林果樹苗栽植開溝裝置有限元分析與結構改進

何建華，楊 欣，李建平，劉俊峰

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

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林果樹苗栽植開溝裝置有限元分析與結構改進

何建華，楊 欣，李建平，劉俊峰

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

根據現代林果樹苗大面積栽植的農藝需求，設計了一種林果樹苗開溝栽植機。在初始樣機田間試驗中，開溝裝置側面的溝型保持板發生較大變形。為了增強開溝裝置的結構強度，避免作業阻力過度增加，利用有限元法對開溝裝置進行了結構分析。利用AIP軟件建立了原始開溝裝置的三維裝配體模型，并根據林果樹苗栽植作業的實際工況定義其約束條件和受力載荷，結合開溝裝置的材料屬性進行有限元計算。同時，通過參數驅動機制變換開溝裝置模型尺寸，獲得了開溝裝置的多組應力、變形和安全系數等數據，依據計算結果改進了開溝裝置的結構和參數。試驗結果表明：改進的開溝裝置沒有出現變形現象，作業機組工作狀態良好，達到了林果樹苗栽植作業的農藝要求。

林果樹苗；栽植機械；開溝裝置；有限元分析；結構改進

0 引言

目前，多數林果樹苗栽植作業仍采用人工挖坑和回填土壤定植樹苗的方式。為了節約勞動成本，提高勞動效率，林果樹苗栽植機械化技術越來越受到重視。手提式挖坑機或拖拉機懸掛式挖坑機在林果樹苗栽植中已經得到應用[1-3]，這些機具采用螺旋或銑刀等鉆頭挖坑裝置，因側向力較大而常導致機組有較大搖晃或振動。國內研究者研發了車載式挖坑機[4]、分層式挖坑機[5]和其他新型挖坑機具[6-7]，對挖掘部件的結構參數做了大量研究和改進[8-9]，使得挖坑機作業性能得到了改善。但挖坑作業是按照樹苗定植穴距逐個進行的，人工用鐵鍬回填土壤、壓實、覆土，完成苗木定植。該作業方式在大面積栽植樹苗時，作業效率不高，勞動強度很大。同時，基于開溝模式的樹苗栽植機得到研究[10]，在大面積樹苗栽植中工作效率較高。本文針對現代林果業大面積樹苗栽植的需求，設計了林果大面積樹苗栽植的專用栽植機，該機核心部件是苗帶開溝裝置，開溝質量的好壞直接影響樹苗的栽植質量和成活率。初始設計的苗帶開溝裝置在試驗中表現為溝形不穩定，樹苗易傾斜，開溝阻力大，側板易變形。AIP(Autodesk Inventor Professional)軟件在林果苗木斷根、挖掘、果園開溝等入土部件優化設計中得到了應用，并在關鍵部件的結構改進、強度分析和參數優化等諸多方面取得了良好效果[11-13]。為此，利用AIP軟件對原始設計的苗帶開溝裝置進行三維建模和有限元分析，計算開溝裝置在開溝作業實際工況載荷條件下的結構強度，并根據其應力分布、變形量和安全系數等分析結果，改進結構和參數，以期強化開溝裝置、改善開溝質量、提高作業效率，達到大面積林果樹苗栽植培育的農藝要求。

1 開溝裝置三維參數化建模

1.1 林果樹苗栽植機結構和工作原理

牽引式林果樹苗栽植機主要包括覆土輪、鎮壓輪、回土輪、開溝裝置、機架和限深輪等部件，如圖1所示。

1.覆土輪 2.鎮壓輪 3.回土輪 4.開溝裝置 5.機架 6.限深輪

作業時，機組進地一次即可實現地表開溝、放苗、扶苗、回土、分層壓實和表層覆土等一系列作業工序，完成苗木田間定植。

機架為整體焊接結構，整機與拖拉機形成后懸掛作業方式，通過限深輪實現150～400mm范圍內調節開溝深度。開溝裝置是整機的核心工作部件，在其入土開溝作業中要求容易入土、深度穩定、溝形整齊且能維持一定放苗時間，及時協助扶持苗木保持直立狀態，直到回土壓實，確保樹苗垂直定植。

1.2 開溝裝置的三維模型

開溝裝置由開溝刀、開溝板、保持板、擋土板、扶苗器和連接件等結構焊合而成，如圖2(a)所示。開溝裝置通過連接件和U型螺栓固定在機架橫梁上。

為了達到開溝裝置作業要求，其開溝板應具備保持作業狀態下穩定的工作隙角α，如圖2(b)所示。開溝板的作用是開溝分土，并向兩側推土。開溝刀的強度應足夠大，確保穩定的開溝深度和較強的破土能力。保持板的作用是防止已分土垡過早回落溝中，確保溝形寬度維持一定時間。擋土板的作用是防止兩側因推土堆積的松土翻落溝中影響溝深。扶苗器的作用是將樹苗收攏到苗帶中間，保證回土壓實過程中樹苗直立并定植成一條直線。

(a) 開溝裝置結構組成

(b) 開溝板工作隙角

在AIP軟件中按1∶1建立開溝裝置部件初始設計的三維裝配體模型，所有零件均采用參數化建模，零件之間添加正確的裝配關系達到模型全約束，確保后續更新零件結構參數(寬度、厚度、角度等)時裝配體的拓撲關系不會發生改變[11,14]。為了在后續有限元分析中便于快速更新模型，利用參數化功能建立了尺寸驅動關聯關系[15]。

1.3 設置零件材料屬性

材料的選用原則是在保證挖掘性能的前提下降低阻力、節省材料[11]。65Mn具有耐磨損和剛性好的優點，常被選用做犁鏵等入土工作部件[16-17]，因此開溝刀材料選用65Mn，其屈服強度為430MPa，極限拉伸強度為735MPa。開溝裝置的其它零件均選用Q235A，其屈服強度為235MPa，極限拉伸強度為500MPa。在AIP中分別設置了兩種材料的屬性。后續有限元模型可繼承該零件模型中的材料屬性。

2 開溝裝置有限元分析

2.1 分析說明與模型準備

為了獲得開溝裝置最優結構參數，對開溝裝置進行有限元分析。因為Q235A、65Mn等金屬材料具有各向同性，忽略工作過程中溫度變化對材料的影響。開溝裝置在正常開溝作業工作過程中入土部位動載荷可轉換為等效靜載荷，其變形量與總體尺寸相比很小。開溝裝置各零件的物理屬性符合結構靜力學分析的基本假設[18]。在結構靜力學分析中，螺栓連接、焊接等詳細結構常用“粘合”接觸方式代替[19]，因此開溝裝置連接板與底架橫梁之間的螺栓連接和各焊接零件之間均采用面與面“粘合”接觸方式。

2.2 施加載荷和約束

該樹苗栽植機配套拖拉機動力功率為55.2kW，開溝深度為150～400mm，設計作業速度為1.0～1.2m/s。重力加速度g取9.81m/s2,為保證開溝作業質量，開溝裝置最大變形量設計要求不能超過5mm，扶苗器最遠端變形量不能超過5mm。開溝裝置通過U型螺栓固定在機架橫梁上， 固定約束加在連接板與機架橫梁接觸面及其螺栓孔上。開溝裝置的入土載荷可通過拖拉機掛鉤牽引力進行計算。拖拉機掛鉤的牽引力的計算式為[17]

(1)

式中 PT─拖拉機牽引功率(kW)。

拖拉機行走在松軟土壤上，取拖拉機的牽引功率PT為

PT=0.40Pe

(2)

式中 Pe─發動機額定功率(kW)。

考慮機組作業時，輪式拖拉機最大牽引效率達55%[11]，分配到開溝裝置上的牽引力為50%(另50%用于克服傳動等阻力)。經計算，拖拉機掛鉤牽引力為18.4kN；開溝產生的土垡質量約為30kg時，計算得到開溝裝置總阻力為5.1kN。總阻力作用在開溝刀、開溝板的傾斜面和刃口部位，考慮到開溝過程中可能受到石頭等雜物的沖擊，因此將施加的總阻力提高到計算值的1.5倍。將總阻力以正壓力、土壤摩擦力等形式分配在開溝裝置作用面上；扶苗器在收攏彎折處將受到樹苗的推擠和摩擦作用，其尾部僅有很小的樹苗橫向推擠和摩擦，根據樹苗歪斜角度、樹苗質量及木質材料與金屬的摩擦因數等因素，將預估載荷施加到扶苗器相應部位；保持板表面也將受到兩側土壤的推擠和摩擦，根據土垡質量、開溝質量及金屬材料土壤的摩擦因數等因素，將預估壓力施加到保持板表面。

2.3 設置網格

在有限元分析中，網格劃分數量的多少直接影響計算精度，網格劃分越多，計算精度越高，但求解慢、計算時間長；網格劃分越粗糙，計算精度越低，但求解快、計算時間短。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0.06，最小元素大小為0.15，分級系數為2，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45 817個單元和85 617個節點。

2.4 計算結果分析

運行有限元求解計算，得到開溝裝置三維應力結果。三維應力和應變常在多個方向上產生，這些多方向應力可概括為一個等效應力δe[20-21]，即

(3)

式中 δ1、δ2、δ3─法向主應力。

為了更加直觀地判斷材料是否發生永久變形，應用最大等效應力失效原理對可延展材料計算安全系數K，即

(4)

式中 [δ]─材料最大許用應力。

表1列出了開溝裝置初始設計三維應力分析結果。

只有安全系數大于1才能被接受[20-21]，由表1可知：開溝裝置的安全系數為0.38，即開溝裝置的結構尺寸偏小；等效應力最大值超過了結構的屈服極限，且最大值發生在開溝板上。這一計算結果和該開溝裝置在初始試驗中，開溝板發生變形的情況吻合。由此可以判斷出，開溝裝置的壁厚參數過小強度不夠，在開溝作業中可能引起永久變形失效，進而導致溝形寬度和深度不穩，土壤回落較早。由于開溝板變形導致扶苗器間距改變，嚴重影響栽植作業質量，因此，必須對開溝板的參數進行調整。

表1 初始設計開溝裝置三維應力分析結果

3 開溝裝置結構改進

3.1 參數調整

根據設計要求，開溝板的工作隙角α不能改變，土壤松動主要是靠工作隙角α保證；保持板的高度不能改變，保持板的高度決定了最大開溝深度。因此，主要對開溝板的厚度和保持板的厚度等參數進行調整。通過調整參數(見表2)，考慮到加工工藝性，保證開溝板和保持板厚度相同)驅動模型更新，通過多次有限元分析計算后，開溝裝置三維應力分析結果的變化趨勢如圖3所示。

表2 開溝裝置的關鍵參數結構表

由圖3可知：隨著開溝板和保持板厚度增加，等效應力有了明顯降低，但是仍大于材料的屈服極限；開溝裝置質量隨結構尺寸的變大而增大，這將導致結構變得笨重；開溝裝置變形量隨著結構尺寸的變大而減小，但安全系數始終在1以下，且增加趨勢不明顯。

(a) 等效應力和質量變化趨勢

(b) 變形量和安全系數變化趨勢

3.2 結構改進

對開溝裝置的結構做了進一步的改進，對其內部薄弱地方焊接了加強肋板，如圖4所示。

(a) 內部原始結構

(b) 內部加強肋

其中，加強肋1與左右保持板焊接，加強肋2與左右保持板和連接板焊接，加強肋3與左右開溝板和加強肋4，加強肋4與加強肋2、加強肋3、開溝刀和開溝板的上部焊接在一起。通過調整參數，進行多次有限元分析計算后，將最后確定的結構尺寸與原始模型進行對比，如表3所示，變形和安全系數如圖5所示。

表3 改進前后參數與分析結果對比

(a) 開溝裝置變形圖

(b) 開溝裝置安全系數圖

4 樣機試制與田間試驗

2015年3月下旬，河北省高碑店市寶忠農具廠對改進后的開溝裝置進行了試制，并安裝到牽引式林果樹苗栽植機上，在廠家試驗田進行了栽植試驗，配套動力為55.2 kW拖拉機，如圖6所示。試驗結果顯示:改進后的開溝裝置最大開溝深度可達到400mm，拖拉機動力充沛，作業順暢，苗木放置方便，且能夠保持直立，填土壓實穩定，定植直線性好。試驗完畢后開溝裝置沒有變形，該機型經批量生產，用戶生產應用效果良好，達到了預期的設計要求和林果樹苗栽植作業效果。

圖6 開溝栽植樹苗田間試驗

5 結論

1) 利用AIP軟件創建了林果樹苗栽植機開溝裝置零部件的三維參數化模型和裝配體模型，設置了材料屬性，并采用參數關聯方法，構建初始設計與改型結構的關系，為有限元分析中模型更新提供了方便。

2) 對開溝裝置初始模型施加實際作業工況下的載荷條件和邊界約束等邊界條件，進行有限元三維應力計算。根據計算結果改進模型參數，使其強度、變形量和安全系數均達到預期設計要求。

3)田間試驗表明：改進設計的開溝裝置具有良好的入土性能，作業中沒有發生永久變形和斷裂，能夠開出栽植林果樹苗時所需深度，有效地減少了土垡過早回落，確保在一定時間內維持溝形，保證樹苗栽植的順利進行。

[1] 于建國,屈錦衛.國內外挖坑機的研究現狀及發展趨勢[J].農機化研究, 2006(12):38-41.

[2] 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, 2006,5(3): 13-14.

[3] 王寶林,樹龍珍.手提式挖坑機的結構設計[J].泰州職業技術學院學報, 2014,10(5):46-48.

[4] 陸建, 繆明, 盧少穎, 等.車載植樹挖坑機研究設計與試驗[J].中國農機化學報, 2014,35(6): 44-47,60.

[5] 李茂強,楊樹川,楊術明,等.分層式挖坑機的設計[J].農機化研究,2014，36(7): 93-96.

[6] 黃偉,婁玉印,韋寧,等.行走式植樹挖坑機工作原理及結構分析[J].農機化研究, 2013,35(2): 35-39.

[7] 鄭廣平, 覃海英, 婁玉印. 基于新型植樹挖坑機的Pro/e仿真[J].農機化研究, 2013,35(6): 73-76,116.

[8] 張金玲,孫嘉燕.輕型挖坑機結構設計[J].農機化研究, 2009,31(7): 162-163.

[9] 趙忠松,盧博友,王天賜.基于ANSYS的懸掛式挖坑機鉆頭靜力學分析[J].農機化研究,2010,32(6): 162-163.

[10] 蒙賀偉,李進江,坎雜,等.ZS-45多功能植樹機的研制[J].農機化研究,2013,35(1): 83-85.

[11] 楊欣,劉俊峰,李建平,等.蘋果起苗鏟有限元分析與結構設計[J].農業機械學報,2011,42(2):84-87,125.

[12] 崔瑾,楊欣,劉俊峰,等.蘋果實生苗斷根鏟有限元分析與輕簡化設計[J].中國農機化學報,2014,35(5): 161-164, 178.

[13] 胡佳佳,劉俊峰,李建平,等.果園施肥開溝機開溝刀的優化設計[J].農機化研究,2010,32(12):41-44.

[14] Yang Xin, Feng Xiaojing. Virtual assembly associative design and finite element analysis for digging spade of potato harvester[C]//Baoding, China: Proceedings of 2007 ICAE, 2007.

[15] Nobuyuki F, Satoshi S. Observations of dynamic stall on darrieus wind turbine blades [J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, 89(2): 201-214.

[16] 姬長英,尹文慶.農業機械學[M].北京: 中國農業出版社, 1996.

[17] 中國農業機械化科學研究院.農業機械設計手冊: 上冊[K].北京: 中國農業科學技術出版社,2007.

[18] 陳伯雄. Autodesk Inventor Professional 2008 機械設計實戰教程 [M].北京: 化學工業出版社,2008.

[19] 寇曉東,唐可,田彩軍.ALGOR結構分析高級教程 [M]. 北京: 清華大學出版社,2008.

[20] 過小容,吳潔. Autodesk Inventor Professional R9/10培訓教程[M].北京: 化學工業出版社,2006.

[21] 唐湘民.Autodesk inventor有限元分析和運動仿真詳解[M].北京: 機械工業出版社,2009.Abstract ID:1003-188X(2017)01-0147-EA

Finite Element Analysis and Structural Improvements for the Ditching Equipment of Planting Fruit Tree Saplings

He Jianhua，Yang Xin， Li Jianping， Liu Junfeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China)

According to the modern agronomic requirements of planting large area fruit tree saplings, a kind of planting ditching machine was designed. In the initial field experiments of prototype, the large deformation was occurred on the gutter-holding plate of ditching equipment side. In order to enhance the structural strength of ditching equipment and avoid the work resistance excessively increased, using finite element method to analyze the structure of ditching equipment. The three-dimensional assemblies model of ditching equipment was built by AIP software, the constraint conditions, loading forces, and materials of ditching equipment were defined for the ditching equipment FEM model based on the real work environments of planting fruit tree saplings. the more groups of data were calculated such as stress, deformation, and safety factors, through transforming the model dimensions of the ditching equipment by the parameter-driven mechanism, and according to the results to improve structure and parameters, the modified ditching equipment was tested, the results show that there was no deformation phenomenon on the ditching equipment, the working units can be operated in good condition, and reach agronomic requirements of planting fruit tree saplings.

fruit tree saplings; planting machinery; ditching equipment; finite element analysis; structural improvements

2015-11-26

現代農業裝備研發中心建設項目(XDNZ201501)；國家蘋果產業體系果園機械崗專項(CARS-28)；國家公益性行業(農業)科研專項(201203016)

何建華(1990-)，男(滿族)，河北秦皇島人，碩士研究生，(E-mail)963715013@qq.com。

楊 欣(1974-)，男，河北保定人，副教授，博士，(E-mail)yangxin@hebau.edu.cn。

S223.94

A

1003-188X(2017)01-0147-05