免耕播种机波纹圆盘破茬刀的优化设计

免耕播种机波纹圆盘破茬刀的优化设计
王宏立;张伟
【摘要】破茬刀是免耕播种机上重要的零部件之一,其结构形式及参数大小直接影响着破茬效果乃至整机的性能.应用三维参数化建模软件Pro/Engineer对波纹圆盘破茬刀进行了三维实体造型设计,分析了圆盘刀结构参数对应力的影响效果,并进行了参数优化,得到了圆盘刀最佳结构参数,确定了该参数下圆盘破茬刀的应力及变形大小.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2012(034)010
【总页数】4页(P96-99)
【关键词】免耕播种机;波纹圆盘破茬刀;优化设计
【作者】王宏立;张伟
【作者单位】黑龙江八一农垦大学工程学院,黑龙江大庆163319;黑龙江八一农垦大学工程学院,黑龙江大庆163319
【正文语种】中文
【中图分类】S223.2
0 引言
免耕播种机是机械化保护性耕作技术中的关键机具之一，而破茬装置是免耕播种机重要的工作部件，主要由圆盘破茬刀、支架和刀盘架等零件组成，其工作性能和破
茬效果直接影响播种质量。

破茬装置的核心零件是圆盘破茬刀，其作用是切开田地里的残茬(立茬)，并切断倒伏的秸秆，为开沟器开出适当宽度与深度的种沟打下基础。

由于土壤种类及水分含量不同，且根茬分布不均，因此破茬刀工作过程中的受力及变形情况也很复杂，时刻发生变化，为破茬刀结构参数的设计计算带来困难。

采用传统的方法设计破茬圆盘刀不仅需要的周期较长，而且缺乏有效的检验，往往导致零件的刚度和强度存在问题，造成大量的人力和物力浪费。

因此，本文采用虚拟样机技术，利用参数化设计软件Pro/Engineer对破茬圆盘刀进行了优化设计。

Pro/Engineer (简称Pro/E)是美国参数技术公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一
体化的三维软件，以参数化著称，拥有强大的实体和曲面造型功能，集零件设计、产品组合与NC加工等功能于一体，广泛应用于机械、模具和汽车等产品设计领域[1-2]。

本文应用Pro/E的参数化设计特点对破茬圆盘刀进行实体建模，应用
Pro/MECHANICA中灵敏度分析的功能,对破茬圆盘刀各结构参数对应力的影响进行了分析，并优化了圆盘刀结构参数,计算出了最佳结构参数下的最大应力及最大
变形的位置及数值，从而减少破茬装置研究与设计的工作量,为提高产品的质量和
可靠性打下基础。

1 破茬圆盘刀的三维实体建模
破茬圆盘刀主要有平面圆盘、缺口圆盘和波纹圆盘等几种形状。

根据实践经验可知，平面圆盘刀虽切断性能较好，但开出的沟槽宽度太窄，而缺口圆盘刀切断阻力大，功耗大。

因此，设计采用波纹圆盘刀，其结构如图1所示。

主要参数分别为圆盘
刀波纹外径DIA、圆盘刀波纹内径Diameter、圆盘刀壁厚Thickness和圆盘振幅AM。

DIA—外径 Diameter—内径 Thickness—厚度 AM—振幅图1 波纹圆盘刀结构
示意图Fig.1 Schematic diagram of ripple disc
根据生产实践中已知的破茬圆盘刀结构参数数据，利用Pro/E参数化建模技术中
的拉伸、扫描、旋转、倒角和参数等工具，初步建立了波纹圆盘刀的三维实体模型，如图2所示。

图2 波纹圆盘刀的三维实体模型Fig.2 The 3D model of the ripple disc
2 圆盘刀结构参数灵敏度分析
Pro/MECHANICA是美国PTC公司开发的有限元软件。

该软件能够和
Pro/ENGINEER实现无缝集成，即在Pro/E中完成零部件模型的建立，在
Pro/MECHANICA中进行模型的灵敏度分析和优化设计。

本文用灵敏度分析方法
分析圆盘刀结构参数对应力的影响。

1)设置模型单位为毫米牛顿秒形式。

进入Pro/MECHANICA Structure模块。

设
定模型材料属性，进行材料分配，选定波纹圆盘刀由65Mn钢制成。

杨氏模量值
为226GPa，泊松比为0.300，质量密度为7.81×103kg/m3，屈服强度为
430MPa，抗拉强度为735MPa。

2)定义约束条件。

圆盘刀工作时是通过6个螺栓固定在刀盘架上的，其3个方向
移动自由度和3个方向转动自由度均被限制。

所以，在轴孔边缘施加6个约束,限
制全部自由度。

3)施加载荷。

东北地区玉米根茬平均深度为80mm，因此圆盘刀要完整破茬，工
作时切入土壤最小深度为80mm。

理论分析和实践研究表明，圆盘刀工作时一面
随播种机向前直线运动，一面绕刀盘轴转动，因此圆盘刀破茬时所受载荷主要是与土壤接触部分所受到的垂直破茬阻力和水平牵引阻力。

进行室内土槽实验，测得破茬80mm深度时的垂直破茬阻力为1 946 N,水平牵引阻力为265 N，将此载荷加到已建成的三维实体模型上。

2.1 圆盘刀结构参数的建立
分别建立圆盘刀波纹外径参数DIA，设置该参数的Maximum为550mm，Minimum为330mm；波纹内径参数Diameter，设置该参数的Maximum为
290mm，Minimum为150mm；圆盘壁厚参数Thickness，设置该参数的Maximum为7mm，Minimum为4.2mm；圆盘振幅参数AM，设置该参数的Maximum为12mm，Minimum为4mm。

为了防止设计参数在变化过程中引起几何干涉，进行形状改变动画演示，以确定没有干涉。

2.2 灵敏度分析任务的建立
分别建立圆盘刀波纹外径参数、波纹内径参数、圆盘壁厚参数和圆盘振幅参数的灵敏度分析任务，在Start和End中接受默认的Minimum和Maximum，迭带次数设置为10。

2.3 灵敏度分析计算
进行4个灵敏度分析任务的计算，并确认进行错误检查，通过求解进度的信息监视执行的进度。

检查并确定分析运算完成而无错误即可进行结果检视，确定各参数与应力的关系。

在结果窗口定义对话框中，选择Max Von Mises Stress Over Model(模型最大等效应力)，显示模型的应力随着4个参数的变化情况，结果如图3～图6所示。

图3 圆盘刀波纹外径对模型应力的影响Fig.3 Outer diameter influence on Von Mises stress of the ripple disc
图4 圆盘刀波纹内径对模型应力的影响Fig.4 Inner diameter influence on Von Mises stress of the ripple disc
图5 圆盘厚度对模型应力的影响Fig.5 Thickness influence on Von Mises stress of the ripple disc
图6 圆盘波纹振幅对模型应力的影响Fig.6 Amplitude influence on Von Mises stress of the ripple disc
从图3～图6可以看出，4个参数对模型的应力都有影响。

随着圆盘波纹外径的增加，模型应力先增加，直径在420mm后出现小幅波动，直径大于460mm后模
型应力降低；随着圆盘波纹内径的增加，模型应力基本是线性缓慢增加；随着圆盘壁厚的增加，模型应力总体趋势是降低的，但下降速度先快后缓；随着圆盘波纹振幅的增加，模型应力先增加，振幅大于8mm后，应力出现波动。

为了比较4个结构参数对模型应力的影响程度，将4个曲线图的纵坐标变化范围
取为相同，即纵坐标数值设置从10MPa到45MPa，得到如图7所示的等效应力
影响图。

图7 比较4个参数对等效应力的影响Fig.7 Parameters influence on Von Mises stress
由图7可以看出，对于模型的最大应力来说，设计参数Thickness的变化最敏感。

也就是说，波纹圆盘壁厚的变化对模型应力的影响最大，也非常显著；圆盘外径对模型应力也有较大影响，总体变化趋势是先增后减，即波纹圆盘外径大于480mm 后，应力较小；波纹圆盘内径和振幅对应力的影响较小，不是很显著。

3 圆盘刀结构参数优化
3.1 建立优化任务
优化目标：模型最大等效应力最小；优化约束：圆盘刀质量不超过5.000 0×10-
3t；优化参数：圆盘波纹外径DIA、圆盘波纹内径Diameter、圆盘壁厚Thickness和圆盘振幅AM，并定义变量范围和初始值。

3.2 优化分析计算
选择自动算法作为最佳化算法，它将自动选择SQP(序列二次规划法)作为 Pro/M
的起始算法。

当遇到模型无效或重生成失败时，Pro/M将会在后续的计算中自动
地切换SQP算法与GDP算法来解决这些问题。

最佳化收敛设定收敛值为1%，最大迭代数Max Iterations为10。

运行最优化计算，执行批处理操作，得到结果如下(节选)：
Goal
Analysis: Analysis1
Load Set: LoadSet1
Minimize: max_stress_vm
Limit: 1
total_mass < 5.0000e-003
Parameter Min.Value Initial Value Max.Value
Diameter 150 230 290
Thickness 4.2 5 7
DIA 330 400 550
AM 4 8 12
Best Design Found:
Parameters:
Diameter 203.511
Thickness 6.4
DIA 363.504
AM 6.84979
Goal: 6.0795e+00
3.3 显示优化结果
优化收敛过程如图8所示。

图8 参数优化收敛过程Fig.8 Convergence process of parameter optimization
参数圆整后，得到最优化设计结果为：圆盘刀波纹外径364mm，圆盘刀波纹内径204mm，圆盘刀壁厚6mm，圆盘振幅7mm。

优化后模型应力分布如图9所示。

最大应力位于最下端螺栓孔处，应力值为
6.349MPa。

模型变形如图10所示，最大变形位于圆盘刀最下端外径处，变形值
为6.8×10-3mm。

破茬刀的强度和刚度满足设计要求。

图9 圆盘刀的等效应力云图Fig.9 Mises stress contour plot of the ripple disc 图10 圆盘刀的受力变形图Fig.10 Displacement contour plot of the ripple disc
4 结论
1)应用Pro/MECHANICA模块研究不同结构参数对模型应力的影响程度，结果如下：波纹圆盘壁厚对模型应力的影响最大；圆盘波纹外径对模型应力也有较大影响，总体变化趋势是先增后减；圆盘波纹内径和振幅对应力的影响较小。

2)进行了结构参数优化，确定了破茬刀合理尺寸。

结构参数优化结果为波纹圆盘外径364mm、波纹圆盘内径204mm、圆盘壁厚6mm、圆盘振幅7mm。

上述结
果为合理确定圆盘刀结构尺寸提供依据。

3)确定了最佳结构参数下圆盘破茬刀的应力及变形情况，其强度与刚度在材料的许用范围之内，满足设计要求。

【相关文献】
[1] 祝凌云，李斌.Pro/ENGINEER野火版入门指南[M].北京：人民邮电出版社，2003.
[2] 周四新，和青芳.Pro/ENGINEER Wildfire基础设计[M].北京：机械工业出版社，2003.
[3] 钟日铭.Pro/ENGINEER Wildfire3.0机械设计实例教程[M].北京：清华大学出版社，2007.
[4] 赵旭，张祖立，唐萍，等.被动式倾斜波纹圆盘破茬刀工作性能试验[J].农业机械学报，2011，
42(1)：64-67.
[5] 张祖立,赵旭,白小虎,等.新型倾斜波纹圆盘刀的运动学分析与仿真[J].农机化研究，2009,31(6)：27-30.
[6] 王宏立，张伟.基于Pro/E的深松铲结构参数最优化设计[J].农机化研究，2011,33(1)：141-144.
[7] 李卫,李问盈,马洪亮，等.驱动圆盘根茬处理装置的土槽试验研究[J].农机化研究,2006(12): 139-141.
[8] 王宏立，张伟.基于Pro / E和ANSYS的深松铲有限元分析[J].农机化研究,2010，32(12): 33-36.。