自行式牛蒡播種機關鍵部件的有限元仿真與設計

黎毓鵬，王 瑞，邊幸燕，李 競，成 銘

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

0 引言

牛蒡是一種具有良好的藥用價值與食用價值的農作物，是我國出口創匯的主要農作物之一[1]，對農業發展做出了重要的貢獻。自行式牛蒡播種機是一種半機械化的農業播種機械，具有結構簡單、性能可靠的特點，極具發展前景。

播種滾子作為自行式牛蒡播種機播種過程中的重要工作部件，同時承受皮帶輪的轉矩和種子的物料反作用力。為了驗證其工作的穩定性，防止在工作過程中發生問題，通過ANSYS workbench建立虛擬仿真模型，提前預測播種滾子在正常工作時的工作狀態，以保證其在正常工作時的安全性，最后通過嚴格的參數優化與選擇，試制了一臺試驗樣機進行實際試驗。

1 工作原理和技術參數

1.1 工作原理[2]

自行式牛蒡播種機主要由工作臺、動力傳動部件、雙阻動離合張緊控制裝置及播種機構組成，如圖1所示。

1.萬向輪 2.播種盒子底座 3.右側操縱桿 4.車輪 5.車架底盤 6.電機 7.減速機 8.播種傳動輪 9.播種機構 10.左側操縱桿 11.手推桿

1)行進功能的實現：整機由蓄電池提供動力，蓄電池放出直流電帶動直流電機，電機與減速器直接連接，減速機將動力輸送主動力軸，主動力軸通過皮帶輪阻動張緊機構將動力分別傳遞給車輪和播種機構上。播種時，合上皮帶輪阻動張緊機構的右側操縱桿，主傳動軸至車輪軸上的皮帶張緊，使動力輸送到車輪上從而帶動整機行走。

2)播種功能的實現：合上皮帶輪阻動張緊離合裝置的左側操縱桿，主傳動軸至播種機構上的皮帶輪張緊，動力輸送到播種機構帶動播種滾子轉動；種子流入滾子上的凹槽內，進而進入播種盒子的下半部中，掉入種植穴中，從而實現播種功能。播種機構如圖2所示。

1.連接軸 2.播種盒子下半部 3.定位銷軸 4.定位螺栓孔

2 播種滾子的有限元分析

2.1 模型建立與網格劃分

本文基于UG建立播種滾子的三維模型，并進行合理簡化后導入ANSYS workbench 的相應模塊之中，如圖3所示。

圖3 播種滾子的三維模型圖

本文使用Sizing自動劃分網格對播種滾子模型整體進行網格劃分，之后通過Refined對關鍵受力部分進行網格細分，完成后通過 Element quality準則檢驗網格質量。網格模型的網格總數為11 088，節點總數

為18 032，得到的網格劃分結果如圖4所示。

圖4 播種滾子的網格模型圖

2.2 材料屬性及邊界條件

根據實際工作要求，定位旋轉軸需要有足夠的耐磨性和強度，國內常用材料為45鋼。根據材料相關性質，在ANSYS中設定相關參數，Ansys Workbench15中，設定材料為 45 鋼，該材料基本屬性為：彈性模量為 2.1e11MPa，泊松比為 0.3，密度7 800kg/m3通過Workbench 的Engineering Data 模塊進行材料屬性編輯。

V帶張緊力計算：

張緊力F0為

式中Pd—計算功率(kW);

v—帶的線速度(m/s);

z—帶的根數；

Ka—包角系數；

m—帶單位長度的質量(kg/m)。

在自行式牛蒡播種機的設計中采用的是A型V帶，m=0.1，Pd=0.1,v=2.965,z=1,Ka=1，從而得到所求張緊力為26.17N。

通過ANSYS自帶的面分析功能，可以很輕松地獲得皮帶與皮帶輪之間的接觸面積為0.003 090 1m2。從而得到張緊力對皮帶輪的壓力載荷為8.46×10-3MPa。

針對播種滾子的具體結構約束和施加載荷包括：①在滾子兩端添加僅有壓縮的約束(Compression only Support)，以模擬軸承座對軸的作用力；②在播種滾子的導槽處添加1×10-4MPa的壓力載荷(Pressure)，以模擬牛蒡種子對滾子的作用力；③在皮帶輪處添加轉速(Rotational Velocity)81.68rad/s；④在皮帶輪上添加張緊力對皮帶輪的壓力載荷。約束結果如圖5所示。

圖5 施加約束和載荷的播種滾子模型

2.3 播種滾子的靜力學有限元分析

通過ANSYS workbench的靜力學分析，得到播種滾子的總變形云圖和主應力分布云圖，分析結果如圖6、圖7所示。

圖6 播種滾子總變形云圖

圖7 播種滾子總應力云圖

1)對播種滾子的變形云圖進行分析：播種滾子皮帶輪外沿的位置發生了較大的變形，最大位移量為0.000 488 5mm；通過計算，播種滾子的許用撓度為0.054mm，大于最大變形量。因此，播種滾子的剛度符合要求。

2)對播種滾子的應力云圖進行分析：播種滾子的軸承座根部位置處應力強度較大，滾子與軸的連接處因尺寸變化較大導致應力比較集中,播種滾子的應力變化范圍在1.182～0.000 183 34MPa之間且大部分應力都為0.2MPa左右，而45鋼的最大許用應力為355MPa。因此，播種滾子的最大應力遠小于許用應力，安全系數大，故轉子強度滿足要求。

2.4 播種滾子模態分析結果[9]

播種滾子的最大轉速為780r/min,計算得到轉子受到的激勵振頻率為13Hz,因低階固有頻率和外界振蕩頻率相似，故對播種滾子進行模態分析可得固有頻率位移云圖，如圖8所示；前6階模態頻率，如圖9所示。

圖8 播種滾子1階固有頻率位移云圖

圖9 前6階模態頻率

分析結果表明：播種滾子在工作過程中震動主要集中在皮帶輪外沿，形式為彎扭振動耦合；第1階模態的固有頻率為2 683.2Hz,隨著階數的增加，滾子的固有頻率也在增加，當轉速接近或者達到臨界轉速時，滾子會發生最大變形并伴有劇烈振動，從而導致滾子結構受損；滾子的1階固有頻率為2 683.2Hz,遠大于滾子收到的激振頻率(13Hz)，因此不會發生共振，動態性能符合要求。

2.5 播種滾子安全系數與壽命分析[10]

通過Fatigue tool 中的添加 Safety Factor和 life解算方案，可以得到播種滾子使用壽命的云圖，如圖10所示；播種滾子安全系數云圖，如圖11所示。

圖10 播種滾子使用壽命云圖

圖11 播種滾子安全系數云圖

由安全系數云圖可知：播種滾子在工作過程中的最小安全系數為15，與機械設計最大安全系數相等，在工作過程中是安全的。由安全系數云圖可知：播種滾子在規定工況下的最小循環次數為1×106,可知該部件進入了機械設計疲勞曲線的無限壽命階段，可以認為播種滾子的使用壽命是良好的。

3 試驗樣機試制與試驗

3.1 試驗樣機試制

經過仿真驗證了自行式牛蒡播種機的可行性，對播種距離、播種效果及各種工作環境的適應性等進行嚴格的調查，確定各零件的具體參數，試制了1臺試驗樣機，并進行實地試驗，測定其工作效率及效果，以驗證其是否滿足實際需求的生產效率。其實物拍攝圖如圖12所示。

(a)

(b)

(c)

3.2 試物試驗

在試驗田對自行式牛蒡播種機進行性能試驗。取1hm2試驗地用于模擬自然生長的牛蒡生長情況，再取1hm2試驗地用于自行式牛蒡播種機種植牛蒡的生長情況。試驗采用牛蒡種子的千粒質量為520g，播種量為200kg/hm2。

3.3 試驗結果

播種機性能試驗指標，如表 1 所示。

表1 自行式牛蒡播種機性能試驗指標

由表1可見：自行式牛蒡播種機漏播率、發芽率都達到了技術要求，此機器的設計是合理的。

4 結論

通過運用ANSYS workbench 對自行式牛蒡播種機進行有限元仿真，并對其關鍵部件—播種滾子的受力后的應變、應力情況進行分析，發現其在正常工作要求下具有很好的可靠性。對播種滾子的前6階模態分析可得，播種滾子的動態性能滿足使用要求。對其可能存在的壽命和安全余量問題進行分析，可以得出關鍵部件的使用壽命及安全余量滿足所需的工作要求。通過樣機試制和實際實驗可以得出自行式牛蒡播種機具有良好的工作表現及較好的設計可靠性。