滅茬深松旋耕整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)機(jī)架有限元分析及優(yōu)化

河北雙天機(jī)械制造有限公司 趙西哲 張瑞星 張二栓 成志霞

引言

滅茬深松旋耕整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)，一次作業(yè)即可完成滅茬、深松、旋耕、鎮(zhèn)壓多項(xiàng)作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率，減少了資源浪費(fèi)，同時(shí)避免了因多次拖拉機(jī)進(jìn)地作業(yè)而造成土壤的二次壓實(shí)板結(jié)。通常滅茬機(jī)阻力在11~12.8KN 之間[1,2]，單個(gè)深松鏟的作業(yè)阻力在1900~2300N 在區(qū)間[3,4]，單個(gè)旋耕水平阻力平均值為87.6N，垂直阻力56.8N[5]。一臺(tái)聯(lián)合作業(yè)機(jī)具通常具有多個(gè)深松鏟和旋耕刀，其綜合作業(yè)阻力較大，這樣就對(duì)機(jī)架的強(qiáng)度有較高的要求。傳統(tǒng)機(jī)架的設(shè)計(jì)通常是通過(guò)類(lèi)比試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)參考兩種方式，對(duì)機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材一般都會(huì)造成性能過(guò)剩。而有限元法是一種在工程中常用的數(shù)學(xué)模擬分析方法，其將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型離散化成單獨(dú)相互關(guān)聯(lián)的個(gè)體，然后通過(guò)單獨(dú)個(gè)體的特征和個(gè)體之間的相互作用關(guān)系，表征整體結(jié)構(gòu)的變化。其優(yōu)點(diǎn)在于可將復(fù)雜的機(jī)械問(wèn)題采用數(shù)值近似和離散化的方式進(jìn)行計(jì)算和分析。本文采用有限元分析法對(duì)聯(lián)合作業(yè)機(jī)的機(jī)架進(jìn)行了強(qiáng)度和形變分析，同時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了相應(yīng)的建議。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及三維模型的建立

如圖1.1 所示，滅茬深松旋耕整地聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由機(jī)架、滅茬裝置、深松裝置、旋耕裝置和鎮(zhèn)壓裝置五部分組成。機(jī)架作為以上幾個(gè)部分的連接結(jié)構(gòu)，主要由前后方管和鋼板焊接而成。梁結(jié)構(gòu)采用80mm×6mm 的方管，連接板采用厚度為16 mm 的Q355B 鋼板，側(cè)板采用厚度為10 mm 的Q355B 鋼板，采用三維軟件構(gòu)建其三維模型，其三維模型如圖1.2 所示。

圖1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1.2 機(jī)架三維模型

2 聯(lián)合作業(yè)機(jī)機(jī)架有限元分析

2.1 單元?jiǎng)澐?/h3>

采用ANSYS WORKBENCH 模塊對(duì)機(jī)架三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。利用自動(dòng)網(wǎng)格劃分法，其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2.1 所示，其模型節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為75112 個(gè)，單元數(shù)為23550 個(gè)。

圖2.1 機(jī)架三維網(wǎng)格劃分模型

2.2 材料定義、載荷及邊界材料的添加

按照Q355B 鋼的材料屬性，即彈性模量為2.06×1011 N/m2，泊松比為0.280，材料密度為7.85 g / cm3。在ANSYS WORKBENCH 中對(duì)幾何網(wǎng)格模型的材料屬性進(jìn)行設(shè)置。

在網(wǎng)格模型上添加載荷和邊界條件（圖2.2），載荷分為滅茬載荷、深松載荷、旋耕載荷、鎮(zhèn)壓載荷四部分。由于鎮(zhèn)壓載荷較小可忽略不計(jì)。滅茬的水平阻力為12800N；單個(gè)深松鏟的耕作阻力為2300N, 聯(lián)合作業(yè)機(jī)共有4 個(gè)深松鏟合計(jì)阻力為9200N；單個(gè)旋耕刀水平阻力平均值為87.6N，垂直阻力56.8N，聯(lián)合作業(yè)機(jī)共有66 個(gè)旋耕刀，合計(jì)水平阻力為5781.6N，垂直阻力為3748.8N；為了模擬機(jī)架的真實(shí)工作情況，按照?qǐng)D1.1 滅茬、深松和旋耕的布局將力添加到機(jī)架上，并在三點(diǎn)懸掛處施加固定約束。

圖2.2 機(jī)架載荷及邊界條件添加

2.3 計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

在ANSYS WORKBENCH 中對(duì)機(jī)架三維模型進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果如圖2.3、圖2.4 所示。圖2.3 為機(jī)架的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出機(jī)架應(yīng)力值變化不大，其最大應(yīng)力值位于布在機(jī)架三點(diǎn)懸掛的下側(cè)的兩個(gè)吊耳處，數(shù)值為82.902 Mpa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限強(qiáng)度355 MPa。取安全系數(shù)為1.5，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于機(jī)架的許用應(yīng)力[σ]=355 Mpa /1.5=236.667 Mpa，故機(jī)架的強(qiáng)度滿足要求。圖2.4 為機(jī)架的位移云圖，機(jī)架的變形主要發(fā)生在安裝深松鏟的機(jī)架橫梁和安裝旋耕機(jī)的三點(diǎn)懸掛吊耳位置，其最大位移為0.554mm，該最大變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求的10 mm[6]，表明該結(jié)構(gòu)形式下機(jī)架具有很強(qiáng)的抗變形能力。

圖2.4 機(jī)架位移云圖

圖2.3 機(jī)架應(yīng)力云圖

3 優(yōu)化措施

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，應(yīng)力集中和形變量主要發(fā)生在三點(diǎn)懸掛吊耳連接處和機(jī)架安裝深松鏟橫梁處。故針對(duì)三點(diǎn)懸掛吊耳連接板可通過(guò)適當(dāng)加寬其寬度和厚度、直角位置適當(dāng)增加圓角過(guò)渡和增加加強(qiáng)筋的方式，提高吊耳連接板的穩(wěn)定性；針對(duì)深松鏟機(jī)架安裝處可通過(guò)適當(dāng)選用更大型號(hào)的型材、增加前后橫梁之間的連接量和增加加強(qiáng)筋的方式，提高機(jī)架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

機(jī)架為聯(lián)合作業(yè)機(jī)械的主要部件，用傳統(tǒng)田間試驗(yàn)方法優(yōu)化并分析其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)較為復(fù)雜和繁瑣。利用計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算技術(shù)，通過(guò)三維模型軟件SOILDWORKS 建立機(jī)架的三維模型后，并利用有限元分析軟件ANSYS WORKBENCH 對(duì)其模型進(jìn)行有限分析，可很快得出機(jī)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和形變等參數(shù)，從而對(duì)機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化分析。應(yīng)用仿真參數(shù)分析的方法，可快速對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少不必要的浪費(fèi)，提高工作效率，簡(jiǎn)化優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。