日力夏提·阿布都熱西提，尼加提·玉素甫，買買提明·艾尼

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊　830049)

?

旋耕刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與動力穩(wěn)定性分析

日力夏提·阿布都熱西提，尼加提·玉素甫，買買提明·艾尼

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊830049)

摘要：為了解決土壤和草根對旋耕刀的阻力和刀尖受到的摩擦力及振動沖擊而造成的疲勞失效問題，利用有限元軟件對旋轉(zhuǎn)對稱六刀刃旋耕刀進(jìn)行了強(qiáng)度評價并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了5次優(yōu)化改進(jìn)，并分別對5種優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)建立了數(shù)值模型，且進(jìn)行了靜態(tài)和模態(tài)數(shù)值分析。靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果表明：隨著旋耕刀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，其最大應(yīng)力集中和最大變形量明顯減小。動力學(xué)分析結(jié)果表明：第3次優(yōu)化改進(jìn)后的3種弧形旋耕刀各階固有頻率都提高于100Hz并避開了工作頻率。最后，通過對比分析5種優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、固有頻率、振型和動力穩(wěn)定性等提出了飛輪性旋轉(zhuǎn)對稱弧形刀刃圓角旋耕刀。該旋耕刀的特點是，應(yīng)力和變形量比改進(jìn)前的分別降低2倍和4倍以上，第1階固有頻率由改進(jìn)前的12Hz提高到170Hz。新提出的旋耕刀型應(yīng)力集中很小、固有頻率很高，具有可提高疲勞壽命、耐磨性好與使用壽命長等特點，是旋耕機(jī)上最適合用的刀片之一。如果不考慮偏心率的影響，在工作頻率范圍內(nèi)弧形旋耕刀不會出現(xiàn)振動和共振現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：旋耕刀；有限元；模態(tài)分析；強(qiáng)度分析

0引言

微耕機(jī)械是我國耕作機(jī)具之一，由于其切土、碎土能力強(qiáng)、平整效果好，并且耕層松軟、耕深合適、蓄水能力強(qiáng)，能夠有效改善作物的生長環(huán)境，十分適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精作業(yè)的要求[1-2]。近年來，隨著大功率拖拉機(jī)的廣泛應(yīng)用,微耕機(jī)朝著滅茬、旋耕、施肥和播種聯(lián)合化、大型化、高速化、輕量化迅速發(fā)展。由于我國西部地區(qū)耕地地形復(fù)雜，如山區(qū)、丘陵和小規(guī)模耕地等[3-4]，農(nóng)民對微耕機(jī)也提出了工作穩(wěn)定性的要求；特別是提出了振動、噪音和溫升小，以及微耕效率高、旋耕刀壽命長和除草性能好等要求。這就對微耕機(jī)的關(guān)鍵零部件的設(shè)計和制造技術(shù)等提出了新的挑戰(zhàn)，很有必要進(jìn)行深入研究。

旋耕刀是微耕機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，是耕作過程中直接與硬地表面和強(qiáng)根植接觸的承載部件。高速轉(zhuǎn)動的旋耕刀片切削和破碎土壤完成松土、鋤草等一系列的工作，并承受復(fù)雜的外力(切削土壤的反作用力)、力矩(動力輸出功率產(chǎn)生的驅(qū)動扭矩)及各種沖擊載荷，同時還會出現(xiàn)自身的振動、與系統(tǒng)共振等現(xiàn)象，其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)非常復(fù)雜。雖然旋耕刀看起來很簡單，但可以說是微耕機(jī)設(shè)計中難度最大的專用關(guān)鍵零部件之一。比如，旋耕刀必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以及強(qiáng)度和動力穩(wěn)定性評價等。

國外，Yong和Hanna采用二維有限元方法研究了平面寬齒耕作部件的土壤切削問題，運用有限元分析，得出了土中的應(yīng)力分布和變形狀況及耕作部件的法向和切向應(yīng)力的分布[5]。Chi和Kushwaha采用三維有限元分析窄齒耕作部件的土壤切削問題，編制了有限元計算程序，通過計算得到了耕作部件的反作用力[6]。

國內(nèi)，郭志軍在不考慮切削速度影響的條件下，采用二維有限元分析了拋物線型耕作部件的切削性能。研究表明：拋物線型耕作部件對部件尖端底部土壤有壓實現(xiàn)象，拋物線型比直線型耕作部件的切削性能要優(yōu)良[7]。后來，郭志軍運用二維有限元方法對推土鏟與土壤接觸系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分別分析了寬齒切削和窄齒切削土壤所產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)變分布狀況，對比了他們在兩類切削問題的差異，對比結(jié)果表明兩者相差很小[8]。

雖然目前市場上微耕機(jī)和旋耕刀種類較多、形狀各異，也有一定的研究報道；但基本上是中小企業(yè)參考國外產(chǎn)品拼經(jīng)驗或逆向工程設(shè)計仿造，沒有對其關(guān)鍵零部件用現(xiàn)代設(shè)計方法和手段進(jìn)行原創(chuàng)性設(shè)計。此外，目前相關(guān)旋耕刀設(shè)計準(zhǔn)則和技術(shù)原型方面的報道也很少[9-10]。

本文以微耕機(jī)的旋耕刀為研究背景，用現(xiàn)代設(shè)計方法對旋轉(zhuǎn)對稱六刀刃旋耕刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和動力穩(wěn)定性評價。首先建立了帶和不帶飛輪的直刀刃、弧形刀刃旋耕刀及帶銳角和圓角等5種不同結(jié)構(gòu)的旋耕刀，分別進(jìn)行了靜強(qiáng)度評價、振動分析等。通過對比分析5種結(jié)構(gòu)旋耕刀的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況及固有頻率、振型，最后提出了結(jié)構(gòu)相對合理的飛輪性旋轉(zhuǎn)對稱六刀刃弧形圓角旋耕刀。

1旋耕刀數(shù)值建模和邊界條件

1.1旋耕刀數(shù)值建模與網(wǎng)格劃分

首先分別建立了直刀刃和圓弧形刀刃帶飛輪和不帶飛輪等5種不同的旋耕刀結(jié)構(gòu)。分別為：如圖1(a)、(b)所示的不帶飛輪性和帶飛輪性直刀刃旋耕刀；如圖2(a)、(b)、(c)所示的銳角不帶飛輪性、銳角帶飛輪性和圓角帶飛輪性圓弧形旋耕刀。

為了網(wǎng)格劃分方便將其模型進(jìn)行了合理的簡化。飛輪、輪轂和旋耕刀側(cè)面都合并視為一體，同時去除對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能基本無影響的倒角和圓角，然后進(jìn)行三維建模并進(jìn)行了有限元網(wǎng)格劃分。本文網(wǎng)格單元類型全部選用了10個節(jié)點的四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小均設(shè)定為4mm，總網(wǎng)格節(jié)點數(shù)和單元數(shù)分別如表1所示。

表1　5種旋耕刀網(wǎng)格接點數(shù)和單元數(shù)

(a)　不帶飛輪　　　　　　　　 (b)　帶飛輪

(a)　銳角不帶飛輪　　　　　　　　　　　(b)　銳角帶飛輪　　　　　　　　　　　　(c)　圓角帶飛輪

1.2旋耕刀的材料和機(jī)械特性

所有旋耕刀的材料都選用65Mn(彈簧鋼)，其材料屬性如表2所示。在同等的邊界條件和初始條件下分別進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)強(qiáng)度評價與模態(tài)分析。

表2　材料基本屬性

2旋耕刀的受力分析和邊界條件

微耕機(jī)工作時，旋耕刀一方面做回轉(zhuǎn)運動切削土壤；另一方面隨機(jī)具勻速前進(jìn)。微耕機(jī)所受的外界阻力和動力平衡，克服外界阻力完成耕地作業(yè)。其中，微耕機(jī)工作阻力常用微耕比阻Κγ表示，它與土壤的很多因素有關(guān)，比如濕度、土質(zhì)、秸稈殘余量、刀具的形狀與排列方式、耕深、耕寬和耕速等，一般情況下微耕比阻Κγ為100～160kPa[11-13]。在特定的土壤和機(jī)具設(shè)計條件下，微耕比阻Κγ與動力輸出功率Wε的關(guān)系為

其中，Κγ為微耕比阻(kPa)，Wε為動力輸出功率(kW)，B為耕作幅寬(m)，H為耕作深度(m)，VZ為微耕機(jī)前進(jìn)速度(m/s)[14]。

根據(jù)農(nóng)藝及條耕的需要，微耕機(jī)與旋耕刀設(shè)計有關(guān)的各項參考參數(shù)為：旋耕寬30～40cm；耕深10～15cm；作業(yè)效率0.13～2hm2/h；汽油機(jī)動力≥2.5kW；考慮到旋耕機(jī)工作的穩(wěn)定性，將旋耕刀在微耕機(jī)上對稱安裝。本研究取微耕機(jī)的耕作幅寬為35cm，耕作深度為10cm，微耕機(jī)前進(jìn)速度為3km/h，旋耕刀轉(zhuǎn)速為300r/min。本文重點分析微耕機(jī)中的微型旋耕刀，因此微耕比阻Κγ取100kPa，則有Wε=2.9kW。此外，本文中的微耕機(jī)用一級渦輪變速箱，根據(jù)變速箱設(shè)計要求總傳動效率取為η=0.8。根據(jù)以上分析，作用在旋耕刀的功率為

Wa=Wε·η=2.3kW

旋耕刀所受的轉(zhuǎn)矩為

刀刃面所受的力為

本研究對5種模型的靜態(tài)和動態(tài)分析的載荷條件和邊界條件都相同。由于不同時刻、不同位置旋耕刀所受的載荷大小和作用方向各不相同， 為了方便， 把載荷假設(shè)為均勻分布在旋耕刀刀刃上。根據(jù)以上旋耕刀的實際安裝和工作狀況，將旋耕刀輪轂內(nèi)孔進(jìn)行固定約束并圓弧刀刃面施加均布載荷，大小為486N，如圖3所示。

圖3　旋耕刀邊界條件

3旋耕刀有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基本載荷有土壤對刀刃的反作用力。旋耕刀設(shè)計主要是考慮承受土壤對旋耕刀的反作用力和各種振動與沖擊，而各種振動與沖擊主要影響其動力學(xué)性能。因此，在靜力分析中我們將作用載荷加載刀刃上，只考慮土壤對旋耕刀反作用力的影響。

3.1旋耕刀靜態(tài)數(shù)值分析與強(qiáng)度評價

通過結(jié)構(gòu)靜力分析可用來簡單校核旋耕刀在一定載荷條件下的變形與應(yīng)力大小情況，獲得最大的變形與應(yīng)力的部位。計算結(jié)果如圖4所示。

(a)　直刀刃不帶飛輪旋耕刀　　　　　(b) 直刀刃帶飛輪旋耕刀

(c)　圓弧形不帶飛輪旋耕刀　　　　　 (d)　圓弧形帶飛輪旋耕刀　　　　　 (e)　圓弧形帶飛輪圓角旋耕刀

通過計算結(jié)果獲得5種旋耕刀的應(yīng)力—應(yīng)變值如表3所示。從表3中可見，5種旋耕刀最大變形量和應(yīng)力隨著改進(jìn)呈逐漸減少的趨勢?？芍?，每次改進(jìn)旋耕刀的結(jié)構(gòu)越優(yōu)化，其強(qiáng)度，尤其是圓弧形帶飛輪圓角旋耕刀的應(yīng)力與變形值越理想。隨著改進(jìn)應(yīng)力值由199.42MPa減少到89.78MPa，最大的應(yīng)力部位在刀片折疊處；變形量由1.806mm減少到0.424 1mm，最大的變形位于刀刃部。

表3　5種旋耕刀最大應(yīng)力、變形量和出現(xiàn)位置

由于微耕機(jī)工作環(huán)境惡劣，根據(jù)常用的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計的安全準(zhǔn)則[17]將其安全系數(shù)取為1.8。在該工況下圓弧形帶飛輪圓角與圓弧形帶飛輪旋耕刀所受的應(yīng)力84.70MPa，小于許用應(yīng)力340MPa，比改進(jìn)前強(qiáng)度提高了4倍以上。

3.2旋耕刀的模態(tài)仿真結(jié)果

旋耕刀在工作過程中承受多種復(fù)雜的動載荷的作用，可認(rèn)為是復(fù)雜的振動系統(tǒng)，因此分析其動力學(xué)性能十分重要。為了初步判斷旋耕刀的固有頻率是否落在系統(tǒng)和其他旋轉(zhuǎn)零部件的工作頻率之內(nèi)，首先進(jìn)行了模態(tài)分析。本文在研究5種旋耕刀振動特性時，通過自由振動分析法，并利用ANSYS軟件進(jìn)行了模態(tài)分析。根據(jù)原動機(jī)的正常工作頻率(30～50Hz)接近改進(jìn)前模型模態(tài)頻率的階數(shù)，提取了前10階模態(tài)并進(jìn)行了對比分析，如表4所示。

通過對五種旋耕刀進(jìn)行模態(tài)分析，得到10階模態(tài)的固有頻率與振形，利用這些數(shù)據(jù)可以分析旋耕刀的相關(guān)動力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行優(yōu)化。

表4　5種旋耕刀前10階固有頻率和振型

由表4可知：雖然5種旋耕刀的各階振型基本相同，但是直刀刃旋耕刀的前10階固有頻率不帶飛輪時12～48Hz、帶飛輪時21～64Hz；而旋耕刀自身的工作頻率為0～20Hz,原動機(jī)的動力輸入軸的工作頻率為0～60Hz,都落在工作頻率之內(nèi)，會出現(xiàn)旋耕刀的強(qiáng)烈振動和共振。第3次改進(jìn)后的圓弧形旋耕刀，不管是帶飛還是不帶飛輪，帶圓角還不帶圓角，第1階模態(tài)頻率分別為102、170、170Hz，都從第1階開始避開了工作頻率。這表明，直刀刃帶飛輪或不帶飛輪的旋耕刀在整個工作頻率范圍內(nèi)會發(fā)生振動甚至共振現(xiàn)象，很大程度上影響微耕機(jī)的穩(wěn)定性和正常工作效率。而圓弧形旋耕刀，如果不考慮偏心率的情況下，都避開了工作頻率范圍，不會發(fā)生振動或共振，因此其振動特性滿足工作需求。

4結(jié)論

1)改進(jìn)設(shè)計了5種不同結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對稱六刀刃旋耕刀結(jié)構(gòu)并建立了數(shù)值模型。同時，進(jìn)行了數(shù)值分析、對比分析了強(qiáng)度、固有頻率、振型和動力穩(wěn)定性，提出了飛輪性旋轉(zhuǎn)對稱弧形刀刃圓角旋耕刀。

2)靜態(tài)強(qiáng)度分析結(jié)果表明：隨著旋耕刀結(jié)構(gòu)的改進(jìn)其應(yīng)力值與變形量明顯減小。飛輪性旋轉(zhuǎn)對稱弧形刀刃圓角旋耕刀的應(yīng)力降低到89.78MPa、變形量降低到0.424 1，比改進(jìn)前分別降低了2倍和4倍以上。

3)動力學(xué)分析結(jié)果表明：第3次改進(jìn)后的3種弧形旋耕刀各階固有頻率都避開了工作頻率，如果不考慮偏心率的影響，在工作頻率范圍內(nèi)弧形旋耕刀不出現(xiàn)振動和共振現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]高煥文，李洪文.保護(hù)性耕作的發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2008，39(9):43-48.

[2]張欣悅，李連豪.1GSZ--350型滅茬旋耕機(jī)聯(lián)合整地機(jī)的設(shè)計與實驗叨[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(5)：73-77.

[3]趙偉，張文春.深松旋耕組合作業(yè)機(jī)的研制與試驗研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(1)：125-128.

[4]閏國琦，張鐵民.我國微耕機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(25)：37-39.

[5]Yong RN,Hanna A W.Finite element analysis of plane soil cutting[J]．Of Terramechanic，1977，14(3)：103-125.

[6]Chi L，Kushwaha R L.Finite element analysis of forces on a plane soil blade[J].Can.Agric.Eng,1989,31(2):135-140.

[7]郭志軍，周志立，佟金，等．拋物線型切削面刀具切削性能二維有限元分析[J]．洛陽工學(xué)院學(xué)報，2002，23(4)：1-4.

[8]郭志軍,孫政偉,張毅,等.推土鏟切削性能的二維有限元分析[J]．拖拉機(jī)與農(nóng)用運輸車，2006,33(6):29-33.

[9]張柯柯，盧劍鋒，張富貴，等.微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與動力學(xué)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012,34(4)：58-60.

[10]劉芳，葉進(jìn).微耕機(jī)與現(xiàn)代設(shè)計方法[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013,35(5):246-248.

[11]趙少汴，王忠保．抗疲勞設(shè)計[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：65-80.

[12]高燁．多軸疲勞研究陰[J]．機(jī)械強(qiáng)度，1996，18(1)：9-13.

[13]黃虎，王曉燕．固定道保護(hù)性耕作節(jié)能效果試驗研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(12)：140-143.

[14]王洪亮,張瑞宏.基于NXNASTRAN的旋耕刀軸結(jié)構(gòu)與疲勞分析木[J]．中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2013，34(3)：135-138.

[15]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2010：210-212.

[16]范欽珊，唐靜靜.工程力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007：59-62.

[17]中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊[K].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007:150-170.

Structural Optimization and Dynamic Stability Analysis of Rotary Blade

Rishat Abdirshit, Nijat Yusup, Mamtimin Geni

Abstract：In order to solve the problem of soil and root friction fatigue and vibration impact on the rotary blade and tip resistance is caused by the failure, this paper of rotationally symmetric six blade rotary blade of strength evaluation and its structure was optimized and improved and then 5 times respectively on five optimization improvement structure established numerical model, the numerical analysis of static and modal using finite element software. The analysis results show that static strength, with the optimization of rotary blade structure improvement and the maximum stress concentration and the maximum deflection decreases obviously. Dynamic analysis results also indicate that the third optimization of 3arc rotary blade improved each order natural frequency are increased in the 100Hz and split the work frequency. Finally, through the comparative analysis of five kinds of optimization proposed flywheel rotation symmetric arc-shaped blade fillet rotary blade improved structure strength, natural frequency, vibration mode and dynamic stability. The characteristics of the rotary blade, stress and deformation than the improved reduced respectively2 times and 4 times above, the first order natural frequency than the previous algorithm improved from 12Hz to 170Hz.Rotary blade type new stress concentration is very small, the natural frequency is very high, so it can improve the characteristics of fatigue life of good wear resistance and long service life, one of the most suitable blade rotary cultivator for. If we do not consider the influence of eccentricity, in the working frequency range of arc rotary blade vibration and the resonance phenomenon does not appear.

Key words：rotary blade; FEM; modal analysis; strength analysis

文章編號：1003-188X(2016)01-0057-05

中圖分類號：S222.3;S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：日力夏提·阿布都熱西提(1988-),男(維吾爾族)，烏魯木齊人,碩士研究生,(E-mail)89356113 8@qq.com。通訊作者：尼加提·玉素甫(1964-),男(維吾爾族),烏魯木齊人,副教授，碩士生導(dǎo)師,(E-mail)nijatyusup@163.com。

收稿日期：2014-12-18

國家發(fā)明專利：飛輪性旋轉(zhuǎn)對稱弧形旋刀(2013101227164)