本文用有限元方法探討分析了深松鏟在SolidWorks COSMOS/works下的強度研究。
深松鏟是深松機的主要工作部件，在深松作業時承受復雜、隨機變化的沖擊載荷，是深松機設計的重點和難點。傳統的類比設計方法是在經驗的基礎上進行的，對深松鏟的結構和尺寸以及載荷的設計都不夠精確。有限元法是一種在工程分析中常用的解決復雜問題的近似數值分析方法，以其在機械結構強度和剛度分析方面具有較高的計算精度而得到普遍應用，特別是在材料應力、應變的線性范圍內更是如此。
本文對研制的深松鏟進行了有限元強度分析，研究的結果為深松鏟的優化設計提供了依據。
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，原點為深松鏟的鏟尖中線與鏟尖前下端線的交點。
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、螺母構成。為了研究深松鏟的強度特性，計算工作載荷下的應力和變形，把模型進行簡化和抽象，忽略一些圓角、螺絲孔、很小的實體。
1.2載荷的確定
深松鏟所受載荷的測定是在沈陽農業大學土壤一機器系統實驗室的土槽試驗臺上進行的。土槽試驗臺長25 m、寬1.8 m、作業土層深度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，深松鏟作業時模擬田間收獲作業時的所受載荷。
土槽牽引車主要由驅動部分、行走和制動部分、液壓懸掛部分、電力控制部分、測試系統、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。連接機架與土槽臺車的懸掛架相連。測力裝置的兩個機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具，如中耕機、深松鏟等平面力系的測定。試驗時，測力架要求調整到與地面保持水平的位置。測力框架傳感器的標定采用靜態標定法，在拉壓傳感器的主應力方向加載荷，標定三個拉壓傳感器的標定系數分別為1610 N/mV(0.7T傳感器)、1127 N/mV(0.5T傳感器)和1 495N/mV(1T傳感器)。
土槽內土壤的整理是試驗的重要部分，為了使土壤參數符合試驗要求，采用土壤整理設備對土壤進行必要的整理，以保證土壤的兩個重要參數：含水率和堅實度符合試驗的要求。土壤質地為壤土，土質均勻，土壤含水量為12%.
在土壤深松深度為25 cm，土槽臺車前進速度為l m/s時，對深松鏟進行作業阻力的測定。試驗測定深松鏟的受力變化曲線如圖3所示。對深松鏟進行受力分析得到深松鏟作業時的平均水平受力為l 202N，平均垂直受力為1913N.
2深松鏟的靜態分析
用Solidworks/Cosmos軟件對深松鏟做靜態分析，目的是分析深松鏟在作業載荷下的變形和應力大小，校核深松鏟的強度，以進一步優化深松鏟的結構。
設計深松鏟的材料屬性如表1所示。根據深松作業的實際情況，和土槽試驗的結果，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.
對深松鏟進行實體網格的劃分，如圖1所示，節點數為9 1159個。用Solidworks/Cosmos軟件進行靜態研究，結果表明深松鏟在此載荷作用下，產生的最小應力為693.234 N/m2,發生在深松鏟尖立板的上端部。最大應力為5.55x108 N/m2，發生在右翼的前端部。深松鏟靜態節應力變化如圖4所示。分析結果表明最小應變為1.6x10-9，發生在鏟柱的上面端部。最大應變為1.5x10-3，發生在右翼的前端部。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
細長模型在軸載荷下趨向于扭曲變形。對深松鏟進行扭曲分析，根據深松作業的實際情況，和土槽試驗的結果，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，發生在第60l節，在深松鏟尖的頭部。載荷因子為一2.7832，變形比例為4.75，為非預期的扭曲，當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，深松鏟會發生圖5所示的扭曲。
4深松鏟的改進設計
從對深松鏟的靜態分析和扭曲分析可以看出，在深松作業時，由于作業阻力比較大，深松鏟會承受較大的應力，發生變形。為了增加深松鏟的剛度，對深松鏟進行了結構上的改進，設計了深松鏟和機架相連接的部件，形成深松機單體上的深松鏟總成。如圖6所示。
對深松鏟總成進行網格劃分，根據深松作業的實際情況，和土槽試驗的結果，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.對深松鏟總成進行靜態分析、扭曲分析和模態分析，從分析結果來看，深松鏟總成產生的最大應力為4.2 * 108 N/m2，在右翼的前端部。最大應變為9.6x10-4，發生在右翼的前端部。最大位移為2.33 mm，在深松鏟的頭部。與改進前相比都要不同程度的減小。說明深松鏟的強度和剛度得到提高。
4 結束語
利用三維建模和有限元分析軟件對深松鏟進行了建模和靜態、扭曲、模態分析，確定了深松鏟在作業時的應力和應變的分布圖。對深松鏟的扭曲變化進行了分析。同時，對深松鏟結構進行了改進，改進后的深松鏟在固定載荷下產生的應力、應變和位移都有所降低，固有頻率有所提高。本文的分析結果為深松部件的進一步優化設計提供了依據。