羅佳 楊發(fā)展 李建東 楊薇 姜芙林 魏海明 劉永武

摘要：為了使開發(fā)的水稻直播機(jī)的機(jī)架滿足播種作業(yè)的承載要求，避免變形過大導(dǎo)致播深出現(xiàn)較大浮動(dòng)而影響出苗率，同時(shí)為防止機(jī)架與發(fā)動(dòng)機(jī)等激振源發(fā)生共振，影響排種的均勻性，利用ANSYS對(duì)機(jī)架進(jìn)行系統(tǒng)分析。綜合考慮平地行駛以及翻越田壟導(dǎo)致一輪離地等工況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)右前輪離地時(shí)應(yīng)力和變形量最大，最大應(yīng)力為 58.969 MPa，最大變形量為1.662 9 mm。通過模態(tài)分析，獲得機(jī)架的一階固有頻率為90.873 Hz，而激振頻率在10～30 Hz范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于機(jī)架的固有頻率，該狀態(tài)下機(jī)架不會(huì)發(fā)生共振。通過對(duì)應(yīng)力和大變形區(qū)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和強(qiáng)化，并重復(fù)進(jìn)行了有限元仿真分析，結(jié)果表明變形量明顯降低。上述工作表明設(shè)計(jì)開發(fā)的機(jī)架完全滿足精量直播工作的要求，同時(shí)為進(jìn)一步拓?fù)鋬?yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水稻直播機(jī);精量直播;機(jī)架;模態(tài)分析;振動(dòng)特性;固有頻率;防止共振;機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：S223.2 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）16-0235-04

收稿日期：2018-05-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題（編號(hào)：2017YFD0701201-011）;山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2018GNC112005）。

作者簡(jiǎn)介：羅 佳（1993—），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究。

通信作者：楊發(fā)展，博士，副教授，主要從事刀具、農(nóng)業(yè)機(jī)械研究。

水稻是我國(guó)目前主要的糧食作物，種植歷史悠久，但種植過程中機(jī)械化水平較低，嚴(yán)重制約了水稻的整體生產(chǎn)效率[1]。水稻機(jī)械化直播對(duì)于降低水稻生產(chǎn)成本、提升生產(chǎn)效率和減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)等具有重要意義[2]。在水稻生產(chǎn)環(huán)節(jié)引入直播，可以省去育秧和插秧環(huán)節(jié)[3]，大幅提升勞動(dòng)效率，同時(shí)具有可以規(guī)模經(jīng)營(yíng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。因而設(shè)計(jì)開發(fā)一種實(shí)用高效的水稻精量直播機(jī)具有重要意義。而在播種機(jī)中，機(jī)架作為主要的受力結(jié)構(gòu)，承載著供種系統(tǒng)、播種裝置、開溝裝置和液壓系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的壓力，需要對(duì)其受影響情況進(jìn)行綜合分析。此外，機(jī)架的變形會(huì)導(dǎo)致播深出現(xiàn)變化，進(jìn)而影響出苗率;同時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的激振與機(jī)架固有頻率接近（或?yàn)檎麛?shù)倍）時(shí)還會(huì)產(chǎn)生共振，造成供種系統(tǒng)和排種裝置出現(xiàn)排種不均勻、不連續(xù)等干擾問題。為了獲得最優(yōu)的機(jī)架結(jié)構(gòu)，借助ANSYS對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，了解機(jī)架在不同狀態(tài)下的應(yīng)力分布狀況以及產(chǎn)生的最大變形量，同時(shí)確定系統(tǒng)的振動(dòng)特性，獲得機(jī)架的固有頻率，進(jìn)一步防止共振的發(fā)生，為機(jī)架優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 播種機(jī)機(jī)架機(jī)械結(jié)構(gòu)的建模

1.1 結(jié)構(gòu)模型的建立

水稻精量直播機(jī)在工作時(shí)，利用雙圓盤開溝器開出穩(wěn)定的溝型和等深度的種溝，同時(shí)排種器將送種裝置輸送的種子按照預(yù)設(shè)的種距進(jìn)行精量排種。選擇柴油發(fā)動(dòng)機(jī)（型號(hào)ZH2110D）提供整個(gè)作業(yè)過程的動(dòng)力，通過鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)排種器轉(zhuǎn)動(dòng)。提升裝置采用液壓油缸，連接連桿后方的吊耳在工作間隙行進(jìn)時(shí)提起排種裝置。本研究的機(jī)架主體由方管（60 mm×60 mm×6 mm，Q235）焊接而成，主要承受上方送種裝置和操作員的重力以及自身重力，在播種間隙播種機(jī)行進(jìn)時(shí)，下方排種裝置利用液壓油缸抬升一定高度，避免與地面發(fā)生碰撞或劃擦等，此時(shí)機(jī)架同時(shí)受到排種裝置的拉力。仿真過程中，將機(jī)架簡(jiǎn)化為由橫梁、縱梁、豎梁和彎型梁組成的結(jié)構(gòu)。機(jī)架長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為800 mm，寬度為1 600 mm，豎梁 450 mm。利用SolidWorks建立三維模型，模型如圖1所示。

1.2 分析前處理

機(jī)架各個(gè)梁之間主要通過焊接及螺栓連接組成一個(gè)整體，由于連接的不統(tǒng)一，增加了仿真過程的復(fù)雜性，在本次仿真分析中，假定模型是一個(gè)整體，忽略焊接等工藝的影響[5]。機(jī)架材料選用Q235結(jié)構(gòu)鋼，將機(jī)架模型導(dǎo)入ANSYS并進(jìn)行材料屬性的定義。

在分析設(shè)置中，合理適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分有利于提升分析和計(jì)算的效率，增加分析結(jié)果的正確性[6]。本研究采用ANSYS自動(dòng)網(wǎng)格劃分， 單元小于10 mm，網(wǎng)格劃分具體見圖2。劃分

完成后，共有123 770個(gè)節(jié)點(diǎn)和62 494個(gè)單元。

2 靜力學(xué)分析

2.1 機(jī)架受力情況

機(jī)架是該機(jī)械的主要受力機(jī)構(gòu)，所受其他部件的載荷主要分為靜載荷和沖擊載荷[5]。播種裝置提升時(shí)，排種裝置、開溝裝置等會(huì)對(duì)機(jī)架前梁施加作用力;圓盤開溝器開溝作業(yè)時(shí)，開溝器受到前進(jìn)阻力，會(huì)使機(jī)架下梁受到拉力;機(jī)架自身的重力視為均布載荷，應(yīng)用ANSYS的標(biāo)準(zhǔn)重力模塊;其他施加在機(jī)架上的載荷作為集中載荷，施加在所設(shè)計(jì)的位置上。

播種裝置產(chǎn)生的集中載荷（GA）為

GA=G1+G2+G3;（1）

G=mg。（2）

式中：G1表示6個(gè)油泵所受的重力（N）;G2表示排種開溝裝置所受的重力（N）;G3表示連接桿和仿形裝置所受的重力（N）;g表示重力加速度，取9.8 m/s2。

將油泵、排種開溝裝置、連接桿和仿形裝置的重力代入公式（1）、（2）得：

GA=1 470 N。（3）

設(shè)定油缸提起至45°時(shí)保持固定，此時(shí)前上梁和前下梁受到的壓力相等。

Fcos45°+Tcos45°=GA;（4）

F=T。（5）

可得，F(xiàn)=T=1 039.4 N。

假設(shè)送種裝置的質(zhì)量為15 kg，作業(yè)員質(zhì)量為80 kg，得：

GB=147 N，GC=784 N。（6）

因此，施加在機(jī)架上梁固定部位的集中力分別為147、784 N。

在水稻直播機(jī)工作時(shí)，開溝器受到前進(jìn)阻力，會(huì)對(duì)機(jī)架前梁產(chǎn)生拉力。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)中對(duì)播種機(jī)的分析，設(shè)定每個(gè)開溝器前部的工作阻力為120 N，前梁受到的拉力為720 N。

2.2 求解與分析

在平整的地面上行駛時(shí)，機(jī)架主要受到彎曲應(yīng)力，而當(dāng)機(jī)械在田間作業(yè)時(shí)，會(huì)發(fā)生耕地以及地面平整度較低導(dǎo)致的一輪懸空的情況，使機(jī)架受到扭矩的作用，這時(shí)須要考慮扭轉(zhuǎn)工況[8]下機(jī)架的作業(yè)可靠性。

對(duì)于彎曲工況，在前梁和后梁與前后車橋的連接處施加固定約束，機(jī)架自身重力利用ANSYS的標(biāo)準(zhǔn)重力模塊，將集中載荷施加在各自的安裝位置，排種開溝裝置的拉力按45°方向施加在前上梁和前下梁上，分析得到變形云圖和應(yīng)力云圖，如圖3、圖4所示。

圖3為載荷作用下總的變形云圖，最大變形量為 0.184 73 mm，變形主要發(fā)生在車載工作人員的座位和送種裝置安裝位置的中間梁上，而由開溝排種裝置造成的形變使前梁變形量在0.164 21 mm以下，因?yàn)橹虚g部位既受到操作員的壓力，還受到送種裝置以及排種開溝裝置的重力，前上梁承受排種開溝裝置的拉力，因而形變量最大。

從圖4可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在中間梁和橫梁中間位置處，縱梁以及各梁連接處受力也相對(duì)較大，彎角處受力大于其他部位。應(yīng)力的最大值為13.64 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服極限（235 MPa），完全滿足靜力學(xué)的強(qiáng)度要求。

對(duì)于扭轉(zhuǎn)工況，由于機(jī)架結(jié)構(gòu)和部件布置并不完全左右對(duì)稱，本研究對(duì)前左輪離地和前右輪離地分別進(jìn)行討論[5]，得出這2種工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D并進(jìn)行分析。

對(duì)于第1種工況，左前輪離地時(shí)，對(duì)右前輪和后輪施加固定約束，對(duì)左前輪施加方向向上的作用力：由圖5可以看出，最大變形量發(fā)生在左前輪位置，最大變形量為1.323 4 mm;由圖6可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在前上梁中間和左側(cè)以及前下梁左側(cè)部位，最大應(yīng)力值為 34.903 MPa，小于材料的屈服極限。

工況1、2并不對(duì)稱，對(duì)于第2種工況，右前輪離地時(shí)，對(duì)左前輪和后輪施加固定約束，對(duì)右前輪施加方向向上的作用力：

由圖7可以看出，最大變形發(fā)生在左前輪位置，變形范圍比工況1大，最大變形值為1.662 9 mm。由圖8可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在前梁中間以及右側(cè)部位，最大應(yīng)力值為 58.969 MPa，小于材料屈服極限。

在播種機(jī)開溝排種工況下，機(jī)架主要受到上方的壓力和開溝器前進(jìn)阻力產(chǎn)生的拉力，在之前約束的基礎(chǔ)上對(duì)彎梁后方添加固定約束，仿真結(jié)果如下：

由圖9可以看出，開溝器前進(jìn)阻力產(chǎn)生的拉力在作用梁處變形量最大為0.102 68 mm，變形量較小。由圖10可知，最大應(yīng)力為5.280 5 MPa，主要作用在連接處和梁中間位置，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服極限。

綜合以上分析結(jié)果，播種機(jī)在平地正常作業(yè)時(shí)，最大變形量為0.184 73 mm，不影響實(shí)際工作;在翻越田壟導(dǎo)致右前輪抬起時(shí)，最大變形量為1.662 9 mm，所受的最大應(yīng)力為 58.969 MPa，小于材料的屈服極限。對(duì)于動(dòng)載荷情況下材料的受力及變形情況，可以利用仿真獲得的靜載荷下的應(yīng)力值與動(dòng)載荷系數(shù)相乘來預(yù)估動(dòng)載荷時(shí)的應(yīng)力情況[9-10]，本研究取動(dòng)載荷系數(shù)為2.5，從而得到動(dòng)載荷情況下最大應(yīng)力為147.42 MPa，小于材料的屈服極限。綜上，機(jī)架在各種工況下的最大變形量較小，最大應(yīng)力值小于材料的屈服極限（235 MPa），表明機(jī)架能滿足設(shè)計(jì)的承載要求。

3 機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

3.1 模態(tài)分析模型

機(jī)架的模態(tài)是指機(jī)架結(jié)構(gòu)固有的振動(dòng)特性，對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析可以獲得機(jī)架的模態(tài)參數(shù)，例如固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等[6，11]。通過模態(tài)分析可以避免與發(fā)動(dòng)機(jī)等激振源頻率接近（或?yàn)檎麛?shù)倍）導(dǎo)致共振從而引發(fā)排種不均勻等問題，同時(shí)可以根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，更合理地布置機(jī)架。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]，物體動(dòng)力學(xué)通用方程為

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F（t）}。（7）

式中：M為質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;F（t）是力矢量。

3.2 機(jī)架模態(tài)分析結(jié)果

機(jī)架各階模態(tài)頻率和振動(dòng)特性見表1。對(duì)于水稻直播機(jī)機(jī)架，二階振型能夠表現(xiàn)出多數(shù)振動(dòng)情況[13]。由圖11可知，一階振動(dòng)主要發(fā)生在中間梁上，使其產(chǎn)生上下的彎曲;二階振動(dòng)時(shí)，機(jī)架上梁部分發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，中間梁和各梁連接部位的變形量最大。

根據(jù)文獻(xiàn)[10，13]，為使機(jī)架不發(fā)生共振，必須滿足：

0.75ω0<ω<1.3ω0。（8）

式中：ω0表示機(jī)架固有頻率;ω表示激振頻率。

水稻精量直播機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的激振主要有發(fā)動(dòng)機(jī)激振、地面激振、動(dòng)力傳動(dòng)鏈激振和分種器的發(fā)動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)鏈帶來的激振，對(duì)各個(gè)激振頻率分別進(jìn)行考慮。

本設(shè)計(jì)采用雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)（型號(hào)ZH2110D），發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率f=n60·M2，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，M為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)。分別考慮正常行駛和怠速2種情況。

正常行駛時(shí)激振頻率為

f=1 50060× 22=25 Hz。（9）

怠速時(shí)激振頻率為

f=70060 ×22≈11.7 Hz。（10）

根據(jù)分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率在10～30 Hz范圍內(nèi)，而機(jī)架的一階固有頻率是90.873 Hz，激振頻率與固有頻率差距較大[10]，不會(huì)引起共振。

正常行駛時(shí)，其他振源產(chǎn)生的激振頻率均遠(yuǎn)小于機(jī)架各階模態(tài)頻率，不會(huì)與機(jī)架產(chǎn)生共振。

4 機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)架在不同部位受到的力以及產(chǎn)生的變形差異較大，在受力較大的部位可以通過增加材料厚度或改變結(jié)構(gòu)布局來減少變形量[14]。根據(jù)前面的分析可知，機(jī)架中間梁受到的載荷以及產(chǎn)生的形變較大，在實(shí)際工作中可能發(fā)生危險(xiǎn)，而且在模態(tài)分析中也發(fā)現(xiàn)，中間梁和前上梁產(chǎn)生波動(dòng)的可能性較大，后續(xù)主要對(duì)這2處添加支撐。

4.1 確定優(yōu)化方式

以精量直播機(jī)的機(jī)架模型作為優(yōu)化對(duì)象，選定前期變形量較大的部位進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)分析結(jié)果，選定機(jī)架前梁和中間梁作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)其添加支撐，如圖12所示。

4.2 優(yōu)化前后性能對(duì)比

由表2可知，在工況1時(shí)機(jī)架結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力有所增加，但仍在材料允許的范圍內(nèi)。除此之外，其他各主要參數(shù)均有所減小。應(yīng)力以及變形量的減小使機(jī)架的穩(wěn)定性增強(qiáng)，確保開溝器開出的溝深一致，不會(huì)因播深不均勻?qū)е鲁雒缏实偷葐栴}。在播種機(jī)翻越田壟導(dǎo)致一輪抬起時(shí)，2種工況下機(jī)架的受力情況均得到改善，變形量顯著減小，對(duì)于焊接處的影響也得到了減輕。

5 結(jié)論與討論

利用SolidWorks對(duì)機(jī)架進(jìn)行建模，通過ANSYS靜力學(xué)分析，根據(jù)仿真結(jié)果，彎曲工況下最大應(yīng)力為13.64 MPa，變形量為0.184 73 mm;在扭轉(zhuǎn)工況下，當(dāng)右前輪離地時(shí)，最大應(yīng)力為58.969 MPa，最大形變量為1.662 9 mm。以上工況下機(jī)架受到的最大應(yīng)力均小于材料的屈服極限值，且變形量較小，驗(yàn)證了機(jī)架能滿足播種作業(yè)的承載要求。

利用Modal模塊對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，得到機(jī)架的一階固有頻率約為90 Hz，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到發(fā)動(dòng)機(jī)等激振源的激振頻率低于30 Hz，機(jī)架固有頻率與激振頻率不在同一區(qū)間內(nèi)，因而不會(huì)發(fā)生共振。

對(duì)機(jī)架薄弱部位添加支撐優(yōu)化后，機(jī)架變形量顯著減小，機(jī)架的剛度得到了提升，有利于得到穩(wěn)定的開溝深度。同時(shí)為機(jī)架進(jìn)一步優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張洪程，龔金龍. 中國(guó)水稻種植機(jī)械化高產(chǎn)農(nóng)藝研究現(xiàn)狀及發(fā)展探討[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，47（7）：1273-1275.

[2]高 興，王立臣. 關(guān)于如何加快江蘇省水稻栽植機(jī)械發(fā)展問題的探討[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2010，5（5）：14-15.

[3]孫永健，鄭洪幀，徐 徽，等. 機(jī)械旱直播方式促進(jìn)水稻生長(zhǎng)發(fā)育提高產(chǎn)量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（20）：12-16.

[4]于吉淼，趙 冰，田新慶. 水稻直播機(jī)械的發(fā)展?fàn)顩r及前景展望[J]. 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2006，32（2）：15.

[5]李琳琳，王麗紅，坎 雜，等. 矮化密植紅棗收獲機(jī)騎跨式機(jī)架的有限元分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017（1）：25-28.

[6]顧麗春，果 霖，李 歡. 三點(diǎn)懸掛尖鏟式小麥播種機(jī)機(jī)架振動(dòng)特性分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（1）：214-215.

[7]趙艷忠，王運(yùn)興，禹?xiàng)潡? 雙圓盤開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)作業(yè)性能影響研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018（11）：44-47.

[8]劉明輝. 大客車骨架結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性分析[D]. 大連：大連理工大學(xué)，2005：38-47.

[9]鄭夕健，劉 翔，董 建. 裝載機(jī)動(dòng)臂截面參數(shù)對(duì)于固有頻率的影響分析[J]. 機(jī)械與電子，2016，34（12）：23-25.

[10]沈柳楊，蘭海鵬，張 宏，等. 基于ANSYS的核桃分級(jí)裝置機(jī)架靜力學(xué)及模態(tài)分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018（7）：36-39.

[11]宋爐祥，陶 冶. 混合齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)有限元分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（3）：189.

[12]陳艷霞. ANSYS Workbench 15.0有限元分析從入門到精通[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2015：153.

[13]王東偉，尚書旗，韓 坤. 4HJL-2型花生聯(lián)合收獲機(jī)摘果機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（14）：15-18.

[14]吳偉斌，廖勁威，洪添勝，等. 山地果園輪式運(yùn)輸機(jī)車架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（11）：40-45.