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摘要：对果园避障旋耕机旋耕刀片特殊工况下（机组前进作业时机架附加横向运动）的受力状况进行了理论分析与计算，获得了单刀受力的数学模型。运用SolidWorks软件建立了旱地用C型旋耕刀实体模型，基于ANSYS Workbench分别对旋耕左刀和右刀进行了正常工况与避障作业2种情况下的应力、应变与变形仿真分析。仿真结果表明，避障动作改变了旋耕刀的受力状况，但对旋耕刀片最大应力、应变、变形的位置没有产生影响。仿真结果为分析特殊工况下旋耕刀失效形式、安全性能提供了方法，也为研究设计新型旋耕刀片提供了理论依据。
关键词：果园避障旋耕机；C型旋耕刀；ANSYS Workbench；有限元分析
中图分类号：S222.3 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2017）01-0193-04
旋耕機具有很强的切土、碎土能力，耕后地表平整、松碎，又不会破坏深层土壤结构，与目前推行的免耕、少耕的保护性耕作模式相适应，发展迅速，是运用最广泛的中耕作业机械。但普通旋耕机果园作业时，受耕作对象的局限会在株距之间形成一条非耕作区，需要人工进行株间除草松土等二次作业[1]。为了使工作部件能够自动伸入株间进行松土除草作业，笔者设计了一种液压式果园避障旋耕机。该旋耕机机架右前方设置有一个感应触杆，作业时触杆首先碰触到果树，进而控制机架上液压缸动作，液压缸伸出带动旋耕机架横向退回，完成避障动作[2-3]。
旋耕刀辊是果园避障旋耕机的主要工作部件，也是旋耕作业中承受载荷最大的工作部件。通常情况下，由于旋耕作业时，机具只进行等幅宽作业，刀辊沿刀轴方向的受力很小，在分析刀片受力时只侧重考虑垂直方向的受力[4-7]；但果园避障旋耕机旋耕作业时，遇到果树能够自动避障，旋耕刀辊在垂直于机组前进方向有明显的横向运动，因此，轴向受力不能忽略。在果园避障旋耕机具有横向避让动作的工况下，对旋耕刀片进行有限元分析可以计算刀片的结构刚度、静应力等静态参数，有利于分析旋耕刀的失效形式、失效位置，验证旋耕刀片的安全性能，改善旋耕刀的设计参数，为研究设计新型旋耕刀提供理论依据。
1 果园避障旋耕机旋耕刀片受力分析
果园避障旋耕机避障作业时，刀辊受到的阻力来源于各组刀片阻力的合成，旋耕刀单刀的工作受力情况如图1所示。旋耕刀切削过程中，刀具和土壤之间的相互作用大致可分为3个部分：切削面ABE产生的切削阻力及克服侧切削刃与待切削土壤之间的摩擦力、切削面AEFD产生的土壤剪切阻力和刀具前刃切削中土壤金属的摩擦力、刀盘沿轴向移动时刀片与土壤间摩擦力及已切土壤与未切土壤之间的摩擦阻力和黏结阻力等。
上述阻力中的前两部分即为普通旋耕刀切削土壤时的切削阻力，第三部分为果园避障旋耕机避障作业时受到的轴向附加阻力，为了计算方便，把两部分力分开计算，即总阻力为：
Ff=Fxy Fz。
式中：Fxy=Fqianyin=Zbnh0k0，Z为刀盘数，bn为单体刀宽，h0为设计耕深，k0为土壤旋耕比阻[8]；Fz=（1 a）（μ1m1g μ2m2g），μ1为旋耕刀与土壤的摩擦系数，m1为机架总质量，μ2为土壤的内摩擦系数，m2为刀辊推动土壤的质量，a为考虑已切土壤与未切土壤之间黏聚力赋予的阻力系数。
设计中有：Z=7，b=23 cm，h0=16 cm，k0=9.645 N/cm2，μ1=0.6，μ2=0.75，m1=300 kg，m2=100 kg，a取0.5，带入各数据得旋耕刀单刀切土阻力Fxy=1 218 N，Fz=182 N。
2 旋耕刀片实体建模
新疆南疆果园土壤多为沙质土壤，耕作比阻小，由于C型旋耕刀兼具直角刀刚性好、碎土能力强和弯刀不易缠草的特点，适宜旱地作业。同时，使用C型旋耕刀耕作时土壤有明显的分层和流动现象，土壤围绕旋转轴从刀片凹面的前部和后部翻出形成运动流，兼具埋草效果[9]。因此，适用于新疆南疆果园土壤耕作。
在建模过程中，考虑C型旋耕刀结构复杂，ANSYS软件的建模能力相对较弱，但提供了丰富的数据接口程序，使得在其他3D软件中建立模型后导入ANSYS变得简单方便。因此，本研究选择在SolidWorks软件中进行三维建模，再通过SolidWorks和ANSYS的数据接口，解决ANSYS建模困难的问题。具体实施方法如下：（1）建立SolidWorks与ANSYS的软件关联；（2）采用描点法测绘C型旋耕刀结构参数，运用SolidWorks软件绘制旋耕刀草图，并通过拉伸、弯曲、切除等命令建立C型旋耕刀片实体模型；（3）从SolidWorks主面板菜单中打开ANSYS Workbench16.0，则ANSYS Workbench 16.0共享获得C型旋耕刀模型（图2）。
3 旋耕刀片有限元分析
有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是指利用数学近似的方法模拟真实物理系统中的几何约束和载荷工况，进而用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统分析方法。现阶段应用最广泛的有限元分析软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，能与市场上大多数计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）软件接口通信，实现数据共享和交换，已广泛应用于结构力学、流体力学、热力学、声学、电磁学、电路学、化学化工反应等领域[10]。
3.1 材料设置与网格划分
旋耕刀是旋耕机工作时直接与土壤相互作用的部件，通过高速旋转和前进运动，将土壤切碎、抛出，为易损件。旋耕刀的材料要求硬度高、耐磨、韧性好，工业上常选取60 Si2Mn材料并进行热处理作为旋耕刀的原料[11]。其参数见表1。
旋耕刀的单元划分采用ANSYS Workbench自带的智能网格划分，该方法可以根据模型的几何关系，自动将网格划分得稀疏得当。单元尺寸控制在0.005 m，划分好的旋耕刀网格如图3所示。 3.2 约束与载荷施加
由前述分析可知，旋耕刀在整机避障时受力情况为：在受正常作业切削阻力的同时受到轴向阻力，因此在旋耕刀正切刃和侧切刃上施加垂直于刃口方向的1 218 N的力，在旋耕刀面沿刀轴方向施加182 N的力（图4）。旋耕刀通过安装孔固定在刀盘上，因此在模型安装孔的位置施加固定约束。
3.3 求解与分析
添加总变形、应力和应变分析项目进行求解，求解结果见图5。
应力云图结果如图5所示：果园避障旋耕机正常作业时左刀最大等效应力为88.60 MPa，右刀最大等效应力为 87.75 MPa；避障作業时，左刀最大等效应力为114.14 MPa，右刀最大等效应力为108.14 MPa，均远远小于材料屈服强度值， 说明旋耕刀的结构仍然存在很大的优化空间。最大应力点所在位置为远离切土点的安装孔位置和刀盘与刀接触位置，即刀与刀盘连接处会产生较大应力集中，与实际工作中刀盘的断裂形式相吻合，验证了仿真模型的准确性。应力最小值位于旋耕刀正切部。避障动作对左右刀片应力值影响不同是因为避障时2个刀片所受到土壤给与的轴向力受力面不同且方向相反。
应变云图结果如图6所示：果园避障旋耕机正常作业和避障作业时，旋耕刀最大应变和最小应变位置均与相同工况下最大最小应力位置相同，正常作业时左刀最大应变为 6.44×10-4 m/m，右刀最大应变为4.26×10-4 m/m；避障作业时左刀最大应变为8.79×10-4 m/m，右刀最大应变为5.26×10-4 m/m，均在旋耕刀与刀盘连接处，说明此处承受载荷较大。
变形云图结果如图7所示：果园避障旋耕机正常作业和避障作业时，旋耕刀最大变形位置均在旋耕刀刀尖处，说明作业中刀尖处刚度表现最差。正常作业时左刀最大变形量为0.346 mm，右刀最大变形量为0.508 mm；避障作业时左刀最大变形量为0.359 mm，右刀最大变形量为0.543 mm，在刚度允许范围内。
4 结论
以果园避障旋耕机C型旋耕刀为研究对象，分析了旋耕机避障作业时旋耕刀片的受力状况，运用SolidWorks软件建立了旋耕刀的三维模型，基于ANSYS Workbench有限元分析软件对旋耕刀片在正常工况和避障作业工况下分别进行了应力、应变和变形分析。分析结果表明：果园避障旋耕机正常工况下和避障作业时，旋耕刀片的最大应力和应变区域均在刀片与刀盘连接处，与实际工作过程中旋耕刀断裂处一致，表明该处为旋耕刀在工作过程中最薄弱的环节；旋耕刀片总变形最大处均在旋耕刀的正切部，表明旋耕刀正切部刚度最差，应采用工艺手段加强处理；由于避障作业时旋耕刀辊是沿刀轴方向向左回缩，左刀正面受力，右刀背面受力，因此该工况对左刀片应力、应变的影响大于右刀片，变形的影响小于右刀片，以此推断当避障作业结束后刀辊横向向右伸出时，工况对右刀片应力、应变的影响大于左刀片，变形的影响小于左刀片，这在后续仿真中得到了证实。
参考文献：
[1]万 畅，李文春，毕新胜，等. 浅谈国内果园旋耕机存在的问题和解决思路[J]. 新疆农机化，2013（5）：15-17.
[2]罗进军，王 斌，毕新胜，等. 果园避障旋耕机的研究与设计[J]. 农机化研究，2016，38（1）：138-141.
[3]毕新胜，查鑫宇，高小军，等. 一种果园旋耕机：CN203537758U[P]. 2014-04-16.
[4]张灵芝，朱为国. 基于Solidworks旋耕刀实体建模与有限元分析[J]. 农机化研究，2013，35（11）：26-29.
[5]高玉芝，王君玲，雷晓柱. 基于Solidworks的旋耕刀实体建模与有限元分析[J]. 农业机械，2010（5）：136-137.
[6]葛 云，吴雪飞，王 磊，等. 基于ANSYS微型旋耕机旋耕弯刀的应力仿真[J]. 石河子大学学报（自然科学版），2007，25（5）：627-629.
[7]朱留宪，杨 玲，朱 超，等. 基于ANSYS Workbench的微耕机旋耕刀有限元分析[J]. 机械研究与应用，2014，27（1）：88-89.
[8]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2007.
[9]斯瑞斯克·切克凯特，坦亚·尼亚玛帕. 不同旋耕刀的转矩变化与耕作比能[J]. 农业工程，2011，1（1）：129-130，132.
[10]CAE应用联盟. ANSYS Workbench 15.0有限元分析从入门到精通[M]. 北京：机械工业出版社，2014.
[11]弹簧钢：GB/T 1222—2007[S]. 北京：中国标准出版社，2007.颜丙囤，梁守真，王 猛，等. 花生叶绿素含量的高光谱遥感估算模型研究[J]. 江苏农业科学，2017，45（1）：197-200.
关键词：果园避障旋耕机；C型旋耕刀；ANSYS Workbench；有限元分析
中图分类号：S222.3 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2017）01-0193-04
旋耕機具有很强的切土、碎土能力，耕后地表平整、松碎，又不会破坏深层土壤结构，与目前推行的免耕、少耕的保护性耕作模式相适应，发展迅速，是运用最广泛的中耕作业机械。但普通旋耕机果园作业时，受耕作对象的局限会在株距之间形成一条非耕作区，需要人工进行株间除草松土等二次作业[1]。为了使工作部件能够自动伸入株间进行松土除草作业，笔者设计了一种液压式果园避障旋耕机。该旋耕机机架右前方设置有一个感应触杆，作业时触杆首先碰触到果树，进而控制机架上液压缸动作，液压缸伸出带动旋耕机架横向退回，完成避障动作[2-3]。
旋耕刀辊是果园避障旋耕机的主要工作部件，也是旋耕作业中承受载荷最大的工作部件。通常情况下，由于旋耕作业时，机具只进行等幅宽作业，刀辊沿刀轴方向的受力很小，在分析刀片受力时只侧重考虑垂直方向的受力[4-7]；但果园避障旋耕机旋耕作业时，遇到果树能够自动避障，旋耕刀辊在垂直于机组前进方向有明显的横向运动，因此，轴向受力不能忽略。在果园避障旋耕机具有横向避让动作的工况下，对旋耕刀片进行有限元分析可以计算刀片的结构刚度、静应力等静态参数，有利于分析旋耕刀的失效形式、失效位置，验证旋耕刀片的安全性能，改善旋耕刀的设计参数，为研究设计新型旋耕刀提供理论依据。
1 果园避障旋耕机旋耕刀片受力分析
果园避障旋耕机避障作业时，刀辊受到的阻力来源于各组刀片阻力的合成，旋耕刀单刀的工作受力情况如图1所示。旋耕刀切削过程中，刀具和土壤之间的相互作用大致可分为3个部分：切削面ABE产生的切削阻力及克服侧切削刃与待切削土壤之间的摩擦力、切削面AEFD产生的土壤剪切阻力和刀具前刃切削中土壤金属的摩擦力、刀盘沿轴向移动时刀片与土壤间摩擦力及已切土壤与未切土壤之间的摩擦阻力和黏结阻力等。
上述阻力中的前两部分即为普通旋耕刀切削土壤时的切削阻力，第三部分为果园避障旋耕机避障作业时受到的轴向附加阻力，为了计算方便，把两部分力分开计算，即总阻力为：
Ff=Fxy Fz。
式中：Fxy=Fqianyin=Zbnh0k0，Z为刀盘数，bn为单体刀宽，h0为设计耕深，k0为土壤旋耕比阻[8]；Fz=（1 a）（μ1m1g μ2m2g），μ1为旋耕刀与土壤的摩擦系数，m1为机架总质量，μ2为土壤的内摩擦系数，m2为刀辊推动土壤的质量，a为考虑已切土壤与未切土壤之间黏聚力赋予的阻力系数。
设计中有：Z=7，b=23 cm，h0=16 cm，k0=9.645 N/cm2，μ1=0.6，μ2=0.75，m1=300 kg，m2=100 kg，a取0.5，带入各数据得旋耕刀单刀切土阻力Fxy=1 218 N，Fz=182 N。
2 旋耕刀片实体建模
新疆南疆果园土壤多为沙质土壤，耕作比阻小，由于C型旋耕刀兼具直角刀刚性好、碎土能力强和弯刀不易缠草的特点，适宜旱地作业。同时，使用C型旋耕刀耕作时土壤有明显的分层和流动现象，土壤围绕旋转轴从刀片凹面的前部和后部翻出形成运动流，兼具埋草效果[9]。因此，适用于新疆南疆果园土壤耕作。
在建模过程中，考虑C型旋耕刀结构复杂，ANSYS软件的建模能力相对较弱，但提供了丰富的数据接口程序，使得在其他3D软件中建立模型后导入ANSYS变得简单方便。因此，本研究选择在SolidWorks软件中进行三维建模，再通过SolidWorks和ANSYS的数据接口，解决ANSYS建模困难的问题。具体实施方法如下：（1）建立SolidWorks与ANSYS的软件关联；（2）采用描点法测绘C型旋耕刀结构参数，运用SolidWorks软件绘制旋耕刀草图，并通过拉伸、弯曲、切除等命令建立C型旋耕刀片实体模型；（3）从SolidWorks主面板菜单中打开ANSYS Workbench16.0，则ANSYS Workbench 16.0共享获得C型旋耕刀模型（图2）。
3 旋耕刀片有限元分析
有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是指利用数学近似的方法模拟真实物理系统中的几何约束和载荷工况，进而用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统分析方法。现阶段应用最广泛的有限元分析软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，能与市场上大多数计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）软件接口通信，实现数据共享和交换，已广泛应用于结构力学、流体力学、热力学、声学、电磁学、电路学、化学化工反应等领域[10]。
3.1 材料设置与网格划分
旋耕刀是旋耕机工作时直接与土壤相互作用的部件，通过高速旋转和前进运动，将土壤切碎、抛出，为易损件。旋耕刀的材料要求硬度高、耐磨、韧性好，工业上常选取60 Si2Mn材料并进行热处理作为旋耕刀的原料[11]。其参数见表1。
旋耕刀的单元划分采用ANSYS Workbench自带的智能网格划分，该方法可以根据模型的几何关系，自动将网格划分得稀疏得当。单元尺寸控制在0.005 m，划分好的旋耕刀网格如图3所示。 3.2 约束与载荷施加
由前述分析可知，旋耕刀在整机避障时受力情况为：在受正常作业切削阻力的同时受到轴向阻力，因此在旋耕刀正切刃和侧切刃上施加垂直于刃口方向的1 218 N的力，在旋耕刀面沿刀轴方向施加182 N的力（图4）。旋耕刀通过安装孔固定在刀盘上，因此在模型安装孔的位置施加固定约束。
3.3 求解与分析
添加总变形、应力和应变分析项目进行求解，求解结果见图5。
应力云图结果如图5所示：果园避障旋耕机正常作业时左刀最大等效应力为88.60 MPa，右刀最大等效应力为 87.75 MPa；避障作業时，左刀最大等效应力为114.14 MPa，右刀最大等效应力为108.14 MPa，均远远小于材料屈服强度值， 说明旋耕刀的结构仍然存在很大的优化空间。最大应力点所在位置为远离切土点的安装孔位置和刀盘与刀接触位置，即刀与刀盘连接处会产生较大应力集中，与实际工作中刀盘的断裂形式相吻合，验证了仿真模型的准确性。应力最小值位于旋耕刀正切部。避障动作对左右刀片应力值影响不同是因为避障时2个刀片所受到土壤给与的轴向力受力面不同且方向相反。
应变云图结果如图6所示：果园避障旋耕机正常作业和避障作业时，旋耕刀最大应变和最小应变位置均与相同工况下最大最小应力位置相同，正常作业时左刀最大应变为 6.44×10-4 m/m，右刀最大应变为4.26×10-4 m/m；避障作业时左刀最大应变为8.79×10-4 m/m，右刀最大应变为5.26×10-4 m/m，均在旋耕刀与刀盘连接处，说明此处承受载荷较大。
变形云图结果如图7所示：果园避障旋耕机正常作业和避障作业时，旋耕刀最大变形位置均在旋耕刀刀尖处，说明作业中刀尖处刚度表现最差。正常作业时左刀最大变形量为0.346 mm，右刀最大变形量为0.508 mm；避障作业时左刀最大变形量为0.359 mm，右刀最大变形量为0.543 mm，在刚度允许范围内。
4 结论
以果园避障旋耕机C型旋耕刀为研究对象，分析了旋耕机避障作业时旋耕刀片的受力状况，运用SolidWorks软件建立了旋耕刀的三维模型，基于ANSYS Workbench有限元分析软件对旋耕刀片在正常工况和避障作业工况下分别进行了应力、应变和变形分析。分析结果表明：果园避障旋耕机正常工况下和避障作业时，旋耕刀片的最大应力和应变区域均在刀片与刀盘连接处，与实际工作过程中旋耕刀断裂处一致，表明该处为旋耕刀在工作过程中最薄弱的环节；旋耕刀片总变形最大处均在旋耕刀的正切部，表明旋耕刀正切部刚度最差，应采用工艺手段加强处理；由于避障作业时旋耕刀辊是沿刀轴方向向左回缩，左刀正面受力，右刀背面受力，因此该工况对左刀片应力、应变的影响大于右刀片，变形的影响小于右刀片，以此推断当避障作业结束后刀辊横向向右伸出时，工况对右刀片应力、应变的影响大于左刀片，变形的影响小于左刀片，这在后续仿真中得到了证实。
参考文献：
[1]万 畅，李文春，毕新胜，等. 浅谈国内果园旋耕机存在的问题和解决思路[J]. 新疆农机化，2013（5）：15-17.
[2]罗进军，王 斌，毕新胜，等. 果园避障旋耕机的研究与设计[J]. 农机化研究，2016，38（1）：138-141.
[3]毕新胜，查鑫宇，高小军，等. 一种果园旋耕机：CN203537758U[P]. 2014-04-16.
[4]张灵芝，朱为国. 基于Solidworks旋耕刀实体建模与有限元分析[J]. 农机化研究，2013，35（11）：26-29.
[5]高玉芝，王君玲，雷晓柱. 基于Solidworks的旋耕刀实体建模与有限元分析[J]. 农业机械，2010（5）：136-137.
[6]葛 云，吴雪飞，王 磊，等. 基于ANSYS微型旋耕机旋耕弯刀的应力仿真[J]. 石河子大学学报（自然科学版），2007，25（5）：627-629.
[7]朱留宪，杨 玲，朱 超，等. 基于ANSYS Workbench的微耕机旋耕刀有限元分析[J]. 机械研究与应用，2014，27（1）：88-89.
[8]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2007.
[9]斯瑞斯克·切克凯特，坦亚·尼亚玛帕. 不同旋耕刀的转矩变化与耕作比能[J]. 农业工程，2011，1（1）：129-130，132.
[10]CAE应用联盟. ANSYS Workbench 15.0有限元分析从入门到精通[M]. 北京：机械工业出版社，2014.
[11]弹簧钢：GB/T 1222—2007[S]. 北京：中国标准出版社，2007.颜丙囤，梁守真，王 猛，等. 花生叶绿素含量的高光谱遥感估算模型研究[J]. 江苏农业科学，2017，45（1）：197-200.