果樹苗木栽植機機架有限元分析

宋帥帥，楊欣，殷夢杰，李建平，王鵬飛

裝備應用技術

果樹苗木栽植機機架有限元分析

宋帥帥，楊欣，殷夢杰，李建平，王鵬飛

（河北農業大學機電工程學院，河北保定071000）

根據現代果樹苗木大面積密植栽植的農藝需求，設計了一種苗木栽植機。機架承載著栽植機其他重要部件，其結構的穩定性和品質的好壞直接影響到栽植機的使用壽命，非常有必要對機架進行有限元分析，對整機設計和生產有很重要的作用。利用AIP軟件建立了栽植機機架的三維模型和組合裝配，并根據果樹苗木栽植作業的實際工況定義其受力載荷和約束條件，結合機架裝置的材料屬性進行有限元分析。通過計算和分析，得出機架在工作過程中的應力分布和應變分布找出相應易損部位。對變形大、應力集中的易損部位進行優化改進，最終確定機架的幾何參數。通過試驗其設計滿足農藝要求。

果樹苗木；栽植機；機架；靜力分析

隨著國家農業產業技術體系的實施，人們對果樹經濟林和城市綠化苗木的需求量越來越大[1]。許多地區已把林果苗木繁育作為農業產業化調整的主攻方向，林果苗木業已成為具有巨大潛力的朝陽產業。

目前，多數林果苗木栽植作業仍舊采取人工挖坑和回填土壤定植樹苗的方式。為了提高勞動效率和節約勞動成本，苗木栽植機械化技術越來越受到重視[2]。近幾年，國內和國外有關機構就植樹作業機械化技術和機械裝備進行了大量研究。研究的植樹作業裝備類型主要有挖坑式、間斷開溝式和連續開溝式3種植樹作業機[3]。但是挖坑機械主要適用于小面積的坡陡、石頭多、山地等場合的植樹造林，作業效率不高，勞動強度大，不適合大規模苗木栽植建園作業[4]。同時，基于開溝模式的樹苗栽植機得到研究[5]，在大面積苗木栽植作業中工作效率比較高。在此基礎上設計了一種多行果樹苗木栽植機。為了保證機架的剛度和強度要求，對機架進行有限元分析，根據分析結果做出改進，從而為設計提供理論依據。

1 整機的布置方案

整機和機架結構如圖1所示。

圖1 整機和機架

機架采用3級連接結構，分別由100 mm×100 mm×4 mm方形空心鋼管和80 mm×60 mm×4 mm的矩形鋼管焊接而成。其中：第1級為懸掛機構，主要包括懸掛掛接豎梁和斜梁；第2級機構為連接限深輪支架和連接第3級機架的連接機架，包括連接限深輪橫梁和連接第3級機架的橫梁和兩根豎梁；第3級機構為錐形覆土輪和圓形覆土輪、鎮壓輪支架。機架各級通過螺栓連接，連接限深輪、錐形鎮壓輪和圓形鎮壓輪、覆土輪、開溝器、人工作業臺后組裝成栽植機整機。利用AIP三維設計軟件建模并組裝完成整機數字模型。

2 機架靜態分析

2.1 分析說明與模型準備

栽植機機架型鋼金屬材料具有各向同性的屬性，因此正常作業過程中由溫度變化對材料產生的影響可忽略[2]。栽植機的機架為焊接件，模型建立時如果采取焊接結構就要把鋼板之間的焊縫類型等因素加入到考慮之中，在很大程度上增加了計算處理的復雜性。為了控制與生成網格精準和高效，在保證模型的幾何、力學特性與真實情況相近的條件下[6]，作如下簡化：

（1）對機架作單一零件生成實體模型，待分析優化完成后再衍生零件，進行裝配設計后轉化為焊接件；

（2）保留機架上各型鋼的圓角和倒角，對所有焊縫按倒角處理，確保更接近實際的焊接情況。

2.2 設置材料屬性

該機架結構所用型材為100 mm×100 mm×4 mm方形空心鋼管和80mm×60 mm×4mm的矩形鋼管，全部采用Q235鋼材質。力學參數如表1所列。

表1 力學參數

2.3 施加約束和載荷

栽植機在實際工作過程中，存放苗木臺上的樹苗會越來越少，所以機架上的負載是變化的。由于進行的是靜態線性分析，因此采用滿載樹苗時的載荷。為了模擬實際工況，懸掛機架連接處做孔銷連接約束。施加載荷有機架本身重力、工作人員（成年）3人的重力、苗木的重力以及在連接開溝裝置和鎮壓輪的牽引阻力。施加載荷見表2.

表2 施加載荷表/N

2.4 設置網格

劃分網格是有限元分析重要的一步，粗大的網格求解速度快，但計算精度不夠；精細的網格計算精度高，但求解的速度較慢[7]。根據實際工況，分別控制全局網格和局部網格。這里采用h─收斂，對網格進行劃分時，優化最大數設置為0，網格平均元素大小為0.1，最小元素大小為0.2，分級系數為1.5，最大轉角為60°，并創建彎曲網格元素，以提高模型表達的準確度。劃分結果共得到97 986個單元和193 628個節點。劃分后見圖2.2.5分析與結果

圖2 機架網格劃分

運行有限元求解計算，得到機架三維應力結果。三維應力和應變常可概括為一個等效應力σe[9]，即

式中，σ1、σ2、σ3為法向主應力，如圖3所示。應力最集中的區域在第2級連接機構右側豎梁上，最大應力為285.6 MPa，該應力大于材料的需用應力，不滿足強度要求，作業過程中容易發生變形或者彎曲。其他部位應力比較小，應力分布也基本均勻。此外，在機架整體末端，位移變形量較大，最大值達到了11.45 mm，不滿足剛度要求，機架整體不夠穩定。需要對機架進行改進。

（續下圖）

（續上圖）

圖3 機架整體的應力云圖和機架整體位移云圖

3 改進方案

針對分析得出的結果，做以下結構改進：將承載錐形鎮壓輪、圓形鎮壓輪和覆土輪的支架一分為二，設計如圖4結構。然后再次進行網格設置和有限元分析。

圖4 改進后結構

計算后得到模擬機架工作狀態下的應力云分布和位移云分布。改進后機架結構整體應力分布云圖和位移分布云圖如圖5所示。改進后的機架最大應力值是191.9 MPa，滿足強度要求，位于改進機構的連接板孔位置上。機架最大的位移量為1.437mm，機架變形量對于整個機架尺寸可忽略不計，滿足剛度要求。所以，改進后機架滿足設計要求。

圖5 改進后機架結構整體應力分布云圖和位移分布云圖

4 樣機試制與試驗

該機在高碑店進行了樣機試制和田間試驗，樣機田間試驗圖6所示。試驗數據獲取為每次每行連續測定150株，栽植質量和栽植精度的測定與計算結果如表3、表4所示。田間試驗表明：該栽植機工作性能良好，所栽苗木倒伏率低，僅為0.67%；機具開溝穩定，苗木栽植合格率達98.22%.

圖6 栽植機田間試驗

表3 栽植質量試驗結果

表4 數據處理

5 結束語

（1）通過AIP三維軟件建立機架模型，進行有限元分析后，發現起初的設計強度不夠，剛度也達不到要求，整體機架不滿足設計要求，需要改進。將第3級機構的承載機架一份為二，加裝一個調節機構，不僅可以調節覆土輪的高度，而且能夠提高整個機架的穩定性，所以在分界處加裝一個調節機構。通過優化之后，應力和應變均符合設計要求，為苗木栽植機的整機制造設計提供理論基礎。

（2）利用有限元分析果樹栽苗機機架，發現生產制造前的潛在問題，利用設計功能優化，減少了栽植機生產成本和設計周期。

（3）試驗表明：栽植機作業性能穩定，栽植倒伏率和傷苗率低，栽植效果良好，能夠滿足果樹苗木密植栽植的要求

[1]孫穎華，李浩，朱東麗，等.城市園林綠化苗木發展現狀及問題分析[J].農業開發與裝備，2016（2）：81.

[2]何建華，楊欣，李建平，等.林果樹苗栽植開溝裝置有限元分析與結構改進[J].農機化研究，2017（1）：147-151，157.

[3]劉晉浩，王丹．談國內外人工林撫育機械的現狀及發展趨勢[J]．森林工程，2006，22（3）：12－14．

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[6]熊軍，陳尚貴.折彎機機架有限元分析及改進[J].廣船科技，2015（2）：20-23.

[7]楊欣，許述財.數字樣機建模與仿真[M].北京：清華大學出版社，2014.

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Finite Element Analysis of Seed ling Transplanting Machine Frame

SONG Shuai-shuai，YANG Xin，YIN Meng-jie，LI Jian-ping，WANG Peng-fei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding Hebei 071001，China）

According to the modern agronomic requirement of planting fruit trees in a large area，a seedling planting machine was designed.The frame carries the other important parts of the plant，its structure stability and quality directly affect the life of the planting machine，it is necessary to carry out finite element analysis of the machine，the machine design and production is very important effect.In this paper，three-dimensional model and assembly of planting machine frame are established by using AIP software.The force load and constraint condition are defined according to the actual working condition of fruit tree seedling planting operation，and finite element analysis is carried out according to the material property of rack device.Through calculation and analysis，the stress distribution and strain distribution of the rack during working process are obtained to find the corresponding vulnerable parts.The deformation of large，stress concentration of vulnerable parts to optimize the improvement. The geometrical parameters of the rack are finally determined.The design meets the agronomic requirements by testing.

fruit tree seedlings；planting machine；frame；static analysis

S223.9

A

1672-545X（2017）02-0141-04

2016-11-30

國家蘋果產業技術體系果園機械崗項目（編號：CARS-28）

宋帥帥（1990-），男，河北邯鄲人，在讀碩士研究生，研究方向：農業機械化、果園機械裝備；楊欣（1974-），男，河北定州人，副教授，碩士生導師，主要從事農業機械數字樣機等方面研究工作。