基于CATIA的施肥深松機(jī)的設(shè)計與有限元分析

姚鵬華 ，郭永川 ，姚智華

（1.湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽441053；2.純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計與測試湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北 襄陽441053；3.湖北文理學(xué)院后勤保障與資產(chǎn)管理部，湖北 襄陽441053；4.安徽科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽233100）

土壤深松作業(yè)是指對正常犁耕深度的犁底層土壤進(jìn)行松土作業(yè)。通過深松作業(yè)，可以增加土壤的透氣性和透水性，防止土壤板結(jié)，有利于作物生長[1]。常規(guī)的深松機(jī)一般只具有深松功能。本文設(shè)計了一種新型的深松施肥機(jī)，在深松土壤的同時，還可以對深層土壤進(jìn)行施肥作業(yè)，保證作物在生長后期的肥料供應(yīng)，這是一般的施肥作業(yè)難以實(shí)現(xiàn)的。本文首先進(jìn)行了施肥深松機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析，并利用CATIA軟件的數(shù)字化建模功能輔助三維設(shè)計。深松機(jī)在工作工作中，鏟頭與土壤的受力狀況較為復(fù)雜。為此采用CATIA軟件自身的有限元分析模塊，對深松作業(yè)關(guān)鍵部件深松鏟鏟頭進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了鏟頭內(nèi)部的應(yīng)力分布和受力特性[2-6]。分析結(jié)果對改進(jìn)深松鏟鏟頭結(jié)構(gòu)，優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

本次設(shè)計的深松施肥機(jī)如圖1所示。該機(jī)采用三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)掛接。其主要工作部件為裝在機(jī)架上的鑿形深松鏟。施肥箱布置在機(jī)架的后側(cè)，排肥器采用外槽輪式排肥器。工作時，拖拉機(jī)通過懸掛裝置牽引施肥深松機(jī)在田間工作，由于深松鏟有一定的入土角，在深松機(jī)自重作用下，鏟頭可深入土壤底層進(jìn)行深松作業(yè)。地輪一方面起限深作用，另一方面地輪的轉(zhuǎn)動通過鏈傳動帶動排肥軸轉(zhuǎn)動，肥箱中的肥料通過排肥器、輸肥管和肥料管落至深松鏟底部土壤中，一次性完成深松和深層土壤施肥作業(yè)。

圖1 施肥深松機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 機(jī)架的設(shè)計

機(jī)架采用框架結(jié)構(gòu)，主要采用80 mm×80 mm的方鋼焊接而成。機(jī)架分為前后兩部分，中間有一橫梁，如圖2所示。機(jī)架前部分用于三點(diǎn)懸掛裝置，并與拖拉機(jī)掛接，橫梁為下拉桿作用梁。施肥箱布置在機(jī)架的后部分。深松鏟通過螺栓與機(jī)架相連。該機(jī)架剛度較好，結(jié)構(gòu)簡單，容易制造。

圖2 機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 深松鏟的設(shè)計

深松鏟是深松機(jī)的關(guān)鍵工作部件。該深松施肥機(jī)一共設(shè)置了五個深松鏟，分前后兩排并相互錯開，保證深松行間距為400 mm.深松鏟的工作深度為250-350 mm，其工作深度由地輪調(diào)節(jié)裝置控制。深松鏟分為鏟頭和鏟柄兩部分。鏟頭應(yīng)具有較強(qiáng)的松土能力，同時應(yīng)具有一定的強(qiáng)度、剛度和耐磨性。深松鏟的鏟頭形式有鑿型、翼型和三角型等多種形式。根據(jù)工作要求，本深松施肥機(jī)選擇鑿型鏟頭。該鏟頭強(qiáng)度較高，松碎土壤性能好。鏟頭的材料選擇65Mn，硬度為HRC50.鏟柄上設(shè)置有螺栓孔，通過螺栓與機(jī)架連接。鏟尖結(jié)構(gòu)參數(shù)及鏟柄其他結(jié)構(gòu)參數(shù)參照J(rèn)B/T 9788—1999[7].

2.3 施肥部件的設(shè)計

施肥箱固定在機(jī)架的后方。排肥器采用外槽輪式排肥器，排肥軸上安裝有小鏈輪，地輪上安裝有大鏈輪。當(dāng)拖拉機(jī)帶動深松施肥機(jī)前進(jìn)時，地輪旋轉(zhuǎn)并通過鏈傳動帶動排肥軸轉(zhuǎn)動，使肥料通過排肥器落入塑料波紋輸肥管。

常規(guī)的施肥機(jī)需要開溝器，本次設(shè)計巧妙利用了深松鏟的開溝功能，無需施肥開溝器，使整機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步簡化。從圖1可以看出，在深松鏟背后焊接方管和圓管作為肥料管，塑料波紋肥料管套入到肥料管中。這樣肥料就可以沿著肥料管，落至深松鏟開好的溝底，實(shí)現(xiàn)了深層土壤施肥。

利用CATIA軟件的機(jī)械設(shè)計功能進(jìn)行三維設(shè)計。首先根據(jù)設(shè)計尺寸對深松機(jī)的各零件進(jìn)行三維建模，再利用配合命令，定義相合、偏置、角度、固定等約束，將其零部件結(jié)合到一起，最終完成施肥深松機(jī)各零件的裝配。設(shè)計好的三維裝配圖如圖3所示。

圖3 施肥深松機(jī)的三維建模

3 施肥深松機(jī)鏟頭的有限元分析

深松鏟是深松機(jī)的主要工作部件，鏟頭是深松鏟的關(guān)鍵部件，用于深松土壤。鏟頭受力較大且受力復(fù)雜，常規(guī)的力學(xué)理論解析分析難以進(jìn)行。有限元方法適合于分析復(fù)雜工程受力問題。為此本文利用CATIA的有限元分析功能進(jìn)行鏟頭的靜力學(xué)分析。

3.1 材料屬性

鏟頭材料為65Mn，為此選擇metal材料中的steel選項。設(shè)置材料密度ρ＝7 850 kg/m3，彈性模量E=2.0×105MPa，泊松比μ=0.3.

3.2 定義約束和施加載荷

約束是用來約束模型的相對的運(yùn)動。每一個節(jié)點(diǎn)都存在6個自由度，分別為x，y，z三個豎直方向和三個轉(zhuǎn)動。根據(jù)深松鏟的結(jié)構(gòu)，在深松鏟鏟頭與機(jī)架的螺栓連接處設(shè)置固定約束。

鏟頭在深松作業(yè)時，其所受到的載荷很難計算，這是因為鏟頭的受力與作業(yè)工況、結(jié)構(gòu)參數(shù)、鏟頭入土角度和土壤物理性質(zhì)等有關(guān)[8]。為了簡化計算，本文采用文獻(xiàn)[9]的相關(guān)結(jié)論，當(dāng)深松鏟鏟頭入土深度為350 mm，拖拉機(jī)速度為0.5 m/s時，鏟頭阻力F可用公式表示為：

F＝1.1473lnA-6.1471

式中：F為鏟頭受力，A為鏟頭在底平面的投影面積。

根據(jù)本深松施肥機(jī)鏟頭的結(jié)構(gòu)尺寸，代入數(shù)據(jù)，可近似得到鏟頭的受力F=3.8 kN.

為了簡化分析，將該載荷F添加在鏟頭的中間高度位置上。添加好約束與載荷的鏟頭如圖4所示。

圖4 深松鏟的約束和載荷圖

3.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分能夠?qū)θS實(shí)體模型劃分成各個參數(shù)，是有限元分析的重要環(huán)節(jié)。進(jìn)入網(wǎng)格劃分模塊，在size文本域中輸入數(shù)值為3 mm，在Element type區(qū)域中選擇Parabolic選項，完成最終網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

圖5 深松鏟的網(wǎng)格劃分

3.4 深松鏟頭的靜應(yīng)力分析

對位移量圖和主應(yīng)力圖進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 深松鏟的應(yīng)力與位移圖

從圖6可以看出，當(dāng)深松施肥機(jī)的行走速度為0.5 m/s，鏟頭入土深度為350 mm時，鏟頭內(nèi)部的最大應(yīng)力為268 MPa，本次設(shè)計的深松鏟鏟頭材料采用65 Mn，其屈服強(qiáng)度[σs]=784 MPa，可見最大應(yīng)力小于鏟頭材料的屈服強(qiáng)度。最大位移為6.01×10-5mm，變形量較小。鏟頭內(nèi)部應(yīng)力和位移量變形較為合理，鏟頭強(qiáng)度可以滿足作業(yè)要求。設(shè)計的樣機(jī)在某農(nóng)場試驗，深松施肥效果良好，工作部件可靠性較好。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的施肥深松機(jī)，能一次性完成深松和施肥復(fù)式作業(yè)，效率較高。設(shè)計中采用CATIA軟件進(jìn)行三維設(shè)計與有限元靜力學(xué)分析，提高了設(shè)計效率，在設(shè)計階段就避免了農(nóng)業(yè)作業(yè)過程中的失效問題。本文分析結(jié)果對優(yōu)化施肥深松機(jī)結(jié)構(gòu)提供了理論參考。