宋帥帥，楊欣，殷夢杰，李建平，王鵬飛

裝備應(yīng)用技術(shù)

果樹苗木栽植機機架有限元分析

宋帥帥，楊欣，殷夢杰，李建平，王鵬飛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河北保定071000）

根據(jù)現(xiàn)代果樹苗木大面積密植栽植的農(nóng)藝需求，設(shè)計了一種苗木栽植機。機架承載著栽植機其他重要部件，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和品質(zhì)的好壞直接影響到栽植機的使用壽命，非常有必要對機架進行有限元分析，對整機設(shè)計和生產(chǎn)有很重要的作用。利用AIP軟件建立了栽植機機架的三維模型和組合裝配，并根據(jù)果樹苗木栽植作業(yè)的實際工況定義其受力載荷和約束條件，結(jié)合機架裝置的材料屬性進行有限元分析。通過計算和分析，得出機架在工作過程中的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布找出相應(yīng)易損部位。對變形大、應(yīng)力集中的易損部位進行優(yōu)化改進，最終確定機架的幾何參數(shù)。通過試驗其設(shè)計滿足農(nóng)藝要求。

果樹苗木；栽植機；機架；靜力分析

隨著國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的實施，人們對果樹經(jīng)濟林和城市綠化苗木的需求量越來越大[1]。許多地區(qū)已把林果苗木繁育作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化調(diào)整的主攻方向，林果苗木業(yè)已成為具有巨大潛力的朝陽產(chǎn)業(yè)。

目前，多數(shù)林果苗木栽植作業(yè)仍舊采取人工挖坑和回填土壤定植樹苗的方式。為了提高勞動效率和節(jié)約勞動成本，苗木栽植機械化技術(shù)越來越受到重視[2]。近幾年，國內(nèi)和國外有關(guān)機構(gòu)就植樹作業(yè)機械化技術(shù)和機械裝備進行了大量研究。研究的植樹作業(yè)裝備類型主要有挖坑式、間斷開溝式和連續(xù)開溝式3種植樹作業(yè)機[3]。但是挖坑機械主要適用于小面積的坡陡、石頭多、山地等場合的植樹造林，作業(yè)效率不高，勞動強度大，不適合大規(guī)模苗木栽植建園作業(yè)[4]。同時，基于開溝模式的樹苗栽植機得到研究[5]，在大面積苗木栽植作業(yè)中工作效率比較高。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種多行果樹苗木栽植機。為了保證機架的剛度和強度要求，對機架進行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果做出改進，從而為設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 整機的布置方案

整機和機架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整機和機架

機架采用3級連接結(jié)構(gòu)，分別由100 mm×100 mm×4 mm方形空心鋼管和80 mm×60 mm×4 mm的矩形鋼管焊接而成。其中：第1級為懸掛機構(gòu)，主要包括懸掛掛接豎梁和斜梁；第2級機構(gòu)為連接限深輪支架和連接第3級機架的連接機架，包括連接限深輪橫梁和連接第3級機架的橫梁和兩根豎梁；第3級機構(gòu)為錐形覆土輪和圓形覆土輪、鎮(zhèn)壓輪支架。機架各級通過螺栓連接，連接限深輪、錐形鎮(zhèn)壓輪和圓形鎮(zhèn)壓輪、覆土輪、開溝器、人工作業(yè)臺后組裝成栽植機整機。利用AIP三維設(shè)計軟件建模并組裝完成整機數(shù)字模型。

2 機架靜態(tài)分析

2.1 分析說明與模型準(zhǔn)備

栽植機機架型鋼金屬材料具有各向同性的屬性，因此正常作業(yè)過程中由溫度變化對材料產(chǎn)生的影響可忽略[2]。栽植機的機架為焊接件，模型建立時如果采取焊接結(jié)構(gòu)就要把鋼板之間的焊縫類型等因素加入到考慮之中，在很大程度上增加了計算處理的復(fù)雜性。為了控制與生成網(wǎng)格精準(zhǔn)和高效，在保證模型的幾何、力學(xué)特性與真實情況相近的條件下[6]，作如下簡化：

（1）對機架作單一零件生成實體模型，待分析優(yōu)化完成后再衍生零件，進行裝配設(shè)計后轉(zhuǎn)化為焊接件；

（2）保留機架上各型鋼的圓角和倒角，對所有焊縫按倒角處理，確保更接近實際的焊接情況。

2.2 設(shè)置材料屬性

該機架結(jié)構(gòu)所用型材為100 mm×100 mm×4 mm方形空心鋼管和80mm×60 mm×4mm的矩形鋼管，全部采用Q235鋼材質(zhì)。力學(xué)參數(shù)如表1所列。

表1 力學(xué)參數(shù)

2.3 施加約束和載荷

栽植機在實際工作過程中，存放苗木臺上的樹苗會越來越少，所以機架上的負載是變化的。由于進行的是靜態(tài)線性分析，因此采用滿載樹苗時的載荷。為了模擬實際工況，懸掛機架連接處做孔銷連接約束。施加載荷有機架本身重力、工作人員（成年）3人的重力、苗木的重力以及在連接開溝裝置和鎮(zhèn)壓輪的牽引阻力。施加載荷見表2.

表2 施加載荷表/N

2.4 設(shè)置網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格是有限元分析重要的一步，粗大的網(wǎng)格求解速度快，但計算精度不夠；精細的網(wǎng)格計算精度高，但求解的速度較慢[7]。根據(jù)實際工況，分別控制全局網(wǎng)格和局部網(wǎng)格。這里采用h─收斂，對網(wǎng)格進行劃分時，優(yōu)化最大數(shù)設(shè)置為0，網(wǎng)格平均元素大小為0.1，最小元素大小為0.2，分級系數(shù)為1.5，最大轉(zhuǎn)角為60°，并創(chuàng)建彎曲網(wǎng)格元素，以提高模型表達的準(zhǔn)確度。劃分結(jié)果共得到97 986個單元和193 628個節(jié)點。劃分后見圖2.2.5分析與結(jié)果

圖2 機架網(wǎng)格劃分

運行有限元求解計算，得到機架三維應(yīng)力結(jié)果。三維應(yīng)力和應(yīng)變?？筛爬橐粋€等效應(yīng)力σe[9]，即

式中，σ1、σ2、σ3為法向主應(yīng)力，如圖3所示。應(yīng)力最集中的區(qū)域在第2級連接機構(gòu)右側(cè)豎梁上，最大應(yīng)力為285.6 MPa，該應(yīng)力大于材料的需用應(yīng)力，不滿足強度要求，作業(yè)過程中容易發(fā)生變形或者彎曲。其他部位應(yīng)力比較小，應(yīng)力分布也基本均勻。此外，在機架整體末端，位移變形量較大，最大值達到了11.45 mm，不滿足剛度要求，機架整體不夠穩(wěn)定。需要對機架進行改進。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖3 機架整體的應(yīng)力云圖和機架整體位移云圖

3 改進方案

針對分析得出的結(jié)果，做以下結(jié)構(gòu)改進：將承載錐形鎮(zhèn)壓輪、圓形鎮(zhèn)壓輪和覆土輪的支架一分為二，設(shè)計如圖4結(jié)構(gòu)。然后再次進行網(wǎng)格設(shè)置和有限元分析。

圖4 改進后結(jié)構(gòu)

計算后得到模擬機架工作狀態(tài)下的應(yīng)力云分布和位移云分布。改進后機架結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖如圖5所示。改進后的機架最大應(yīng)力值是191.9 MPa，滿足強度要求，位于改進機構(gòu)的連接板孔位置上。機架最大的位移量為1.437mm，機架變形量對于整個機架尺寸可忽略不計，滿足剛度要求。所以，改進后機架滿足設(shè)計要求。

圖5 改進后機架結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖

4 樣機試制與試驗

該機在高碑店進行了樣機試制和田間試驗，樣機田間試驗圖6所示。試驗數(shù)據(jù)獲取為每次每行連續(xù)測定150株，栽植質(zhì)量和栽植精度的測定與計算結(jié)果如表3、表4所示。田間試驗表明：該栽植機工作性能良好，所栽苗木倒伏率低，僅為0.67%；機具開溝穩(wěn)定，苗木栽植合格率達98.22%.

圖6 栽植機田間試驗

表3 栽植質(zhì)量試驗結(jié)果

表4 數(shù)據(jù)處理

5 結(jié)束語

（1）通過AIP三維軟件建立機架模型，進行有限元分析后，發(fā)現(xiàn)起初的設(shè)計強度不夠，剛度也達不到要求，整體機架不滿足設(shè)計要求，需要改進。將第3級機構(gòu)的承載機架一份為二，加裝一個調(diào)節(jié)機構(gòu)，不僅可以調(diào)節(jié)覆土輪的高度，而且能夠提高整個機架的穩(wěn)定性，所以在分界處加裝一個調(diào)節(jié)機構(gòu)。通過優(yōu)化之后，應(yīng)力和應(yīng)變均符合設(shè)計要求，為苗木栽植機的整機制造設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

（2）利用有限元分析果樹栽苗機機架，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)制造前的潛在問題，利用設(shè)計功能優(yōu)化，減少了栽植機生產(chǎn)成本和設(shè)計周期。

（3）試驗表明：栽植機作業(yè)性能穩(wěn)定，栽植倒伏率和傷苗率低，栽植效果良好，能夠滿足果樹苗木密植栽植的要求

[1]孫穎華，李浩，朱東麗，等.城市園林綠化苗木發(fā)展現(xiàn)狀及問題分析[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2016（2）：81.

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Finite Element Analysis of Seed ling Transplanting Machine Frame

SONG Shuai-shuai，YANG Xin，YIN Meng-jie，LI Jian-ping，WANG Peng-fei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding Hebei 071001，China）

According to the modern agronomic requirement of planting fruit trees in a large area，a seedling planting machine was designed.The frame carries the other important parts of the plant，its structure stability and quality directly affect the life of the planting machine，it is necessary to carry out finite element analysis of the machine，the machine design and production is very important effect.In this paper，three-dimensional model and assembly of planting machine frame are established by using AIP software.The force load and constraint condition are defined according to the actual working condition of fruit tree seedling planting operation，and finite element analysis is carried out according to the material property of rack device.Through calculation and analysis，the stress distribution and strain distribution of the rack during working process are obtained to find the corresponding vulnerable parts.The deformation of large，stress concentration of vulnerable parts to optimize the improvement. The geometrical parameters of the rack are finally determined.The design meets the agronomic requirements by testing.

fruit tree seedlings；planting machine；frame；static analysis

S223.9

A

1672-545X（2017）02-0141-04

2016-11-30

國家蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系果園機械崗項目（編號：CARS-28）

宋帥帥（1990-），男，河北邯鄲人，在讀碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機械化、果園機械裝備；楊欣（1974-），男，河北定州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機械數(shù)字樣機等方面研究工作。