基于ANSYS的振动式深松耕作业机的有限元分析

黄 伟，杨龙宝，杨 军

（广西大学 机械工程学院，广西 南宁530004）

基于实现农业可持续发展的需要，本文阐述了振动式深松耕作业机的工作原理。目前振动式深松耕作业机的研究大部分都是通过经验结论而不是通过科学的计算进行的；各个零件的尺寸也都是通过类比或经验得出，采用这种传统的方法具有一定的盲目性和局限性。因此，我们需要引进更为先进合理的设计方法，使设计出的振动式深松耕作业机更加科学和合理，为以后振动式深耕作业机的生产和制造提供更加有效的参考[1~2]。而有限元方法就是针对上述缺陷而提出的先进有效的设计方法。本文主要利用有限元理论结合ANSYS软件，对振动式深松耕作业机的主要零部件进行结构分析验证其刚度和强度。此方法对提高振动式深松耕作业机的寿命、加工精度和降低成本具有重要的指导意义。

1 振动式深松耕作业机

如图1所示,振动式深松耕作业机主要由1悬挂、5机架、7缓冲装置、6振动部件、3深松部件、1限深轮和4中耕部件等组成，深松部件由2过载安全器及3深松铲构成。

图1 振动式深松耕作业机结构简图

深松部件置于机架中呈对称式分布。深松铲铲尖为弧形状，其横行距离为140 cm，铲头为槽形状。中耕部件配置于中间和相应深松部件的后部，与机架相连。限深轮位于机架的后侧。振动部件是振动式深松耕作业机的重要组成部分，在工作中起到激励振动的作用。其构成装置为偏心块齿轮结构。振动式深松耕作业机工作时，动力由主动轴输入，经齿轮传动的减速增扭作用下驱动从动轮转动，从而使偏心块周期性摆动，进而激发整个机构的振动。

2 提升机构的力学分析

该振动式深松耕作机采用三点悬挂式提升机构，其机构简图如图2所示。

图2 提升机构简图

其中，ABCH为三点悬挂四杆机构，AFJD为液压四杆提升机构，K为悬挂机构的重心，B点为下悬挂点，AB杆为拖拉机下拉杆，CH为拖拉机中央拉杆，JF为液压缸[3~4]。

对B点取距则有：

其中，

M为下拉杆右端点到中心拉杆的距离；

G为机构所受重力；

B为重心到下悬挂点的距离BK。

同样对A点取距得：

其中：

H为下拉杆左端点到中心拉杆的距离；

T为液压缸提升力；

N为下拉杆左端点到液压缸杆的距离；

a为下悬挂点至下拉杆固定铰链点的水平距离。

若两种情形等效，则杆JF对AB杆的作用力也为T。以AB杆为研究对象，对A点取矩，则有

其中，Q为换算到下悬挂点的提升力，由上三式得：

3 关键零部件的有限元分析

3.1 深松铲铲柱的有限元分析

（1）设定材料特性

根据结构参数,深松铲铲柱的材料为45号钢。该材料的弹性模量E=2.02×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg/（mm）3，屈服极限为σs=355 MPa。

（2）单元选择

单元格的类型选择SOLID92三维实体单元，此单元有十个节点，可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化，具有大变形和大张力的能力[5]。

（3）网格划分

采用ANSYS中的智能划分网格方法，精度取6级[6]。

（4）有限元模型的建立

经智能网格划分后深松铲铲柱的有限元模型如图3所示：节点的数目为6 790，单元数目为1 096。

图3 深松铲铲柱的有限元模型

（5）有限元计算结果与分析

经有限元计算得深松铲铲柱的变形云图如图4所示。

图4 深松铲铲柱的变形云图

经有限元分析得：切削刀片的最大变形为0.864×10-5m，发生在铲尖处。

经有限元计算得深松铲铲柱的应力云图如图5所示。

图5 深松铲铲柱的应力云图

经有限元分析得：切削刀片的最大应力为762.2 Mpa，发生在被固定孔和下方两孔的两侧。

经有限元计算得深松铲铲柱的应变云图如图6所示。

图6 深松铲铲柱的应变云图

经有限元分析得：切削刀片的最大应变为0.364×10-8MPa。

3.2 深松铲的有限元分析

在ANSYS软件中，分别建立深松铲铲柱和铲头的有限元模型，在ANSYS中将其装配在一起，以达到模拟真实状态的目的。

（1）设定材料特性

根据结构参数深松铲铲柱和铲头的材料为45号钢。该材料的弹性模量E=2.02×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-6kg/（mm）3，屈服极限为σs=355 MPa。

（2）单元选择

单元格的类型选择SOLID92三维实体单元，此单元有十个节点，可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化，具有大变形和大张力的特点。

（3）网格划分

采用ANSYS中的智能划分网格方法，精度取6级。

（4）有限元模型的建立

经智能网格划分后深松铲的有限元模型如图7所示。

图7 深松铲的有限元模型

（5）有限元计算结果与分析

经有限元计算得动刀片的应力云图如图8所示。

图8 深松铲的的变形云图

经有限元分析得：深松铲的的最大变形为0.935×10-5m，最大变形处发生在铲尖处。

经有限元计算得动刀片的应力云图如图9所示。

图9 深松铲的的应力云图

经有限元分析得：深松铲的的最大应力为775.9 Mpa，最大应力出现在孔的周围。

经有限元计算得动刀片的应力云图如图10所示。

图10 深松铲的的应变云图

经有限元分析得：深松铲的的最大应变为0.347×10-8MPa，最大应变发生在孔的周围。

4 结束语

（1）通过上述的有限元分析，振动式深松耕作业机的主要零件最大应力远远小于材料的许用应力，满足强度条件。

（2）通过上述的有限元分析，振动式深松耕作业机的主要零件满足刚度要求。

[1]王维忠，李明金.机械化深松整地技术初探[J].农业装备技术，2006，32(6):14-15.

[2]王瑞丽，李宝筏，邱立春.1ZS-2型振动深松机的研究设计[J].农机化究，2004(5):134-135.

[3]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学（I）[M]：第六版.北京：高等教育出版社，2002.

[4]濮良贵，纪名刚.机械设计[M]：第八版.北京：高等教育出版社，2005.

[5]张朝晖.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析：第二版[M].北京：机械工业出版社，2008.

[6]宋天霞.有限元理论及应用基础教[M].武汉:华中工学院出版社，1987.