辣椒移栽機(jī)開溝器有限元結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

張毅杰　孔令瓊　施杰

摘要 為了解決云南丘北地區(qū)辣椒移栽機(jī)核心部件的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性問題，本文基于SolidWorks Simulation對(duì)現(xiàn)有開溝器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明，開溝器的最大應(yīng)力幅值為251 MPa，超過材料的屈服極限，強(qiáng)度不夠；危險(xiǎn)截面位于開溝器支撐架與滑刀根部以及支撐架與調(diào)節(jié)板的結(jié)合處。通過對(duì)開溝器局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，其應(yīng)力幅值較原結(jié)構(gòu)下降了19.92%，安全系數(shù)提高了25.25%，滿足了工作安全強(qiáng)度要求；優(yōu)化后開溝器的模態(tài)分析表明，其固有頻率均避開了辣椒移栽機(jī)工作時(shí)的外部激振頻率，有效避免了共振的產(chǎn)生。研究結(jié)果為云南丘北辣椒移栽的適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了技術(shù)指導(dǎo)，為機(jī)器優(yōu)化改型提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 辣椒移栽機(jī)；開溝器；有限元；SolidWorks；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào) S223.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）14-0180-03

Abstract In order to solve the structural adaptability of the core components of the pepper transplanter in Qiubei of Yunnan，this paper analyzed the structure of the existing opener based on SolidWorks Simulation.The results showed that the maximum stress amplitude of the opener was 251 MPa，which exceeded the yield limit of the material and the strength was not enough. The dangerous section was located at the junction of the opener support frame and the slide blade and the support frame and the regulating plate.Through the local structure optimization，the stress amplitude decreased by 19.92% compared with the original structure，the safety factor increased by 25.25%，met the work safety strength requirements；The modal analysis showed that the natural frequency of the opener was free from the external excitation frequency of the pepper transplanter，which effectively avoided the resonance.The results provide technical guidance for the adaptability design of transplanting pepper in Qiubei of Yunnan，and provide the theoretical basis for the optimization of the machine.

Key words pepper transplanter；opener；finite element；SolidWorks；structural analysis

丘北辣椒是云南省具有區(qū)域優(yōu)勢(shì)的特色農(nóng)產(chǎn)品，也是文山丘北農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。然而目前，丘北地區(qū)辣椒機(jī)械化種植程度很低，基本上以人工移栽的傳統(tǒng)辣椒種植方式為主，直接影響“丘北辣椒”的種植效率，制約“丘北辣椒”產(chǎn)業(yè)擴(kuò)大與發(fā)展[1-2]。因此，開展適應(yīng)于本地區(qū)丘陵山地特征、符合當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝特點(diǎn)的辣椒移栽機(jī)械研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以某型號(hào)辣椒移栽機(jī)上的關(guān)鍵部件之一開溝器為研究對(duì)象，在適應(yīng)丘北辣椒移栽農(nóng)藝的基礎(chǔ)上，基于SolidWorks對(duì)原有移栽機(jī)開溝器進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化。研究結(jié)果為云南丘北辣椒移栽的適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了技術(shù)指導(dǎo)，為后續(xù)機(jī)器的優(yōu)化改型提供了理論基礎(chǔ)。

1 開溝器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本文研究的開溝器類型是滑刀式，其所在的辣椒移栽機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

該開溝器主體結(jié)構(gòu)主要由滑刀、調(diào)節(jié)板以及支撐架組成，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該滑刀式開溝器可以通過改變調(diào)節(jié)板的安裝位置實(shí)現(xiàn)開溝深度均勻一致的調(diào)節(jié)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；在對(duì)種溝進(jìn)行一定程度壓實(shí)的同時(shí)，對(duì)土壤的擾動(dòng)破壞程度也比較小，有利于辣椒秧苗的生長(zhǎng)；開出的溝深與溝寬比較穩(wěn)定，不容易纏草及堵塞；結(jié)構(gòu)體積小巧、開溝作業(yè)流暢。以上這些特點(diǎn)決定了該類型開溝器較適應(yīng)云南丘北丘陵地區(qū)的辣椒移栽作業(yè)要求。

1.2 工作原理

開溝器工作時(shí)，首先將機(jī)具按照種植要求安裝并落下，開溝器垂直入土迅速達(dá)到規(guī)定的溝深；隨著機(jī)組的前進(jìn)，與滑刀刃口接觸的土壤逐漸被擠向兩側(cè)形成V型溝帶?；兜鬃鶅蓚?cè)面對(duì)所開溝的溝槽面有一定的加實(shí)和鞏固作用，有效地降低了溝面坍塌的幾率；同時(shí)為了防止開溝器底部的土壤壓實(shí)過大，將開溝器的尾座設(shè)計(jì)成有一定角度的三角式坡口，能夠有效防止開溝器完成開溝任務(wù)后上層土壤落入溝底。

1.3 工作參數(shù)

滑切式開溝器主要受刃口形狀、滑切角、開溝器寬度和工作阻力等因素影響[3-4]。該型號(hào)移栽機(jī)開溝器的主要工作參數(shù)如表2所示。

開溝器工作時(shí)，土壤與開溝器直接接觸并向兩側(cè)動(dòng)態(tài)流動(dòng)，其產(chǎn)生的阻力是開溝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要影響因素。開溝器的工作阻力由土壤正面阻力和土壤側(cè)面阻力2種阻力所組成。其中，土壤正面阻力按照開溝器工作參數(shù)設(shè)定，土壤側(cè)面阻力可根據(jù)下面的計(jì)算式近似求出[5-8]。endprint

2 開溝器有限元結(jié)構(gòu)分析

運(yùn)用SolidWorks Simulation有限元分析判斷該型號(hào)開溝器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。該開溝器的機(jī)架是焊接組合結(jié)構(gòu)，材料采用ZG240鑄造碳鋼，彈性模量210 GPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3。有限元結(jié)構(gòu)分析云圖如圖2所示。

由圖2（a）可知，開溝器最大應(yīng)力幅值為251 MPa，位于開溝器與底座的連接部，最大應(yīng)力值大于屈服強(qiáng)度248 MPa，說明強(qiáng)度不足；由圖2（b）可知，開溝器的最大變形量為0.52 mm，位于開溝器端部，總體上變形量較小，剛度較好；由圖2（c）可知，開溝器的最小安全系數(shù)為0.99，說明結(jié)構(gòu)存在一定的強(qiáng)度危險(xiǎn)。通過進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)開溝器的危險(xiǎn)截面集中在圖3所示的2個(gè)部位。

3 開溝器局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

3.1 局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過基于SolidWorks Simulation的開溝器有限元結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析可知，開溝器支撐架與滑刀根部以及其與調(diào)節(jié)板結(jié)合處的應(yīng)力峰值均超過了材料的屈服極限。這幾處作為開溝器重要的結(jié)構(gòu)連接部位，其強(qiáng)度的安全性是整個(gè)開溝器甚至移栽機(jī)能夠安全工作的重要保障。為了提高開溝器整體結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命，需要對(duì)這幾處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以降低應(yīng)力集中程度。

由圖3危險(xiǎn)截面處的局部應(yīng)力云圖可以看出，這些危險(xiǎn)部位應(yīng)力集中產(chǎn)生的主要原因是結(jié)構(gòu)銜接不連續(xù)，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸突變，并且這些部位缺少必要的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)與支撐。根據(jù)以上分析，針對(duì)以上部位的結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用局部過渡尺寸增大的方法，即支撐架與滑刀根部的圓角半徑增大至8 mm；支撐架與調(diào)節(jié)板結(jié)合處厚度增大到10 mm。局部尺寸優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 優(yōu)化后的有限元靜態(tài)強(qiáng)度分析

為了說明上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的有效性，對(duì)優(yōu)化后的開溝器進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)力、變形以及安全系數(shù)分析云圖如圖5所示?？梢钥闯鲩_溝器的最大應(yīng)力幅值為201 MPa，最大變形量為0.41 mm，最小安全系數(shù)為1.24。

優(yōu)化前后有限元結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，開溝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，應(yīng)力幅值下降了19.92%，安全系數(shù)提高了25.25%，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高，滿足了工作強(qiáng)度安全要求；最大變形量減小了21.15%，說明優(yōu)化后開溝器的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)一步提高。

3.3 優(yōu)化后的有限元模態(tài)分析

開溝器是移栽機(jī)的關(guān)鍵工作部件之一，其振動(dòng)問題是優(yōu)化后結(jié)構(gòu)合理性的主要?jiǎng)討B(tài)性能判斷指標(biāo)。運(yùn)用SolidWorks Simulation有限元模態(tài)分析可以較全面地了解開溝器結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。一般而言，低階振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)影響較大，低階振型決定結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性[9]。提取開溝器前六階模態(tài)進(jìn)行求解與分析。開溝器前六階的固有頻率變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，固有頻率隨著階數(shù)的遞增而增加。其中，前三階頻率基本成線性遞增關(guān)系，而從第四階開始固有頻率大幅度上升，達(dá)到1 400 Hz以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外部干擾頻率。因此，前三階固有頻率和振型是評(píng)價(jià)開溝器動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵。

開溝器前三階的振型分析云圖如圖7所示。由圖7可知，在開溝器的整體振動(dòng)中，第一階振型為滑刀主體和支撐架上下擺動(dòng)；第二階振型為滑刀主體和支撐架的左右擺動(dòng)；第三階振型為滑刀主體和支撐架的前后擺動(dòng)。開溝器在振動(dòng)中變形最大部位出現(xiàn)在滑刀的前端和支撐架的后側(cè)連接板處。根據(jù)辣椒移栽機(jī)的傳動(dòng)分析，開溝器干擾頻率主要來自牽引拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)裝置中的鏈傳動(dòng)，而其產(chǎn)生的干擾頻率一般在100 Hz以下[10-11]。而開溝器前三階中的最小固有頻率已接近300 Hz，遠(yuǎn)高于外部激振頻率。因此，該開溝器優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以有效避免機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生共振的可能，動(dòng)態(tài)性能良好。

4 結(jié)語

基于SolidWorks Simulation對(duì)開溝器進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明，開溝器原結(jié)構(gòu)的支撐架與滑刀根部、支撐架與調(diào)節(jié)板結(jié)合處存在強(qiáng)度不足問題[12-13]。

本文提出了有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，即通過增大相關(guān)連接部位的過渡尺寸減小局部應(yīng)力集中。對(duì)優(yōu)化后開溝器的有限元靜態(tài)分析表明：安全系數(shù)為1.24，應(yīng)力幅值為201 MPa，小于材料屈服極限，強(qiáng)度滿足要求；有限元模態(tài)分析表明：機(jī)架的前三階模態(tài)頻率分別為296.42、572.34、812.58 Hz，均大幅度避開了外部激振頻率[14-16]，有效避免了共振的產(chǎn)生，動(dòng)態(tài)性能良好。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 李云，張永發(fā)，王紹祥，等.丘北辣椒產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策[J]. 辣椒雜志，2010，10（4）：6-10.

[2] 劉存祥，李曉虎，岳修滿，等.我國旱地移栽機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，28（11）：249-251.

[3] 顧耀權(quán)，賈洪雷，郭慧，等.滑刀式開溝器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（2）：38-42.

[4] 付宇飛，張淑敏.灌水開溝器的設(shè)計(jì)與有限元分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，30（11）：108-111.

[5] 趙金輝，楊學(xué)軍，周軍平，等.播種機(jī)開溝器力學(xué)性能測(cè)試裝置的研究與設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014，30（1）：238-241.

[6] 姚宗路，高煥文，李洪文，等.不同結(jié)構(gòu)免耕開溝器對(duì)土壤阻力的影響[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，25（7）：30-34.

[7] 劉獻(xiàn)東，高凱，劉素芬. 等曲率滑刀式開溝器的研制[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2015，22（6）：34-36.

[8] 于建群，錢立彬，于文靜，等.開溝器工作阻力的離散元法仿真分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（6）：53-57.

[9] 劉向暉，劉俊峰，李建平，等.圓盤式果園開溝機(jī)刀盤作業(yè)模態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，32（6）：102-105.

[10] NGUYEN V N，INABA S.Effects of tire inflation pressure and Tractor velocity on dynamic wheel load and rear axle vibrations[J].Journal of Terra mechanics，2011（48）：3-16.

[11] 饒向林，盧澤民，魏新華，等.水田用大功率拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋殼體設(shè)計(jì)與分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017，33（3）：129-133.

[12] 倪明航.缽苗成組移栽機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].阿拉爾：塔里木大學(xué)，2015.

[13] 段斌.小型辣椒移栽機(jī)栽植器的設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[14] 郝淼.缽苗移栽機(jī)構(gòu)仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[15] 張茫茫.新疆農(nóng)二師移栽機(jī)械化的發(fā)展?fàn)顩r與對(duì)策研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[16] 杜晟.吊籃式移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[D].石河子：石河子大學(xué)，2016endprint