秸秆还田机刀轴有限元应力仿真(附件)
随着现代农业的不断发展，秸秆还田技术凭借能够减少焚烧污染和增加土地肥沃的优点得到了国内外农业生产的充分重视，而秸秆还田机的高效还田效率得到了越来越多农业生产者的青睐。在实际工作时，还田机行进间驱动刀轴向前滚动，带动刀轴上按一定规律分布的刀片翻耕秸秆和泥土，完成还田过程。而在还田过程中，还田机刀轴是承受各种载荷的主要部件，刀片在工作中受到的土壤反力以及机身驱动力等载荷传递到刀轴，从而导致刀轴和机身的振动和局部变形，而刀轴不同位置上的刀片载荷对刀轴的影响也不相同。因此，为了研究秸秆还田过程中，还田机刀轴在各种载荷作用下的结构强度和振动响应，有必要借用有限元等工具，对刀轴的强度和动态特性开展有限元数值分析。本文首先对还田机刀轴进行一定的简化，用理论力学原理分析刀轴在土壤反力载荷作用下的变形及载荷分布情况，确定最大受力面，在此基础上用ABAQUS有限元分析软件，对某型号秸秆还田机刀轴进行有限元建模，开展静力学强度分析以及动力学模态分析，研究还田过程中，刀轴局部应力的分布情况以及模态及固有频率等动态特性，最终，根据有限元分析结果针对刀轴薄弱处进行重新设计。关键词 秸秆还田机，刀轴，有限元，ABAQUS
目 录
1. 绪论 1
1.1 国内外秸秆还田机研究现状 1
1.2 CAE在还田机研究设计中的应用 2
1.3 本文研究内容 3
1.4 研究计划及章节安排 3
2 还田机刀轴模型与简化分析 4
2.1 还田机刀轴力学模型简化 4
2.2 简化模型力学分析 4
2.3 本章小结 9
3 基于ABAQUS的还田机刀轴强度分析 9
3.1 ABAQUS简介 9
3.2 还田机刀轴有限元建模 10
3.3 还田机刀轴静力学强度分析 12
3.4 本章小结 14
4 还田机刀轴动力学分析 15
4.1 还田机刀轴的模态分析 15
4.2 还田机刀轴的动力学分析 18
4.3 本章小结 19
结 论 20
参考文献 21
绪论
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展，现代农业的生产效率随着机械化的不断推广也越来越高，各种各样的农业生产机具也已经可以满足大部分的农业需求。秸秆还田是世界各国农业生产中广泛采用的增产措施，通过将收割后的农作物秸秆作为肥料施入土壤中，不仅可以增加土壤的肥沃度，还能够避免焚烧引起的环境污染，而在大多数农业生产技术较为落后的地区，由于秸秆还田的效率较低，并不能得到广泛推广。近年来，随着秸秆还田机的出现和不断发展，采用机械化还田能够大幅度提高秸秆还田的效率。当前国内外常见的秸秆还田机大多从其他农耕机械改造设计而来，典型的还田机结构图如图1.1所示。
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图1.1 秸秆还田机结构图
和其他农业机械一样，秸秆还田机的机械强度和可靠性决定了还田机的工作性能，其中，还田机刀轴作为承受工作载荷的主要机械部件，在秸秆还田过程中需要承担割茬、粉碎、播洒等工作，在设计和分析中，需要重点关注其结构强度和动态性能对机身的影响。
国内外秸秆还田机研究现状
在农业生产中，秸秆还田思想已经存在多年，然而秸秆还田技术作为一项科学的农业生产措施近年来随着机械化的普及才慢慢得到世界各农业大国的重视。在美国，依靠高自动化农业生产的不断推广，秸秆还田技术也是领先世界。据统计，凭借着大量新型高效率还田机的应用，美国农业生产中残余的秸秆有机物有70%左右用于还田，在美国大量种植的玉米、小麦以及大豆等主要农作物均有相应型号的秸秆还田机在作物收获之后进行还田处理，先进的农业生产机具使得美国农业生产效率大幅领先其他国家。
我国虽然也是世界上的农业大国，但受经济发展水平的限制，农业机械化生产的普及程度和先进农业生产机具的研究进度还远落后于发达国家。在秸秆还田技术上，我国在上世纪90年代才开始重视，在旋耕机基础上，不断推出适合中国农业生产需要的秸秆还田机。
当前市场上较多的还田机根据刀轴的不同主要有三种机型，分别为直刀式还田机、甩刀式还田机和锤爪式还田机。其中，直刀式还田机在喂入机构的作用下使得秸秆与刀片接触，受到两次切碎作用，并最终通过气流将秸秆碎片洒在土地上；甩刀式还田机与传统旋耕机较为类似，将秸秆在高速旋转刀轴作用下卷入机器中，并在甩刀作用下粉碎秸秆；而锤爪式还田机则是通过锤爪在发动机带动下，在粉碎滚筒内高速运动，并剪切锤压卷入机壳内的秸秆，最终粉碎秸秆。
在张海龙的工作中，罗列了当前国内常见的几种秸秆还田机的种类和特点，并总结了当前还田效率及成本等方面仍需要改进的地方。河北工业大学在还田机还田原理上开展深入研究，在非灭茬型的几类刀具基础上推出了鞭式还田刀具，可以同时切碎秸秆并拥有破茬能力，可以提高还田效率。
对于不同地区的农业生产，当地的气候也会影响到农业机具的工作方式，为应对东北地区冻土因素，在秸秆还田时需要将秸秆深埋，东北农业大学研制出适应当地土地的秸秆深施机，深施铲在拖拉机的牵引下移动并开出20cm左右深度的土壤将秸秆输送到土壤底部掩埋，大大提高了东北地区秸秆还田的经济效益。
为了优化还田机刀轴上刀片的排列方式，江西农业大学涂建平等根据刀片在还田过程中的受力情况，建立了还田机刀片分布参数化的优化方程，在数值仿真的基础上进行了优化设计分析。
CAE在还田机研究设计中的应用
随着计算机技术的不断发展，在秸秆还田机的设计和分析中也越来越多的应用了计算机辅助分析技术，高效的建模与仿真方法大大提高了还田机的设计效率。
徐礼超等以反旋秸秆还田机为研究对象，在给出还田机传动原理的基础上，首先采用Solidworks建立了还田机传动系统的CAD模型，并导入到多体系统动力学分析软件ADAMS中进行了数值仿真，研究了还田机发动机不同转速下的动力学响应，并跟理论结果进行了对比验证。
同样，吕小莲等采用UG软件设计了一种秸秆粉碎还田机，在CAD建模基础上，利用动力学仿真功能对还田机刀轴的强度进行了校核分析，并在分析结果基础上进行了整体结构的参数优化设计。
沈阳农业大学薄鸿明等以适应东北地区的玉米秸秆还田机为研究对象，采用Solidworks软件建立还田机的CAD模型，并导入有限元分析软件ANSYS中进行关键部件的强度分析和模态分析，根据分析结果进行了结构参数优化设计分析，得到优化后的临界转速。
目 录
1. 绪论 1
1.1 国内外秸秆还田机研究现状 1
1.2 CAE在还田机研究设计中的应用 2
1.3 本文研究内容 3
1.4 研究计划及章节安排 3
2 还田机刀轴模型与简化分析 4
2.1 还田机刀轴力学模型简化 4
2.2 简化模型力学分析 4
2.3 本章小结 9
3 基于ABAQUS的还田机刀轴强度分析 9
3.1 ABAQUS简介 9
3.2 还田机刀轴有限元建模 10
3.3 还田机刀轴静力学强度分析 12
3.4 本章小结 14
4 还田机刀轴动力学分析 15
4.1 还田机刀轴的模态分析 15
4.2 还田机刀轴的动力学分析 18
4.3 本章小结 19
结 论 20
参考文献 21
绪论
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展，现代农业的生产效率随着机械化的不断推广也越来越高，各种各样的农业生产机具也已经可以满足大部分的农业需求。秸秆还田是世界各国农业生产中广泛采用的增产措施，通过将收割后的农作物秸秆作为肥料施入土壤中，不仅可以增加土壤的肥沃度，还能够避免焚烧引起的环境污染，而在大多数农业生产技术较为落后的地区，由于秸秆还田的效率较低，并不能得到广泛推广。近年来，随着秸秆还田机的出现和不断发展，采用机械化还田能够大幅度提高秸秆还田的效率。当前国内外常见的秸秆还田机大多从其他农耕机械改造设计而来，典型的还田机结构图如图1.1所示。
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图1.1 秸秆还田机结构图
和其他农业机械一样，秸秆还田机的机械强度和可靠性决定了还田机的工作性能，其中，还田机刀轴作为承受工作载荷的主要机械部件，在秸秆还田过程中需要承担割茬、粉碎、播洒等工作，在设计和分析中，需要重点关注其结构强度和动态性能对机身的影响。
国内外秸秆还田机研究现状
在农业生产中，秸秆还田思想已经存在多年，然而秸秆还田技术作为一项科学的农业生产措施近年来随着机械化的普及才慢慢得到世界各农业大国的重视。在美国，依靠高自动化农业生产的不断推广，秸秆还田技术也是领先世界。据统计，凭借着大量新型高效率还田机的应用，美国农业生产中残余的秸秆有机物有70%左右用于还田，在美国大量种植的玉米、小麦以及大豆等主要农作物均有相应型号的秸秆还田机在作物收获之后进行还田处理，先进的农业生产机具使得美国农业生产效率大幅领先其他国家。
我国虽然也是世界上的农业大国，但受经济发展水平的限制，农业机械化生产的普及程度和先进农业生产机具的研究进度还远落后于发达国家。在秸秆还田技术上，我国在上世纪90年代才开始重视，在旋耕机基础上，不断推出适合中国农业生产需要的秸秆还田机。
当前市场上较多的还田机根据刀轴的不同主要有三种机型，分别为直刀式还田机、甩刀式还田机和锤爪式还田机。其中，直刀式还田机在喂入机构的作用下使得秸秆与刀片接触，受到两次切碎作用，并最终通过气流将秸秆碎片洒在土地上；甩刀式还田机与传统旋耕机较为类似，将秸秆在高速旋转刀轴作用下卷入机器中，并在甩刀作用下粉碎秸秆；而锤爪式还田机则是通过锤爪在发动机带动下，在粉碎滚筒内高速运动，并剪切锤压卷入机壳内的秸秆，最终粉碎秸秆。
在张海龙的工作中，罗列了当前国内常见的几种秸秆还田机的种类和特点，并总结了当前还田效率及成本等方面仍需要改进的地方。河北工业大学在还田机还田原理上开展深入研究，在非灭茬型的几类刀具基础上推出了鞭式还田刀具，可以同时切碎秸秆并拥有破茬能力，可以提高还田效率。
对于不同地区的农业生产，当地的气候也会影响到农业机具的工作方式，为应对东北地区冻土因素，在秸秆还田时需要将秸秆深埋，东北农业大学研制出适应当地土地的秸秆深施机，深施铲在拖拉机的牵引下移动并开出20cm左右深度的土壤将秸秆输送到土壤底部掩埋，大大提高了东北地区秸秆还田的经济效益。
为了优化还田机刀轴上刀片的排列方式，江西农业大学涂建平等根据刀片在还田过程中的受力情况，建立了还田机刀片分布参数化的优化方程，在数值仿真的基础上进行了优化设计分析。
CAE在还田机研究设计中的应用
随着计算机技术的不断发展，在秸秆还田机的设计和分析中也越来越多的应用了计算机辅助分析技术，高效的建模与仿真方法大大提高了还田机的设计效率。
徐礼超等以反旋秸秆还田机为研究对象，在给出还田机传动原理的基础上，首先采用Solidworks建立了还田机传动系统的CAD模型，并导入到多体系统动力学分析软件ADAMS中进行了数值仿真，研究了还田机发动机不同转速下的动力学响应，并跟理论结果进行了对比验证。
同样，吕小莲等采用UG软件设计了一种秸秆粉碎还田机，在CAD建模基础上，利用动力学仿真功能对还田机刀轴的强度进行了校核分析，并在分析结果基础上进行了整体结构的参数优化设计。
沈阳农业大学薄鸿明等以适应东北地区的玉米秸秆还田机为研究对象，采用Solidworks软件建立还田机的CAD模型，并导入有限元分析软件ANSYS中进行关键部件的强度分析和模态分析，根据分析结果进行了结构参数优化设计分析，得到优化后的临界转速。
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