本文用有限元方法探討分析了深松鏟在SolidWorks COSMOS/works下的強(qiáng)度研究。

　　深松鏟是深松機(jī)的主要工作部件，在深松作業(yè)時承受復(fù)雜、隨機(jī)變化的沖擊載荷，是深松機(jī)設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的類比設(shè)計方法是在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，對深松鏟的結(jié)構(gòu)和尺寸以及載荷的設(shè)計都不夠精確。有限元法是一種在工程分析中常用的解決復(fù)雜問題的近似數(shù)值分析方法，以其在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方面具有較高的計算精度而得到普遍應(yīng)用，特別是在材料應(yīng)力、應(yīng)變的線性范圍內(nèi)更是如此。

　　本文對研制的深松鏟進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，研究的結(jié)果為深松鏟的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

　　1 深松鏟有限元分析模型

　　定義以鏟尖方向為X方向，豎直向上為Y方向，垂直于鏟柱面為Z方向，原點(diǎn)為深松鏟的鏟尖中線與鏟尖前下端線的交點(diǎn)。

　　1.1 模型的建立

　　用Solidworks軟件建立深松鏟的三維模型，如圖1所示，主要由鏟尖、左翼、右翼、鏟尖立板、鏟柱、螺栓、螺母構(gòu)成。為了研究深松鏟的強(qiáng)度特性，計算工作載荷下的應(yīng)力和變形，把模型進(jìn)行簡化和抽象，忽略一些圓角、螺絲孔、很小的實(shí)體。

　　1.2載荷的確定

　　深松鏟所受載荷的測定是在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤一機(jī)器系統(tǒng)實(shí)驗室的土槽試驗臺上進(jìn)行的。土槽試驗臺長25 m、寬1.8 m、作業(yè)土層深度0.5 m，有兩道混凝土墻夾成，試驗時帶有測試儀器設(shè)備的牽引車牽引著該收獲裝置在混凝土墻上行走，深松鏟作業(yè)時模擬田間收獲作業(yè)時的所受載荷。

　　土槽牽引車主要由驅(qū)動部分、行走和制動部分、液壓懸掛部分、電力控制部分、測試系統(tǒng)、動力輸出部分等組成。

　　深松鏟為對稱式工作部件，為了測定深松鏟作業(yè)時的水平受力和垂直受力，研制了懸掛架式平面力系測定裝置，如圖2所示。連接機(jī)架與土槽臺車的懸掛架相連。測力裝置的兩個機(jī)架通過拉壓傳感器連接在一起。通過各阻力分量作用于傳感器的微量變形：測定平面力系的各個分量。

　　適用于對稱式耕作機(jī)具，如中耕機(jī)、深松鏟等平面力系的測定。試驗時，測力架要求調(diào)整到與地面保持水平的位置。測力框架傳感器的標(biāo)定采用靜態(tài)標(biāo)定法，在拉壓傳感器的主應(yīng)力方向加載荷，標(biāo)定三個拉壓傳感器的標(biāo)定系數(shù)分別為1610 N/mV(0.7T傳感器)、1127 N/mV(0.5T傳感器)和1 495N/mV(1T傳感器)。

　　土槽內(nèi)土壤的整理是試驗的重要部分，為了使土壤參數(shù)符合試驗要求，采用土壤整理設(shè)備對土壤進(jìn)行必要的整理，以保證土壤的兩個重要參數(shù)：含水率和堅實(shí)度符合試驗的要求。土壤質(zhì)地為壤土，土質(zhì)均勻，土壤含水量為12%.

　　在土壤深松深度為25 cm，土槽臺車前進(jìn)速度為l m/s時，對深松鏟進(jìn)行作業(yè)阻力的測定。試驗測定深松鏟的受力變化曲線如圖3所示。對深松鏟進(jìn)行受力分析得到深松鏟作業(yè)時的平均水平受力為l 202N，平均垂直受力為1913N.

　　2深松鏟的靜態(tài)分析

　　用Solidworks/Cosmos軟件對深松鏟做靜態(tài)分析，目的是分析深松鏟在作業(yè)載荷下的變形和應(yīng)力大小，校核深松鏟的強(qiáng)度，以進(jìn)一步優(yōu)化深松鏟的結(jié)構(gòu)。

　　設(shè)計深松鏟的材料屬性如表1所示。根據(jù)深松作業(yè)的實(shí)際情況，和土槽試驗的結(jié)果，固定鏟柱的上端面，在鏟尖施加水平力1202N * l.5 = 1800N和垂直力1 913N*l.5= 2870N.

　　對深松鏟進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格的劃分，如圖1所示，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 1159個。用Solidworks/Cosmos軟件進(jìn)行靜態(tài)研究，結(jié)果表明深松鏟在此載荷作用下，產(chǎn)生的最小應(yīng)力為693.234 N/m2,發(fā)生在深松鏟尖立板的上端部。最大應(yīng)力為5.55x108 N/m2，發(fā)生在右翼的前端部。深松鏟靜態(tài)節(jié)應(yīng)力變化如圖4所示。分析結(jié)果表明最小應(yīng)變?yōu)?.6x10-9，發(fā)生在鏟柱的上面端部。最大應(yīng)變?yōu)?.5x10-3，發(fā)生在右翼的前端部。在鏟尖施加水平力1 800N和垂直力2 870N時，產(chǎn)生的最大位移為3.44 mm，在深松鏟尖的頭部，變形比例為21.86，最小安全系數(shù)為0.87，在深松鏟尖的中部;最大為100，在深松鏟尖的后部。

　　3深松鏟的扭曲分析

　　細(xì)長模型在軸載荷下趨向于扭曲變形。對深松鏟進(jìn)行扭曲分析，根據(jù)深松作業(yè)的實(shí)際情況，和土槽試驗的結(jié)果，固定鏟柱的上端面，在鏟尖施加水平力1202N * l.5 = l800 N和垂直力1913N * l.5 = 2870N.深松鏟的扭曲位移和變形情況如圖5所示。

　　深松鏟的最大扭曲位移為12.84，發(fā)生在第60l節(jié)，在深松鏟尖的頭部。載荷因子為一2.7832，變形比例為4.75，為非預(yù)期的扭曲，當(dāng)在深松鏟上反向施加27832 * 1800 = 5010 N的水平力和2.7832 * 2870 = 7988 N的豎直力時，深松鏟會發(fā)生圖5所示的扭曲。

　　4深松鏟的改進(jìn)設(shè)計

　　從對深松鏟的靜態(tài)分析和扭曲分析可以看出，在深松作業(yè)時，由于作業(yè)阻力比較大，深松鏟會承受較大的應(yīng)力，發(fā)生變形。為了增加深松鏟的剛度，對深松鏟進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，設(shè)計了深松鏟和機(jī)架相連接的部件，形成深松機(jī)單體上的深松鏟總成。如圖6所示。

　　對深松鏟總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)深松作業(yè)的實(shí)際情況，和土槽試驗的結(jié)果，固定鏟柱連接板的上端面，在鏟尖施加水平力l202N * l.5 = 1800 N和垂直力1913N * l.5= 2870 N.對深松鏟總成進(jìn)行靜態(tài)分析、扭曲分析和模態(tài)分析，從分析結(jié)果來看，深松鏟總成產(chǎn)生的最大應(yīng)力為4.2 * 108 N/m2，在右翼的前端部。最大應(yīng)變?yōu)?.6x10-4，發(fā)生在右翼的前端部。最大位移為2.33 mm，在深松鏟的頭部。與改進(jìn)前相比都要不同程度的減小。說明深松鏟的強(qiáng)度和剛度得到提高。

　　4 結(jié)束語

　　利用三維建模和有限元分析軟件對深松鏟進(jìn)行了建模和靜態(tài)、扭曲、模態(tài)分析，確定了深松鏟在作業(yè)時的應(yīng)力和應(yīng)變的分布圖。對深松鏟的扭曲變化進(jìn)行了分析。同時，對深松鏟結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的深松鏟在固定載荷下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移都有所降低，固有頻率有所提高。本文的分析結(jié)果為深松部件的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。