賈賀鵬， 王應(yīng)彪， 李 明， 孫正經(jīng)， 戴 麗

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南昆明 650224)

玉米免耕播種技術(shù)是對(duì)農(nóng)田的一種保護(hù)性技術(shù)措施，可以減少對(duì)土地的耕作，利用農(nóng)作物的秸稈將地表覆蓋，可以減少風(fēng)、水的侵蝕，增強(qiáng)土壤的抗寒能力，還可以減少人力成本[1]。玉米播種機(jī)在保證糧食增產(chǎn)、推進(jìn)種植業(yè)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步中具有極其重要的地位和作用。免耕玉米播種機(jī)就是以作物種子為播種對(duì)象的種植機(jī)械，是在未經(jīng)翻耕且地表有作物殘茬覆蓋的條件下進(jìn)行播種，可以一次完成破茬、開(kāi)溝、覆土及鎮(zhèn)壓等操作[2]。玉米播種機(jī)在使用過(guò)程中，播種機(jī)工作部件開(kāi)溝鏟由于與土壤的接觸不可避免地受到磨損，從而導(dǎo)致耕作質(zhì)量和一些技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)降低。由于陶瓷材料具有高硬度、高耐熱性、高耐磨性等特征，比傳統(tǒng)材料有一定的優(yōu)越性，因此，對(duì)播種機(jī)工作部件開(kāi)溝鏟使用Al2O3陶瓷材料，用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行靜力分析，得出開(kāi)溝鏟在工作時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變圖，對(duì)比金屬材料開(kāi)溝鏟和Al2O3陶瓷材料開(kāi)溝鏟的分析結(jié)果，驗(yàn)證在開(kāi)溝鏟上Al2O3陶瓷材料能否代替金屬材料使用，并對(duì)播種機(jī)的機(jī)架進(jìn)行有限元分析，以保證滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)。通過(guò)對(duì)玉米播種機(jī)Al2O3陶瓷材料工作部件的有限元分析，可以為農(nóng)業(yè)機(jī)械化玉米播種機(jī)的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的理論分析和研究方法。

1 玉米播種機(jī)的設(shè)計(jì)

根據(jù)玉米播種機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)要求，利用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)播種機(jī)的各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行虛擬裝配和干涉檢查。玉米播種機(jī)基本組成包括機(jī)架地輪裝置、開(kāi)溝覆土裝置、變量播種施肥裝置、傳動(dòng)裝置、鎮(zhèn)壓裝置以及一些配件[3]。

1.1 機(jī)架地輪裝置設(shè)計(jì)

機(jī)架設(shè)計(jì)采用三點(diǎn)懸掛牽引方式，如圖1所示，機(jī)架作為播種機(jī)的主體構(gòu)架，須要承載許多部件的安裝和牽引，所以要求其具有足夠的強(qiáng)度和剛度，材料為Q235，調(diào)質(zhì)處理，構(gòu)架尺寸為1 560 mm×660 mm。地輪用以支撐全機(jī)的質(zhì)量，并作為播種、施肥等的動(dòng)力來(lái)源，地輪要求直走性好、滑移率小。為降低傳動(dòng)系統(tǒng)的受力，減少播種距離的影響因素，地輪周長(zhǎng)設(shè)計(jì)為1.8 m左右，同時(shí)盡可能加大摩擦力滑移率。由于地輪為該播種機(jī)機(jī)械的動(dòng)力提供部件和重力支撐部件，材料選用鑄鐵，地輪軸有效直徑選定為15 mm，根據(jù)周長(zhǎng)公式s=2πr，地輪有效直徑選定為600 mm[4]。

1.2 開(kāi)溝覆土裝置設(shè)計(jì)

開(kāi)溝裝置設(shè)計(jì)為鏟式銳角開(kāi)溝器，其中開(kāi)溝鏟的鏟尖部分與地面形成一定的夾角，方便入土開(kāi)溝，適合北方干旱地區(qū)使用。開(kāi)溝鏟2個(gè)開(kāi)溝面底面夾角為30°，開(kāi)出的溝寬度可達(dá)90 mm，開(kāi)溝深度為30～60 mm。為更好地完成導(dǎo)種導(dǎo)肥，開(kāi)溝鏟內(nèi)部設(shè)計(jì)為空心，由于開(kāi)溝鏟要求足夠的耐磨性，故材料為16 Mn，調(diào)質(zhì)處理；導(dǎo)種管材料為Q235，調(diào)質(zhì)處理。開(kāi)溝器的裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在使用玉米播種機(jī)的過(guò)程中，由于工作部件開(kāi)溝鏟與土壤的接觸不可避免地受到磨損，導(dǎo)致耕作質(zhì)量和一些技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)降低。由于陶瓷材料具有高耐熱性、低導(dǎo)熱性、高硬度、高耐磨性等特點(diǎn)，將其應(yīng)用在農(nóng)機(jī)上比傳統(tǒng)材料有一定的優(yōu)越性。因此，針對(duì)開(kāi)溝鏟在工作時(shí)幾何形狀發(fā)生改變，在土壤中磨損丟失金屬，喪失其本身的特定功能等一些問(wèn)題，對(duì)比陶瓷材料結(jié)構(gòu)的各性能指標(biāo)，選用Al2O3陶瓷材料代替金屬材料在開(kāi)溝鏟上使用，以此提高開(kāi)溝鏟的硬度和耐磨性。

1.3 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

播種機(jī)的整體結(jié)構(gòu)除機(jī)架地輪裝置和開(kāi)溝覆土裝置外，還有變量播種施肥裝置、傳動(dòng)裝置、鎮(zhèn)壓裝置以及一些配件。其中，為了使播種機(jī)的播種更加均勻，開(kāi)溝器以前三后二錯(cuò)開(kāi)排列在機(jī)架上，播種行數(shù)為5行。玉米播種機(jī)采用的是鏈傳動(dòng)裝置，當(dāng)?shù)剌嗈D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)固定在地輪上的鏈輪驅(qū)動(dòng)鏈條將動(dòng)力傳遞到施肥軸上，施肥軸再通過(guò)固定在其上的鏈輪驅(qū)動(dòng)鏈條將動(dòng)力傳遞到播種軸上。變量播種施肥裝置通過(guò)螺絲固定在機(jī)架上，播種箱設(shè)計(jì)為圓筒形狀，施肥箱則采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鎮(zhèn)壓裝置通過(guò)連桿懸掛在機(jī)架的后部，以此完成播種、施肥、覆土后的鎮(zhèn)壓作業(yè)。

1.4 整機(jī)虛擬裝配

零件裝配就是將定義出來(lái)的零件模型通過(guò)一定的鏈接關(guān)系將零件約束組裝在一起，使整機(jī)裝配體能夠完成某一項(xiàng)特定的功能。SolidWorks軟件裝配是將已經(jīng)建模完成的零件逐一插入裝配體文件，并依次添加共面、同軸、平行等各零件間的相互配合關(guān)系，使各零件保持準(zhǔn)確的工作位置[5]。虛擬裝配的順序則是按照復(fù)雜系統(tǒng)劃分的逆序進(jìn)行，即先裝配最底層最簡(jiǎn)單的子系統(tǒng)，然后將其作為一個(gè)整體裝配到上一個(gè)較為復(fù)雜的模塊，最后完成總裝配和干涉檢驗(yàn)，進(jìn)一步檢測(cè)虛擬裝配的可靠性[6]。玉米播種機(jī)的整機(jī)裝配結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中主要的參數(shù)有播種機(jī)長(zhǎng)、寬、高分別為1 750、1 400、950 mm；播種箱直徑為120 mm；施肥箱長(zhǎng)寬分別為1 560、240 mm。

通過(guò)對(duì)裝配體進(jìn)行干涉、碰撞檢查、動(dòng)態(tài)間隙檢測(cè)，以保證任意零件在空間上不出現(xiàn)相互重疊現(xiàn)象。同時(shí)，通過(guò)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)檢查零部件之間的間隙，避免實(shí)物安裝時(shí)產(chǎn)生干涉[7]。經(jīng)過(guò)干涉檢查，發(fā)現(xiàn)本次裝配不存在干涉現(xiàn)象，滿足裝配要求。

3 開(kāi)溝鏟的有限元分析

3.1 開(kāi)溝鏟阻力計(jì)算

開(kāi)溝器是播種機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其功能是在播種機(jī)工作時(shí)，開(kāi)出種溝，引導(dǎo)種子、肥料進(jìn)入種溝，并且將濕土覆蓋種子和肥料。但在我國(guó)北方干旱地區(qū)，地表堅(jiān)硬，且有大量的秸稈覆蓋，開(kāi)溝器入土困難、阻力較大，須要良好的破茬入土性能[8]。

根據(jù)犁耕阻力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[9]：

R=kab。

式中：k是土壤的犁耕比阻，即土壤單位橫斷面面積阻力，針對(duì)北方干旱地區(qū)一般土壤取k=5 N/cm2；開(kāi)溝器的最大開(kāi)溝深度a=9 cm、寬度b=6 cm，由計(jì)算公式得出開(kāi)溝鏟的最大開(kāi)溝阻力R為270 N。

3.2 定義材料屬性

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，開(kāi)溝鏟的厚度為3 mm，導(dǎo)種管的厚度為2 mm。金屬材料選用條件：開(kāi)溝鏟采用16 Mn，材料密度為7.25×103kg/m3，泊松比μ=0.31，彈性模量E=2.1×1011Pa，屈服強(qiáng)度σs=350 MPa。導(dǎo)種管采用Q235，材料密度為7.86×103kg/m3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2.0×1011Pa，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa。陶瓷材料選用條件：開(kāi)溝鏟導(dǎo)種管采用Al2O3陶瓷，材料密度為3.72×103kg/m3，泊松比μ=0.25，彈性模量E=4.0×1011Pa，抗拉強(qiáng)度σb=180 MPa，抗彎強(qiáng)度σbb=280 MPa。

3.3 網(wǎng)格劃分

將用SolidWorks完成的播種機(jī)開(kāi)溝鏟的三維建模導(dǎo)入到ANSYS Workbench 17.0中，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置開(kāi)溝鏟網(wǎng)格參數(shù)，定義開(kāi)溝鏟和導(dǎo)種管的接觸為綁定，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格方法[10]。(1)金屬材料開(kāi)溝鏟共劃分為13 012個(gè)節(jié)點(diǎn)和 3 612 個(gè)元素；(2)陶瓷材料開(kāi)溝鏟共劃分為9 451個(gè)節(jié)點(diǎn)和 4 555 個(gè)元素。最后得到的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示[11]。

3.4 定義載荷和約束

開(kāi)溝鏟在工作過(guò)程中，主要受到的力有與土壤之間的摩擦力、開(kāi)溝鏟對(duì)土壤開(kāi)溝的推移力以及地面對(duì)開(kāi)溝鏟的垂直反力。由于開(kāi)溝鏟在實(shí)際工作過(guò)程中受力復(fù)雜，可將開(kāi)溝鏟受力狀況簡(jiǎn)化為1個(gè)水平阻力和1個(gè)垂直反力[12]。

據(jù)研究，在開(kāi)溝過(guò)程中，開(kāi)溝鏟所承擔(dān)的水平阻力占全部開(kāi)溝阻力的80%～90%[13]，故最大水平阻力為Rx=270×90%=243 N，沿水平方向；垂直反力為27 N，沿垂直地面方向。工作阻力具體加載位置如圖5所示[14]。最后，求解指定的2種材料結(jié)果均為總體變形、最大等應(yīng)力、最大剪應(yīng)力、最大主應(yīng)力。

3.5 對(duì)比分析結(jié)果

經(jīng)過(guò)以上處理后，選用程序自動(dòng)控制方式進(jìn)行運(yùn)算，這樣可以得到較快的運(yùn)算速度，最后得到應(yīng)力和應(yīng)變?cè)疲鐖D6、圖7所示。結(jié)果表明，2種材料屬性開(kāi)溝鏟的最大變形均發(fā)生在開(kāi)溝鏟尖端，最大主應(yīng)力、最大等應(yīng)力、最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在開(kāi)溝鏟與導(dǎo)種管焊接處，其他部分受力均勻。普通金屬材料最大等應(yīng)力為90.025 MPa，最大主應(yīng)力為37.61 MPa，最大剪應(yīng)力為46.070MPa；Al2O3陶瓷材料最大等應(yīng)力為80.741 MPa，最大主應(yīng)力為45.464 MPa，最大剪應(yīng)力為46.219 MPa；均滿足強(qiáng)度要求；普通金屬材料的最大變形量為0.088 mm，Al2O3陶瓷材料的最大變形量為0.065 mm，Al2O3陶瓷材料工作時(shí)變形較小。在開(kāi)溝鏟上使用Al2O3陶瓷材料來(lái)代替金屬材料，以此增強(qiáng)開(kāi)溝鏟的耐磨性和耐熱性。

4 機(jī)架有限元分析

機(jī)架是播種機(jī)的主要受力部件，為了使機(jī)架在工作中具有足夠強(qiáng)的強(qiáng)度，用ANSYS軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力分析，從而得到機(jī)架在工作時(shí)的變形量和應(yīng)力大小[15]。

4.1 定義材料屬性

機(jī)架的梁結(jié)構(gòu)所使用材型為60 mm×5 mm的冷彎方形空心鋼及60 mm×30 mm×5 mm的冷彎矩形空心鋼，所使用材質(zhì)為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.28，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，主要結(jié)構(gòu)通過(guò)焊接而成[16]。

4.2 劃分網(wǎng)格

將用SolidWorks完成的播種機(jī)機(jī)架的三維建模導(dǎo)入到ANSYS Workbench 17.0中，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于機(jī)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為保證計(jì)算精度，在設(shè)置好網(wǎng)格相關(guān)參數(shù)后采用自由劃分網(wǎng)格的方法劃分網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格共有71 566個(gè)節(jié)點(diǎn)、36 055個(gè)元素[17]。最后得到的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。

4.3 定義載荷和約束

玉米播種機(jī)在工作過(guò)程中，機(jī)架的靜載荷達(dá)到最大，此時(shí)機(jī)架受力不僅有自身重力還有機(jī)架上各部件的壓力。將機(jī)架上各部件簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)施加在各部件的安裝部位，機(jī)架自身重力通過(guò)重力加速度施加[18]。

播種機(jī)工作時(shí)機(jī)架所承受其他部件的總力為3 000 N，機(jī)架地輪安裝軸孔處使用固定約束；播種機(jī)在水平方向的阻力為開(kāi)溝器的總阻力和播種機(jī)所受摩擦力之和，即270×5+3000×0.5=2 850 N。考慮田間的復(fù)雜性，取水平牽引力為 3 200 N，三點(diǎn)懸掛牽引力分別為1 400、900、900 N。具體加載位置如圖9所示。最后，求解指定結(jié)果為總體變形、最大等應(yīng)力、最大剪應(yīng)力、最大主應(yīng)力。

4.4 結(jié)果分析

通過(guò)ANSYS軟件的自行控制方式進(jìn)行計(jì)算，得出機(jī)架的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)迫鐖D10所示。由計(jì)算結(jié)果可知，機(jī)架最大變形量發(fā)生在三點(diǎn)懸掛牽引C點(diǎn)受力處，變形量為0.426 mm，不會(huì)影響到機(jī)架的工作性能。機(jī)架的最大主應(yīng)力、最大等應(yīng)力、最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在機(jī)架前端拐角焊接處，其中最大等應(yīng)力為28.034 MPa，最大剪應(yīng)力為15.822 MPa，最大主應(yīng)力為 35.011 MPa，均小于機(jī)架材料Q235的屈服強(qiáng)度。為了保證機(jī)架結(jié)構(gòu)的安全可靠性，在機(jī)架的制作過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)拐角處的焊接強(qiáng)度。材料滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)三維軟件進(jìn)行實(shí)體建模和虛擬裝配，實(shí)現(xiàn)免耕玉米播種機(jī)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，縮短了設(shè)計(jì)周期并可提高工作效率。所設(shè)計(jì)免耕播種機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)溝、播種、施肥、覆土、鎮(zhèn)壓等一體化工作要求。

有限元分析軟件ANSYS Workbench 對(duì)2種材料開(kāi)溝鏟進(jìn)行有限元靜力學(xué)對(duì)比分析得出，2種材料均滿足開(kāi)溝鏟強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求；Al2O3陶瓷材料的最大變形量比金屬材料小，在開(kāi)溝鏟上使用Al2O3陶瓷材料能夠增強(qiáng)開(kāi)溝鏟的耐磨性和耐熱性。

在玉米播種機(jī)開(kāi)溝鏟上可以使用陶瓷材料代替金屬材料，為陶瓷材料在玉米播種機(jī)關(guān)鍵部件上的使用提供了理論依據(jù)。由于陶瓷材料的實(shí)際制作工藝比較復(fù)雜，還須考慮其他方面的原因，這也是下一步筆者所在實(shí)驗(yàn)室的研究方向。

有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)玉米播種機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，得到機(jī)架的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)?，并?duì)機(jī)架的強(qiáng)度進(jìn)行校核，滿足機(jī)架強(qiáng)度使用要求。