1、河北农业大学机电工程学院  2、河北省农业信息中心

我国许多地区连续多年用旋耕机进行浅翻、旋耕作业，致使耕作层与心土层之间形成了一层坚硬、封闭的犁底层[1]，又称“亚表土层”。对于耕作土壤来说，具有不太厚的犁底层对保持水分养分是很有益的，但当犁底层过厚（20cm）[2，3]、坚实，会影响作物根系下伸及土壤通气透水。解决方法之一即深松作业。深松作业时土壤被深松铲陆续抬起后又逐步回落到原位，通过土壤的上下移动以及撕裂、挤压和扰动作用，有效破坏犁底层，从而改善土壤耕层结构，增强土壤蓄水保墒和抗旱防涝能力。深松铲是深松机的主要工作部件，在深松作业时承受复杂、随机变化的冲击载荷，是深松机设计的难点和重点[4]。传统的类比设计方法是在经验的基础上进行的，对深松铲的结构和尺寸以及载荷的设计都不够精确。有限元法是一种在工程中常用的解决复杂问题的近似数值分析方法，其在机械结构强度和刚度上有较高的计算精度。本文对国标深松铲柄进行了有限元强度分析，同时对其铲柄结构进行了优化。

1 深松铲柄受力分析

深松工作部件可以分为两部分：一是倾斜AB斜面（具有固定铲尖、破土和起土的作用，能够减少深松阻力）；二是上部垂直部分BC（固定深松铲作用）。其受力情况如图1所示。

工作时，机具以速度V前进，与水平面成α角的斜面AB相当于一个单楔面。土壤对其作用力FN垂直于AB面，近似作用于AB段中点。行进中，有一个沿AB面指向后方的摩擦力f，力FN与力f合成阻力R。阻力可以分解为水平分力Rx和垂直分力Ry，垂直分力Ry是作业时工作部件抬起耕层土壤，起到松动耕层的有用阻力与其同时产生的水平分力Rx为工作时牵引阻力的一个组成部分。

除上述AB斜面所受阻力外，尚有BC段工作阻力FP。阻力FP与前面的水平分力Rx合成了工作部件的总牵引力，而阻力FP与合成阻力R合成了工作部件的总阻力。

由农业机械设计手册中轻型深松铲柄的设计标准可知[7]，整个铲柄的长约600mm，铲柄与铲刃的上部约为310mm，下部约为290mm，铲柄厚度为18mm。连接铲尖的部分与水平方向成23度角，这样是为了确保深松铲在入土后铲柄部分仍然具有相当的入土趋势。深松产柄采用65Mn制造，其材料属性为：杨氏模量197GPa，泊松比0.23，质量密度 7.81×103kg·m-3，屈服强度785MPa，抗拉强度980GPa。INVENTOR参数化设计后的铲柄三维模型如图2所示。

2.2单元划分

INVENTOR与 ANSYS 能够实现无缝连接，通过两者之间的接口将实体模型导入ANSYS WORKBENCH工作界面中，采用自由网格划分，网格形状为8个节点的四面体，SMART网格。如图3，其铲柄模型节点个数1294个，单元数为591个。