北方旱地玉米免耕播種機的設計與有限元優化

賈賀鵬， 王應彪， 李 明， 孫正經， 戴 麗

(西南林業大學機械與交通學院，云南昆明 650224)

玉米免耕播種技術是對農田的一種保護性技術措施，可以減少對土地的耕作，利用農作物的秸稈將地表覆蓋，可以減少風、水的侵蝕，增強土壤的抗寒能力，還可以減少人力成本[1]。玉米播種機在保證糧食增產、推進種植業發展以及農業科技進步中具有極其重要的地位和作用。免耕玉米播種機就是以作物種子為播種對象的種植機械，是在未經翻耕且地表有作物殘茬覆蓋的條件下進行播種，可以一次完成破茬、開溝、覆土及鎮壓等操作[2]。玉米播種機在使用過程中，播種機工作部件開溝鏟由于與土壤的接觸不可避免地受到磨損，從而導致耕作質量和一些技術經濟指標降低。由于陶瓷材料具有高硬度、高耐熱性、高耐磨性等特征，比傳統材料有一定的優越性，因此，對播種機工作部件開溝鏟使用Al2O3陶瓷材料，用有限元軟件對其進行靜力分析，得出開溝鏟在工作時的應力和應變圖，對比金屬材料開溝鏟和Al2O3陶瓷材料開溝鏟的分析結果，驗證在開溝鏟上Al2O3陶瓷材料能否代替金屬材料使用，并對播種機的機架進行有限元分析，以保證滿足各項性能指標。通過對玉米播種機Al2O3陶瓷材料工作部件的有限元分析，可以為農業機械化玉米播種機的改進優化設計提供相應的理論分析和研究方法。

1 玉米播種機的設計

根據玉米播種機整機設計要求，利用三維設計軟件對播種機的各部件進行設計，并進行虛擬裝配和干涉檢查。玉米播種機基本組成包括機架地輪裝置、開溝覆土裝置、變量播種施肥裝置、傳動裝置、鎮壓裝置以及一些配件[3]。

1.1 機架地輪裝置設計

機架設計采用三點懸掛牽引方式，如圖1所示，機架作為播種機的主體構架，須要承載許多部件的安裝和牽引，所以要求其具有足夠的強度和剛度，材料為Q235，調質處理，構架尺寸為1 560 mm×660 mm。地輪用以支撐全機的質量，并作為播種、施肥等的動力來源，地輪要求直走性好、滑移率小。為降低傳動系統的受力，減少播種距離的影響因素，地輪周長設計為1.8 m左右，同時盡可能加大摩擦力滑移率。由于地輪為該播種機機械的動力提供部件和重力支撐部件，材料選用鑄鐵，地輪軸有效直徑選定為15 mm，根據周長公式s=2πr，地輪有效直徑選定為600 mm[4]。

1.2 開溝覆土裝置設計

開溝裝置設計為鏟式銳角開溝器，其中開溝鏟的鏟尖部分與地面形成一定的夾角，方便入土開溝，適合北方干旱地區使用。開溝鏟2個開溝面底面夾角為30°，開出的溝寬度可達90 mm，開溝深度為30～60 mm。為更好地完成導種導肥，開溝鏟內部設計為空心，由于開溝鏟要求足夠的耐磨性，故材料為16 Mn，調質處理；導種管材料為Q235，調質處理。開溝器的裝配結構如圖2所示。

在使用玉米播種機的過程中，由于工作部件開溝鏟與土壤的接觸不可避免地受到磨損，導致耕作質量和一些技術經濟指標降低。由于陶瓷材料具有高耐熱性、低導熱性、高硬度、高耐磨性等特點，將其應用在農機上比傳統材料有一定的優越性。因此，針對開溝鏟在工作時幾何形狀發生改變，在土壤中磨損丟失金屬，喪失其本身的特定功能等一些問題，對比陶瓷材料結構的各性能指標，選用Al2O3陶瓷材料代替金屬材料在開溝鏟上使用，以此提高開溝鏟的硬度和耐磨性。

1.3 其他結構設計

播種機的整體結構除機架地輪裝置和開溝覆土裝置外，還有變量播種施肥裝置、傳動裝置、鎮壓裝置以及一些配件。其中，為了使播種機的播種更加均勻，開溝器以前三后二錯開排列在機架上，播種行數為5行。玉米播種機采用的是鏈傳動裝置，當地輪轉動時，通過固定在地輪上的鏈輪驅動鏈條將動力傳遞到施肥軸上，施肥軸再通過固定在其上的鏈輪驅動鏈條將動力傳遞到播種軸上。變量播種施肥裝置通過螺絲固定在機架上，播種箱設計為圓筒形狀，施肥箱則采用整體結構設計。鎮壓裝置通過連桿懸掛在機架的后部，以此完成播種、施肥、覆土后的鎮壓作業。

1.4 整機虛擬裝配

零件裝配就是將定義出來的零件模型通過一定的鏈接關系將零件約束組裝在一起，使整機裝配體能夠完成某一項特定的功能。SolidWorks軟件裝配是將已經建模完成的零件逐一插入裝配體文件，并依次添加共面、同軸、平行等各零件間的相互配合關系，使各零件保持準確的工作位置[5]。虛擬裝配的順序則是按照復雜系統劃分的逆序進行，即先裝配最底層最簡單的子系統，然后將其作為一個整體裝配到上一個較為復雜的模塊，最后完成總裝配和干涉檢驗，進一步檢測虛擬裝配的可靠性[6]。玉米播種機的整機裝配結構如圖3所示，其中主要的參數有播種機長、寬、高分別為1 750、1 400、950 mm；播種箱直徑為120 mm；施肥箱長寬分別為1 560、240 mm。

通過對裝配體進行干涉、碰撞檢查、動態間隙檢測，以保證任意零件在空間上不出現相互重疊現象。同時，通過移動或旋轉動態檢查零部件之間的間隙，避免實物安裝時產生干涉[7]。經過干涉檢查，發現本次裝配不存在干涉現象，滿足裝配要求。

3 開溝鏟的有限元分析

3.1 開溝鏟阻力計算

開溝器是播種機的關鍵部件之一，其功能是在播種機工作時，開出種溝，引導種子、肥料進入種溝，并且將濕土覆蓋種子和肥料。但在我國北方干旱地區，地表堅硬，且有大量的秸稈覆蓋，開溝器入土困難、阻力較大，須要良好的破茬入土性能[8]。

根據犁耕阻力經驗計算公式[9]：

R=kab。

式中：k是土壤的犁耕比阻，即土壤單位橫斷面面積阻力，針對北方干旱地區一般土壤取k=5 N/cm2；開溝器的最大開溝深度a=9 cm、寬度b=6 cm，由計算公式得出開溝鏟的最大開溝阻力R為270 N。

3.2 定義材料屬性

根據設計要求，開溝鏟的厚度為3 mm，導種管的厚度為2 mm。金屬材料選用條件：開溝鏟采用16 Mn，材料密度為7.25×103kg/m3，泊松比μ=0.31，彈性模量E=2.1×1011Pa，屈服強度σs=350 MPa。導種管采用Q235，材料密度為7.86×103kg/m3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2.0×1011Pa，屈服強度σs=235 MPa。陶瓷材料選用條件：開溝鏟導種管采用Al2O3陶瓷，材料密度為3.72×103kg/m3，泊松比μ=0.25，彈性模量E=4.0×1011Pa，抗拉強度σb=180 MPa，抗彎強度σbb=280 MPa。

3.3 網格劃分

將用SolidWorks完成的播種機開溝鏟的三維建模導入到ANSYS Workbench 17.0中，并進行網格劃分。設置開溝鏟網格參數，定義開溝鏟和導種管的接觸為綁定，采用自動劃分網格方法[10]。(1)金屬材料開溝鏟共劃分為13 012個節點和 3 612 個元素；(2)陶瓷材料開溝鏟共劃分為9 451個節點和 4 555 個元素。最后得到的網格劃分結果如圖4所示[11]。

3.4 定義載荷和約束

開溝鏟在工作過程中，主要受到的力有與土壤之間的摩擦力、開溝鏟對土壤開溝的推移力以及地面對開溝鏟的垂直反力。由于開溝鏟在實際工作過程中受力復雜，可將開溝鏟受力狀況簡化為1個水平阻力和1個垂直反力[12]。

據研究，在開溝過程中，開溝鏟所承擔的水平阻力占全部開溝阻力的80%～90%[13]，故最大水平阻力為Rx=270×90%=243 N，沿水平方向；垂直反力為27 N，沿垂直地面方向。工作阻力具體加載位置如圖5所示[14]。最后，求解指定的2種材料結果均為總體變形、最大等應力、最大剪應力、最大主應力。

3.5 對比分析結果

經過以上處理后，選用程序自動控制方式進行運算，這樣可以得到較快的運算速度，最后得到應力和應變云，如圖6、圖7所示。結果表明，2種材料屬性開溝鏟的最大變形均發生在開溝鏟尖端，最大主應力、最大等應力、最大剪應力均出現在開溝鏟與導種管焊接處，其他部分受力均勻。普通金屬材料最大等應力為90.025 MPa，最大主應力為37.61 MPa，最大剪應力為46.070MPa；Al2O3陶瓷材料最大等應力為80.741 MPa，最大主應力為45.464 MPa，最大剪應力為46.219 MPa；均滿足強度要求；普通金屬材料的最大變形量為0.088 mm，Al2O3陶瓷材料的最大變形量為0.065 mm，Al2O3陶瓷材料工作時變形較小。在開溝鏟上使用Al2O3陶瓷材料來代替金屬材料，以此增強開溝鏟的耐磨性和耐熱性。

4 機架有限元分析

機架是播種機的主要受力部件，為了使機架在工作中具有足夠強的強度，用ANSYS軟件對機架進行靜力分析，從而得到機架在工作時的變形量和應力大小[15]。

4.1 定義材料屬性

機架的梁結構所使用材型為60 mm×5 mm的冷彎方形空心鋼及60 mm×30 mm×5 mm的冷彎矩形空心鋼，所使用材質為碳素結構鋼Q235，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.28，屈服強度σs=235 MPa，主要結構通過焊接而成[16]。

4.2 劃分網格

將用SolidWorks完成的播種機機架的三維建模導入到ANSYS Workbench 17.0中，并進行網格劃分。由于機架結構較為復雜，為保證計算精度，在設置好網格相關參數后采用自由劃分網格的方法劃分網格，劃分后的網格共有71 566個節點、36 055個元素[17]。最后得到的網格劃分結果如圖8所示。

4.3 定義載荷和約束

玉米播種機在工作過程中，機架的靜載荷達到最大，此時機架受力不僅有自身重力還有機架上各部件的壓力。將機架上各部件簡化為質點，通過節點施加在各部件的安裝部位，機架自身重力通過重力加速度施加[18]。

播種機工作時機架所承受其他部件的總力為3 000 N，機架地輪安裝軸孔處使用固定約束；播種機在水平方向的阻力為開溝器的總阻力和播種機所受摩擦力之和，即270×5+3000×0.5=2 850 N。考慮田間的復雜性，取水平牽引力為 3 200 N，三點懸掛牽引力分別為1 400、900、900 N。具體加載位置如圖9所示。最后，求解指定結果為總體變形、最大等應力、最大剪應力、最大主應力。

4.4 結果分析

通過ANSYS軟件的自行控制方式進行計算，得出機架的應力和應變云如圖10所示。由計算結果可知，機架最大變形量發生在三點懸掛牽引C點受力處，變形量為0.426 mm，不會影響到機架的工作性能。機架的最大主應力、最大等應力、最大剪應力均出現在機架前端拐角焊接處，其中最大等應力為28.034 MPa，最大剪應力為15.822 MPa，最大主應力為 35.011 MPa，均小于機架材料Q235的屈服強度。為了保證機架結構的安全可靠性，在機架的制作過程中應加強拐角處的焊接強度。材料滿足設計要求。

5 結論

通過三維軟件進行實體建模和虛擬裝配，實現免耕玉米播種機的三維參數化設計，縮短了設計周期并可提高工作效率。所設計免耕播種機能夠實現開溝、播種、施肥、覆土、鎮壓等一體化工作要求。

有限元分析軟件ANSYS Workbench 對2種材料開溝鏟進行有限元靜力學對比分析得出，2種材料均滿足開溝鏟強度的設計要求；Al2O3陶瓷材料的最大變形量比金屬材料小，在開溝鏟上使用Al2O3陶瓷材料能夠增強開溝鏟的耐磨性和耐熱性。

在玉米播種機開溝鏟上可以使用陶瓷材料代替金屬材料，為陶瓷材料在玉米播種機關鍵部件上的使用提供了理論依據。由于陶瓷材料的實際制作工藝比較復雜，還須考慮其他方面的原因，這也是下一步筆者所在實驗室的研究方向。

有限元分析軟件ANSYS Workbench對玉米播種機機架進行有限元靜力學分析，得到機架的應力和應變云，并對機架的強度進行校核，滿足機架強度使用要求。