吉林省吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 趙懷祥

前言

免耕玉米播種機(jī)是在沒(méi)有耕過(guò)且地表有其它作物收割之后的殘茬條件下來(lái)播種的機(jī)器。可以完成破茬、開(kāi)溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等操作[1]。機(jī)架是玉米播種機(jī)的關(guān)鍵零部件，機(jī)架在工作的時(shí)受力復(fù)雜，機(jī)架的幾何尺寸與強(qiáng)度直接決定玉米播種機(jī)的精度[2]。因此，為了保證機(jī)架的強(qiáng)度和剛度要求，有必要對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限元分析，從而得出其工作時(shí)的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布，為設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 玉米播種機(jī)介紹

玉米播種機(jī)的三維設(shè)計(jì)，主要零部件包括：排種器、機(jī)架、覆土器等[3]。

玉米播種機(jī)的主要性能參數(shù)有：外形尺寸、懸掛方式、工作行數(shù)、工作寬度等[4]。懸掛方式為三點(diǎn)懸掛，工作行數(shù)為四行，工作寬度為220~240m，深松深度大于25mm。

2 機(jī)架的設(shè)計(jì)

根據(jù)玉米播種機(jī)的要求，運(yùn)用pro/E三維軟件的抽殼特征完成機(jī)架設(shè)計(jì)。機(jī)架懸掛方式為三點(diǎn)懸掛。

3 機(jī)架有限元分析

ANSYSWorkbench提供了強(qiáng)大的分析模塊，利用該模塊只要給工件添加材料、網(wǎng)格劃分、定義約束和載荷、就可以實(shí)現(xiàn)有限元分析。

3.1 有限元分析理論

在有限元分析過(guò)程中，其動(dòng)力學(xué)方程如下[5]：

[M]是質(zhì)量矩陣，[K]是剛度矩陣，{x}是位移向量，{F}是靜載荷，[C]為阻尼矩陣，t是時(shí)間。在靜力學(xué)分析中，與時(shí)間有關(guān)的量等于零，方程化簡(jiǎn)如下：

常規(guī)方法進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計(jì)算難度大，利用Pro/E軟件建模并用ANSYS對(duì)其進(jìn)行有限元分析，可以求出機(jī)架的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況[6]。

3.2 機(jī)架的有限元分析

首先，將機(jī)架模型導(dǎo)入ANSYS，并插入靜力分析模塊。

其次，添加材料屬性、劃分網(wǎng)格。機(jī)架采用Q235，材料密度為7.86×103kg/m3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2.0×1011pa。單元類(lèi)型采用系統(tǒng)默認(rèn)的10借點(diǎn)四面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度。該模型一共劃分36530個(gè)節(jié)點(diǎn)，16320個(gè)單元，。

再次，定義載荷和約束。機(jī)架的受到多種形式的力，種肥箱的總重約為180kg，其中包括播種機(jī)凈重100kg，種肥箱容納3/4種肥時(shí)的重量80kg。播種機(jī)的水平方向的阻力為開(kāi)溝器的總阻力和播種機(jī)摩擦力的和，約為1200N。所以牽引力取2000N，三點(diǎn)懸掛牽引力分配為700N、700N、600N。

最后，求解并查看分析結(jié)果。在設(shè)定好以上參數(shù)后，便可以進(jìn)行求解，求解完成后，通過(guò)后處理，便可查看應(yīng)力分步、應(yīng)變分步情況。進(jìn)而可知機(jī)架的最大變形在前臂為1.3mm，變形不大。靜載荷作用下機(jī)架的應(yīng)力主要集中在機(jī)架和牽引臂焊接的地方。最大主應(yīng)力108.1為MPa，最大剪應(yīng)力為53MPa，均小于材料的屈服極限。當(dāng)播種機(jī)受到過(guò)大的阻力時(shí)，焊接處容易斷裂。因此該結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 懸掛裝置優(yōu)化

通過(guò)對(duì)機(jī)架和懸掛裝置靜力學(xué)分析，得出機(jī)架與懸掛裝置焊接處容易斷裂。因此需要對(duì)懸掛裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化方案為：在懸掛裝置后再焊接兩個(gè)支撐肋板。優(yōu)化后最大等應(yīng)力變?yōu)?7.79MPa，最大主應(yīng)力變?yōu)?3.07MPa，最大變形也減少為0.12mm。綜上，機(jī)架的強(qiáng)度、剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

首先，通過(guò)三維pro/E軟件建立播種機(jī)機(jī)架及其懸掛裝置模型，將模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核，得出強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，但安全余量不大，因此結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化。通過(guò)靜力學(xué)分析得出機(jī)架與懸掛裝置處受到應(yīng)力比較大，容易斷裂，所以在懸掛裝置后加裝兩個(gè)肋板，通過(guò)優(yōu)化之后其應(yīng)力及其應(yīng)變完全符合設(shè)計(jì)要求，為播種機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)制造提供理論依據(jù)。