弯形旋耕刀的静应力分析

邓祥丰，鄢 强，宋慧瑾，吴明春，徐茂辉，何 玲，吴 亮

(成都大学 机械工程学院，四川 成都 610106)

0 引 言

旋耕作业是农耕中一个重要的环节.目前，旋耕机械在农业作业中被广泛使用，旋耕刀的设计和结构性能对旋耕机械的工作效率有重要影响[1-3].随着科技的发展，旋耕刀的设计方法也逐渐数字化，相关研究表明，旋耕刀的改进多为依靠现有成型旋耕刀为基础并基于有限元分析软件来进行优化设计[4-6].对此，本研究以某型号弯形旋耕刀作为研究对象，利用SolidWorks软件建模，改变该旋耕刀的外形尺寸参数，再导入ANSYS软件对旋耕刀耕作过程的受力情况进行有限元分析.通过对比多组弯形旋耕刀的不同弯曲角度与刀刃倾斜距离，来分析该型弯形旋耕刀在工作时的应力分布位置与位移变化程度，以此来研究尺寸参数对于该型弯形旋耕刀的耕作影响，拟为旋耕机械的旋耕部件的改进设计提供参考依据.

1 弯形旋耕刀形状分析

旋耕刀按结构形式可分为凿形刀、直角刀和弯形刀[5].为保证有较强的切土能力，旋耕刀结构多数选用弯形刀，弯形刀刀刃由侧切刃和正切刃2个部分组成，正切刃与侧切刃相切过渡.弯形刀的侧切刃轮廓为等进螺旋线(即阿基米德螺旋线).本研究参考农业机械设计手册[7]，按适用180 mm旋耕刀标准GB/T9788-1999，根据阿基米德螺旋线的基本方程，利用SolidWorks软件建立某型号弯形旋耕刀的三维实体模型，如图1所示.

1.正切刃； 2.侧切刃； 3.紧固螺钉孔； 4.变形刀刀柄

图1弯形旋耕刀三维实体模型示意图

为了研究侧切刃弯曲角度与刀刃倾斜距离对旋耕刀入土时的受力影响程度，分别设计了4组不同尺寸参数的旋耕刀(以1～4号来表示)(见图2)，然后再对应地进行静力分析，根据所得结果来讨论两者之间的关系(见表1).

图2 弯形旋耕刀主要尺寸参数

2 静应力分析

2.1 工作载荷的确定

旋耕刀工作时，刀具所受的阻力由各旋耕刀的阻力合成.其阻力大小、方向及作用点与土壤物理性状、耕深、刀具转速、机具前进速度等因素有关.为简化阻力计算，按如下经验公式[8]计算刀具所受功耗，

Nα=0.1KλdυmB

(1)

Kλ=KgK1K2K3K4

(2)

式中，Nα为功耗，kW；Kλ为旋耕比阻，N/cm3；d为耕深，cm；υm为机组前进速度，m/s；B为耕幅，m；Kg为初始旋耕比阻，N/cm3；K1为耕深修正系数；K2为土壤含水率修正系数；K3为残茬植被系数；K4为作业方式修正系数.

根据弯形旋耕刀的工作参数及实际工作环境，耕深d取值为150 mm；机组前进速度υm为1.6 m/s；B为1 200 mm；根据切土深度在160～190 mm之间，初始旋耕比阻Kg取值范围为11～13 N/cm3，取12 N/cm3；根据耕深要求，耕深修正系数K1取1.0；根据含水率<30%，取土壤含水率修正系数K2为0.86；根据耕作环境取残茬植被系数K3为1.2，取耕作方式修正系数K4为0.64.此外，根据变速箱的设计准则及考虑外部因素影响，取传动效率η为0.8.

弯形旋耕刀作为执行部件切削土壤时，旋耕刀的侧切刃部分最先接触土壤，随着切削深度的不断增加，过渡面刃口以及正切刃口依次接触并不断翻耕土壤.由于土壤力学性能的特殊性使得切削力是一个交替变化的震荡力，为了便于研究旋耕刀的受力性能，本研究对切削力进行了等效处理，即：把切削力等效分解为分别作用在侧切刃、过渡面刃口以及正切刃处各施加垂直刃口方向的力[9].

2.2 有限元分析

为准确模拟外部载荷加载的合理性，需对弯形旋耕刀的载荷承载处(弯形旋耕刀的侧切刃)及约束部位(铲柄上端的前后接触面)进行分割线划分.定义弯形旋耕刀的材料属性[10]为65 Mn，材料密度为7.85×103kg/m-3，弹性模量为1.98×103MPa，泊松比为0.3，屈服强度为800 MPa.同时，使用系统默认的线性空间四面体对模型进行网格划分，并采取“自动过度”特征对模型局部细节进行网格细化处理，最终的模型节点数为2 662，划分网格数为1 083[11]，对刀柄处施加固定约束，通过公式(1)和(2)计算得出施加在侧切刃上的载荷为428.16 N.弯形旋耕刀的有限元预处理模型如图3所示.

图3弯形旋耕刀有限元预处理模型

弯形旋耕刀工作时，由于刀刃最先接触土壤并且受力，所以受到的载荷达到屈服极限时将会产生变形、断裂或疲劳损伤等失效行为.为此，需要对设计的旋耕刀进行校核位移量，并考虑应力是否满足设计要求.在通过对4组不同尺寸的弯形旋耕刀进行应力分析之后，其整体应力云图如图4所示.

图4 弯形旋耕刀应力云图

由图4可知：应力主要集中在弯形旋耕刀刀刃与刀柄的连接处，这是由于在设计上，旋耕刀从刀柄上端到刀尖依次变薄，呈现上宽下窄的形状，这有利于旋耕刀切入土中高效地工作；从应力分布的均匀程度上来看，应力产生于刀柄与刀刃连接处并向刀尖的方向进行扩散减小，这是由于旋耕刀在耕作时，会受到机具给予的旋转力与泥土自身的重力，由于65 Mn材料具有较好的柔韧性，所以会将受到的力较为均匀地向四周扩散，由于刀柄较刀刃厚，所以应力主要向刀刃处扩散.其中，图4(a)的应力分布较为明显相对集中，最大应力为10.6 MPa，随着旋耕刀刀身的弯曲角度变小，以及刀刃倾斜距离的增加；图4(b)的最大应力为0.8 MPa；图4(c)的最大应力0.6 MPa，且应力的分布较图4(a)变得更为均匀，但应力的集中点由点块状变成条形状，且处于刀柄与刀刃的连接处，此容易导致疲劳破坏；当侧切刃弯曲度为70°，刀刃倾斜距离为5 mm时(见图4(d))，应力的集中点大幅变小，再次变为点块状且比图4(a)小些，应力分布更加均匀.总体来看，虽然1号旋耕刀与2号旋耕刀的尺寸相差不大，但2号旋耕刀使用时所受应力相对于1号旋耕刀减少了92.5%.

弯形旋耕刀总体位移云图如图5所示.

由图5可知，弯形旋耕刀的变形程度由刀尖到刀柄方向逐渐减小，模型最大变形处位于刀尖，图5(a)的变形位移最大为0.13 mm，随着侧切刃弯曲度的减小与刀刃倾斜距离的增加，位移变形也越来越小，图5(d)的变形位移为0.05 mm，变形量减少了61.5%.总体来看，调节刀具相应尺寸参数对于位移的变化并没有多大影响，这4组旋耕刀的总体位移变化也相对不明显.

3 结 论

本研究结合SolidWorks软件和ANSYS软件建立了弯形旋耕刀受力的有限元模型，通过设计4组不同尺寸参数的旋耕刀具，相互对比每组旋耕刀在与土壤相互作用过程中的应力分布云图和位移分布云图，并根据对应云图来做合理的分析，了解旋耕刀本身尺寸参数的改变对于应力与位移的影响.计算结果显示，弯形施耕刀的最大应力区位于刀刃与刀柄的连接处，而应力的分部则向刀尖方向扩散，且位移发生变化也是从这个位置开始.当侧切刃弯曲度为80°、刀刃倾斜距离为3.5 mm时，旋耕刀所受的应力为10.6 MPa，位移为0.13 mm；当侧切刃弯曲度和刀刃倾斜距离分别为78°、75°、70°和4 mm、4.5 mm、5 mm时，所受应力骤降到0.8 MPa、0.6 MPa和0.4 MPa，位移则为0.1 mm、0.07 mm、0.05 mm.结果表明，侧切刃弯曲度与刀刃倾斜距离对于弯形旋耕刀的受力有较大影响，随着弯曲度的降低、厚度的增加，刀具所受到的应力也会随之而减少，且应力的分布则更加均匀，但对于位移无明显影响.

图5弯形旋耕刀总体位移云图