三七基質平整裝置結構設計與參數優化仿真試驗

仲廣遠,普 瑞,楊文彩,張 良,郎沖沖,闞成龍

(云南農業大學 機電工程學院,昆明 650201)

0 引言

云南省是三七的主產地,但目前三七種植以人工為主,特別是播種環節人工播種效率低、勞動強度大、用工成本高,采用機械化播種能有效提高播種效率、降低生產成本。三七播種的行株距均為50mm、播深為10mm,針對這種小行株距淺播深的農藝要求,課題組前期開展了大量與三七精密播種相關的研究[1-3],并開發至第三代三七精密播種樣機。多年研究發現:三七精密播種機播種質量的高低高度依賴于基質的平整程度,但目前尚沒有適宜槽式三七精密播種的基質平整機械[4]。目前,土地平整以旋耕為主,雖然其破碎能力較強,但其功率消耗較大[5-6];而采用圓盤耙作為整地裝置,能夠有效地降低功耗,且圓盤的入土性能好,能夠創造良好的種床條件[7-11]。

整地過程中,耙片切削土壤時所受阻力與耙片的結構、土壤的運動均等有關系。近年來,學者運用光滑粒子流體力學(SPH)方法對土壤切削過程進行有限元動態仿真,通過對不同結構參數的圓盤耙在切削土壤時的不同狀態進行受力分析,達到減小切削阻力和降低切削功率的效果[12-15]。

本文以阿基米德螺線為基礎,通過對碎土裝置的設計,設計了一種自走式基質平整裝置,建立了“圓盤耙-土壤”光滑粒子模型,并運用LS-DNNA軟件通過SPH算法對整地階段進行仿真,同時安排虛擬二次正交回歸旋轉試驗,分析各個參數對切削阻力的影響,通過優化分析確定阻力最小的最佳參數優化組合。

1 整機設計

1.1 整體結構與主要參數

三七基質平整機主要由機架、圓盤耙組、擋土板、限位輪、萬向輪組合、傳動機構及變速箱等部件組成,如圖1所示。圓盤耙組由兩組包含9片基于阿基米德螺線的耙片組成,結合育苗槽尺寸特性,耙片直徑設計為450mm,耙片間距設計為170mm;萬向輪組合由搖桿和萬向輪組成。整機主要參數如表1所示。

1.萬向輪 2.推桿 3.后行走輪 4.傳動箱1 5.行走電機 6.變速箱 7.電控柜 8.機架 9.刮土板 10.旋轉電機 11.傳動鏈條 12.擋土板 13.前行走輪 14.圓盤耙組

表1 平整機整機主要參數

1.2 工作原理

行走電機和電機變速箱與傳動箱連接,傳動箱由上下鏈輪通過鏈條構成。平整機工作時,行走電機為平整機的行走提供動力,通過變速箱把電機動力提供傳動箱,傳動箱通過鏈條和齒輪帶動行走輪工作;旋轉電機為圓盤耙組的旋轉提供動力,通過齒輪和軸承帶動前耙軸旋轉,同時前耙組和后耙組通過等齒的鏈輪及鏈條鏈接,保證了動力的同步性。

平整機工作時,通過控制柜可以對兩臺電機進行無級調速,從而實現對電機行走速度和圓盤耙組旋轉速度的調整。

2 關鍵部件設計

2.1 圓盤耙片

平整機的主要作用是平整土壤,而圓盤耙片是平整機的核心部件[16],其形狀直接影響入土性能和作業效果。

2.1.1 曲線設計

三七育苗基質的力學特性相對于一般土壤來說相對疏松,沒有太多的根茬等雜物,在選擇耙片形狀時主要考慮入土性能、受力均勻及制造方便等因素。參照國標[17],圓盤耙的缺口曲線選用阿基米德螺線,其曲線極坐標方程為

R=R0+Kθ

(1)

式中R—極徑(mm);

R0—起始半徑(mm);

K—常數;

θ—極角(°)。

圓盤耙片具體結構參數如圖2所示。根據耙片的作業深度及土壤擾動等參數,參照農業機械設計手冊[18],設計耙片的直徑為450mm,曲率半徑為600mm,最大設計耙深為120mm。

圖2 圓盤耙片的結構參數

其中,Rmax為最大半徑。

2.1.2 耙片的耕幅

圓盤耙片在安裝過程中需要偏置,有利于切削土壤偏置角增大使得耕幅增加。單圓盤耙片的耕幅如圖3所示。耕幅和偏置角之間的關系為

(2)

b≤Lsinα

(3)

其中,L為耕深為100mm 時觸土圓盤耙片圓弧長度;a為圓盤耙工作時的耕深;b為圓盤耙片的耕幅;α為圓盤耙片工作偏角。

圖3 耙片耕幅

2.2 耙片的排列

缺口型耙片對土壤有一定的沖擊性,易于切削土壤。切削的過程中,由于相鄰耙片間存有一定的間距,致使耙片間留有漏切區域,間距過小會有堵塞,間距過大加重漏切[19]。因此,設計出2列前后交錯的圓盤耙組,以保證機組既不漏切又不堵塞,結構如圖4所示。

圖4 2列耙組交替排列結構示意圖

圓盤耙片在耙軸上的排列方式直接影響平整機的作業性能,合適的排列方式可以提高碎土率,提升整機的穩定性。排列方式應該滿足:①增大角度,防止堵塞;②耙軸受力更加均勻,減少耙軸的沖擊振動,延長軸承和傳動件的使用壽命[20]。

這里選用螺旋線,其排列展開圖如圖5所示。

圖5 圓盤耙組耙片排列

3 仿真分析

通過LS-DYNA軟件,運用光滑粒子流體力學(SPH)方法對切土過程進行仿真,運用LS-PREPOST前后處理軟件查看仿真結果。通過對結果分析,得出最佳工作參數,為實際生產提供參考依據。

3.1 模型的建立

3.1.1 圓盤耙組有限元模型

按照設計出的圓盤耙組,在SolidWorks軟件中建立圓盤耙組的三維實體模型,保存成.STEP格式文件,通過Hypermesh軟件對模型進行前處理。材料模型設置為剛體,密度為7.85×103kg/m3,彈性模量為2.07×1011Pa,泊松比為0.3,約束x、z方向的移動和y、z方向的旋轉。設置完成后,采用自由網格劃分建立圓盤耙組有限元模型。圓盤耙組實體與有限元模型如圖6所示。

3.1.2 土壤材料模型

設置土壤體積為280mm×250mm×500mm,采用LSPREOST中提供的MAT147(*MAT_FHWA_SOLI)材料模型[21],結合南方丘陵山區三七種植區紅壤特性[22],設計的模型主要參數[14,23-24]如表2所示。

圖6 圓盤耙實體與有限元模型

表2 土壤材料的主要參數

3.1.3 邊界條件施加

圓盤耙切土深度為100mm,在仿真過程中定義邊界條件如下:①SPH算法為數值算法;②借助SPC設定土壤底端為固定約束[14];③定義耙片和土壤間為點面接觸;④設置求解時間為3000 ms(3s)。最后,在軟件中建立的有限元模型如圖7所示。

圖7 圓盤耙片和土壤有限元模型

3.1.4 虛擬仿真過程與分析

虛擬作業過程中,設置圓盤耙組位于土槽的一側進行初始作業,根據實際作業狀態及農藝要求,以某工況下為例進行仿真。設置機具前進速度為100m/min,圓盤耙旋轉速度為100rad/min,設置其固定時間步長為5ms,總時間為3s。

在LSPREPOST中進行定義之后,生成k文件,然后運用LS-DYNA軟件進行求解。

圓盤耙片切削土壤過程的仿真效果如圖8所示。

由圖8可以看出:圓盤耙片仿真過程中,耙片未進入土壤之前,土壤排列有序;隨著耙片開始切削土壤,土壤開始受到擠壓和剪切,逐漸發生破壞和變形;隨著時間的增加,破壞和變形逐步變大;當圓盤耙離開土壤后,土壤在慣性及內力的作用下仍然繼續運動,最終達到平穩。

3.1.5 切削力分析

圓盤耙切削土壤過程中,隨著耙片逐漸接觸土壤,耙片受到的阻力從零逐漸增大。由圖9可以看出:在耙片和土壤接觸初始階段,切削力迅速增加,達到一定值之后,開始隨著入土深度的變化在一定范圍上下波動。波動時,當某一缺口完全入土時,切削力達到峰值,在此過程中最大阻力為2 572.4N,可以看出圓盤耙對土壤的切削極具沖擊性。計算得出切削過程中的平均阻力為727.06N。

3.2 基于光滑粒子流體力學仿真的參數優化

3.2.1 試驗方法

為研究各參數對平整機碎土部件的影響,運用二次正交旋轉組合試驗進行虛擬仿真試驗研究。

3.2.2 試驗設計

結合文獻[8]可知,影響阻力的主要因素為機組前進速度、軸轉速和偏置角度。

試驗采用三因素五水平二次正交旋轉試驗,以平整機前進速度、軸旋轉速度和偏置角為試驗素,以平均阻力為優化指標,參考農業機械設計手冊[18]及文獻[25-27],選取機組前進速度為10～16.8m/min,軸轉速為60～168r/min,偏置角為7～23°。因素和編碼水平如表3所示,試驗方案及結果如表 4所示。

表3 試驗因素編碼水平表

表4 試驗方案與結果

續表4

3.2.3 結果與分析

3.2.3.1 回歸模型的建立及檢驗

利用Design-Expert10.1.0對仿真結果進行回歸擬合分析,得到平均阻力Y的二次回歸模型為

Y=1974.55+15.07X1+84.62X2+

614.44X3+25.74X1X2-21.49X1X3-

(4)

式中Y—平均阻力;

X1—前進速度編碼值;

X2—工作轉速編碼值;

X3—偏置角編碼值。

對式(4)二次回歸模型進行方差分析和回歸系數顯著性檢驗,結果如表5所示。

由表5可知,失擬項顯著。這說明,還有其他因素對結果有影響。其中,確定系數R2=0.921 9,信噪比=16.14,CV(Y的變異系數)=9.44%,說明回歸模型的實際值與預測值吻合度高。模型的P<0.000 1,說明選取的試驗因素對阻力具有顯著的影響。

3.2.3.2 模型交互項分析

由二次回歸模型式(4)得出各因素的交互響應曲面,如圖10所示。

表5 回歸方程方差分析

續表5

圖10 各因素對阻力的影響

由圖10可知:固定其中一因素為零水平時,受到的阻力隨著偏置角的增大而呈現出上升的趨勢,隨著工作轉速的增大,其阻力先減小再增大。

3.2.3.3 作業參數優化

為了使平整機的阻力達到合理的水平,應用Design-Expert軟件中的Optimization - Numerical模塊對回歸方程進行優化,得到平整機阻力最小的最優參數組合為前進速度14.366m/min、轉速100.928rad/min、偏置角10.243°。此時,平整機的阻力為1 298.339N。

4 結論與展望

1)設計了一種三七基質平整機,實現了槽式育苗槽內基質的平整。

2)運用SolideWorks軟件和Hypermesh軟件建立了“圓盤耙-土壤”模型。

3)基于SPH算法,運用LS-DYNA971求解器和LS-PREPOST前后處理器,對平整機核心部件進行切削土壤的仿真分析。

4)以前進速度、工作轉速和偏置角為影響因素,運用虛擬二次正交旋轉實驗,通過方差分析和響應曲面分析,得出了不同因素水平對圓盤耙組切土阻力的影響和各個參數的最優參數組合。結果表明:偏置角對阻力的影響最大,通過調節前進速度和工作轉速可有效地降低阻力。最優參數組合為:前進速度15m/min,工作轉速101r/min,偏置角為11°。

接下來,課題組將在三七播種階段應用平整機對三七基質進行處理,通過實際測試得出實際阻力值。由于實際生產過程中設備會受到工作環境的影響,實際值與仿真值會存在一定的偏差,具體偏差還要在實際生產中進行進一步的探索和研究。