基于过载保护原理的深松装置设计及有限元分析

祝清震，黄玉祥，2

(1. 西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2.陕西省农业装备工程研究中心，陕西 杨凌 712100)



基于过载保护原理的深松装置设计及有限元分析

祝清震1，黄玉祥1，2

(1. 西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2.陕西省农业装备工程研究中心，陕西 杨凌 712100)

为防止坚硬的犁底层对深松铲尖和铲柄的过载破坏，在研究过载保护装置工作原理的基础上，设计了一种具有过载保护功能的深松装置，并对其关键部件安全销的选型方法进行了研究和有限元校核验证。通过研究深松装置在正常载荷和超载荷两种不同状态下的受力，对其关键部件安全销的直径尺寸和材料选型方法进行了阐述，并利用ANSYS Workbench软件对选用材料为45碳素钢、直径为20mm安全销的过载保护深松装置，进行稳定工作和超载荷工作两种状况下的静力学分析。结果显示：在超载荷状态下，过载保护装置的安全销最大应力为538.47MPa，远大于45碳素钢的屈服强度355MPa。这表明，过载保护装置设计合理，能够起到过载保护作用。该研究可以为深松铲的过载保护设计提供依据。

深松铲；过载保护；有限元分析

0 引言

深松可以改善耕层土壤结构，活化犁底层，提高土壤的蓄水保墒能力和增加农作物的产量，是一种先进的耕作模式[1-3]。深松作业工况复杂，坚硬的犁底层，容易造成铲尖或铲柄折断和变形，影响深松作业效果和降低深松作业效率。目前，国内外学者采用改善深松铲尖材料参数和铲柄结构参数的方法，提高铲尖和铲柄的抗破坏能力[4-6]。Shmulevich I等应用离散元法，分析了深松铲柄的刃角对深松铲通过性的影响[7]；胡军等采用等离子堆焊技术对深松铲尖表面制备碳化铬晶粒-碳铬铁涂层，使铲尖平均硬度提高5～10倍[8]；张金波等对铲尖表面进行仿生肋条结构设计，可以有效增加铲尖的耐磨性能[9]；王彬等研究了凿型铲刀的入土角度和铲柄的形状曲线对深松机具的入土性能和深松作业阻力的影响[10]。

目前，国内学者已经将过载保护装置应用于深松铲保护中，取得了良好的防护效果[11-13]。例如，赵金和张晋国采用在深松铲柄上前端设置安全销的方案，对深松铲起到了良好的过载保护作用[14]。过载保护装置的安全销具有更换性方便、成本低等特点[15]，对工况条件差的深松机具加装过载保护装置是非常必要且可行的。然而，对于安全销选型标准和校核方面的研究欠缺，研究人员大多根据已有的实践经验，选型安全销，往往缺少选型依据和校核。为防止坚硬的犁底层对深松铲尖和铲柄的过载破坏，本文设计了一种具有过载保护功能的深松装置，对关键部件安全销的选型标准进行了研究，并利用有限元软件对过载保护装置进行静力学分析研究，旨在为深松铲过载保护的设计提供依据。

1 过载保护原理及装置设计

1.1 过载保护工作原理

在深松作业过程中，铲尖和铲柄主要与坚硬的犁底层接触，一旦犁底层中包含大的石块、树木粗壮根系时，深松铲瞬间承受的冲击载荷可以达到正常工作的3倍左右[15]，极易造成铲尖崩断、弯曲或铲柄扭曲的危险状况。图1为过载作业损坏的深松铲。

过载保护功能深松装置的关键部件是安全销，当深松作业阻力较大时，安全销被绞断，起到保护深松铲尖和铲柄的作用。过载保护深松装置的安全销必须满足2个条件：①深松铲平稳作业过程中，安全销的强度满足不被铲柄绞断的要求；②深松铲超载作业时，安全销能够首先被铲柄绞断，避免铲尖和铲柄被破坏。

图1 过载损坏的深松铲

所以，当深松机构平稳作业时，过载保护装置的安全销可以承受的剪切力F2必须满足下式，即

(1)

其中，F1为深松铲平稳作业承受的阻力(N)；d1为载荷F1对过载保护装置中心轴的矢距(mm)；d2为载荷F2对过载保护装置中心轴的矢距(mm)。

当深松铲超载作业时，过载保护装置的安全销可承受最大剪切力F2必须满足下式，即

(2)

其中，F3为深松铲超载作业承受的阻力(N)；d3为载荷F3对过载保护装置中心轴的矢距(mm)。综上所述，过载保护装置的安全销最大剪切力F2必须满足下式，即

(3)

1.2 结构设计

根据过载保护装置的工作原理，本文设计了一种具有过载保护功能的深松铲装置，如图2所示。该装置主要由铲座、六角头螺栓、安全销、铲柄和铲尖等组成。铲座前端面可固定于深松机架，后端两个夹板通过六角头螺栓和安全销固定铲柄，铲尖通过螺栓、螺母等固定于铲柄下端，整个过载保护深松装置可以随深松机架进行深松作业。其中，铲柄为仿制《深松铲和深松铲柄(JB/T9788-1999)》所规定的圆弧形中型深松铲柄，铲柄刃角为60°，厚度为30mm；铲尖为《深松铲和深松铲柄(JB/T9788-1999)》所规定的凿形深松铲，长165mm，宽40mm，厚10mm；螺栓选用《六角头螺栓(GB/T 5782-2000)》规定的M24×100六角头螺栓。图2(b)中，H为装置的高度(mm)；R为铲柄刃的曲率半径(mm)；b1为装置上端宽度(mm)；b2为装置下端宽度(mm)；h1为铲尖距离六角螺栓心轴的垂直距离(mm)；h2为安全销中心轴距离六角螺栓心轴的距离(mm)。

1．铲座 2.六角头螺栓 3. 安全销 4. 铲柄 5. 铲尖

1.3 安全销设计

深松铲在稳定工作过程中，一般承受载荷约为2～5kN[16-18]，这里取单铲深松作业最大阻力F1=5kN。

参照机械设计对轴切应力校核公式[15]，可得安全销的切应力τ满足下式，即

(4)

其中，r为安全销的直径(mm)。

[τ]为安全销加工材料的极限切应力，当τ<[τ]时，安全销不可以被破坏；当τ>[τ]时，安全销被破坏。安全销的切应力[τ]与许用拉压应力[σ]的关系为

(5)

本文取[τ]=0.7[σ]。

所以，当深松铲稳定作业过程中，安全销直径设计尺寸应该满足下式，即

(6)

当深松铲超载作业时，安全销直径设计尺寸应该满足下式，即

(7)

深松作业过程满足重度冲击工况，根据机械设计(第6版)，超载荷深松作业阻力与稳定深松作业阻力关系满足下式，即

F3=K·F1

(8)

其中，K为超载系数，本文取K=3。

综上，安全销的直径设计直径应满足的关系式为

(9)

不同安全销的加工材料对其抗拉强度具有重要影响[19]。安全销的材料可以选择的种类繁多，如35、45、50优质碳素钢，T8A、T10A优质工具钢或Y12易切钢[15]。一般在农业机具的过载保护设计过程中，安全销的材料以抗拉强度适中的 35、45 碳素钢为宜。本文结合深松铲的工况状态，选择安全销的加工材料为45碳素钢。

已知45碳素钢的抗拉强度[σ]=600MPa，并参考《圆柱销(GB119-86)》标准，本文设计安全销的直径r=20mm。

图3为安全销的工程图。其中，安全销总长度93mm，安全销两端为直径16mm螺柱，长度为15mm，可以用螺母对安全销进行紧固，防止安全销脱落。

2 过载保护深松铲装置静力学分析

ANSYS Workbench 作为一个整合了ANSYS 现有的各种应用的框架平台，具有强大的后处理功能，可以准确、直观地得到模型各部位的应力、应变分布情况[20]。本文选择ANSYS Workbench 对所设计的过载保护深松装置做静力学分析，主要检验装置的安全销参数设计是否合理和材料选型是否恰当。通过分析正常载荷下，过载保护深松装置的最大应力值是否小于其材料的屈服强度；在超载荷下，装置中安全销的最大应力值是否大于所选材料的屈服强度。

图3 安全销工程图

2.1 有限元仿真前处理

ANSYS Workbench平台中的DesignModeler组件可以和Siemens NX三维软件兼容，并可以协同建模，能够实现几何模型的无缝传递[21]。本文设计的过载保护深松装置为复杂的三维实体模型，因而采用Siemens NX三维软件建立装置的三维模型，通过嵌入接口将模型直接导入ANSYS Workbench中，并连接结构静力分析模块Static Structural。具有过载保护功能的深松装置三维简化模型如图4所示。

图4 有限元结构静力学模型

根据《深松铲与深松铲柄(JB/T9788-1999)》对深松铲和铲柄的技术要求，本文深松铲尖模型的材料采用GB/T711规定的65Mn钢，深松铲柄模型的材料采用不低于GB/T700规定的Q275钢，铲座、螺栓模型的材料采用GB/T 699规定的45钢。3种钢材的力学性能如表1所示。

表1 65Mn、Q275和45钢的力学性能表

在模型接触方面，ANSYS Workbench平台中提供了绑定、不分离、无摩擦接触、粗糙接触和有摩擦接触5种类型。前两者是线性接触，后三者是非线性接触，且接触类型为绑定时，不允许面或线间有相对滑动或分离[22]。本文根据深松铲过载保护装置的实际装配方式，设置铲尖与铲柄、安全销与铲座、安全销与铲柄、螺栓与铲柄和螺栓与铲座的接触方式为绑定接触。

有限元模型的网格质量决定了有限元分析的计算精度和准确性，在ANSYS Workbench平台的网格划分模块为应用者提供了多种网格划分的方法。对于深松铲过载保护装置的结构模型，本文选用自动划分网格方式，该方法可基于几何模型的复杂性自动生成相应的网格类型。对于深松过载保护装置模型，属性窗口中设置相关性 relevance 为100，关联中心Relevance Center为Medium，网格大小Element Size为5mm，平滑度Smoothing为Medium，过渡Transition为Fast。经过网格划分后模型共生成18 396个节点和9 601个单元。网格划分后模型如图5所示。

图5 网格划分模型

过载保护深松装置在深松作业过程中，铲座前端固定在机架上，铲尖与铲柄作用于土壤。本文对铲座前端面添加固定约束，限制该端面的6个自由度，对整体坐标添加重力加速度Standard Earth Gravity，值为-9 806.6mm/s2，深松铲稳定作业状态，对深松铲尖上端面设置等效载荷Remote Force，其值为5kN；深松超载作业时，对铲尖上端面设置等效载荷值15kN。约束与载荷施加方式如图6所示。

图6 施加载荷模型

2.2 有限元结果分析

结构静力分析模块Static Structural的Solution可以提供包括全位移( Total Deformation)、等效弹性应变( Equivalent Elastic Strain)、等效应力(Equivalent Stress)等方面的分析，本文主要选择对两种深松状态下的深松装置各部件的等效应力结果进行分析。由于深松过载保护装置的各零件的材料属性不同，需对各部件单独分析。图7为稳定深松作业状态下的各部件的等效应力云图，图8为超载深松作业状态下铲座、螺栓和安全销的局部等效应力云图。

由图7(a)可知：铲座、螺栓、安全销的最大应力值为179.86MPa，45号碳素钢材料的屈服强度为355MPa，能够满足稳定工作要求。由图7(b)可知：铲尖的最大应力值为193.66MPa，65Mn钢材料的屈服强度为430MPa，可以满足不被破坏要求。由图7(c)可知：铲柄的最大应力值为269.18MPa，Q275钢材料的屈服强度为275MPa，同样可以满足不被破坏的要求。由图7可知：在稳定深松作业过程中，过载保护装置可以正常工作，不会发生安全销被绞断的状况。

图7 正常深松作业状态下的等效应力云图

图8 过载深松作业状态下的等效应力云图

由图8可知：铲座、螺栓和安全销在超载深松作业状态中，最大应力值为538.47MPa，位于安全销与铲座连接处。该值远大于安全销材料45号碳素钢的屈服强度355MPa，说明此时安全销已经破坏，能够起到过载保护作用。

综合分析过载保护深松装置在稳定深松和超载荷深松两种工作状态下的应力值与加工材料的屈服强度，说明选择安全销加工材料为45号碳素钢，直径为20mm，能够满足设计要求。

3 结论

1)分析了深松过载保护装置的工作原理，在此基础上设计了一种具有过载保护功能深松装置。对其关键部件安全销的设计与选型进行了重点分析，确定安全销的设计直径为20mm，加工材料为45碳素钢，两端为直径为16mm的螺杆，可以用螺母紧固。

2)采用ANSYS Workbench软件，对所选的45碳素钢和直径为20mm安全销的过载保护深松装置进行结构静力分析，在稳定深松作业和超载荷作业状态下，分析模型的应力分布状况，说明安全销尺寸设计合理，材料选择合适，能够起到过载保护作用，满足深松作业的要求。

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Subsoiling Device Design and Finite Element Analysis Based on the Principle of Overload

Zhu Qingzhen1, Huang Yuxiang1,2

(1.College of Mechanical and Electric Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. Shaanxi Engineering Research center for Agricultural Equipment, Yangling 712100, China)

To prevent overload damage of the hard plow pan for Subsoiler tip and Shanks, designed a subsoiling device with overload protection function on the basis of research overload protection device operating principle, and its key components of the safety pin selection method were studied and finite element validation check. In this paper, by studying the subsoiling device under normal load and super load two different states of stress, it expounded its key components of the safety pin's diameter and material selection methods, and for the selection of materials of the 45 carbon steel with a diameter of 20mm safety pin overload protection subsoiling device using ANSYS Workbench software for statics analysis under two conditions of stability and ultra-load work. The results showed that the overload protection device of safety pin maximum stress is 538.47MPa in the ultra-load state, which is much larger than the 45 carbon steel yield strength 355MPa. It is also shows that the overload protection device designed reasonable, and can play the role of overload protection. The study can provide the basis for the overload protection design of the Subsoiler.

subsoiler; overload protection; finite element analysis

2016-06-19

陕西省科技攻关项目(2013K02-11)；杨凌示范区科技计划项目(2014NY-29)；西北农林科技大学重点项目(Z101021501)

祝清震(1989-)，男，山东菏泽人，硕士研究生,(E-mail)zhenforyou@163.com。

黄玉祥(1980-)，男，宁夏中宁人，副教授，博士,(E-mail)hyx@nwsuaf.edu.cn。

S222.12+9

A

1003-188X(2017)08-0032-06