基于SolidWorks Simulation的旋耕刀有限元分析與優(yōu)化

唐磊

岳陽市農(nóng)業(yè)農(nóng)村事務中心，湖南岳陽

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中旋耕機是一種非常重要的基礎(chǔ)性設(shè)備，一方面能夠在耕作田塊的同時切斷土壤表面的植被層并均勻混合于耕作層中，給后續(xù)植物栽培創(chuàng)造一個優(yōu)良的栽培環(huán)境，另一方面在對田塊耕整作業(yè)的同時能將化肥、農(nóng)藥等物質(zhì)均勻混合在土壤中，一定程度上提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[1]。

旋耕機的功耗大小和作業(yè)效果很大程度上取決于旋耕刀的結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)設(shè)置。在傳統(tǒng)設(shè)計中，通常會依靠經(jīng)驗加大安全系數(shù)來滿足刀具強度要求，但盲目依靠經(jīng)驗加大安全系數(shù)設(shè)計出來的刀具結(jié)構(gòu)笨重、尺寸較大，難以匹配旋耕機的微型化和自動化發(fā)展[2]，因此，對旋耕刀進行有限元分析與優(yōu)化顯得尤為重要。

1 旋耕刀的結(jié)構(gòu)

在我國使用最廣泛的是彎刀旋耕刀，因此，本文以彎刀展開討論研究。彎刀旋耕刀由側(cè)切刃、正切刃和刀柄三部分組成。在實際工作中，離刀輥軸較近的刃口先切土，即先由側(cè)切刃縱向切開土壤，然后逐漸轉(zhuǎn)向遠離回轉(zhuǎn)中心，最后正切刃橫向切開土塊，達到耕整和平整田地的效果。這樣的耕作方式能夠利用較堅硬的耕地與刀刃交叉將草莖類進行切斷，進而提高耕整質(zhì)量，同時難以切斷的草莖類能夠順著刃口曲線自動向刀尖脫開，避免纏繞到旋耕刀上卡死旋耕機，從而進一步提高旋耕機的使用效率與穩(wěn)定性[3]。

2 旋耕刀模型建立和載荷確定

2.1 旋耕刀的三維實體建模

以微耕機上最常見的245 型旋耕刀進行三維實體建模，刀柄寬度300.00 mm、刀柄厚度10.00±0.53 mm、刀柄孔徑φ 12.50 mm、彎刀回轉(zhuǎn)半徑R 245.00 mm、幅寬50.00 mm、正切面彎折角120°、刃口厚度1.00～2.00 mm，利用SolidWorks 軟件中的拉伸、剪切等特性命令,對旋耕刀進行三維實體造型[2]，如圖1所示。

圖1 旋耕刀三維模型

2.2 載荷確定

旋耕刀在實際開展耕整作業(yè)時,刀具所受到的阻力與耕作土的理化性質(zhì)、耕作深度、刀具旋轉(zhuǎn)速度、機械運動速率等參數(shù)密切相關(guān)，影響因素繁多復雜。微耕機在田塊中耕作時旋耕作業(yè)和前進動作均由旋耕刀負載完成，此時，可認為旋耕刀承受了發(fā)動機的全部動力[4]。為簡化旋耕刀所受阻力的計算，旋耕刀所受合力與發(fā)動機功率、刀軸轉(zhuǎn)速、旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑的關(guān)系為：

P—發(fā)動機功率，kW；

F—作用在旋耕刀刀尖的載荷，N；

v—旋耕刀刀尖回轉(zhuǎn)速度，m/s；

w—旋轉(zhuǎn)到回轉(zhuǎn)角速度

n—旋轉(zhuǎn)刀轉(zhuǎn)速，280 r/min；

R—旋轉(zhuǎn)刀回轉(zhuǎn)半徑，245.00 mm；

微耕機的驅(qū)動功率通常在3.0～8.0 kW 之間。其中，小型微耕機的驅(qū)動功率較小，一般在3.0～5.0 kW 之間，主要適用于小型農(nóng)田的耕作作業(yè)，取微耕機功率P=4.5 kw，得到旋耕刀刀尖所受載荷F=313.0 N?？紤]刀尖入土時的瞬時沖擊影響，取初始旋耕比阻系數(shù)為1.5，旋耕刀取計算載荷：

F=1.5×313=469.5 N

在實際工作中，旋耕刀具伴隨著回轉(zhuǎn)軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)，往復式對耕作土壤進行切削，使得作用到旋耕刀上的阻力是一個周期性交替變化的震蕩力，為便于研究旋耕刀的受力性能，把切削力等效分解為分別作用在側(cè)切刃、過渡面刃以及正切刃處各施加垂直刃口方向的合力，合力大小為469.5 N。

3 旋耕刀有限元分析

3.1 旋耕刀的材料加載

在惡劣的農(nóng)耕工作環(huán)境中，要求旋耕刀能夠持續(xù)工作，且在接觸到磚頭、巖石等時候一般不會產(chǎn)生變形、斷裂或疲勞損傷等不可逆轉(zhuǎn)的失效行為，從而在旋耕刀的選材上要求硬度高、彈性強、韌性好，定義旋耕刀的材料屬性為65 Mn，材料密度為7.85×103kg·m-3，彈性模量為1.98×103MPa，泊松比為0.3，屈服強度為800 MPa。

3.2 約束與載荷的施加

在實際的使用環(huán)境中，旋耕刀通過螺栓固定于回轉(zhuǎn)刀輥軸上，和回轉(zhuǎn)刀輥軸同時做循環(huán)回轉(zhuǎn)運動，因此，在旋耕刀安裝孔處施加固定約束[5]，同時，使用“標準網(wǎng)絡”對模型進行網(wǎng)格劃分，選取雅可比點：4點，自動將網(wǎng)格劃分得稀疏得當，獲得模型節(jié)點數(shù)為32 499個，劃分網(wǎng)格數(shù)為20 097個，在側(cè)切刃、過渡面刃和正切刃處施加垂直于刃口方向的合力469.5 N，完成旋耕刀有限元預處理模型設(shè)置如圖2所示。

圖2 旋耕刀實體模型網(wǎng)格劃分及約束、載荷加載

4 旋耕刀的有限元求解與結(jié)果分析

當載荷值達到或超過材料屈服極限值，旋耕刀將會產(chǎn)生彎曲變形、斷裂等不可逆轉(zhuǎn)的失效行為，為此通過添加總變形、應力和應變分析項目進行求解和優(yōu)化[6]。

應力分布云圖（圖3）表明：在旋耕刀刀柄與刀背曲線圓滑過渡處以及刀柄通孔處，出現(xiàn)最大載荷為289.96 MPa，但是依然沒有超過材料屬性的許用應力值430.00 MPa，通過應力云圖可以直觀看出，應力向刀尖的水平方向彌散減小,因為旋耕刀在進行作業(yè)時,會受到刀輥軸旋轉(zhuǎn)帶來的離心力和附著在旋耕刀上泥土本身的重力,而且65Mn也有比較好的機械性能,從而會使受到的應力比較平穩(wěn)地向四周擴展[7]。

圖3 應力分布云圖

位移分布云圖（圖4）表明：刀尖出現(xiàn)最大位移量1.434 mm，在作業(yè)中的旋耕刀剛度最差處在刀尖，最小位移為1.000×10-30mm，變形比例為17.129。

圖4 位移分布云圖

應變分析云圖（圖5）表明：旋耕刀最大應變?yōu)?.344×10-4，發(fā)生在刀柄通孔處和刀柄與刀背過渡處，所受載荷越大越容易發(fā)生彎曲變形、斷裂等失效，與實際生產(chǎn)過程中旋耕刀產(chǎn)生彎曲、斷裂等失效一致。

圖5 應變分布云圖

5 優(yōu)化設(shè)計

對旋耕刀的模型結(jié)構(gòu)、等效靜應力及結(jié)合實際耕作過程進行全面分析，在實際惡劣的農(nóng)耕生產(chǎn)環(huán)境下，耕作土壤中經(jīng)常含有堅硬石塊，與旋耕刀產(chǎn)生摩擦和碰撞，使旋耕刀產(chǎn)生嚴重的磨損。通常采用增大刀具的截面積或減小極端工況下的應力集中來優(yōu)化，考慮到可操作性及實際生產(chǎn)，通常采用在刀具上增加加強筋，增大應力集中處的截面積來實現(xiàn)減小應力集中產(chǎn)生。

通過對旋耕刀模型優(yōu)化后進行分析，在刀柄與刀背的圓滑連接處，距離刀柄與刀背彎曲連接側(cè)6.00 mm處進行壓凹處理，產(chǎn)生出一條直徑為6.00 mm的凹槽，同時對刀柄兩側(cè)對稱加厚2.00 mm，圖6為優(yōu)化后旋耕刀的應力云圖。結(jié)果顯示，最大應力由289.96 MPa降到了200.23 Mpa，減小了30.9%，本優(yōu)化方案在不改變刀具外形結(jié)構(gòu)和基本尺寸、不增加刀具質(zhì)量和輸出能耗的情況下，減小了最大應力集中的效果。

圖6 優(yōu)化后旋耕刀的應力云圖

6 結(jié)論

旋耕刀具的結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)能夠直接影響耕整作業(yè)質(zhì)量及刀具使用壽命。本文利用SolidWorks 軟件對微耕機245 型旋耕刀進行了三維實體建模，導入Simulation 進行了靜力分析，從理論上分析了旋耕刀工作狀態(tài)下的應力、應變和變形情況以及刀具彎曲、斷裂等失效可能均與實際生產(chǎn)匹配。同時，針對旋耕刀在復雜、惡劣的農(nóng)耕環(huán)境中容易造成應力過大，易產(chǎn)生斷裂和彎曲變形的問題，提出了行之有效的優(yōu)化方案，即刀柄兩側(cè)對稱加厚，采用壓凹的方法對刀具進行優(yōu)化設(shè)計，在不改變刀具外形結(jié)構(gòu)和外形基本尺寸、不增加刀具質(zhì)量和輸出能耗的情況下，達到了減小最大應力集中的效果，從根本上降低了刀具的斷裂、變形失效頻率，為刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有價值的參考理論依據(jù)。