深松机的结构设计和关键部位的分析报告

基于solidworks深松机的设计

【摘要】：为了进一步完善耕作系统,针对国外现有深松机存在的深松度达不到要求、耕作阻力大、易堵塞及能耗高等问题,对深松效应进行了深入研究,设计了适合在保护性耕作条件下进行深松作业的机械。通过对深松机工作原理和结构的分析与计算,确定了该机具各部件的总体布局,设计出适合动力配置的能对土壤进行高效松碎的深松部件及其结构参数。和对关键部件的有限元分析及其仿真。

关键词：深松机有限元分析

一深松的背景和好处及其种类

（一）深松作业的背景

在农业生产上，要想获得粮食丰产丰收，不仅需要有优良的种子，足够的肥料，控制病虫害的方法手段，还需要有先进适用的机械化技术做为支撑。

1、机械深松技术含义:是指用不同的动力机械配套相应的深松机械，来完成农田深松作业的机械化技术。机械深松的目的是疏松土壤，打破犁底层，增强雨水入渗速度和数量，减少径流，减少水份蒸发损失。由于机械深松是只松土、不翻土，作业后使耕层土壤不乱，动土量小，所以特别适合于黑土层浅、不宜耕翻作业的土壤。土壤实现机械深松，实际上是一场农业耕种领域的技术革命，它正在变为一种使粮食增产最有效、先进的技术耕作制度而被人们认识和认可。

2、机械深松的背景及必要性:农业生产事实告诉我们，制约粮食增产最重要的因素之一就是土壤的质量。据调查，在过去的30年中，我省大部分土地是以传统耕作方式为主，即小型农机具作业，连年耕作，导致土壤耕层只有12-15厘米左右，土壤板结严重，阻力不断增大，犁底层的土壤变得硬脆，一锹下去就会大块大块地开裂，同时厚硬的犁底层也阻碍着土壤上下水气的贯通和天然降水的贮存，小型农机具的连年作业，也导致了土壤中蚯蚓等生物的大量减少，土壤毛细管的破坏，土壤养分输送能力的破坏，难以维持植株正常生长对水、肥、气、热的需求;另外多年来传统的种植习惯---翻、耙、压，翻动土壤严重，不符合作物生长需求;另一方面机车多次进地，土壤压实，降雨径流现象十分突出，土壤蓄水保墒能力明显不足。

据测定，小四轮机械灭茬，耕深6-10cm，多功能复式整地机也只有12-16cm。由此导致了土壤干旱现象逐年加剧，恶性循环，农作物只能在夹层陕小的空间中生长，根系发展没有空间，养份吸收不上来，造成农作物生长不良，抗风、抗旱、抗病能力不足。土壤板结，玉米根系不能深扎，应该说耕地质量下降，已成为提高农业综合生产能力的基础性障碍因素。鉴于上述问题，在农业种植技术上，就必须进行改革，大力推广以机械化深松为主导的种植模式，这是在目前现有综合技术条件下，使玉米增产的最为有效的方法，实行以机械化深松为主的保护性耕作技术，已是迫在眉睫。

（二）深松作业的好处：

实施深松作业有以下几方面的好处：

1、提高土壤蓄水保墒能力。土壤经过深松作业后，打破犁地层，增加土壤孔隙度，增加了雨水渗透能力，有利于减少水土流失，较多地吸纳、伏雨和秋冬雨雪，增加土壤含水量。

2、改善土壤理化性能。深松增加了土壤通透性降低土壤容重，促进土壤速效养分和有机质的形成。

3、增加作物的抗旱和抗倒伏能力。深松改善了作物根系的生长条件，根系粗壮、下扎较深、分布优化，可以充分的吸收土壤的水分和养分，提高作物的抗旱、抗倒伏能力。土壤实施深松作业后一般能增产10—15%。

4、大大降低生产成本。较铧式犁旋耕机相比，作业效率高，铧式犁作业后还需旋耕，填墒沟，一般旋耕机作业两遍，而深松机一遍完成，一般3—4年进行一次，减少了拖拉机进地次数，减少了资源消耗，从整体来看降低了作业成本，是节能减排的一项重大措施;但是必须注意，深松作业的土地播种后，必须及时压水，防止出现去年秋冬突降大雪，冻死青苗的现象。

（三）深松机具的种类和特点

1、深松机种类和特点:机械化深松按作业性质可分为局部深松和全面深松两种。全面深松是用深松犁全面松土，这种方式适用于配合农田基本建设，改造耕层浅的土壤。局部深松则是用杆齿、凿形铲或铧进行松土与不松土相间隔的局部松土。由于间隔深松创造了虚实并存的耕层结构，实践证明，间隔深松优于全面深松，应用较广。

当前，在生产中应用的土壤深松方法主要有间隔深松、垄沟深松、中耕深松、浅耕深松、垄翻深松、全面深松等。

按作业机具结构原理可分为:凿式深松、翼铲式深松、振动深松、鹅掌式深松等。不同深松机具因结构特点不一，作业性能也有一定差异，适用土壤及耕地类型也有一定的变化。一般来讲，以松土、打破犁底层作业为目的的常采用全面深松法，以打破犁底层、蓄水为主要目的的常采用局部深松法。有些种类的机具兼有局部深松和全面深松的特点，如全方位深松机、振动深松机等。

二深松犁的结构设计及其关键部位分析

（一）深松犁的结构设计

1、深松犁的总体结构模型，如图1.1

图 1.1

2、主要部件模型的建立

各部件的简化模型建立

零件1的建模：

再打开软件后，点击草图开始绘制一个长方形，并绘制一个圆，各尺寸使用智能尺寸进行标注。退出草图后，使用特征命令，进行拉伸。在选择左边的一个面，另外创立一个基准面，在该基准面上绘制草图进行拉伸，最后镜像、倒角得到最终零件。如图2.1

图2.1

零件2 的建模：

点击文件“新建”，进入草图的绘制界面，选择一个基准面，开始草图的绘制，绘制完草图。退出草图，点击特征命令中的“拉伸”命令得到如图2.2所示的模型。

图2.2

点击文件“新建”，进入草图的绘制界面，选择一个基准面，前基准面，点正视该基准面，开始草图的绘制，绘制完草图。退出草图，点击特征命令中的“拉伸”命令得到该零件的基准模型。在拉伸面创建一个基准面，绘制一个四边形，对尺寸进行标注，退出草图，拉伸草图，最后倒角，完成模型。如图2.3

图2.3

点击文件“新建”，进入草图的绘制界面，选择前视基准面或者左视基准面，开始草图的绘制，绘制完草图。退出草图，点击特征命令中的“拉伸”命令得到如图2.4所示的模型。

图2.4

点击文件“新建”，进入草图的绘制界面，选择前视基准面或者左视基准面，开始草图的绘制，绘制完草图。退出草图，点击特征命令中的“拉伸”命令得到的模型，如图2.5。在如图所示的模型的前面，创建一个基准面，绘制圆，编辑尺寸，退出草图。点击特征命令中的“拉伸切除”，得到孔。对该模型倒角，完成模型。

图2.5

点击文件“新建”，进入草图的绘制界面，选择前视基准面或者左视基准面，开始草图的绘制，绘制如图2.6所示的草图。退出草图，点击特征命令中的“旋转”命令得到所示的模型。选取图中零件的左面创建一个基准面，绘制一个圆孔，标注尺寸，退出草图。选取草图，进行拉伸切除，得到圆孔。最后对轮子的外观进行编辑，渲染表面，完成模型。

图2.6

点击文件“新建”，进入草图的绘制界面，选择前视基准面或者左视基准面，开始草图的绘制，绘制一个u形草图。退出草图，在如图2.7的右面创建一个基准面，在该基准面上绘制一个长方形的草图，尺寸标注完后退出草图。在特征模块中的扫描出一个U形的实体，在实体上的左面创建一个基准面，在该基准面上绘制一个圆，拉伸切除一个圆孔。在该实体上创建基准面4，在该基准面上绘制圆，同样拉伸切除圆孔，完成模型。

图2.7

点击文件“新建”，进入草图的绘制界面，选择前视基准面或者左视基准面，开始草图的绘制，绘制完草图。退出草图，点击特征命令中的“拉伸”命令得到如图2.8所示的模型。

图2.8

（二）关键部件的分析

1、材料

材料属性

名称: 普通碳钢

模型类型: 线性弹性同向性

屈服强度: 2.20594e+008 N/m^2 力强度: 3.99826e+008 N/m^2 弹性模量: 2.1e+011 N/m^2

泊松比: 0.28

质量密度: 7800 kg/m^3

抗剪模量: 7.9e+010 N/m^2

热扩系数: 1.3e-005 /Kelvin

2、结构的离散化

对模型进行结构离散化，就是有限元分析的基础。结构的离散化也就是网格化，网格化就是将模型分成若干小方块或者三角形单元。对单元的每个节点进行计算作近似代替，并用位移插值函数算出每个点的相关特征。离散化的结构模型如图3.1

图3.1

3、载荷的施加

表3.1

对模型的约束及其施加载荷，载荷的大小垂直于工作面，如图3.2 。约束根据实际情况进行模拟约束，添加固定几何约束。

图3.2

选择组

单位

总和 X

总和 Y

总和 Z

合力

整个模型

N

1419.63

662.22

0.15934

1566.49

3、算例结果

（1）应力的分析

图3.3

由图3.3的结果可以看出，应力最小2.96374 e+004N/m^2，且最小应力出现最下端，由于此处的扭矩最小，古应力最小。

最大5.5640e+007 N/m^2 ，最大应力出现在最上端，由于最上端离作用点最远，扭矩最大，故出现最大应力。

由结果可知，最大应力远小于材料的屈服应力，故此能达到要求。

图3.4

此模型可以看作是一个悬臂梁的受力分析。由图3.4可以看出，最小位移约0mm，且最小位移出现在最顶端。由于最顶端为固定几何约束，所以位移此处最小。

最大位移9.272e-002mm，由于此处离约束端最远，悬臂梁的长度最长，故此处出现最大位移。

由于最大位移为最大时，在工程实际问题中的可以忽略不计，因此此模型能够满足工程实际问题的需要。

图3.5

此模型可以看作是一个悬臂梁的受力分析。由图3.5可以看出，最小应变约3.181e-007mm，且最小位移出现在最顶端。由于最顶端为固定几何约束，所以位移此处最小。

最大应变1.979e-004mm，由于此处离约束端最远，悬臂梁的长度最长，故此处出现最大位移。

由于最大应变为最大，在工程实际问题中的可以忽略不计，因此此模型能够满足工程实际问题的需要。

（4）安全系数的分析

图3.6

由图3.6可知，此零件在该模拟的情况下的安全系数的情况。最小的安全系数为3.96，最大系数为7443.10.但是该零件大部分的单元结构的安全系数都在最小值围，故该零件的材料大多数没有浪费，都能够发挥最好的性能。只有极其少数的一些材料安全系数过大，材料过于浪费。

总体上讲，该零件的材料没有浪费，都发挥到自己的作用。因此，在实际工程中，满足经济性的要求，节约成本。

4、结构的简化设计

设计洞察的观测

图4.1

对于所有工程设计除了满足基本的工程性能问题外，还要满足经济性，简单的说就是要节约成本，在满足功能的前提下要尽可能的减少成本。

由以上结果得到的零件，虽然能很好的满足工程的需要，也符合成本控制的要求，但是不是最经济的设计结构。由图4.1可知，蓝色部分的材料可以去除，可以节约材料外，还可以减轻结构的重量，便于搬运。此外，能满足最大限度的减少成本。但是，减少材料的同时要考虑结构的需要，不是所有蓝色部分的材料都去除。