液压翻转犁的设计与仿真分析

液压翻转犁的设计与仿真分析

刘红岩; 徐立伟

【期刊名称】《《大庆师范学院学报》》

【年(卷),期】2019(039)006

【总页数】7页(P50-56)

【关键词】液压翻转犁; 悬挂结构; 有限元分析

【作 者】刘红岩; 徐立伟

【作者单位】长春理工大学 机电工程学院 吉林 长春130022

【正文语种】中 文

【中图分类】S222

0 引 言

受雨水、阳光照射等因素影响，土地耕作层上部土壤的团粒结构和腐殖质常会遭到

破坏，造成土壤板结、肥力降低，从而导致粮食减产。[1]随着机械设备在自动化

与集成化方向的不断发展，传统的耕作方式已不能满足当前社会的需求，耕作设备

机械化必将成为未来发展的方向。[2]在现代整地机械研发方向中，翻转犁占据了

重要地位。1905年，德国雷肯公司，研发出一种新型犁具，在犁耕过程中，与石

头等障碍物相接触时，犁柱会自动翘起，从而保护犁柱不被拉断。[3]2019年，李

晓斌通过Ansys软件对1LF-335型液压翻转犁悬挂架进行静力学分析，得出悬挂

架应力主要集中在横梁U型板上的螺栓与法兰相交处，应力大小为116.27MPa，

为提高悬挂架的可靠性与稳定性，选取直径较大的螺栓以加强悬挂架结构强度。[4]

笔者在翻转犁的基础上设计了一种新型液压翻转犁，可以实现左右两个方向翻土，

提高工作效率，并通过CATIA建立犁具模型，将悬挂机构模型导入到ANSYS

Workbench，进行静力学与谐响应分析，判断所建模型是否满足实际加工需求。

1 液压翻转犁的整体设计及工作原理

1.1 液压翻转犁犁体数量及总耕幅设计

翻转犁工作时的工作阻力主要包括翻垡土壤阻力T1和翻转犁的正压力T2。

T1=TrF

(1)

式中：Tr为单位切削力，对于轻质壤土，取Tr=5×104；F为每次切下土块的横

截面积。

F=a×h

(2)

其中：h为平均耕作深度，取h=0.25m。

土垡翻转比为

k=h÷a

(3)

其中：k=1.27。

故

a=0.25÷1.27=0.197

F=a×h=0.197×0.25=0.05

T1=TrF=0.05×5×104=2.5×103

翻转犁的正压力为

T2=Gf1

(4)

式中：f1 为土壤之间的摩擦系数，对于砂土，f1=0.53～0.75，取f1=0.75。

G=mg

(5)

T2 = Gf1 = m×g×f1

(6)

其中：m为翻转犁质量，取m=11025kg；故T2=1200×9.8×0.75=8820N。

由上述计算可知，翻转犁的总阻力为

T=T1+T2=2500+11025=13525N

又因为需要考虑冲击、惯性等动载荷因素，工作阻力为

Tp =KD× T

(7)

式中：KD为动载荷系数，KD=1.3。

Tp =1.3 × 13525=17582.5N

因此，选择配套动力时，其牵引力应大于Tp。

翻转犁犁体数量受平均耕作深度h、宽深比K值与单个犁体的幅宽c等因素影响。

具体计算公式为[5]

(8)

式中：n为液压翻转犁犁体数量；FT为配套农用拖拉机牵引力，取FT=18000N；

η为牵引力有效应用常数，取η=0.75；c为单个犁体的幅宽，取c=35cm；K为

宽深比，取值范围如表1所示。

表1 铧式犁宽深比K值土壤种类轻质中等粘重极粘宽深比K值<44～66～9>9

故计算可得n=2.6。对计算结果整数化处理，即液压翻转犁犁体数量为三。

总耕幅计算公式为

M=n×c

(9)

则M =3×35=105cm。

1.2 液压翻转犁犁架高度设计

综合考虑犁架强度与刚度，且保证土垡顺利翻转，不被堵塞，犁架高度H可由下

列公式计算可得

(10)

式中：hmax为最大耕作深度；ht为地面残余茬的高度；H为犁架高度。

1.3 液压翻转犁工作原理

液压翻转犁主要由悬挂机构、止回机构、翻转液压缸、犁体、犁架和限深轮等组成。

以犁架为安装中心，翻转犁体通过犁柱固定在犁架上，悬挂机构与犁架连接，另一

侧与农用拖拉机销连接，犁架上安装有限深轮，通过调节限深轮可以实现耕作深度

调节。[6]在短途运输过程中，可以通过在犁架上安装行动轮，将液压翻转犁与农

用拖拉机相连接，由其拖动至工作地点；耕地时，拖拉机带动液压翻转犁行进，期

间翻转液压缸通过控制旋转装置控制犁铧不断旋转，将土壤翻至一侧，液压缸的缸

体内存在一个可以做伸长和缩短运动的活塞杆，使犁铧围绕固定在犁架上的中心轴

翻转。图1为液压翻转犁示意图。

1.悬挂机构 2.限深轮 3.翻转液压缸 4.犁架 5.犁铧 6.转动轴图1 液压翻转犁示意图

2 液压翻转犁主要零部件的设计

2.1 犁体的结构设计

犁体是液压翻转犁的主要的工作部件，其作用是松动土壤，并使其翻转破碎，覆盖

地表面上的残留和杂草。[7]犁体主要由犁铧、犁壁、犁柱、犁侧板和犁壁支柱等

零部件组成，其结构如图2所示。

1.犁柱 2.犁壁 3.犁铧 4.犁侧板 5.犁壁支柱图2 犁体结构示意图

2.2 犁架的结构设计

犁架是液压翻转犁的支撑零部件，犁体、限深轮和悬挂机构等装置均固定在犁架上，

常用的犁架主要有梯形、三角形和平面组合等结构。笔者选用梯形结构，其结构如

图3所示。

图3 犁架结构示意图

2.3 悬挂机构的设计

翻转犁与拖拉机通过悬挂机构结成一个悬挂犁机组，进行耕地作业。笔者采用三点

悬挂机构，悬挂犁的悬挂参数有下悬挂轴至犁体支持面的距离，上下悬挂点的距离

即犁架立柱的长度，悬挂轴的长度以及两下悬挂点与犁梁的相对位置。结构调整时，

合理选择这些参数，可以保证犁耕地质量，提高机组的牵引性能。在选择悬挂参数

时，应满足以下要求：

(1)在犁体入土时，可以使耕作深度快速达到预期目标，缩短耕作时间；

(2)耕地的过程中，当土壤呈凹凸不平的地势时，犁深比较宽，性能稳定；

(3)机组有良好的牵引性和直线行驶性；

(4)可以实现耕作深度和宽度调整，具有良好的纵向稳定性。

图4 悬挂结构示意图

3 液压翻转犁悬挂机构仿真分析

液压翻转犁悬挂机构连接拖拉机与犁架，为主要连接装置与传动装置，其强度及振

动响应特性直接影响翻转犁工作性能，[8]因此笔者对其进行静力学分析和谐响应

分析。

3.1 静力学分析

3.1.1 选取模块及定义材料属性

选取静力分析模块，打开workbench，拖动Static Structural到项目视图区，然

后单击主菜单栏的Units。

由于悬挂机构承受载荷较大，故定义悬挂机构的材料为45钢，其材料特性如表2

所示。双击打开Engineering Date进入新的界面，单击Engineering Date

Sources中的General Materials命令，在新弹出的窗口单击Stainless Steel，设

置材料的密度、泊松比、杨氏模量等属性。

表2 45钢材料特性表材料特性45钢泊松比0.31弹性模量(GPa)210屈服强度

(MPa)355密度(g/cm3)7.82杨氏模量(GP)2.09×105

3.1.2 网格划分

在Outline 中单击Mesh，选中所有部件，在Method中选择Hex Dominant划

分六面体网络，如图5所示。

图5 悬挂机构网格划分图

3.1.3 载荷的施加

在Loads中选择Force选项，其中Geometry选择应激面，在悬挂机构与农用拖

拉机连接处施加载荷为18000N，在与犁架连接处施加载荷为13525N，单击

Support，选择Fixed Support选项，对悬挂机构下端进行约束。

3.1.4 静力学结果分析

悬挂机构许用应力为[9]

(11)

式中：n是与材料极限相关的安全系数，取n=1.5；σs为材料的屈服强度，

σs=355MPa。

故[σ]=236.7MPa。

单击Solution，选择Inrt-Deformation，添加Total和Directional两项，进

而显示整体和某一方向的变形情况，在Directional中选择方向。最后单击solve，

得到其总体变形如图6所示，等效应力如图7所示。

图6 悬挂机构总体变形图 图7 悬挂机构等效应力图

由图6和图7可知，在工作过程中，悬挂机构最大形变与最大应力主要集中在与

农用拖拉机相连接的上端区域，且最大应力值为127.79MPa小于悬挂机构的许用

应力236.7MPa，满足材料强度要求。

3.2 谐响应分析

3.2.1 创建分析系统

在谐响应分析之前应进行模态分析，因此在工具箱(Toolbox)中选择模态分析

(Modal)导入到项目视图区，然后导入谐响应分析模块(Harmonic Respon)与

Modal模块的Solution建立连接关系，最后单击主菜单栏的Units，如图8所示。

图8 谐响应分析设置图

3.2.2 导入模型及划分网格

右击Geometry，单击Import Geometry中的Brow选择悬挂装置模型导入。

双击Modal模块下的model命令进入模态分析模块，定义材料属性为45钢，与

静力学分析方式相同划分六面体网络。谐响应中约束施加方式同静力学分析一致。

3.2.3 模态分析结果

生成模态分析结果。单击Solution(A6)，然后单击主菜单栏的Solve进行求解，

然后对结果进行处理，在Graph中右击，选择lect all，然后再次右击选择

Create Mode Shape Results，最后单击Solution(A6)，再单击主菜单栏的

Solve进行求解，整理出模态分析结果如图9所示。

图9 模态分析结果图

3.2.4 谐响应分析结果

单击Outline中的Harmonic Respon，选择Inrt—Force，施加激励，由于

悬挂机构与农用拖拉机连接处载荷为18000N，与犁架连接处载荷为13525N，故

根据载荷施加激励。单击Harmonic Respon(B5)下的Analysis Settings，设置

频率范围为0～150Hz，求解区间为10。生成谐响应分析结果。单击Harmonic

Respon(B5)下的Solution(B6)，然后选择主菜单栏的Frequency Respon下

的Deformation，选择装配体的表面，再次单击Harmonic Respon(B5)下的

Solution(B6)，单击主菜单栏的Pha Respon，选择表面，单击主菜单栏

Solve求解得到频率响应曲线如图10所示。

图10 频响曲线图

由图9和图10可知，悬挂机构自身的固有频率较小，在固有频率处频响曲线有峰

值，且峰值较小，因此，小振动不影响悬挂机构的正常工作。

结 语

笔者在翻转犁的基础上设计了一种新型液压翻转犁装置，并通过ANSYS

Workbench对主要结构悬挂机构进行了静力学分析与谐响应分析。悬挂机构最大

形变与最大应力主要集中在与农用拖拉机相连接的上端区域，最大应力值为

127.79MPa小于悬挂机构的许用应力236.7MPa，满足材料强度要求，悬挂机构

的固有频率及频响曲线峰值较小，悬挂机构工作中振动小，不影响其正常使用。

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【相关文献】

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