāi)溝施肥機(jī)的工作性能、平衡機(jī)具的受力情況及降低功耗有重要的影響。合理確定彎刀的數(shù)量、布置彎刀的排列，能夠有效減小機(jī)具工作時(shí)的振動(dòng)，降低機(jī)具的功耗，并且能夠提高機(jī)具的工藝性，使機(jī)具的加工制造變得容易[5]。彎刀的排列應(yīng)遵循以下原則：①?gòu)澋稇?yīng)均勻地分布在圓盤(pán)上，圓盤(pán)每轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度便有一把彎刀入土，從而減小切土?xí)r阻扭矩的波動(dòng)。②盡量使每一切土小區(qū)內(nèi)的各把彎刀的切土節(jié)距相等，從而保證彎刀切土均勻，并能使每把彎刀受到的切土阻力比較接近，延長(zhǎng)彎刀的使用壽命。③保證左右彎刀交替入土，從而平衡圓盤(pán)軸承受到的軸向沖擊，減小機(jī)具受到的偏轉(zhuǎn)力矩，保證機(jī)具的走直性。根據(jù)以上排列原則，并參考大量文獻(xiàn)，最終確定每個(gè)圓盤(pán)上安裝8把彎刀。左圓盤(pán)上裝有8把左彎刀，右圓盤(pán)上裝有8把右彎刀，彎刀在每個(gè)圓盤(pán)上等分排列，兩個(gè)圓盤(pán)上共安裝了16把彎刀。開(kāi)溝施肥機(jī)工作時(shí)，圓盤(pán)開(kāi)溝器每轉(zhuǎn)過(guò)20°便有一把彎刀入土，左右圓盤(pán)上的彎刀交替入土切削土壤，能夠滿(mǎn)足開(kāi)溝施肥的農(nóng)藝要求。

1.4防漏耕犁

由于變速箱厚度的影響，造成開(kāi)溝器無(wú)法切削箱體下面的土壤，造成漏耕現(xiàn)象。通過(guò)在變速箱下面設(shè)置防漏耕犁，可以消除由于變速箱厚度引起的漏耕現(xiàn)象，提高開(kāi)溝作業(yè)的質(zhì)量。

2彎刀切削土壤的動(dòng)態(tài)仿真分析

2.1ANSYS/LS-DYNA簡(jiǎn)介

ANSYS/LS-DYNA結(jié)合了ANSYS和LS-DYNA的優(yōu)點(diǎn)，既具有ANSYS強(qiáng)大的前后處理功能，又具有LS-DYNA強(qiáng)大的分析能力。ANSYS是目前應(yīng)用最為廣泛的有限元分析軟件，LS-DYNA則是全世界應(yīng)用最為廣泛的通用顯式動(dòng)力分析軟件。LS-DYNA能夠處理各種復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題，既能夠處理二維、三維非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的金屬成型、高速碰撞及爆炸等動(dòng)態(tài)分析問(wèn)題，又能夠處理流固耦合、傳熱及流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；另外，能夠模擬各種接觸問(wèn)題，提供了多種可供選擇的接觸類(lèi)型。因此，本文選擇有限元分析軟件中的ANSYS/LS-DYNA對(duì)彎刀切削土壤的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬[6]。

2.2彎刀切削土壤模型的建立

2.2.1對(duì)仿真分析模型的假設(shè)

1) 假設(shè)彎刀的材料為各向同性的線(xiàn)彈性材料，并且在切削土壤的過(guò)程中彎刀水平移動(dòng)的速度和轉(zhuǎn)速不變。

2)假設(shè)刀軸在豎直方向的高度不變，即開(kāi)溝深度不變。

3)假設(shè)土壤為各向同性材料，土壤的含水率、堅(jiān)實(shí)度及密度等物理參數(shù)恒定[7-8]。

2.2.2建立彎刀切土的模型

由于在ANSYS軟件中建模比較復(fù)雜，因此對(duì)于復(fù)雜模型的仿真分析一般是在專(zhuān)門(mén)的繪圖軟件中完成，然后再導(dǎo)入ANSYS中[9]。本文在Pro/E中建立彎刀切削土壤的三維模型，并保存為IGES格式文件，利用Pro/E與ANSYS之間的無(wú)縫接口將模型導(dǎo)入ANSYS中，建立的切土模型如圖3所示。采用g-mm-ms-N-MPa單位制，土壤模型為長(zhǎng)方體，其尺寸為800mm×200mm×200mm。

2.3仿真模擬參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)ANSYS/LS-DYNA仿真分析的特點(diǎn)及開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)要求，仿真模擬的主要參數(shù)設(shè)定如下：

1)彎刀和土壤單元類(lèi)型選擇為三維實(shí)體單元3D Solid 164。考慮到模擬分析的實(shí)際情況，選擇單元分點(diǎn)算法求解。

2)定義彎刀的材料為剛性材料模型Rigid Material，材料的密度為7.83×10-3g/mm3，彈性模量為2.07×105MPa，泊松比為0.3；約束設(shè)定為Y、Z方向的移動(dòng)約束和X、Y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束[10]。

定義土壤的材料為MAT147，結(jié)合南疆地區(qū)土壤的特性，設(shè)定土壤模型的主要參數(shù)如表2所示。

圖3　切土模型

參數(shù)單位數(shù)值含水率%12土壤密度g/mm30.0024土粒相對(duì)密度2.8水密度g/mm30.001剪切模量MPa20體積模量MPa30內(nèi)摩擦角rad0.436內(nèi)聚力MPa0.015

3)考慮到彎刀形狀不規(guī)則，選擇劃分網(wǎng)格的方式為自由網(wǎng)格劃分，選擇單元形狀為四面體；由于土壤形狀規(guī)則，選擇劃分網(wǎng)格的方式為映射網(wǎng)格劃分，選擇單元形狀為六面體[11]。劃分網(wǎng)格后的模型如圖4所示。

4)由于彎刀切土過(guò)程中會(huì)穿過(guò)土壤，似于彈丸侵蝕靶板的過(guò)程，因此定義彎刀與土壤的接觸方式為侵蝕接觸。選擇彎刀為Contact Part，土壤為T(mén)arget Part，建立彎刀與土壤的接觸對(duì)。

5)在建立切土模型時(shí)，應(yīng)使彎刀盡量接近土壤，從而減小切土前的空閑時(shí)間；土壤模型尺寸應(yīng)稍大些，可以防止彎刀與土壤邊界接觸產(chǎn)生應(yīng)力陡增的現(xiàn)象。施加約束時(shí)，對(duì)土壤底面、側(cè)面施加全約束。

6)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，切土深度設(shè)定為100mm，彎刀沿X方向的速度大小設(shè)定為1mm/ms，繞Z軸的轉(zhuǎn)速大小為0.03rad/ms，求解時(shí)間設(shè)定為280ms。

圖4　劃分網(wǎng)格后的切土模型

2.4仿真模擬結(jié)果的分析

在ANSYS/LS-DYNA中設(shè)置仿真模擬參數(shù)并完成求解，由于后處理器LS-PREPOST具有更強(qiáng)大的后處理功能，能夠讀取和輸出ANSYS/LS-DYNA中的關(guān)鍵詞，并可以迅速地將有限元分析模型顯示給用戶(hù)，以供用戶(hù)分析使用，因此求解完成后利用LS-PREPOST對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析[12]。本文主要模擬分析在彎刀切削土壤的過(guò)程中土壤被破壞的經(jīng)過(guò)及土壤所受等效應(yīng)力變化的情況。

2.4.1切削土壤的過(guò)程

由圖5可以清晰地觀察到彎刀切削土壤過(guò)程中土壤破壞的過(guò)程。初始設(shè)定彎刀在土壤的上方，二者距離很近但是沒(méi)有接觸，彎刀沿X軸的速度為1mm/ms，繞Z軸的角速度為0.03rad/s。圖5(a)為彎刀的刀刃剛剛與土壤接觸，土壤受到彎刀的擠壓和剪切雙重作用，土壤開(kāi)始發(fā)生變形破壞；圖5(b)為隨著時(shí)間的推移彎刀不斷向前推進(jìn)，彎刀與土壤的接觸面積不斷增大，土壤迅速發(fā)生破壞失效；由圖5(c)可以觀察到：在彎刀切削土壤的過(guò)程中，土壤有明顯的沿X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，證明彎刀對(duì)土壤有一定的橫向推動(dòng)和拋撒能力；圖5(d)所示為彎刀即將離開(kāi)土壤進(jìn)入下一個(gè)切削周期，此時(shí)土壤仍有向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，這也證明了彎刀切削土壤的連續(xù)性。從整個(gè)彎刀切削土壤的過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)：彎刀對(duì)土壤的擾動(dòng)較小，土壤模型邊界沒(méi)有發(fā)生崩潰現(xiàn)象，證明了旋耕彎刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作參數(shù)設(shè)置的正確性。

圖5　彎刀切削土壤過(guò)程等效應(yīng)力云圖

2.4.2土壤等效應(yīng)力的分析

圖6所示為彎刀切削土壤過(guò)程土壤的von Mises stress的變化過(guò)程。圖6(a)是彎刀剛與土壤接觸時(shí)的應(yīng)力云圖，此時(shí)的最大等效應(yīng)力為19.77MPa；到達(dá)圖6(b)時(shí)刻的最大等效應(yīng)力為17.15MPa；到達(dá)圖6(c)時(shí)刻，彎刀已經(jīng)完全切入土壤，此時(shí)的最大等效應(yīng)力為10.22MPa；圖6(d)時(shí)刻旋耕彎刀已經(jīng)開(kāi)始切出土壤，此時(shí)的最大等效應(yīng)力為15.66MPa。從旋耕彎刀切削土壤的整個(gè)過(guò)程來(lái)看，土壤受到的最大等效應(yīng)力先是從零開(kāi)始增大，達(dá)到最大值19.77MPa以后開(kāi)始逐漸減小并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)閺澋杜c土壤剛開(kāi)始接觸時(shí)土壤還是一個(gè)完整的整體，要想將土壤破壞需要較大的切削力；隨著切削過(guò)程的繼續(xù)，土壤逐漸被完全破壞，土壤受到的最大等效應(yīng)力趨于穩(wěn)定。由土壤的等效應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)：土壤所受到的最大等效應(yīng)力集中在土壤與旋耕彎刀的接觸處，并且彎刀內(nèi)側(cè)的土壤受到的最大等效應(yīng)力最大；土壤受到的擾動(dòng)也是最大，這是由于與彎刀接觸的土壤受到彎刀強(qiáng)烈的擠壓和剪切作用。在旋耕彎刀切削土壤的過(guò)程中，最大等效應(yīng)力波動(dòng)幅度不大，切削過(guò)程比較平穩(wěn)。

圖6　土壤等效應(yīng)力云圖

3結(jié)論

1)針對(duì)新疆矮化密植棗園的種植模式，設(shè)計(jì)了微型開(kāi)溝施肥機(jī)的開(kāi)溝器。該開(kāi)溝器采用雙圓盤(pán)式，設(shè)計(jì)開(kāi)溝深度為300mm，寬度為240mm。

2)利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)旋耕彎刀切削土壤的過(guò)程進(jìn)行仿真分析，直觀地展示了彎刀切削土壤時(shí)土壤的破壞過(guò)程：彎刀與土壤的接觸面積逐漸增大，土壤逐漸被完全破壞；在此過(guò)程中土壤有跟隨彎刀一起運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，彎刀以一定的速度連續(xù)切削土壤。

3)旋耕彎刀切削土壤過(guò)程中土壤的最大等效應(yīng)力為19.77MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在彎刀剛與土壤接觸時(shí)彎刀的內(nèi)側(cè)。土壤的最大等效應(yīng)力先是逐漸增加，土壤被完全破壞以后最大等效應(yīng)力逐漸減小并趨于穩(wěn)定，整個(gè)切削過(guò)程最大等效應(yīng)力波動(dòng)不大，切削比較平穩(wěn)。

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Design of Fertilizing Machine’s Furrow Opener in Jujube Orchard and Finite Element Analysis

Zhang Qi, Wang Wei, Liao Jiean

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar 843300, China)

Abstract：Fertilization in jujube orchard is a heavy physical labor, in order to free growers of the heavy physical labor, designed a mini fertilizing machine’s furrower opener, the furrower opener used double disc type, designed trench depth is 300mm, trench width is 240mm. Using finite element software ANSYS/LS-DYNA to analyse the process of bent blade cut the soil, analysis results showed that during the cutting process the contact area between bent blade and soil was increasing and soil was moving with blade finally was destroyed completely, During bent blade cut soil the maximum equivalent stress mainly concentrated at the inner side where the soil contacted with bent blade, the fluctuation of maximum equivalent stress was small, cutting was relatively stable.

Key words：jujube orchard; furrow opener; bent blade; finite element analysis

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0023-06

中圖分類(lèi)號(hào)：S222.5+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

通訊作者：王偉(1979-)，男，沈陽(yáng)人，副教授，碩士生導(dǎo)師。

作者簡(jiǎn)介：張琦(1989-)，男，河南開(kāi)封人，碩士研究生，(E-mail)nicholaqi@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265048)

收稿日期：2015-03-19