何建華，楊 欣，李建平，劉俊峰

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

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林果樹苗栽植開溝裝置有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

何建華，楊 欣，李建平，劉俊峰

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

根據(jù)現(xiàn)代林果樹苗大面積栽植的農(nóng)藝需求，設(shè)計了一種林果樹苗開溝栽植機。在初始樣機田間試驗中，開溝裝置側(cè)面的溝型保持板發(fā)生較大變形。為了增強開溝裝置的結(jié)構(gòu)強度，避免作業(yè)阻力過度增加，利用有限元法對開溝裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。利用AIP軟件建立了原始開溝裝置的三維裝配體模型，并根據(jù)林果樹苗栽植作業(yè)的實際工況定義其約束條件和受力載荷，結(jié)合開溝裝置的材料屬性進(jìn)行有限元計算。同時，通過參數(shù)驅(qū)動機制變換開溝裝置模型尺寸，獲得了開溝裝置的多組應(yīng)力、變形和安全系數(shù)等數(shù)據(jù)，依據(jù)計算結(jié)果改進(jìn)了開溝裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。試驗結(jié)果表明：改進(jìn)的開溝裝置沒有出現(xiàn)變形現(xiàn)象，作業(yè)機組工作狀態(tài)良好，達(dá)到了林果樹苗栽植作業(yè)的農(nóng)藝要求。

林果樹苗；栽植機械；開溝裝置；有限元分析；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

0 引言

目前，多數(shù)林果樹苗栽植作業(yè)仍采用人工挖坑和回填土壤定植樹苗的方式。為了節(jié)約勞動成本，提高勞動效率，林果樹苗栽植機械化技術(shù)越來越受到重視。手提式挖坑機或拖拉機懸掛式挖坑機在林果樹苗栽植中已經(jīng)得到應(yīng)用[1-3]，這些機具采用螺旋或銑刀等鉆頭挖坑裝置，因側(cè)向力較大而常導(dǎo)致機組有較大搖晃或振動。國內(nèi)研究者研發(fā)了車載式挖坑機[4]、分層式挖坑機[5]和其他新型挖坑機具[6-7]，對挖掘部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)做了大量研究和改進(jìn)[8-9]，使得挖坑機作業(yè)性能得到了改善。但挖坑作業(yè)是按照樹苗定植穴距逐個進(jìn)行的，人工用鐵鍬回填土壤、壓實、覆土，完成苗木定植。該作業(yè)方式在大面積栽植樹苗時，作業(yè)效率不高，勞動強度很大。同時，基于開溝模式的樹苗栽植機得到研究[10]，在大面積樹苗栽植中工作效率較高。本文針對現(xiàn)代林果業(yè)大面積樹苗栽植的需求，設(shè)計了林果大面積樹苗栽植的專用栽植機，該機核心部件是苗帶開溝裝置，開溝質(zhì)量的好壞直接影響樹苗的栽植質(zhì)量和成活率。初始設(shè)計的苗帶開溝裝置在試驗中表現(xiàn)為溝形不穩(wěn)定，樹苗易傾斜，開溝阻力大，側(cè)板易變形。AIP(Autodesk Inventor Professional)軟件在林果苗木斷根、挖掘、果園開溝等入土部件優(yōu)化設(shè)計中得到了應(yīng)用，并在關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、強度分析和參數(shù)優(yōu)化等諸多方面取得了良好效果[11-13]。為此，利用AIP軟件對原始設(shè)計的苗帶開溝裝置進(jìn)行三維建模和有限元分析，計算開溝裝置在開溝作業(yè)實際工況載荷條件下的結(jié)構(gòu)強度，并根據(jù)其應(yīng)力分布、變形量和安全系數(shù)等分析結(jié)果，改進(jìn)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以期強化開溝裝置、改善開溝質(zhì)量、提高作業(yè)效率，達(dá)到大面積林果樹苗栽植培育的農(nóng)藝要求。

1 開溝裝置三維參數(shù)化建模

1.1 林果樹苗栽植機結(jié)構(gòu)和工作原理

牽引式林果樹苗栽植機主要包括覆土輪、鎮(zhèn)壓輪、回土輪、開溝裝置、機架和限深輪等部件，如圖1所示。

1.覆土輪 2.鎮(zhèn)壓輪 3.回土輪 4.開溝裝置 5.機架 6.限深輪

作業(yè)時，機組進(jìn)地一次即可實現(xiàn)地表開溝、放苗、扶苗、回土、分層壓實和表層覆土等一系列作業(yè)工序，完成苗木田間定植。

機架為整體焊接結(jié)構(gòu)，整機與拖拉機形成后懸掛作業(yè)方式，通過限深輪實現(xiàn)150～400mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)開溝深度。開溝裝置是整機的核心工作部件，在其入土開溝作業(yè)中要求容易入土、深度穩(wěn)定、溝形整齊且能維持一定放苗時間，及時協(xié)助扶持苗木保持直立狀態(tài)，直到回土壓實，確保樹苗垂直定植。

1.2 開溝裝置的三維模型

開溝裝置由開溝刀、開溝板、保持板、擋土板、扶苗器和連接件等結(jié)構(gòu)焊合而成，如圖2(a)所示。開溝裝置通過連接件和U型螺栓固定在機架橫梁上。

為了達(dá)到開溝裝置作業(yè)要求，其開溝板應(yīng)具備保持作業(yè)狀態(tài)下穩(wěn)定的工作隙角α，如圖2(b)所示。開溝板的作用是開溝分土，并向兩側(cè)推土。開溝刀的強度應(yīng)足夠大，確保穩(wěn)定的開溝深度和較強的破土能力。保持板的作用是防止已分土垡過早回落溝中，確保溝形寬度維持一定時間。擋土板的作用是防止兩側(cè)因推土堆積的松土翻落溝中影響溝深。扶苗器的作用是將樹苗收攏到苗帶中間，保證回土壓實過程中樹苗直立并定植成一條直線。

(a) 開溝裝置結(jié)構(gòu)組成

(b) 開溝板工作隙角

在AIP軟件中按1∶1建立開溝裝置部件初始設(shè)計的三維裝配體模型，所有零件均采用參數(shù)化建模，零件之間添加正確的裝配關(guān)系達(dá)到模型全約束，確保后續(xù)更新零件結(jié)構(gòu)參數(shù)(寬度、厚度、角度等)時裝配體的拓?fù)潢P(guān)系不會發(fā)生改變[11,14]。為了在后續(xù)有限元分析中便于快速更新模型，利用參數(shù)化功能建立了尺寸驅(qū)動關(guān)聯(lián)關(guān)系[15]。

1.3 設(shè)置零件材料屬性

材料的選用原則是在保證挖掘性能的前提下降低阻力、節(jié)省材料[11]。65Mn具有耐磨損和剛性好的優(yōu)點，常被選用做犁鏵等入土工作部件[16-17]，因此開溝刀材料選用65Mn，其屈服強度為430MPa，極限拉伸強度為735MPa。開溝裝置的其它零件均選用Q235A，其屈服強度為235MPa，極限拉伸強度為500MPa。在AIP中分別設(shè)置了兩種材料的屬性。后續(xù)有限元模型可繼承該零件模型中的材料屬性。

2 開溝裝置有限元分析

2.1 分析說明與模型準(zhǔn)備

為了獲得開溝裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對開溝裝置進(jìn)行有限元分析。因為Q235A、65Mn等金屬材料具有各向同性，忽略工作過程中溫度變化對材料的影響。開溝裝置在正常開溝作業(yè)工作過程中入土部位動載荷可轉(zhuǎn)換為等效靜載荷，其變形量與總體尺寸相比很小。開溝裝置各零件的物理屬性符合結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的基本假設(shè)[18]。在結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析中，螺栓連接、焊接等詳細(xì)結(jié)構(gòu)常用“粘合”接觸方式代替[19]，因此開溝裝置連接板與底架橫梁之間的螺栓連接和各焊接零件之間均采用面與面“粘合”接觸方式。

2.2 施加載荷和約束

該樹苗栽植機配套拖拉機動力功率為55.2kW，開溝深度為150～400mm，設(shè)計作業(yè)速度為1.0～1.2m/s。重力加速度g取9.81m/s2,為保證開溝作業(yè)質(zhì)量，開溝裝置最大變形量設(shè)計要求不能超過5mm，扶苗器最遠(yuǎn)端變形量不能超過5mm。開溝裝置通過U型螺栓固定在機架橫梁上， 固定約束加在連接板與機架橫梁接觸面及其螺栓孔上。開溝裝置的入土載荷可通過拖拉機掛鉤牽引力進(jìn)行計算。拖拉機掛鉤的牽引力的計算式為[17]

(1)

式中 PT─拖拉機牽引功率(kW)。

拖拉機行走在松軟土壤上，取拖拉機的牽引功率PT為

PT=0.40Pe

(2)

式中 Pe─發(fā)動機額定功率(kW)。

考慮機組作業(yè)時，輪式拖拉機最大牽引效率達(dá)55%[11]，分配到開溝裝置上的牽引力為50%(另50%用于克服傳動等阻力)。經(jīng)計算，拖拉機掛鉤牽引力為18.4kN；開溝產(chǎn)生的土垡質(zhì)量約為30kg時，計算得到開溝裝置總阻力為5.1kN?？傋枇ψ饔迷陂_溝刀、開溝板的傾斜面和刃口部位，考慮到開溝過程中可能受到石頭等雜物的沖擊，因此將施加的總阻力提高到計算值的1.5倍。將總阻力以正壓力、土壤摩擦力等形式分配在開溝裝置作用面上；扶苗器在收攏彎折處將受到樹苗的推擠和摩擦作用，其尾部僅有很小的樹苗橫向推擠和摩擦，根據(jù)樹苗歪斜角度、樹苗質(zhì)量及木質(zhì)材料與金屬的摩擦因數(shù)等因素，將預(yù)估載荷施加到扶苗器相應(yīng)部位；保持板表面也將受到兩側(cè)土壤的推擠和摩擦，根據(jù)土垡質(zhì)量、開溝質(zhì)量及金屬材料土壤的摩擦因數(shù)等因素，將預(yù)估壓力施加到保持板表面。

2.3 設(shè)置網(wǎng)格

在有限元分析中，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量的多少直接影響計算精度，網(wǎng)格劃分越多，計算精度越高，但求解慢、計算時間長；網(wǎng)格劃分越粗糙，計算精度越低，但求解快、計算時間短。這里采用h─收斂，對網(wǎng)格進(jìn)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0.06，最小元素大小為0.15，分級系數(shù)為2，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(dá)的準(zhǔn)確度。劃分結(jié)果共得到45 817個單元和85 617個節(jié)點。

2.4 計算結(jié)果分析

運行有限元求解計算，得到開溝裝置三維應(yīng)力結(jié)果。三維應(yīng)力和應(yīng)變常在多個方向上產(chǎn)生，這些多方向應(yīng)力可概括為一個等效應(yīng)力δe[20-21]，即

(3)

式中 δ1、δ2、δ3─法向主應(yīng)力。

為了更加直觀地判斷材料是否發(fā)生永久變形，應(yīng)用最大等效應(yīng)力失效原理對可延展材料計算安全系數(shù)K，即

(4)

式中 [δ]─材料最大許用應(yīng)力。

表1列出了開溝裝置初始設(shè)計三維應(yīng)力分析結(jié)果。

只有安全系數(shù)大于1才能被接受[20-21]，由表1可知：開溝裝置的安全系數(shù)為0.38，即開溝裝置的結(jié)構(gòu)尺寸偏?。坏刃?yīng)力最大值超過了結(jié)構(gòu)的屈服極限，且最大值發(fā)生在開溝板上。這一計算結(jié)果和該開溝裝置在初始試驗中，開溝板發(fā)生變形的情況吻合。由此可以判斷出，開溝裝置的壁厚參數(shù)過小強度不夠，在開溝作業(yè)中可能引起永久變形失效，進(jìn)而導(dǎo)致溝形寬度和深度不穩(wěn)，土壤回落較早。由于開溝板變形導(dǎo)致扶苗器間距改變，嚴(yán)重影響栽植作業(yè)質(zhì)量，因此，必須對開溝板的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

表1 初始設(shè)計開溝裝置三維應(yīng)力分析結(jié)果

3 開溝裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 參數(shù)調(diào)整

根據(jù)設(shè)計要求，開溝板的工作隙角α不能改變，土壤松動主要是靠工作隙角α保證；保持板的高度不能改變，保持板的高度決定了最大開溝深度。因此，主要對開溝板的厚度和保持板的厚度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。通過調(diào)整參數(shù)(見表2)，考慮到加工工藝性，保證開溝板和保持板厚度相同)驅(qū)動模型更新，通過多次有限元分析計算后，開溝裝置三維應(yīng)力分析結(jié)果的變化趨勢如圖3所示。

表2 開溝裝置的關(guān)鍵參數(shù)結(jié)構(gòu)表

由圖3可知：隨著開溝板和保持板厚度增加，等效應(yīng)力有了明顯降低，但是仍大于材料的屈服極限；開溝裝置質(zhì)量隨結(jié)構(gòu)尺寸的變大而增大，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變得笨重；開溝裝置變形量隨著結(jié)構(gòu)尺寸的變大而減小，但安全系數(shù)始終在1以下，且增加趨勢不明顯。

(a) 等效應(yīng)力和質(zhì)量變化趨勢

(b) 變形量和安全系數(shù)變化趨勢

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對開溝裝置的結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步的改進(jìn)，對其內(nèi)部薄弱地方焊接了加強肋板，如圖4所示。

(a) 內(nèi)部原始結(jié)構(gòu)

(b) 內(nèi)部加強肋

其中，加強肋1與左右保持板焊接，加強肋2與左右保持板和連接板焊接，加強肋3與左右開溝板和加強肋4，加強肋4與加強肋2、加強肋3、開溝刀和開溝板的上部焊接在一起。通過調(diào)整參數(shù)，進(jìn)行多次有限元分析計算后，將最后確定的結(jié)構(gòu)尺寸與原始模型進(jìn)行對比，如表3所示，變形和安全系數(shù)如圖5所示。

表3 改進(jìn)前后參數(shù)與分析結(jié)果對比

(a) 開溝裝置變形圖

(b) 開溝裝置安全系數(shù)圖

4 樣機試制與田間試驗

2015年3月下旬，河北省高碑店市寶忠農(nóng)具廠對改進(jìn)后的開溝裝置進(jìn)行了試制，并安裝到牽引式林果樹苗栽植機上，在廠家試驗田進(jìn)行了栽植試驗，配套動力為55.2 kW拖拉機，如圖6所示。試驗結(jié)果顯示:改進(jìn)后的開溝裝置最大開溝深度可達(dá)到400mm，拖拉機動力充沛，作業(yè)順暢，苗木放置方便，且能夠保持直立，填土壓實穩(wěn)定，定植直線性好。試驗完畢后開溝裝置沒有變形，該機型經(jīng)批量生產(chǎn)，用戶生產(chǎn)應(yīng)用效果良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求和林果樹苗栽植作業(yè)效果。

圖6 開溝栽植樹苗田間試驗

5 結(jié)論

1) 利用AIP軟件創(chuàng)建了林果樹苗栽植機開溝裝置零部件的三維參數(shù)化模型和裝配體模型，設(shè)置了材料屬性，并采用參數(shù)關(guān)聯(lián)方法，構(gòu)建初始設(shè)計與改型結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為有限元分析中模型更新提供了方便。

2) 對開溝裝置初始模型施加實際作業(yè)工況下的載荷條件和邊界約束等邊界條件，進(jìn)行有限元三維應(yīng)力計算。根據(jù)計算結(jié)果改進(jìn)模型參數(shù)，使其強度、變形量和安全系數(shù)均達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求。

3)田間試驗表明：改進(jìn)設(shè)計的開溝裝置具有良好的入土性能，作業(yè)中沒有發(fā)生永久變形和斷裂，能夠開出栽植林果樹苗時所需深度，有效地減少了土垡過早回落，確保在一定時間內(nèi)維持溝形，保證樹苗栽植的順利進(jìn)行。

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Finite Element Analysis and Structural Improvements for the Ditching Equipment of Planting Fruit Tree Saplings

He Jianhua，Yang Xin， Li Jianping， Liu Junfeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China)

According to the modern agronomic requirements of planting large area fruit tree saplings, a kind of planting ditching machine was designed. In the initial field experiments of prototype, the large deformation was occurred on the gutter-holding plate of ditching equipment side. In order to enhance the structural strength of ditching equipment and avoid the work resistance excessively increased, using finite element method to analyze the structure of ditching equipment. The three-dimensional assemblies model of ditching equipment was built by AIP software, the constraint conditions, loading forces, and materials of ditching equipment were defined for the ditching equipment FEM model based on the real work environments of planting fruit tree saplings. the more groups of data were calculated such as stress, deformation, and safety factors, through transforming the model dimensions of the ditching equipment by the parameter-driven mechanism, and according to the results to improve structure and parameters, the modified ditching equipment was tested, the results show that there was no deformation phenomenon on the ditching equipment, the working units can be operated in good condition, and reach agronomic requirements of planting fruit tree saplings.

fruit tree saplings; planting machinery; ditching equipment; finite element analysis; structural improvements

2015-11-26

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)中心建設(shè)項目(XDNZ201501)；國家蘋果產(chǎn)業(yè)體系果園機械崗專項(CARS-28)；國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203016)

何建華(1990-)，男(滿族)，河北秦皇島人，碩士研究生，(E-mail)963715013@qq.com。

楊 欣(1974-)，男，河北保定人，副教授，博士，(E-mail)yangxin@hebau.edu.cn。

S223.94

A

1003-188X(2017)01-0147-05