1LF-335型液压翻转犁悬挂架有限元分析

悬挂架是液压翻转犁重要的连接装置和传力装置，其刚度和强度会在较大程度上影响犁的工作性能；尤其对液压翻转犁来说，由于液压油缸位于悬挂架上，则悬挂架的优化程度对犁体翻转情况有重要影响。如果悬挂架结构设计不合理，可能造成翻转犁无法正常工作或者犁架难以翻转，以及导致作业质量较差等问题。因此，对悬挂架整体结构进行力学分析十分重要。

运用有限元方法对农业机械进行结构优化和校核的研究屡见不鲜。于晓阳等[1]运用Simulation Xpress软件对稻麦多功能复式播种机的关键部件进行了静力学分析和动力学仿真，结果表明该机满足作业性能要求。杨海慧等[2]利用ANSYS软件对三七收获机挖掘铲进行了静力学分析，得到挖掘铲最大变形量和最大应力值，为其优化设计提供了依据。刘明财等[3]运用有限元方法对深松铲整体结构进行了静力学和动力学分析，证明了深松铲的工作可靠性。韩余等[4]运用MSC Nastran软件对蔬菜切割器刀片进行了模态分析，得到刀片的前16阶模态。此外，王希英[5]也运用有限元方法对马铃薯精量排种器进行了结构优化和校核。上述研究对相关农业机械的改进性设计具有指导作用，但是将有限元方法应用于液压翻转犁却鲜见报道。郭敬文等[6]只对1LF-335液压翻转犁犁架结构和受力进行了分析，而悬挂架并未涉及。因此，本文运用有限元方法，对1LF-335液压翻转犁悬挂架整体结构进行力学分析，计算该悬挂架在不同工况下所受的应力，并使用ANSYS软件对其进行分析与校核，旨在提高液压翻转犁悬挂架的稳定性和可靠性，并为研究不同工作状态下悬挂架的结构强度及受力后的应力应变情况提供理论依据。

1 悬挂架有限元分析

1.1 结构简化及建模

1LF-335液压翻转犁悬挂架由悬挂架主体部分和液压翻转机构组成，材料均为45号钢，结构如图1所示。其中，牵引梁采用截面直径为90 mm、厚度为16 mm的空心圆柱体；钢架采用矩形钢管，断面尺寸为80 mm×150 mm×10 mm；悬挂装置中，上、下拉板均采用厚度为13 mm、间距为70 mm的2块钢板；限位装置采用厚度为15 mm的钢板、直径为55 mm的圆柱体(包括M10的内螺纹)。为满足其位置要求，各部分之间均使用焊接进行连接。

液压机构：为满足翻转时的动力要求，采用型号为DG50C-15的油缸[7]。

图1 1LF-335液压翻转犁悬挂架结构图
Fig.1 1LF-335 Hydraulic tilting plow suspension frame structure chart
1-法兰；2-主梁；3-液压油缸；4-牵引梁；5-活塞；6-定位销M30；7-侧梁；8-悬挂架；9-螺栓M24；10-定位销M20；11-连接轴套；12-螺栓M10；13-液压接口盘；14-六角螺母M24；15-螺栓M8
1-Flange；2-Main beam；3-Hydraulic cylinder；4-Traction beam；5-Piston；6-Positioning pin M30；7-Side beam；8-Suspension bracket；9-Bolt M24；10-Locating pin M20；11-Connecting bushing；12-Bolt M10；13-Hydraulic interface plate；14-Hex nut M24；15-Bolt M8

为简化其计算和处理工作，在保证其结构和强度基本不变的前提下，做如下简化[7]：

(1)忽略部分端部的倒角与过渡圆角；

(2)忽略焊接时产生的内应力与结构角度偏移；

(3)忽略悬挂架自身重力的影响；

(4)忽略螺孔与销孔对悬挂架结构强度的影响；

(5)忽略螺纹，本文中的螺栓、螺母均采用标准件，不再对其配合强度进行校核。

用Creo4.0建立牵引梁、机架、悬挂装置、限位装置、液压翻转机构及所需标准件的几何模型，并装配成一个整体。将ANSYS18.0与Creo4.0关联后，导入ANSYS18.0 Workbench中，通过SpaceClaim模块重生成几何模型(图1)。

1.2 网格划分

在Mechanical模块的Static Structural子模块中进行网格化处理。由于模型为对称结构，且591 A为规则的几何体，故选择六面体网格划分，并对上、下拉板的挂接孔处进行精细的网格划分[8～10]。划分网格的主要步骤如图2所示，划分结果如图3及图4所示。

图2 网格划分的主要步骤
Fig.2 Main steps of meshing

图3 1LF-335液压翻转犁悬挂架有限元模型(一般工况)
Fig.3 Finite element model of 1LF-335 hydraulic tilting plow suspension frame (general working condition)

图4 1LF-335液压翻转犁悬挂架有限元模型(液压翻转工况)
Fig.4 The finite element model of 1LF-335 hydraulic tilting plow suspension frame (hydraulic turnover condition)

1.3 加载

1.3.1 一般工况

一般工况下，施加载荷的主要步骤为：

(1)在Scope选项下的Geometry中选取第3个上拉板挂接孔的内表面，点击Apply按钮；将Definition选项下的Magnitude值改为2 968.27，将Definition选项下的Magnitude值改为114.09；

(2)在Scope选项下的Geometry中选取牵引轴的下底面，点击Apply按钮，将Definition选项下的Magnitude值改为881 829；

(3)选择Supports下的Fixed Support选项，点击Details of “Fixed Support”下， Scope选项中的Geometry选取牵引轴的上底面和轴套的上底面，单击Apply。

一般工况加载结果如图5所示。

图5 一般工况加载结果
Fig.5 General working condition loading result

1.3.2 液压翻转工况

液压翻转工况下，施加载荷的主要步骤为：

(1)将Definition选项下的Magnitude值改为4 742.2，通过Direction选取一条水平向前的线段，选取水平向前的方向；

(2)选取Supports下的Fixed Support选项， 选择Details of“Fixed Support”下，Scope中的Geometry选取牵引轴的上底面和(轴套)的上底面；

(3)竖直情况下，选取液压油缸的上底面，将Definition选项下的Magnitude值改为21 560，通过Direction选取一条竖直方向的线段，选取竖直向下的方向；翻转完成情况下，选取液压活塞的上底面，将Definition选项下的Magnitude值改为31 410，通过Direction选取一条沿油缸的线段，选取垂直上底面向内的方向[11]。液压翻转工况加载结果如图6所示。

图6 液压翻转工况加载结果
Fig.6 Hydraulic turning condition loading result

2 结果分析

悬挂架的静强度许用应力[12]：

式中，n—与材料极限有关的安全系数，取n=1.5。

σs—材料的强度极限，取σs=355 MPa[12]。

2.1 一般工况

在翻转犁的一般工况中，使用ANSYS对悬挂架施加载荷，进行静力学分析，得到等效应力云图和总变形云图，分别如图7(a)和图7(b)所示。

图7 悬挂架的静力学分析云图
Fig.7 The static analysis cloud diagram of suspension frame

(1)材料应力

由图7可知，应力最大点在横梁U型板上法兰与螺栓相交处，最大应力值为σmax=87.032 MPa。

由于σmax<[σ]，故在翻转犁一般工况中，悬挂架所受的最大应力值未达到材料的许用应力值，满足其对材料强度的要求。

(2)形变位移

图7中的形变位移量最大的点在右侧限位螺栓端部处，达到0.296 12 mm。变形量较小，不会影响机具与拖拉机的挂接、液压翻转犁的正常工作及翻转。

2.2 液压翻转工况

2.2.1 竖直情况

在翻转犁液压翻转工况竖直情况中，使用ANSYS对悬挂架施加载荷，进行静力学分析，得到等效应力云图和总变形云图，分别如图8(a)和图8(b)所示。

图8 悬挂架的静力学分析云图
Fig.8 The static analysis cloud diagram of suspension frame

(1)材料应力

由图8可知，应力最大点在钢架液压接口盘与螺栓相交处，最大应力值为σmax=68.698 MPa。

由于σmax<[σ]，故翻转犁在液压翻转工况的竖直情况下，悬挂架所受的最大应力值未达到材料的许用应力值，满足其对材料强度的要求。

(2)形变位移

图8中形变位移量最大点在右侧下拉板底部边缘处，达到0.248 72 mm。

2.2.2 翻转完成情况

对悬挂架施加载荷，进行静力学分析，得到等效应力云图和总变形云图，如图9所示。

图9 悬挂架的静力学分析云图
Fig.9 The static analysis cloud diagram of suspension frame

(1)材料应力

由图9可知，应力最大点在横梁U型板上法兰与螺栓相交处，最大应力值为σmax=97.617 MPa。

由于σmax<[σ]，故翻转犁在液压翻转工况的翻转完成情况下，悬挂架最大应力未达到材料许用应力值，满足其对材料强度的要求。

(2)形变位移

图9中形变位移量最大点在左侧下拉板底部边缘处，达到0.245 92 mm。

3 结论

(1)一般工况下，悬挂架所受应力均小于120 MPa，在横梁U型板上螺栓与法兰相交处应力最为集中，达116.27 MPa，但仍未达到材料的许用应力值，满足其对材料强度的要求。与牵引梁相比，悬挂架受到应力较小。可见，犁架受到的应力远大于悬挂架；悬挂架的结构强度较犁架可相对降低，在满足许用强度的基础上降低生产成本。在液压翻转工况中，竖直情况下受到的应力集中在钢架法兰盘与螺栓相交处，达到应力最大值70.06 MPa；在完成翻转情况时，在钢架法兰盘与螺栓相交处受到的应力值最大，其值为97.86 MPa；两者所受的应力值远未达到材料的许用应力值，满足其对材料强度的要求。此外，在生产过程中应注意焊接精度，提高焊接处的结构强度；U型板上连接法兰的螺栓也可适度加粗，防止翻转犁在工作过程中遇到障碍，导致应力瞬间增大，造成悬挂架损坏;

(2)在一般工况下，悬挂架的形变位移量在牵引梁端部最大，在工作过程中悬挂架的形变量远小于犁架；在液压翻转工况中，竖直情况下悬挂架右侧下拉板底部边缘处形变量最大，达0.25 mm；翻转完成时，达0.23 mm，上拉板的形变量均不足0.1 mm。因此，在正常工作过程中造成的形变位移不会影响悬挂架与拖拉机的挂接、犁架翻转以及液压翻转犁的工作可靠性;

(3)使用ANSYS软件对翻转犁的结构强度进行空间静力学分析，得到其悬挂架的形变及所受应力情况，可为其他液压翻转犁的设计提供借鉴和参考。