徐銳良，劉美洲，郭志軍

(河南科技大學(xué) 車(chē)輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

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鏵式犁減阻性能研究

徐銳良，劉美洲，郭志軍

(河南科技大學(xué) 車(chē)輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

優(yōu)化鏵式犁犁體曲面形狀，降低耕作阻力，是一項(xiàng)亟待解決的問(wèn)題。從犁體曲面成型方法可知，導(dǎo)曲線形狀是影響鏵式犁耕作阻力的一個(gè)重要因素。為此，以BTU35犁體為基礎(chǔ)，在SolidWorks中建立5種不同導(dǎo)曲線犁體，并將模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析，得到其耕作阻力。仿真試驗(yàn)表明：以四次多項(xiàng)式曲線為導(dǎo)曲線形成的犁體耕作阻力較小，在3km/h時(shí)降阻3.75%，7km/h時(shí)降阻4.56%，平均降阻3.93%。結(jié)合不同導(dǎo)曲線曲率半徑變化情況與工作阻力之間的關(guān)系，可得結(jié)論：導(dǎo)曲線曲率半徑變化復(fù)雜的犁體有較好的減阻性能。

鏵式犁；耕作阻力；導(dǎo)曲線；ANSYS

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年有1億hm2的土地需要耕作。鏵式犁作為最常用土壤耕作機(jī)具之一，每年要消耗大量能源，如果能通過(guò)合理設(shè)計(jì)犁體曲面形狀來(lái)達(dá)到降低耕作阻力、減少能源消耗的目的，將對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。針對(duì)如何改變鏵式犁結(jié)構(gòu)、減小耕作阻力這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾做過(guò)很多研究。1968年，匈牙利開(kāi)始生產(chǎn)滾子犁，用滾子代替犁壁尾部切去的部分，使土垡沿犁壁的運(yùn)動(dòng)由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減小犁壁與土壤之間的摩擦阻力；但滾子犁翻土性能與覆蓋性能都很差，又需增加滾子裝置，導(dǎo)致成本也增加[1]。1972年，前蘇聯(lián)用聚四氟乙烯塑料覆蓋犁體曲面，生產(chǎn)出塑料犁，試圖減小犁壁與土壤的摩擦阻力。塑料犁在作業(yè)時(shí)有很好的減阻效果，但犁體磨損快、壽命短、成本高[2]。李慶中、曾德超用海綿翻轉(zhuǎn)來(lái)模擬土壤翻轉(zhuǎn)，將整體土垡翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與土垡微元相對(duì)犁體曲面運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來(lái)研究，建立一個(gè)能夠把犁體曲面參數(shù)、耕作能耗與耕作質(zhì)量聯(lián)系起來(lái)的通用優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了犁體曲面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)犁體具有較好的降阻性能，其翻土、碎土性能也能達(dá)到耕作要求[3]。廣西大學(xué)楊堅(jiān)教授設(shè)想通過(guò)協(xié)調(diào)鏵式犁各個(gè)參數(shù)來(lái)降低耕作阻力，但鏵式犁參數(shù)眾多，很難找到最佳組合參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)犁體曲面[4]。由于種種原因，上述方法并沒(méi)有大范圍推廣。本研究通過(guò)MatLab曲線擬合功能，建立曲率半徑變化不同的曲線，用這些曲線作為導(dǎo)曲線，建立不同的犁體曲面；采用仿真軟件ANSYS/LS-DYNA，對(duì)犁體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，旨在探索不同導(dǎo)曲線形式對(duì)耕作阻力有何影響，從而達(dá)到優(yōu)化犁體曲面形狀的目的。

1 鏵式犁模型創(chuàng)建

1.1 鏵式犁犁體曲面成型方法

鏵式犁主要是通過(guò)犁體曲面完成對(duì)土壤的松碎和扣翻，達(dá)到土壤耕作的目的。因此，犁體曲面性能的優(yōu)劣對(duì)耕作質(zhì)量和耕作阻力有很大影響。犁體曲面成型方法主要有水平直元線法、傾斜直元線法、曲元線法和翻土曲線法等幾類(lèi)[5]，本研究采用水平直元線法設(shè)計(jì)犁體曲面。所謂水平直元線法，就是一直元線沿著導(dǎo)曲線，按照與溝壁間所夾元線角變化規(guī)律，自下而上移動(dòng)形成的犁體曲面[6]，如圖1所示。

圖1 犁體曲面形成示意圖

1.2 導(dǎo)曲線的創(chuàng)建

鏵式犁導(dǎo)曲線是犁體曲面與鏵刃線垂直平面相交的截面線，是控制水平直元線位置的指導(dǎo)線。導(dǎo)曲線一般做法是在平面坐標(biāo)內(nèi)，分別量取導(dǎo)曲線開(kāi)度L和高度H，確定點(diǎn)A；自坐標(biāo)原點(diǎn)O作直線OB，與X軸成ε角，并在其上截取直線段OC等于S；過(guò)A點(diǎn)作直線AE與直線OB成一定角度，并交OB于點(diǎn)E；在CE與AE兩直線上截取數(shù)個(gè)等分點(diǎn)，順序編號(hào)，用直線連接同序號(hào)的點(diǎn)，得一直線族，作其公切線即得導(dǎo)曲線的包絡(luò)拋物線,如圖2所示。

圖2 導(dǎo)曲線形成示意圖

本研究BTU35犁體導(dǎo)曲線即采用上述包絡(luò)線作圖法，其它犁體基本參數(shù)都按BTU35犁體參數(shù)，如表1所示。不同的是導(dǎo)曲線是根據(jù)直線與直線最左邊11個(gè)交點(diǎn)的坐標(biāo)[(30，-238.871)、(49.149，-213.962)、(71.376，-191.982)、(96.681，-172.929)、(125.064，-156.806)、(156.525，-143.606)、(191.064，-133.336)、(228.681，-125.993)、(269.376，-121.579)、(313.149，-120.092)、(360，-121.532)]在MatLab中通過(guò)不同方程式進(jìn)行擬合，得到的4種曲線。用所得4種曲線分別作為導(dǎo)曲線在SolidWorks中建立犁體曲面模型，導(dǎo)曲線方程如表2所示，導(dǎo)曲線圖形如圖3所示。

表1 BTU35犁體參數(shù)

續(xù)表1

表2 導(dǎo)曲線方程

圖3 不同導(dǎo)曲線圖形

1.3 導(dǎo)曲線曲率半徑分析

根據(jù)微分幾何知識(shí)可知曲率半徑公式為

在MatLab中輸入以下語(yǔ)句

syms x g f1 f2 f;

f=方程式;

f1=diff(f);

f2=diff(f1);

g=(1+f1^2)^(3/2)/abs(f2);

ezplot(x,g,[0 400])

由此可求曲線在[0 400]范圍內(nèi)的曲率半徑，如圖4所示。由圖4可知：在[0 400]范圍內(nèi)，冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、正弦函數(shù)相加函數(shù)曲率半徑都是先減小后增大，中間出現(xiàn)一個(gè)極值點(diǎn)；四次多項(xiàng)式函數(shù)曲率半徑先減小、后增大、再減小，中間出現(xiàn)兩個(gè)極值點(diǎn)。

圖4 曲率半徑變化圖

2 仿真試驗(yàn)

2.1 有限元模型的建立

將建立的犁體模型導(dǎo)入ANSYS中，在仿真分析中把土垡模型簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體，由于其形狀比較簡(jiǎn)單，直接在ANSYS中建模，土垡長(zhǎng)寬高分別為1.5、0.4、0.32m。對(duì)犁體模型和土垡模型分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以便形成可供分析的有限元模型。由于犁體是一個(gè)不規(guī)則實(shí)體，微觀形狀為三面鍥形狀，對(duì)其只能采用自由網(wǎng)格(Free)劃分，開(kāi)啟智能網(wǎng)格控制，設(shè)置為9級(jí)精度。對(duì)于形狀比較規(guī)范的土垡模型，采用掃略(Sweep)方式對(duì)其網(wǎng)格劃分。有限元模型網(wǎng)格參數(shù)如表3所示。

表3 有限元模型網(wǎng)格參數(shù)

續(xù)表3

2.2 ANSYS/LS-DYNA中土壤切削模型參數(shù)設(shè)置

用剛性體模型定義有限元模型中剛硬部分可以大大縮減顯式分析的計(jì)算時(shí)間，因此定義犁體材料模型為剛體。約束其X軸、Y軸平動(dòng)自由度和所有的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，只保留沿Z軸方向平行移動(dòng)自由度。根據(jù)相關(guān)資料[7]，犁體材料為16Mn，材料模型如表4所示。

表4 犁體材料特性

對(duì)于土壤，其應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系非常復(fù)雜，具有非線性、彈塑性、粘彈性及流變性等特征，結(jié)合以往的研究發(fā)現(xiàn)，彈塑性模型可以很好地反映土體的非線性特征[8]。根據(jù)對(duì)土壤物理及力學(xué)特性分析，本研究采用LS-DYNA中的塑性隨動(dòng)材料模型，參閱相關(guān)資料[9]，土壤模型的材料特性參數(shù)值如表5所示。

表5 土壤材料特性

從Z軸正方向看，約束其下底面、左側(cè)面和后視面全部自由度。實(shí)際情況中，土壤模型為無(wú)限大區(qū)域，為了真實(shí)反映土壤之間作用力，本研究對(duì)土壤模型上述3個(gè)面施加非反射邊界條件來(lái)模擬無(wú)限大空間。

在LS-DYNA接觸算法中，當(dāng)一個(gè)物體的面穿透另一個(gè)物體的面時(shí)，使用面面接觸算法；犁體切削土壤時(shí)，土壤單元會(huì)失效，侵蝕接觸的目的就是保證在模型外部的單元失效被刪除后剩下的單元依然能夠考慮接觸。因此，犁體與土壤接觸類(lèi)型采用面面侵蝕接觸(Surface to Surface-Eroding)。載荷分別定義為犁體以3 、4、5、6、7km/h恒速沿Z軸負(fù)方向行駛，求解時(shí)間分別設(shè)置為1.8、1.35、1.08、0.9、0.77s。為了減小計(jì)算時(shí)間，設(shè)置時(shí)步比例因子為0.6，質(zhì)量縮放系數(shù)為-e4，負(fù)號(hào)表示質(zhì)量縮放僅加到時(shí)間步長(zhǎng)小于設(shè)定值單元上。輸出文件選擇可用LS-Prepost讀入的LS-DYNA類(lèi)型，并在ASCII輸出文件控制中添加RCFORC，用于輸出接觸面接觸反力。全部參數(shù)設(shè)置好后，開(kāi)始求解。直到界面出現(xiàn)“Solution is done!”，說(shuō)明計(jì)算完成。

3 結(jié)果分析

LS-Prepost是LSTC公司專(zhuān)門(mén)為L(zhǎng)S-DYNA求解器開(kāi)發(fā)的高級(jí)有限元后處理軟件，打開(kāi)LS-Prepost軟件后，首先讀取d3plot結(jié)果文件，可以顯示土壤在各個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖，如圖5所示。

打開(kāi)ASCll中的rcforce文件，可以顯示出犁體在作業(yè)中所受到的X軸方向、Y軸方向、Z軸方向的界面反力及所受總阻力圖形；用記事本打開(kāi)rcforce文件，可得犁體在各個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的耕作阻力數(shù)據(jù)；把數(shù)據(jù)導(dǎo)入excel中進(jìn)行處理，可求出犁體在耕作中所受的平均阻力。

3.1 切削過(guò)程中土壤應(yīng)力變化

由圖5可知：當(dāng)鏵式犁開(kāi)始與土壤接觸時(shí)，土壤率先發(fā)生形變，隨著犁體與土壤接觸位移的增大，土壤變形量也在增大，直到土壤被破壞，最終土壤應(yīng)力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在0.216s時(shí)，犁體鏵尖剛開(kāi)始進(jìn)入土壤，受到擠壓的土壤開(kāi)始變形，最大應(yīng)力為72 803.2Pa，發(fā)生在鏵尖處；在0.464 4s時(shí)，犁體已部分進(jìn)入土壤，犁體的鏵刃和脛刃分別自水平方向和鉛垂方向?qū)⑼寥狼虚_(kāi)，形成一個(gè)具有一定寬度和深度的垡條，此時(shí)最大應(yīng)力為80 357.7Pa；在0.626 4s與0.799 2s時(shí)，犁體全部進(jìn)入土壤，最大應(yīng)力為80 951.6、81 121.5Pa，切削過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)定階段，被切開(kāi)的土垡沿著碎土曲線向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，又沿著翻土曲線向右側(cè)翻轉(zhuǎn)。

3.2 鏵式犁阻力分析

所謂犁體耕作阻力是指沿犁體前進(jìn)方向的反作用力，此研究模型是指沿z軸方向的接觸反力。在LS-Prepost中讀取Z方向耕作阻力，如圖6所示。

圖6 鏵式犁在Z方向工作阻力-時(shí)間曲線

由圖6可知：犁體在切削土壤過(guò)程中，其耕作阻力隨切削位移由零逐漸增加到一穩(wěn)定值，最終在一個(gè)值附近上下波動(dòng)。出現(xiàn)上下波動(dòng)是因?yàn)殓f式犁導(dǎo)曲線曲率半徑不斷變化，土壤單元在其上滑動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力波動(dòng)。用記事本讀取rcforce文件，可得耕作阻力數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 鏵式犁耕作阻力部分?jǐn)?shù)據(jù)

由圖7可以看出：犁體在0.6～1.08s內(nèi)耕作阻力比較穩(wěn)定，將0.6～1.08s內(nèi)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入excel進(jìn)行處理可得平均阻力。根據(jù)同樣的方法，可得其它仿真模型的耕作阻力，如表6所示。從表6可以看出：①隨著耕作速度的增加，耕作阻力也隨著增加。②在3～7km/h內(nèi)，四次多項(xiàng)式導(dǎo)曲線犁體耕作阻力最小，指數(shù)函數(shù)導(dǎo)曲線犁體、冪函數(shù)導(dǎo)曲線犁體、sin函數(shù)相加導(dǎo)曲線導(dǎo)曲線犁體耕作阻力次之，BTU35犁體耕作阻力最大。

表6 仿真分析Z方向阻力列表

通過(guò)對(duì)犁體導(dǎo)曲線曲率半徑變化情況和耕作阻力數(shù)據(jù)分析可知：四次多項(xiàng)式導(dǎo)曲線犁體耕作阻力較小與其曲率半徑出現(xiàn)兩次極值點(diǎn)有關(guān)，因?yàn)榇藢?dǎo)曲線犁體可使土壤應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。一方面，土壤沿著此復(fù)雜變曲率半徑曲面向上滑動(dòng)時(shí)，與曲面接觸的土壤單元應(yīng)力大小會(huì)出現(xiàn)上下波動(dòng)現(xiàn)象，這將降低土壤與曲面的摩擦作用，有利于減小耕作阻力；另一方面，犁體曲面垂直方向土壤單元應(yīng)力波動(dòng)可使犁體前方被壓實(shí)的土壤松碎，最終獲得較小阻力。指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、sin函數(shù)相加曲線曲率只出現(xiàn)一次極值點(diǎn)，曲率半徑變化相對(duì)簡(jiǎn)單，因此其耕作阻力比四次多項(xiàng)式導(dǎo)曲線犁體高。

4 結(jié)論

本文通過(guò)MatLab中曲線擬合功能，根據(jù)已知點(diǎn)擬合4種不同的曲線，得到4種曲線方程。在SolidWorks中通過(guò)方程驅(qū)動(dòng)曲線功能，建立導(dǎo)曲線，基于犁體曲面成型原理，得到犁體三維模型。最終，利用ANSYS/DYNA軟件建立犁體-土壤切削有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，可得到以下結(jié)論：

1)利用ANSYS/DYNA軟件可以對(duì)犁體-土壤切削有限元模型進(jìn)行較好的數(shù)值模擬。

2)鏵式犁導(dǎo)曲線曲率半徑變化趨勢(shì)對(duì)鏵式犁耕作阻力有影響，通過(guò)改變導(dǎo)曲線曲率半徑變化規(guī)律，可以達(dá)到優(yōu)化犁體曲面、降低耕作阻力及節(jié)約能源的目的。

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The Study on Plow’s Drag Reduction Performance

Xu Ruiliang, Liu Meizhou, Guo Zhijun

(College of Vehicles and Traffic Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China)

Optimizing the plow’s geometric shape to reduce working resistance is an urgent problem to be solved.The directrix shape has an important effect on working resistance according to molding principle. Research on the basis of BTU35,five kinds of plows were set up with five types of directrixes in solidworks.At last,the plows were imported into ANSYS software. Working resistances were obtained when some explicit dynamics analysis had been finished. Simulation experiments that the plow formed by quartic polynomial directrix has better drag reduction performance.The plow reduced working resistance by 3.75 percents in 3km/h,4.56 percents in 7km/h, 3.93 percents on all speed range.Considering the relationship between curvature radius of directrixes and working resistances,we can draw a conclusion that the plow formed by directrix with complex curvature radius has better drag reduction performance.

moldboard plow; working resistance; directrix; ANSYS

2016-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175150)

徐銳良(1966-)，男，河南洛陽(yáng)人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)lyxrl@163.com。

劉美洲(1988-)，男，河南周口人，碩士研究生，(E-mail)472050529@qq.com。

S222.12+1

A

1003-188X(2017)02-0022-05