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| 有限元分析 |
免耕播种机是在有作物秸秆和残茬覆盖的免耕地上作业的，要求具有较好的防堵性能。目前，免耕播种机的防堵装置主要有切断型和分开型。本文研究的缺口圆盘刀属于切断型主动式防堵装置。圆盘刀先切断秸秆后入土，进而切开地表，它是靠圆盘刀切断覆盖于地面的秸秆，避免秸秆因缠挂在开沟器上或夹在两开沟器之间而造成堵塞。由于作物秸秆分布、秸秆含水率、土壤质地变化，加之土壤有诸如石块等扰动因素的影响，要准确计算圆盘刀在工作过程中的受力情况是不可能的。在工作过程中，圆盘刀形成不同的应力区，采用人工计算圆盘刀的应力状态以及对其进行强度校核计算也是非常困难的，本文利用有限元分析软件ANSYS对圆盘刀进行应力分析计算，获得刀片应力分布图，为圆盘刀的设计和优化提供理论依据。
在ANSYS中建立模型有3种方法，分别是直接建模、实体建模以及输入到计算机辅助系统(CAD)中创建实体模型。本文通过从CAD系统中输入实体模型。首先在三维软件UG中建立圆盘刀模型，然后将此模型转成IGES格式，通过ANSYS与IGES格式之间的接口，将模型导入ANSYS中。
为了增加圆盘刀的耐磨性和锋锐性，减少切割阻力，圆盘刀材料选用65MN钢。其抗拉强度为735MPa，屈服强度为430MPa，泊松比为0.3，弹性模量为210MPa。
本文采用PLANE42单元。PLANE42单元是二维四节点四边形单元。在进行平面产品的网格划分时，四边形单元得到的分析结果要比三角形单元好，采用四边形离散的单元数远远小于三角形单元离散的单元数。所以在单元类型界面中选取Solid下的Quad4 Node单元。
网格划分有自由网格划分和映射网格划分两种，自由网格划分计算结果不准确，但网格划分比较简单；映射网格划分计算结果比较准确，但划分比较复杂。本文选择映射网格划分，共划分了8 000个单元，得到了8 568个节点。因为对圆盘刀的分析主要在刃口处，所以对刃口的网格划分得比较密，其他地方的网格相对刃口处比较稀疏。对单元进行质量检测，所有单元均未发生畸变。
因为刀轴和圆盘刀是通过均匀分布在圆盘刀中心孔周围的螺栓连接的，为了分析刀片在极限时的应力状态，将约束施加于中心孔的边缘上。在位移受约束的节点上，根据实际情况设置约束条件。中心孔周围受到6个约束，因此将圆盘刀中心孔周围的所有节点的全部自由度加以约束。在求解时，ANSYS程序自动将约束转换到有限元模型上，这样可使加载简单。图为圆盘刀的网格划分结果及施加的约束。
圆盘刀主要受到切断地表作物秸秆的切割阻力(切割力)和切破地表、挤开土壤的切土阻力，所以载荷分为切割力和切土力的计算。切割阻力不但与秸秆的机械物理性质、切刀的材料、几何参数等有关，而且与秸秆的支承方式、圆盘刀的切割速度等有很大的关系。试验表明：有支承切割的圆盘刀速度应在0.8 m/s以上，而无支承切割时圆盘刀的速度应在34～40 m/s。主动式圆盘刀对覆盖地表的作物秸秆采用有支承切割，即刀齿刃口首先对铺放在地表的作物秸秆压向地面，再在地表的支承下进行切割，这种有支承切割对圆盘刀的速度要求较低，切断效果好。圆盘刀在切断作物秸秆后，随圆盘刀继续转动，切开地表，这时圆盘刀刃口受到阻碍作用，土壤对圆盘刀刃口产成了阻力；同时划过土壤，圆盘刀受到两侧土壤的挤压作用，土壤对刀齿侧刃产生阻力。
在工作过程中，圆盘刀在各点的切割力和切土力随圆盘刀转角的变化而不同，但静强度分析主要考虑的是强度校核，所以只在载荷最大的工况下进行计算，并且最大的切割阻力不随圆盘刀位置而变化，如图所示。最大切土阻力是在圆盘刀的切割深度达到最大的位置时产生的，如图所示。根据理论分析和计算得出，切割阻力为250N，切土阻力为1 946N。和Ｙ方向大小为250N的切割阻力，而切土阻力主要是施加在当圆盘刀到达地表层最大深度时与土壤接触的刀刃处的线上，大小为1 946N。
