藏宇

摘要：为满足辽西地区保护性耕作的要求，设计可减小土壤阻力的流线翼形深松铲，利用UG软件建立深松铲三维模型，并采用ANSYS软件进行静力分析，确定深松铲耕作时的变形和应力分布情况，为深松铲的研制提供理论依据。

关键词：深松铲；三维建模；有限元分析；变形；应力

中图分类号：S220.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）03-0024-03

深松可打破犁底层、改善土壤结构、建立土壤水库、促进作物高产，是保护性耕作的关键技术之一。深松耕作需打破犁底层，作业深度一般在25 cm以上，耕作阻力大，能耗高。目前，国内外学者主要通过合理优化深松部件结构、改变土壤物理机械性质来减小牵引阻力和降低能耗。为此，设计一种可减小土壤对深松铲阻力的流线翼形深松铲，并利用UG和ANSYS软件对深松铲进行三维建模和有限元分析，确定深松铲的结构特征和模态参数，为深松部件的设计提供参考。

1 深松铲设计要求

深松铲是深松机的主要工作部件，承受耕层土壤内复杂且随机变化的载荷作用。深松阻力过大，易导致深松铲弯曲变形。深松铲的设计应符合以下要求：1） 入土容易，作业时入土行程短；2） 对表层土壤扰动小，对土壤破坏的横向影响范围小，不损伤作物根系；3） 外形圆滑过渡，没有较大的应力集中；4） 结构简单，使用维护方便。

2 深松铲结构设计

流线翼形深松铲主要由铲柱、铲尖、铲尖立板和左右铲翼组成。作业时，随着深松铲与土壤的接触，切削角不断变化，碎土而不翻土。深松铲的各项具体参数见图2。

翼张角2γ是深松铲两翼沿着拖拉机前进方向的水平面夹角，其确定依据是使秸秆（或草根）沿铲刃口滑动切割，以减小切割阻力，避免杂草（或秸秆）缠绕。只有切割阻力沿刃口的分力大于秸秆（或草根）和刃口间的摩擦阻力，秸秆（或草根）才能顺利地沿刃口向后滑移。秸秆阻力取决于秸秆种类、土壤类型及其物理机械特性，不同的土壤耕作应采用不同的γ角。实施保护性耕作的辽西地区土壤介于砂土和中壤土之间，浅松时的2γ可取70～80°，以减小土壤的侧向位移。根据以上分析，翼张角设计为60°。

隙角ε是铲尖下表面与水平面间的夹角，其值不宜过小。为保证铲尖的入土性能，γ设计为8°。碎土角β的作用是破碎土壤，其值越大，碎土能力越强。但碎土角过大，会搅混上、下土层，增加土层侧向位移及牵引阻力。结合实际情况，γ设计为10°。入土角α的设计应满足疏松土壤、且不翻转土层的要求。α越小，切土阻力越小，但入土性能会减弱。综合考虑，入土角设计为18°。

深松铲的幅宽B根据入土条件、松土性能和强度要求确定。根据田间试验结果和机具设计要求，幅宽设计为100 mm。为减小作业阻力及深松铲的横向影响范围，深松铲双翼设计一定夹角δ。结合实际情况，翼夹角设计为120°。铲尖宽度b影响深松铲的入土能力和作业阻力，因此应结合深松铲的具体结构，尽量减小铲尖的宽度。b设计为25 mm。铲尖曲率半径R是保证深松铲入土性能的重要参数。根据我国传统的犁铧曲率半径取值，R选用800 mm。铲尖立板和直铲柱构成抛物线型铲柄，以不铲秸秆为原则，确定曲率半径R0为400 mm。深松铲采用65Mn经调质处理，硬度达到HRC40以上。

3 深松铲三维建模

利用UG软件，通过画草图、拉伸、扫略、求和、求差、镜像等操作建立深松铲的三维模型。为进行有限元分析和建模方便，对流线翼形深松铲进行处理：将螺纹连接的部分去掉，假定全部采用焊接连接，同时去掉板上所有小于φ20的孔特征。在文件中建立深松铲整体模型，并把装配关系变为布尔和关系。

4 深松铲有限元分析

用UG软件把深松铲的UG模型导出IGES格式，再导入ANSYS进行静力分析，分析步骤为：【导入模型】→【定义单元类型】→【定义材料性能参数和密度】→【划分网格】→【施加约束和载荷】→【求解】→【查看结果】。根据深松铲材料的属性和深松作业实际情况，固定深松铲铲柱的上端面，在铲尖面施加3.15×107 N/m2压力，静力分析结果如图4所示。

由图4可以看出：在深松过程中，铲柱变形很大；铲柱两侧、铲尖立板同铲柱结合处、铲尖立板同铲尖结合处应力集中，应该加强铲柱强度，并加强铲柱与机架的联接，减小铲柱变形。

5 深松铲改进设计

对深松铲的静力分析可以看出：深松作业阻力较大时，深松铲承受较大的应力，容易发生形变。为增加深松铲的刚度，对深松铲进行结构改进，重新设计深松铲与机架相连接的部件，形成深松机单体上的深松铲总成。

对深松铲总成进行网格划分，根据深松作业的实际情况和土槽试验结果，固定铲柱连接板的上端面，在铲尖施加水平力1 202 ×1.5=1 800（N）和垂直力1 913×1.5=2 870（N）。深松铲总成静力分析结果表明：深松铲总成产生的最大应力为4.2×108 N/m2，在右翼的前端部；最大应变为9.6×10-4，发生在右翼的前端部。与改进前相比，最大应力和最大应变均有不同程度地减小，说明深松铲的强度和刚度得到了提高。

6 结论

根据保护性耕作深松技术要求设计的流线翼形深松铲，耕作阻力较小，但在耕作过程中铲柱变形较大，且在铲柱两侧、铲尖立板同铲柱结合处、铲尖立板与铲尖结合处应力集中严重，应从材料选择和尺寸方面加以改善。

摘要：为满足辽西地区保护性耕作的要求，设计可减小土壤阻力的流线翼形深松铲，利用UG软件建立深松铲三维模型，并采用ANSYS软件进行静力分析，确定深松铲耕作时的变形和应力分布情况，为深松铲的研制提供理论依据。

关键词：深松铲；三维建模；有限元分析；变形；应力

中图分类号：S220.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）03-0024-03

深松可打破犁底层、改善土壤结构、建立土壤水库、促进作物高产，是保护性耕作的关键技术之一。深松耕作需打破犁底层，作业深度一般在25 cm以上，耕作阻力大，能耗高。目前，国内外学者主要通过合理优化深松部件结构、改变土壤物理机械性质来减小牵引阻力和降低能耗。为此，设计一种可减小土壤对深松铲阻力的流线翼形深松铲，并利用UG和ANSYS软件对深松铲进行三维建模和有限元分析，确定深松铲的结构特征和模态参数，为深松部件的设计提供参考。

1 深松铲设计要求

深松铲是深松机的主要工作部件，承受耕层土壤内复杂且随机变化的载荷作用。深松阻力过大，易导致深松铲弯曲变形。深松铲的设计应符合以下要求：1） 入土容易，作业时入土行程短；2） 对表层土壤扰动小，对土壤破坏的横向影响范围小，不损伤作物根系；3） 外形圆滑过渡，没有较大的应力集中；4） 结构简单，使用维护方便。

2 深松铲结构设计

流线翼形深松铲主要由铲柱、铲尖、铲尖立板和左右铲翼组成。作业时，随着深松铲与土壤的接触，切削角不断变化，碎土而不翻土。深松铲的各项具体参数见图2。

翼张角2γ是深松铲两翼沿着拖拉机前进方向的水平面夹角，其确定依据是使秸秆（或草根）沿铲刃口滑动切割，以减小切割阻力，避免杂草（或秸秆）缠绕。只有切割阻力沿刃口的分力大于秸秆（或草根）和刃口间的摩擦阻力，秸秆（或草根）才能顺利地沿刃口向后滑移。秸秆阻力取决于秸秆种类、土壤类型及其物理机械特性，不同的土壤耕作应采用不同的γ角。实施保护性耕作的辽西地区土壤介于砂土和中壤土之间，浅松时的2γ可取70～80°，以减小土壤的侧向位移。根据以上分析，翼张角设计为60°。

隙角ε是铲尖下表面与水平面间的夹角，其值不宜过小。为保证铲尖的入土性能，γ设计为8°。碎土角β的作用是破碎土壤，其值越大，碎土能力越强。但碎土角过大，会搅混上、下土层，增加土层侧向位移及牵引阻力。结合实际情况，γ设计为10°。入土角α的设计应满足疏松土壤、且不翻转土层的要求。α越小，切土阻力越小，但入土性能会减弱。综合考虑，入土角设计为18°。

深松铲的幅宽B根据入土条件、松土性能和强度要求确定。根据田间试验结果和机具设计要求，幅宽设计为100 mm。为减小作业阻力及深松铲的横向影响范围，深松铲双翼设计一定夹角δ。结合实际情况，翼夹角设计为120°。铲尖宽度b影响深松铲的入土能力和作业阻力，因此应结合深松铲的具体结构，尽量减小铲尖的宽度。b设计为25 mm。铲尖曲率半径R是保证深松铲入土性能的重要参数。根据我国传统的犁铧曲率半径取值，R选用800 mm。铲尖立板和直铲柱构成抛物线型铲柄，以不铲秸秆为原则，确定曲率半径R0为400 mm。深松铲采用65Mn经调质处理，硬度达到HRC40以上。

3 深松铲三维建模

利用UG软件，通过画草图、拉伸、扫略、求和、求差、镜像等操作建立深松铲的三维模型。为进行有限元分析和建模方便，对流线翼形深松铲进行处理：将螺纹连接的部分去掉，假定全部采用焊接连接，同时去掉板上所有小于φ20的孔特征。在文件中建立深松铲整体模型，并把装配关系变为布尔和关系。

4 深松铲有限元分析

用UG软件把深松铲的UG模型导出IGES格式，再导入ANSYS进行静力分析，分析步骤为：【导入模型】→【定义单元类型】→【定义材料性能参数和密度】→【划分网格】→【施加约束和载荷】→【求解】→【查看结果】。根据深松铲材料的属性和深松作业实际情况，固定深松铲铲柱的上端面，在铲尖面施加3.15×107 N/m2压力，静力分析结果如图4所示。

由图4可以看出：在深松过程中，铲柱变形很大；铲柱两侧、铲尖立板同铲柱结合处、铲尖立板同铲尖结合处应力集中，应该加强铲柱强度，并加强铲柱与机架的联接，减小铲柱变形。

5 深松铲改进设计

对深松铲的静力分析可以看出：深松作业阻力较大时，深松铲承受较大的应力，容易发生形变。为增加深松铲的刚度，对深松铲进行结构改进，重新设计深松铲与机架相连接的部件，形成深松机单体上的深松铲总成。

对深松铲总成进行网格划分，根据深松作业的实际情况和土槽试验结果，固定铲柱连接板的上端面，在铲尖施加水平力1 202 ×1.5=1 800（N）和垂直力1 913×1.5=2 870（N）。深松铲总成静力分析结果表明：深松铲总成产生的最大应力为4.2×108 N/m2，在右翼的前端部；最大应变为9.6×10-4，发生在右翼的前端部。与改进前相比，最大应力和最大应变均有不同程度地减小，说明深松铲的强度和刚度得到了提高。

6 结论

根据保护性耕作深松技术要求设计的流线翼形深松铲，耕作阻力较小，但在耕作过程中铲柱变形较大，且在铲柱两侧、铲尖立板同铲柱结合处、铲尖立板与铲尖结合处应力集中严重，应从材料选择和尺寸方面加以改善。

摘要：为满足辽西地区保护性耕作的要求，设计可减小土壤阻力的流线翼形深松铲，利用UG软件建立深松铲三维模型，并采用ANSYS软件进行静力分析，确定深松铲耕作时的变形和应力分布情况，为深松铲的研制提供理论依据。

关键词：深松铲；三维建模；有限元分析；变形；应力

中图分类号：S220.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）03-0024-03

深松可打破犁底层、改善土壤结构、建立土壤水库、促进作物高产，是保护性耕作的关键技术之一。深松耕作需打破犁底层，作业深度一般在25 cm以上，耕作阻力大，能耗高。目前，国内外学者主要通过合理优化深松部件结构、改变土壤物理机械性质来减小牵引阻力和降低能耗。为此，设计一种可减小土壤对深松铲阻力的流线翼形深松铲，并利用UG和ANSYS软件对深松铲进行三维建模和有限元分析，确定深松铲的结构特征和模态参数，为深松部件的设计提供参考。

1 深松铲设计要求

深松铲是深松机的主要工作部件，承受耕层土壤内复杂且随机变化的载荷作用。深松阻力过大，易导致深松铲弯曲变形。深松铲的设计应符合以下要求：1） 入土容易，作业时入土行程短；2） 对表层土壤扰动小，对土壤破坏的横向影响范围小，不损伤作物根系；3） 外形圆滑过渡，没有较大的应力集中；4） 结构简单，使用维护方便。

2 深松铲结构设计

流线翼形深松铲主要由铲柱、铲尖、铲尖立板和左右铲翼组成。作业时，随着深松铲与土壤的接触，切削角不断变化，碎土而不翻土。深松铲的各项具体参数见图2。

翼张角2γ是深松铲两翼沿着拖拉机前进方向的水平面夹角，其确定依据是使秸秆（或草根）沿铲刃口滑动切割，以减小切割阻力，避免杂草（或秸秆）缠绕。只有切割阻力沿刃口的分力大于秸秆（或草根）和刃口间的摩擦阻力，秸秆（或草根）才能顺利地沿刃口向后滑移。秸秆阻力取决于秸秆种类、土壤类型及其物理机械特性，不同的土壤耕作应采用不同的γ角。实施保护性耕作的辽西地区土壤介于砂土和中壤土之间，浅松时的2γ可取70～80°，以减小土壤的侧向位移。根据以上分析，翼张角设计为60°。

隙角ε是铲尖下表面与水平面间的夹角，其值不宜过小。为保证铲尖的入土性能，γ设计为8°。碎土角β的作用是破碎土壤，其值越大，碎土能力越强。但碎土角过大，会搅混上、下土层，增加土层侧向位移及牵引阻力。结合实际情况，γ设计为10°。入土角α的设计应满足疏松土壤、且不翻转土层的要求。α越小，切土阻力越小，但入土性能会减弱。综合考虑，入土角设计为18°。

深松铲的幅宽B根据入土条件、松土性能和强度要求确定。根据田间试验结果和机具设计要求，幅宽设计为100 mm。为减小作业阻力及深松铲的横向影响范围，深松铲双翼设计一定夹角δ。结合实际情况，翼夹角设计为120°。铲尖宽度b影响深松铲的入土能力和作业阻力，因此应结合深松铲的具体结构，尽量减小铲尖的宽度。b设计为25 mm。铲尖曲率半径R是保证深松铲入土性能的重要参数。根据我国传统的犁铧曲率半径取值，R选用800 mm。铲尖立板和直铲柱构成抛物线型铲柄，以不铲秸秆为原则，确定曲率半径R0为400 mm。深松铲采用65Mn经调质处理，硬度达到HRC40以上。

3 深松铲三维建模

利用UG软件，通过画草图、拉伸、扫略、求和、求差、镜像等操作建立深松铲的三维模型。为进行有限元分析和建模方便，对流线翼形深松铲进行处理：将螺纹连接的部分去掉，假定全部采用焊接连接，同时去掉板上所有小于φ20的孔特征。在文件中建立深松铲整体模型，并把装配关系变为布尔和关系。

4 深松铲有限元分析

用UG软件把深松铲的UG模型导出IGES格式，再导入ANSYS进行静力分析，分析步骤为：【导入模型】→【定义单元类型】→【定义材料性能参数和密度】→【划分网格】→【施加约束和载荷】→【求解】→【查看结果】。根据深松铲材料的属性和深松作业实际情况，固定深松铲铲柱的上端面，在铲尖面施加3.15×107 N/m2压力，静力分析结果如图4所示。

由图4可以看出：在深松过程中，铲柱变形很大；铲柱两侧、铲尖立板同铲柱结合处、铲尖立板同铲尖结合处应力集中，应该加强铲柱强度，并加强铲柱与机架的联接，减小铲柱变形。

5 深松铲改进设计

对深松铲的静力分析可以看出：深松作业阻力较大时，深松铲承受较大的应力，容易发生形变。为增加深松铲的刚度，对深松铲进行结构改进，重新设计深松铲与机架相连接的部件，形成深松机单体上的深松铲总成。

对深松铲总成进行网格划分，根据深松作业的实际情况和土槽试验结果，固定铲柱连接板的上端面，在铲尖施加水平力1 202 ×1.5=1 800（N）和垂直力1 913×1.5=2 870（N）。深松铲总成静力分析结果表明：深松铲总成产生的最大应力为4.2×108 N/m2，在右翼的前端部；最大应变为9.6×10-4，发生在右翼的前端部。与改进前相比，最大应力和最大应变均有不同程度地减小，说明深松铲的强度和刚度得到了提高。

6 结论

根据保护性耕作深松技术要求设计的流线翼形深松铲，耕作阻力较小，但在耕作过程中铲柱变形较大，且在铲柱两侧、铲尖立板同铲柱结合处、铲尖立板与铲尖结合处应力集中严重，应从材料选择和尺寸方面加以改善。