基于有限元的元胡收获机铲架疲劳寿命分析

2023.08.20

张伟东孙浩然李伟张

摘要：为了探究元胡收获机铲架的应力、变形分布情况，分析了铲架的受力，使用Workbench软件建立了铲架的有限元模型，通过静力学分析获得了铲架的应力云图、变形云图，并对铲架进行了疲劳寿命分析，得到了铲架寿命最小的位置，其结果为进一步研究元胡收获机整机的结构特性提供了理论依据。

关键词：元胡收获机;铲架;有限元;静力学分析;疲劳寿命

中图分类号：S225.7+1 文献标识码：A

Abstract：In order to explore the stress and deformation distribution of the shovel frame of Yuanhu harvester，the force of the shovel frame was analyzed，the finite element model of the shovel frame was established by using Workbench，the stress cloud diagram and deformation cloud diagram of the shovel frame were obtained by static analysis，the fatigue life of the shovel frame was analyzed，and the position of the minimum life of the shovel frame was obtained.The results provide a theoretical basis for further study of the structural characteristics of the whole machine.

Key words：Yuanhu harvester; shovel; finite element; static analysis; fatigue life

我国作为根茎类作物种植大国，如何提高根茎类作物收获水平一直是科研工作者研究的熱点[1，2]。元胡作为根茎类作物的一种，同时具有药用和实用价值[3]。由于元胡体积较小，生长在较深的土壤中，不易收获，其价值得不到较好的利用[4]。因此，为研究元胡收获机铲架整体的结构特性，将铲架作为研究对象，基于有限元方法对其进行静力学分析，并对其疲劳寿命进行分析，确定工作过程中元胡收获机铲架应力变形较大部位和寿命最小部位，为元胡收获机整体的优化设计提供了一定的理论支撑。

1 铲架受力分析

切削阻力是铲架在工作过程中所受的阻力[5]，通常由铲架切削土壤产生的摩擦力和堆积在铲架上方的土壤对铲架的挤压力，在方向上可分解为法向切削阻力和切向切削阻力，如图1所示。

由于元胡主要生长普通黏土内，取土壤等级为Ⅲ级，k0=12N/cm2，τ=0.2;生长位置为地面以下5～20cm的土壤内，取htmax=20cm;铲架宽度为140cm，取b=140cm。经计算可得，Ft=33600N，Fn=6720N。

2 铲架有限元模型

使用建模软件建立元胡收获机铲架，为省略后续计算时间，在建模时消除铲架的间隙，简化主体结构[7]。将建好的模型导入Workbench中，将材料定义为Q345，单元尺寸定义为5mm，使用solid186单元对铲斗模型进行网格划分，其单元数为75633，节点数为75652。元胡收获机铲架有限元模型如图2所示。

3 静力学分析

静力分析是一种用来分析结构在给定静力载荷作用下响应的方法，广泛地应用于机械结构强度的分析中。根据第1节中铲架的受力分布对铲架有限元模型进行加载，经计算可得铲架应力与变形云图，如图3所示。

4 疲劳寿命分析

在Workbench中分析疲劳寿命时，采用了弹塑性假设和Miner累积疲劳准则[8]。将第3节中静力学分析结果代入疲劳寿命分析，在Fatigue模块中设置铲架载荷类型为Zero-based，基于修正理论计算求解得到铲架的疲劳寿命云图，如图4所示。

应力越大的部位，达到疲劳极限所需的动载荷的循环次数越少。图4中，最小应力循环次数出现在推土铲与两侧固定板的焊接处，最小应力循环次数为4.9617×107，以一次循环时间为4秒计算，折合工作时间约为55130h，以日工作10h制为例，可以工作15.31年。除此以外，其他部位的循环次数都很高，最大循环次数为1×1011次，可以看作无限寿命。经疲劳寿命分析可知，铲架满足使用要求。

5 结论

建立了元胡收获机铲架的三维模型，结合ANSYS/Workbench建立了铲架的有限元模型，通过仿真分析，获得了铲架的应力分布、变形云图和疲劳寿命云图。根据静力学分析结果发现推土铲与两侧固定板的焊接处出现应力集中的情况，推土铲中间部位变形最大，因此可增加推土铲的厚度来减小应力与变形，也在一定程度上提高铲架的使用寿命。

参考文献：

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[2]杨小平，魏宏安，赵武云，等.4UFD―1400型马铃薯联合收获机挖掘装置的设计及有限元分析[J].中国农机化学报，2013，34（04）：150-153+138.

[3]刘丽敏，吕美巧.小型元胡收获机研究设计与田间试验[J].科技通报，2013，29（05）：68-71.

[4]尤德红.基于分散种植模式下元胡采收机的设计与采收研究[J].安徽农业科学，2012，40（30）：15048-15049+15069.

[5]郑祥，陈宇，陈亚，从爽，丁文海.液压挖掘机工作装置性能分析及拓扑优化[J].滨州学院学报，2019，35（06）：82-85.

[6]刘文国，周宏兵，吴伟胜，杨梅钦.挖掘机工作装置挖掘力及铰点受力仿真分析[J].机械科学与技术，2015，34（10）：1482-1487.

[7]任志贵，孙浩然，王军利，等.基于不同工作载荷的铲斗结构特性分析[J].机电工程，2020，37（03）：247-252.

[8]何洋，李晓豁.基于Workbench挖掘式装载机铲斗有限元分析[J].煤矿机械，2018，39（05）：171-172.