玉米播種機機架有限元分析及優(yōu)化

吉林省吉林農業(yè)大學工程技術學院 趙懷祥

前言

免耕玉米播種機是在沒有耕過且地表有其它作物收割之后的殘茬條件下來播種的機器。可以完成破茬、開溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等操作[1]。機架是玉米播種機的關鍵零部件，機架在工作的時受力復雜，機架的幾何尺寸與強度直接決定玉米播種機的精度[2]。因此，為了保證機架的強度和剛度要求，有必要對機架進行有限元分析，從而得出其工作時的應力分布和應變分布，為設計提供理論支撐。

1 玉米播種機介紹

玉米播種機的三維設計，主要零部件包括：排種器、機架、覆土器等[3]。

玉米播種機的主要性能參數有：外形尺寸、懸掛方式、工作行數、工作寬度等[4]。懸掛方式為三點懸掛，工作行數為四行，工作寬度為220~240m，深松深度大于25mm。

2 機架的設計

根據玉米播種機的要求，運用pro/E三維軟件的抽殼特征完成機架設計。機架懸掛方式為三點懸掛。

3 機架有限元分析

ANSYSWorkbench提供了強大的分析模塊，利用該模塊只要給工件添加材料、網格劃分、定義約束和載荷、就可以實現(xiàn)有限元分析。

3.1 有限元分析理論

在有限元分析過程中，其動力學方程如下[5]：

[M]是質量矩陣，[K]是剛度矩陣，{x}是位移向量，{F}是靜載荷，[C]為阻尼矩陣，t是時間。在靜力學分析中，與時間有關的量等于零，方程化簡如下：

常規(guī)方法進行強度和剛度計算難度大，利用Pro/E軟件建模并用ANSYS對其進行有限元分析，可以求出機架的應力、應變分布情況[6]。

3.2 機架的有限元分析

首先，將機架模型導入ANSYS，并插入靜力分析模塊。

其次，添加材料屬性、劃分網格。機架采用Q235，材料密度為7.86×103kg/m3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2.0×1011pa。單元類型采用系統(tǒng)默認的10借點四面體單元，每個節(jié)點有三個自由度。該模型一共劃分36530個節(jié)點，16320個單元，。

再次，定義載荷和約束。機架的受到多種形式的力，種肥箱的總重約為180kg，其中包括播種機凈重100kg，種肥箱容納3/4種肥時的重量80kg。播種機的水平方向的阻力為開溝器的總阻力和播種機摩擦力的和，約為1200N。所以牽引力取2000N，三點懸掛牽引力分配為700N、700N、600N。

最后，求解并查看分析結果。在設定好以上參數后，便可以進行求解，求解完成后，通過后處理，便可查看應力分步、應變分步情況。進而可知機架的最大變形在前臂為1.3mm，變形不大。靜載荷作用下機架的應力主要集中在機架和牽引臂焊接的地方。最大主應力108.1為MPa，最大剪應力為53MPa，均小于材料的屈服極限。當播種機受到過大的阻力時，焊接處容易斷裂。因此該結構需要優(yōu)化設計。

4 懸掛裝置優(yōu)化

通過對機架和懸掛裝置靜力學分析，得出機架與懸掛裝置焊接處容易斷裂。因此需要對懸掛裝置進行優(yōu)化設計。優(yōu)化方案為：在懸掛裝置后再焊接兩個支撐肋板。優(yōu)化后最大等應力變?yōu)?7.79MPa，最大主應力變?yōu)?3.07MPa，最大變形也減少為0.12mm。綜上，機架的強度、剛度滿足設計要求。

5 結論

首先，通過三維pro/E軟件建立播種機機架及其懸掛裝置模型，將模型導入ANSYSWorkbench中進行靜力學分析，對強度進行校核，得出強度滿足要求，但安全余量不大，因此結構需要優(yōu)化。通過靜力學分析得出機架與懸掛裝置處受到應力比較大，容易斷裂，所以在懸掛裝置后加裝兩個肋板，通過優(yōu)化之后其應力及其應變完全符合設計要求，為播種機的整機設計制造提供理論依據。