劉斌，汪春，張欣悅，于波（.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶6339；.牡丹江管局850農(nóng)場）

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水稻缽育秧盤起盤鏟的有限元靜力學(xué)分析

劉斌1，汪春1，張欣悅1，于波2
（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319；2.牡丹江管局850農(nóng)場）

摘要：為了適應(yīng)水稻田間規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)需要，減少人工費(fèi)用，降低生產(chǎn)成本，提高作業(yè)效率和經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)合水稻大棚現(xiàn)有的育秧模式，設(shè)計(jì)了一種配合履帶式推進(jìn)作業(yè)的植質(zhì)缽育秧盤起盤機(jī)?？紤]結(jié)構(gòu)參數(shù)、鏟體材料、載荷和受力等因素，應(yīng)用有限元分析軟件對鏟體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對其關(guān)鍵部件起盤鏟進(jìn)行等效應(yīng)力、變形量和安全系數(shù)等的分析計(jì)算。結(jié)果顯示：初始設(shè)計(jì)的起盤鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)不夠合理，通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，再次進(jìn)行分析得到合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為起盤機(jī)整機(jī)的研制提供基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水稻；缽育秧盤；起盤鏟；有限元分析

秧盤的起盤作業(yè)過程是水稻培育生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)之一[1]。以往采取的模式是人工用鐵鏟、鐵叉等工具進(jìn)行人工起盤，此種作業(yè)方式為純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)，因此該種作業(yè)方式的勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、人工費(fèi)用較高[2-3]。近年來，隨著水稻種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，種植面積的增加，規(guī)模的加大，因此對成品水稻秧苗的需求量也隨之加大[4-5]。為了解決這一問題，設(shè)計(jì)了針對水稻植質(zhì)缽育秧盤的起盤機(jī)構(gòu)，其中，起盤鏟是起盤機(jī)構(gòu)的核心工作部件，選擇合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可有效減小機(jī)具的工作阻力，從而提高作業(yè)性能。因此，通過運(yùn)用ANSYS軟件對起盤鏟進(jìn)行有限元分析，以獲得起盤鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而減少工作時(shí)所受阻力且保證秧盤的完整性[6-8]。

1　起盤機(jī)結(jié)構(gòu)及起盤鏟的三維參數(shù)化特征

1.1起盤機(jī)的結(jié)構(gòu)

該起盤機(jī)是專為植質(zhì)缽育水稻育秧秧盤起盤而設(shè)計(jì)的，由扶手、機(jī)架、起盤鏟、連接板及履帶式行走機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。工作時(shí)，行走機(jī)構(gòu)帶動起盤鏟向前運(yùn)動并隨之入土，接觸秧盤后，水平進(jìn)行切割并沿鏟面向上鏟起。起盤鏟沿水平面對秧盤底部進(jìn)行切割，保證了秧盤底面的平整性，并使秧盤與地面分離，以便于隨機(jī)工作人員拾起。

1.2起盤鏟的參數(shù)化特征模型

減小起盤鏟工作時(shí)的入土阻力是該起盤機(jī)構(gòu)的技術(shù)難點(diǎn)，因而在保證鏟體強(qiáng)度符合要求的前提下，通過適當(dāng)減少鏟體、連接板以及機(jī)架的重量來減少入土阻力，以達(dá)到入土穩(wěn)定的效果。初步設(shè)計(jì)起盤鏟的參數(shù)如表1所示。

圖1　起盤機(jī)主要結(jié)構(gòu)Fig.1Main structure of disc machine

表1　起盤鏟參數(shù)Table 1Parameters of disk spade

在起盤鏟各項(xiàng)參數(shù)中，起盤鏟的設(shè)計(jì)鏟長由秧盤尺寸及農(nóng)藝要求確定，不宜做改變。其余各項(xiàng)參數(shù)在保證起盤鏟強(qiáng)度的條件下，在以后進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過程中可適當(dāng)做出調(diào)整。

2　起盤鏟有限元模型的建立

2.1建立基本分析假設(shè)條件

運(yùn)用ANSYS分析軟件對起盤鏟進(jìn)行分析，該軟件應(yīng)力分析技術(shù)模塊的數(shù)學(xué)模型如下式（1）。

式中F——載荷向量；

［K］——剛度矩陣；

x——節(jié)點(diǎn)位移矢量

由于該方程沒有時(shí)間量，所以若對零件進(jìn)行應(yīng)力分析，應(yīng)求該零件在靜力載荷作用下的響應(yīng)。分析之前首先定義基本假設(shè)，以確保分析結(jié)構(gòu)的正確性：（1）起盤鏟所用材料為理想材料，即其應(yīng)力與壓力成正比；（2）環(huán)境對起盤鏟的影響忽略不計(jì)；（3）起盤鏟所用材料在所有方向?yàn)楦飨蛲訹7-9]。

表2　表起盤鏟材料屬性參數(shù)Table 2Property parameter of disk shovel material

2.2定義材料屬性

為了能夠更好的減小起盤時(shí)鏟體所受到的阻力，在能夠保證起盤平穩(wěn)性能的前提下，可以通過減小起盤鏟的質(zhì)量來達(dá)到這一目的。

Q235是一種綜合性能較好且被廣泛使用的合金鋼，其含碳量適中，強(qiáng)度、塑性和焊接等性能之間能夠得到較好配合。因此選Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼為起盤鏟材料，盤鏟材料屬性如表2所示。

2.3施加約束與載荷

起盤鏟與連接板通過螺栓進(jìn)行固定。因此，在軟件中將約束施加在連接板平面?？紤]到起盤鏟的自身重量，根據(jù)當(dāng)?shù)剡x擇重量加速度的大小和方向。為避免起盤鏟因變形較大引起不能進(jìn)行作業(yè)的情況，分析中起盤鏟的最大變形量須小于5 mm。起盤鏟的行走機(jī)構(gòu)為履帶式，其推進(jìn)力為

式中P——行走機(jī)構(gòu)的功率，kw；

F——行走機(jī)構(gòu)推進(jìn)力，N；

v——行走機(jī)構(gòu)速度，m·s-1。

考慮到機(jī)組作業(yè)時(shí)，機(jī)組行走時(shí)粘結(jié)的土壤。因此行走機(jī)構(gòu)的推進(jìn)功率為

式中A——行走機(jī)構(gòu)可提供的最大功率，kw。

根據(jù)上述結(jié)合實(shí)際配套動力，得到F=537.6N。

2.4網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的重要環(huán)節(jié)，其中網(wǎng)格數(shù)量對最終計(jì)算量和計(jì)算精度均產(chǎn)生直接影響。若網(wǎng)格數(shù)量過少，則影響所建模型的計(jì)算精度；若網(wǎng)格過多，計(jì)算精度有所提高，但會增大模型的計(jì)算量[9]。因此，在劃分網(wǎng)格時(shí)，應(yīng)綜合考慮兩個因素的影響。利用ANSYS軟件對起盤鏟進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到3 087個四面體單元和5 965個節(jié)點(diǎn)。

3　求解與結(jié)果

在進(jìn)行完起盤鏟材料、施加約束等設(shè)置以及劃分網(wǎng)格后，即可對建立的起盤鏟有限元模型進(jìn)行計(jì)算，通過分析得到起盤鏟應(yīng)力分析結(jié)果。將多個方向上產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變合成一個等效應(yīng)力，利用Von Mises屈服準(zhǔn)則[10-11]，等效應(yīng)力值為：

式中σ1、σ2、σ3分別為三個法向上的主應(yīng)力。應(yīng)用ANSYS對起盤鏟的有限元模型進(jìn)行求解和處理，得到如圖2所示的起盤鏟等效應(yīng)力與變形圖。

圖2　起盤鏟等效應(yīng)力與變形Fig.2Equivalent stress and deformation of disk shovel

利用可延展材料的失效原理計(jì)算出安全系數(shù)，通過計(jì)算得出的安全系數(shù)k與范圍值進(jìn)比較，可以判斷材料是否會發(fā)生永久形變[11]，即

式中k——材料的安全系數(shù)；

［σ］——為材料最大許用應(yīng)力。

當(dāng)k≤1時(shí)，說明起盤鏟的等效應(yīng)力大于材料的需用應(yīng)力，不可??；當(dāng)1＜k≤2時(shí)，作業(yè)過程中如遇到特殊情況，材料將嚴(yán)重變形，影響起盤鏟的應(yīng)用；當(dāng)2＜k≤4時(shí)，認(rèn)為起盤鏟的參數(shù)是合理的；當(dāng)k＞4時(shí)，起盤鏟結(jié)構(gòu)尺寸滿足強(qiáng)度要求但尺寸過大，在增加起盤鏟重量的同時(shí)增加了作業(yè)阻力。表3為起盤鏟初始設(shè)計(jì)應(yīng)力分析結(jié)果。

表3　起盤鏟初始設(shè)計(jì)應(yīng)力分析結(jié)果Table 3Stress analysis results of disk shovel

由表3可知，起盤鏟安全系數(shù)為k=7.590，顯然安全系數(shù)偏大，即起盤鏟的初始設(shè)計(jì)尺寸偏大。由起盤鏟等效應(yīng)力與變形圖中可以看出，最大等效應(yīng)力集中在起盤鏟內(nèi)側(cè)，但最大變形處于起盤鏟外側(cè)，由此可斷定起盤過程中起盤鏟出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

雖然安全系數(shù)k較大可以保證鏟體不發(fā)生永久變形或發(fā)生斷裂，但這會導(dǎo)致起盤鏟在工作中受到較大的阻力，造成行走裝置無法前進(jìn)等現(xiàn)象。因此，需要將鏟體的整體尺寸變小，再次分析。

4　調(diào)整起盤鏟參數(shù)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的分析

4.1調(diào)整尺寸后應(yīng)力分析

因起盤鏟的整體尺寸較大，因此需對其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。由前述確定鏟長不得改變，可適當(dāng)調(diào)整其他設(shè)計(jì)參數(shù)。

將鏟體的設(shè)計(jì)寬度由280 mm變成200 mm，鋼板厚度由5 mm變?yōu)? mm，進(jìn)而減小起盤鏟的整體尺寸，再次進(jìn)行計(jì)算，重新計(jì)算求解，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。調(diào)整尺寸后的起盤鏟應(yīng)力分析結(jié)果如表4。

圖3　調(diào)整尺寸后鏟體等效應(yīng)力與變形Fig.3Equivalent stress and deformation of adjusted disk shovel

表4　調(diào)整尺寸的起盤鏟應(yīng)力分析結(jié)果Table 4　Stress analysis result of adjusted disk shovel

由表4可知，參數(shù)經(jīng)調(diào)整后的起盤鏟安全系數(shù)為k=4.970，仍大于4。因此為達(dá)到最優(yōu)參數(shù)，可通過調(diào)整鏟體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)。

4.2調(diào)整鏟體結(jié)構(gòu)后應(yīng)力分析

起盤鏟外側(cè)壁高度越大，其與土壤的摩擦力越大，進(jìn)而行進(jìn)過程中阻力就越大，因此繼續(xù)減少起盤鏟的材料，將外側(cè)壁高度由20 mm降到10 mm，同時(shí)起盤鏟寬度降低50 mm。改進(jìn)機(jī)構(gòu)后，再次重新計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。調(diào)整尺寸后的起盤鏟應(yīng)力分析結(jié)果如表5。

圖4　調(diào)整結(jié)構(gòu)后起盤鏟應(yīng)力與變形Fig.4Equivalent stress and deformation of improved disk shovel

表5　調(diào)整鏟體結(jié)構(gòu)后起盤鏟應(yīng)力分析結(jié)果Table 5　Stress analysis result of improved disk shovel

由表5可知，起盤鏟經(jīng)第二次調(diào)整參數(shù)后的安全系數(shù)k=3.573，在合理區(qū)間范圍；變形量相應(yīng)增大為3.937，但在要求的范圍內(nèi)。如此，起盤鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)同時(shí)滿足安全系數(shù)與變形要求，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種針對植質(zhì)缽育水稻育秧秧盤起盤機(jī)，并針對其核心部件起盤鏟進(jìn)行了有限元分析。有限元分析結(jié)果顯示，初步設(shè)計(jì)的起盤鏟需進(jìn)行尺寸的調(diào)整和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，要求起盤鏟的安全系數(shù)和最大變形量符合設(shè)計(jì)要求，最終得到合理的起盤鏟結(jié)構(gòu)和尺寸，為起盤機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。

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Analysis of Structural Finite Element on Rice Breeding Disk Shovel

Liu Bin1，Wang Chun1，Zhang Xinyue1，Yu Bo2
（1.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.850 Farm of Mudanjiang Bureau）

Abstract:In order to meet the needs of rice large scale and standardized production，reduce production cost and improve the production efficiency，combine with the existing mode of rice seedling in greenhouse，the rice breeding disk shovel machine was designed through the existing mode of rice seedling in greenhouse for planting seedling growing tray.The finite element analysis of the rice breeding disk shovel was performed through ANSYS technology.During the finite element analysis progress，the configuration，disk shovel material，loads and forces were defined and added on the disk shovel，and the equivalent stress，deformation and safety factor were obtained after finite element calculation.The results showed that the initial design of the disk shovel structure parameter was not reasonable enough.Through the software analysis，the reasonable structure parameters were got，and the article provided the basis for the development of disc shovel machine.

Key words：rice；the seedling disc；disk shovel；finite element analysis

中圖分類號：S233.71

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-2090（2016）01-0076-04

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.017

收稿日期：2015-03-25

基金項(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)新青年基金（20112305120003）。

作者簡介：劉斌（1989-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院2012級碩士研究生。

通訊作者：汪春，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：Ewangchun1963@126.com。