基于ADAMS旋耕刀工作參數(shù)優(yōu)化及ANSYS仿真分析

陳雪+張周+黃化剛+符德龍+張富貴+吳雪梅

摘要 為達(dá)到旋耕刀最佳工作狀態(tài)，并對(duì)該狀態(tài)下旋耕刀進(jìn)行設(shè)計(jì)及校核驗(yàn)證，以復(fù)式作業(yè)機(jī)械為平臺(tái)，對(duì)旋耕刀尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定旋耕刀外形尺寸參數(shù)為彎刀R240。采用UG三維軟件結(jié)合設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)建立旋耕刀三維模型，將模型導(dǎo)入ADAMS仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到旋耕刀最佳轉(zhuǎn)速為ω=5 r/s，機(jī)組最佳前進(jìn)速度為V=1.537 8 m/s。根據(jù)旋耕刀工作參數(shù)計(jì)算出旋耕刀工作載荷F=448.56 N，采用ANSYS軟件在工作載荷的作用下分析校核旋耕刀。結(jié)果表明，刀尖變形量最大，為0.249 mm，刀柄所受的應(yīng)力最大，為48.65 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力300 MPa，滿足工作要求。本研究為復(fù)式作業(yè)機(jī)械的旋耕部件改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 復(fù)式作業(yè)機(jī)械；旋耕刀；ADAMS；參數(shù)優(yōu)化；運(yùn)動(dòng)學(xué)；有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào) S222.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）02-0167-04

Optimization of Rotary Blade Working Parameters Based on ADAMS and ANSYS Simulation Analysis

CHEN Xue 1 ZHANG Zhou 2 HUANG Hua-gang 1 FU De-long 1 ZHANG Fu-gui 2 WU Xue-Mei 2

（1 Bijie Branch of Guizhou Provincial Tobacco Corporation，Bijie Guizhou 551700； 2 College of Mechanical Engineering，Guizhou University）

Abstract In order to achieve the best working condition of rotary blade，check and verify the rotary blade under the condition，the dimension parameters were designed for rotary blade of compound machine in this paper，and it was concluded that the boundary dimension of rotary blade was bent blade R240.On the basis of UG three-dimensional software and designed dimension parameters，a three-dimensional model of rotary blade was established and imported into ADMAS simulation software for kinematics analysis.It was concluded that the optimal rotation rate and the optimal advancing velocity were ω=5 r/s and V=1.537 8 m/s，respectively.Based on the working parameters of rotary blade，it was estimated that the working load of rotary blade was F=448.56 N. Under this working load，the ANSYS software was used to analyze and examine the rotary blade.The results showed that nose of the tool showed the greatest deformation（0.249 mm）and the handle carried the greatest stress（48.65 MPa），far less than the allowable stress 300 MPa，which met the working requirement.This study provides reference for the improvement of rotary component in compound machine.

Key words compound machine；rotary blade；ADAMS；parameter optimization；kinematics；finite element analysis

旋耕起壟施肥復(fù)式作業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)機(jī)械中被廣泛使用，旋耕是復(fù)式作業(yè)機(jī)械中的重要環(huán)節(jié)。旋耕刀的設(shè)計(jì)與機(jī)械的工作效率、使用性能有重要的聯(lián)系[1-3]。隨著科技的發(fā)展，旋耕刀傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法逐漸被數(shù)字化設(shè)計(jì)方法取代。例如，呂曉蘭等[4]在Radioss有限元分析方法的基礎(chǔ)上采用了QptiStruct軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析后，對(duì)旋耕刀重新設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)的旋耕刀效果理想；張靈芝等[5]以IT245旋耕刀為基礎(chǔ)，運(yùn)用AutoLISP編程結(jié)合Solidworks進(jìn)行三維建模，用Simulation插件對(duì)旋耕刀進(jìn)行有限元分析。同時(shí)，土壤的物理性質(zhì)對(duì)旋耕刀性能也有重要的影響，很多研究人員通過(guò)分析土壤性質(zhì)設(shè)計(jì)分析旋耕刀。例如，日力夏提·阿布都熱西提等[6]為解決土壤和草根對(duì)旋耕刀產(chǎn)生的疲勞失效問(wèn)題，利用有限元分析對(duì)旋耕刀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和穩(wěn)定性分析；方會(huì)敏等[7-8]采用離散元方法分析了土壤、秸稈對(duì)旋耕刀的影響。大量研究表明，旋耕刀是依靠現(xiàn)有成型旋耕刀為基礎(chǔ)的基于有限元分析軟件分析優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文對(duì)旋耕部件的分析主要依托雙料箱施肥機(jī)為平臺(tái)，設(shè)計(jì)旋耕刀外形尺寸參數(shù)，采用UG三維軟件建模，ADAMS軟件選取旋耕最佳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，最后基于ANSYS有限元分析軟件對(duì)旋耕刀進(jìn)行優(yōu)化校核。本研究為復(fù)式作業(yè)機(jī)械的旋耕部件改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。endprint

1 雙料箱旋耕部件結(jié)構(gòu)

1.1 雙料箱施肥機(jī)結(jié)構(gòu)

旋耕刀仿真分析是基于雙料箱施肥機(jī)為平臺(tái)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。雙料箱整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 旋耕部件

1.2.1 旋耕刀部件性能參數(shù)。旋耕刀旋轉(zhuǎn)由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出動(dòng)力經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳遞給變速箱驅(qū)動(dòng)刀輥回轉(zhuǎn)。根據(jù)雙料箱施肥要求所設(shè)計(jì)的旋耕刀性能參數(shù)如表1所示。

1.2.2 旋耕刀設(shè)計(jì)。旋耕刀按結(jié)構(gòu)形式可分為鑿形刀、直角刀和彎刀[9]。為保證有較強(qiáng)的切土能力，旋耕刀結(jié)構(gòu)選用彎刀，彎刀刀刃由側(cè)切刃和正切刃2個(gè)部分組成，正切刃與側(cè)切刃相切過(guò)渡。彎刀的側(cè)切刃輪廓為等進(jìn)螺旋線（即阿基米德螺旋線），其尺寸參數(shù)如圖2所示。

參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)手冊(cè)》，根據(jù)阿基米德螺旋線的基本方程[10]，建立旋耕刀三維模型。

ρ計(jì)算公式如下：

ρ=ρ0+α′θ（1）

式（1）中，θ為螺線上任意點(diǎn)的極角，單位為rad；α′為極角增量，曲線每增加1 rad極角所增加的長(zhǎng)度，單位為mm；ρ0為起點(diǎn)極徑，單位為mm；為使非刀刃部分不切削土壤，ρ0可由式（2）求得：

式（2）中，S為設(shè)計(jì)切土節(jié)距，單位為mm；d為設(shè)計(jì)耕深，單位為mm；R為彎刀回轉(zhuǎn)半徑，單位為mm。耕深一般為140～160 mm，故取d=15 mm，R=240 mm。通常情況下保證可以使2個(gè)部分刀刃相切連接。

取ρn=230 mm，螺線R-ρn=10～20 mm，終點(diǎn)極角θn可由式（3）求出：

式（3）中，τn為螺線終點(diǎn)處的滑切角，根據(jù)要求取τn=45°。每弧度增量α′由ρn、ρ0及θn可求出：

α′=（ρn-ρ0）/θn（4）

旋耕刀尺寸參數(shù)如表2所示。

1.2.3 旋耕刀建模。根據(jù)表2中的旋耕刀設(shè)計(jì)參數(shù)尺寸，通過(guò)UG三維建模軟件，設(shè)計(jì)出旋耕刀三維模型，具體如圖3所示。

2 旋耕刀運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

2.1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)

通過(guò)觀察旋耕刀關(guān)鍵位置的運(yùn)動(dòng)情況，得到最佳的轉(zhuǎn)速和行進(jìn)速度組合，使旋耕刀更好地進(jìn)行旋耕土壤。為提高仿真效率，仿真時(shí)只導(dǎo)入旋耕刀，單位設(shè)為m（長(zhǎng)度）、s（時(shí)間）、rad（角度），將工作網(wǎng)格尺寸設(shè)置為X=600 mm、Y=600 mm。導(dǎo)入ADAMS中，在旋耕刀正切刃和側(cè)切刃交匯處利用點(diǎn)功能繪制相對(duì)于刀具的標(biāo)記點(diǎn)。添加的運(yùn)動(dòng)副，模擬并在簡(jiǎn)化刀架上添加相對(duì)于地面的移動(dòng)副，模擬機(jī)具在拖拉機(jī)的牽引下做直線運(yùn)動(dòng)；在旋耕刀刀柄處添加一個(gè)相對(duì)于機(jī)架的旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針。

為了觀察不同速度狀態(tài)下旋耕刀的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)拖拉機(jī)常用的行進(jìn)速度，結(jié)合雙料箱施肥復(fù)式作業(yè)機(jī)械選取驅(qū)動(dòng)速度。將不同速度匹配關(guān)系命名為Pij（i表示轉(zhuǎn)速標(biāo)號(hào)，j表示行進(jìn)速度標(biāo)號(hào)），仿真匹配關(guān)系如表3所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及結(jié)果

在ADAMS中對(duì)不同的速度匹配關(guān)系Pij進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到的不同匹配速度下的總軌跡如圖4所示?？梢钥闯?，不同匹配速度下的軌跡圖6種匹配關(guān)系均為余擺線，各匹配關(guān)系仿真軌跡的最大弦長(zhǎng)關(guān)系為L(zhǎng)max12>Lmax23>Lmax22>Lmax13>Lmax11>Lmax21。弦長(zhǎng)表示旋耕刀的切土范圍及松土性能，6種匹配關(guān)系均能實(shí)現(xiàn)松土的功能，比較得P12的松土性能較好。

標(biāo)記點(diǎn)總位移分析如圖5所示?？梢钥闯?，P11情況下標(biāo)記點(diǎn)的總位移曲線在0.2 s和0.4 s時(shí)的位移相同，有重耕現(xiàn)象；P21、P22情況下標(biāo)記點(diǎn)的總位移曲線在0.2 s時(shí)的位移量小于在0.1 s時(shí)的位移量，且該現(xiàn)象呈一定的規(guī)律性，產(chǎn)生了嚴(yán)重的周期性重耕現(xiàn)象。刀具重耕不但會(huì)使松土效率降低，而且地膜重復(fù)被刀具切割容易纏繞在刀具上，故有重耕現(xiàn)象的匹配關(guān)系不宜使用。

標(biāo)記點(diǎn)總速度分析如圖6所示。可以看出，旋耕刀標(biāo)記點(diǎn)總速度與機(jī)具行進(jìn)速度成正比，總速度的變化規(guī)律均為正弦函數(shù)形式，行進(jìn)速度越大，總速度的振幅越大。

通過(guò)對(duì)旋耕刀標(biāo)記點(diǎn)加速度的分析，可知旋耕刀的行進(jìn)速度不影響加速度。綜上分析，可以確定旋耕刀的最優(yōu)工作參數(shù)為P12，即旋耕刀轉(zhuǎn)速為ω1=5 r/s，機(jī)組的前進(jìn)速度為V2=1.537 8 m/s時(shí)刀具具有較大的旋土范圍，不發(fā)生重耕現(xiàn)象，旋耕性能達(dá)到最優(yōu)。

3 旋耕刀有限元分析

3.1 旋耕刀工作載荷的確定

根據(jù)GB/T 5669—2008和已有旋耕刀的相關(guān)研究，本文旋耕刀選用材料為65Mn鋼，其材料屬性如表4所示。

旋耕刀工作旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀具所受的阻力由各旋耕刀的阻力合成。其阻力大小、方向及作用點(diǎn)與土壤物理性狀、耕深、刀具轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度等因素有關(guān)，影響因素繁多復(fù)雜。為簡(jiǎn)化阻的力計(jì)算，按如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算刀具所受功耗[11]：

Nα=0.1KλdυmB（5）

Kλ=KgK1K2K3K4（6）

式（5）（6）中，Nα為功耗，單位為kW；Kλ為旋耕比阻，單位為N/cm3；d為耕深，單位為cm；υm為機(jī)組前進(jìn)速度，單位為m/s；B為耕幅，單位為m；Kg為初始旋耕比阻，單位為N/cm3；K1為耕深修正系數(shù)；K2為土壤含水率修正系數(shù)；K3為殘茬植被系數(shù)；K4為作業(yè)方式修正系數(shù)。

根據(jù)本文旋耕刀的工作參數(shù)及實(shí)際工作環(huán)境，耕深d取值為15 cm；機(jī)組前進(jìn)速度υm為1.5 m/s；B為1.2 m；根據(jù)切土節(jié)距在12～15 cm之間，初始旋耕比阻Kg取值范圍為11～13 N/cm3，取12 N/cm3；根據(jù)耕深要求，耕深修正系數(shù)K1取1.0；根據(jù)含水率<30%，取土壤含水率修正系數(shù)K2為0.97；根據(jù)工作環(huán)境取殘茬植被系數(shù)K3為1.1，取作業(yè)方式修正系數(shù)K4為0.66。

此外，根據(jù)變速箱的設(shè)計(jì)要求及外界因素的影響，傳動(dòng)效率為η=0.8，由以上分析，刀具的所受功耗為：endprint

3.2 旋耕刀有限元分析結(jié)果

將模型導(dǎo)入ANSYS模型中，選擇刀具材料屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每單元格網(wǎng)格大小設(shè)置為3 mm，旋耕刀網(wǎng)格劃分如圖7所示。旋耕刀工作時(shí)，刀刃最先受力，旋耕刀所受載荷達(dá)到屈服極限時(shí)將會(huì)產(chǎn)生變形、斷裂或疲勞損傷等失效行為，需要對(duì)設(shè)計(jì)的旋耕進(jìn)行校核變形量、應(yīng)力、拉應(yīng)力是否滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)旋耕刀工作載荷，均勻向刀刃加載力F=448.56 N。

經(jīng)過(guò)ANSYS有限元分析，刀尖到刀柄位移變形量逐漸變小，最大變形量為0.249 mm，旋耕刀位移變化如圖8所示。刀柄所受的應(yīng)力最大為48.65 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力300 MPa。旋耕刀應(yīng)力云如圖9所示。根據(jù)分析結(jié)果可知，旋耕刀滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

旋耕刀設(shè)計(jì)參數(shù)與旋耕刀性能有直接聯(lián)系。本文旋耕刀總體設(shè)計(jì)以雙料箱施肥機(jī)復(fù)式作業(yè)機(jī)械為平臺(tái)，利用UG三維軟件進(jìn)行旋耕刀建模，ADAMS仿真軟件對(duì)旋耕刀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，確定旋耕刀最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)。然后，旋耕刀設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)合材料屬性確定了旋耕刀的工作載荷。最后通過(guò)ANSYS分析軟件分析校核了旋耕刀應(yīng)力和變形情況。綜上分析結(jié)果表明，以雙料箱施肥機(jī)復(fù)式作業(yè)機(jī)械為平臺(tái)設(shè)計(jì)的旋耕刀在得到最佳的旋轉(zhuǎn)速度與前進(jìn)速度時(shí)，其位移最大變形量為0.249 mm；應(yīng)力主要集中在刀輥與刀柄之間，最大應(yīng)力為48.65 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力300 MPa，滿足要求。該旋耕刀設(shè)計(jì)可行、效果理想，與此同時(shí)，本研究為復(fù)式作業(yè)機(jī)械的旋耕部件改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 秦寬，丁為民，方志超，等. 犁翻旋耕復(fù)式作業(yè)耕整機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（16）：7-16.

[2] 胡雷. 基于有限元技術(shù)的旋耕機(jī)設(shè)計(jì)與工作部件仿真研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2014.

[3] 朱曙光，毛鵬軍，胡春燕.淺述旋耕刀設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2009（2）：17-19.

[4] 呂曉蘭，雷嘵暉，柏宗春，等.旋耕起壟復(fù)式作業(yè)機(jī)旋耕刀拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（12）：431-434.

[5] 張靈芝，朱為國(guó). 基于Solidworks旋耕刀實(shí)體建模與有限元分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（11）：26-29.

[6] 日力夏提·阿布都熱西提，尼加提·玉素甫，買(mǎi)買(mǎi)提明·艾尼.旋耕刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與動(dòng)力穩(wěn)定性分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016（1）：57-61.

[7] 方會(huì)敏，姬長(zhǎng)英，張慶怡，等.基于離散元法的旋耕刀受力分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（21）：54-59.

[8] 方會(huì)敏，姬長(zhǎng)英，Ahmed Ali Tagar，等.秸稈-土壤-旋耕刀系統(tǒng)中秸稈位移仿真分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，32（1）：60-67.

[9] 王榮，王宏宇，金鏡，等.基于ANSYS的大耕深旋耕刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015（5）：136-139.

[10] 李寶筏.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[11] 袁秀文.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.endprint