2BFGM-4棉花旋播機開溝器的設(shè)計與仿真

王玨 侯為康 楊欣 王建合

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 2、河北省農(nóng)機化技術(shù)推廣服務(wù)總站

2BFGM-4棉花旋播機開溝器的設(shè)計與仿真

王玨1侯為康1楊欣1王建合2

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 2、河北省農(nóng)機化技術(shù)推廣服務(wù)總站

本文對2BFGM-4棉花旋播機開溝器的關(guān)鍵零部件的主要參數(shù)進行了詳細設(shè)計，確定了初步的尺寸參數(shù)。利用AIP軟件建立了原始開溝器的三維裝配體模型，并根據(jù)旋播機作業(yè)的實際工況定義其約束條件和受力載荷，結(jié)合開溝器的材料屬性進行有限元分析，通過參數(shù)驅(qū)動機制變換開溝器設(shè)計參數(shù)，最終使開溝器開溝效果達到最佳。

棉花旋播機開溝器；零部件；設(shè)計參數(shù)

2BFGM-4棉花旋播機是針對河北省棉區(qū)氣候狀況與區(qū)域特點，結(jié)合河北省棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系提出的棉花種植農(nóng)藝新要求，農(nóng)機與農(nóng)藝相結(jié)合，在現(xiàn)有棉花播種機的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種集旋耕、施肥、播種、噴藥、覆膜、壓土等多工序為一體且能實現(xiàn)（68+8）cm寬窄行錯位播種的多功能聯(lián)合作業(yè)機[1,2]。而開溝器是棉花旋播機上的重要部件，其作業(yè)效果的好壞，直接影響著播種機的播種質(zhì)量。

1 開溝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

開溝器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括開溝器連接架和開溝器兩部分。開溝器連接架由前連接板1、上加強筋2和下加強筋3組成，通過U型螺栓固定在機架上，起到承載和支撐的作用并帶動開溝器工作。彈簧導(dǎo)板座板5用來安裝鎮(zhèn)壓輪。開溝器4包括芯鏵和翼板，翼板能保護種子下落時不受風(fēng)等外界環(huán)境因素的影響，按預(yù)計軌道落種。

圖1 開溝器結(jié)構(gòu)圖

開溝器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，為了增加開溝器的耐磨性，使用3mm厚的65錳鋼板制造，把鏵尖和刃熱處理，硬度為HRC40。

圖2 開溝器結(jié)構(gòu)簡圖

圖中α為入土角，入土角較小時，入土性能強，工作阻力小，但是導(dǎo)致鏵尖過長，強度和耐磨性差，同時溝槽深度也不夠。入土角較大時，強度和溝槽深度能達到要求，但是入土能力不足，前進阻力也比較大。所以，必須選擇合適的入土角。實驗研究表明，芯鏵式開溝器入土角在15°～25°最合適，本機型選擇的入土角α=25°。入土隙角ε是水平地面與開溝器底面之間的夾角，開溝器入土性能也受入土隙角影響。入土隙角過小，入土能力比較差，增大了摩擦阻力致使底邊磨損嚴重；入土隙角較大使溝槽底不平，回土提前，入土隙角以5°～10°為宜，本機選擇入土隙角ε=5°。γ為斜切角，芯鏵開溝器的斜切角過大，雜物不易通過，容易造成纏掛和堵塞。斜切角過小時，切斷雜物的能力較弱，斜切角一般取60°～75°，本設(shè)計中斜切角γ=60°。鏵高H過高會壅土，增加工作阻力，本設(shè)計鏵高H=140mm。開溝器幅寬B主要作用是控制壟作幅寬，由苗幅寬度決定，本開溝器幅寬B=120mm。

翼板的長度起著尤為重要的作用，翼板過長會增加開溝器重量和體積；太短，種子下落時會受到外部環(huán)境的影響。所以需計算翼板長度的最優(yōu)值。

地輪通過鏈輪將動力傳給排種器，播種機的前進速度為vm，排種盤轉(zhuǎn)速為np，排種盤線速度為vp，三者關(guān)系如下：

由公式（1）和（2）得：

式中dp——排種盤直徑（m）

s——株距（m）

z——排種盤型孔數(shù)

γ——地輪打滑率

根據(jù)2BFGM-4棉花旋播機技術(shù)參數(shù)，將數(shù)據(jù)代入公式（3）得，vp=0.111m/s。則種子離開排種盤的速度方程為：

式中，β為落種角，最合理的落種角β=44°；vx為種子脫離排種盤時水平方向的速度分量，種子沿機器前進方向作勻速運動；vy為種子脫離排種盤時豎直方向上的速度分量，種子在豎直方向作初速度為vy，加速度為g的勻加速運動。種子從離開排種盤到落入種溝的垂直距離為H=0.18m。所以，設(shè)種子下落H高度所用時間為t（s），水平前進位移為L（m），則種子離開排種盤的運動方程為：

代入已知數(shù)據(jù)，解方程得，L=0.1m，t=0.18s。

設(shè)種子落入種溝內(nèi)的t時間里，播種機前進距離為S，

則S=vmt=0.15m （6）

設(shè)種子相對于播種機向后的位移為C，

則C=S-L=0.15-0.1=0.05m （7）

所以，開溝器翼板的最短距離為0.05m，本機設(shè)計為C=80mm。

按照上述相關(guān)尺寸，利用AIP軟件對開溝器進行三維建模，如圖3所示。建模時，開溝器連接架運用鈑金設(shè)計，調(diào)用資源中心的鈑金，之后進行切割和折彎，再進行焊接；開溝器主要運用草圖、放樣、圓角等特征，最后進行裝配，裝配過程中會用到面與面配合、角度配合和線面配合等命令。

圖3 開溝器三維模型

2 開溝器的有限元分析

開溝器是2BFGM-4棉花旋播機的關(guān)鍵部件之一。工作時，芯鏵式開溝器與土壤之間接觸擠壓，受力比較復(fù)雜，為了保證開溝器的強度和可靠性能夠滿足要求，有必要對其進行應(yīng)力分析。

2.1 開溝器受力分析

圖4 開溝器受力及其平衡

開溝器的受力比較復(fù)雜，受到諸多因素的影響，如開溝深度、土壤特性、開溝器尺寸參數(shù)、作業(yè)速度等。開溝器受力狀況影響其工作性能。如圖4中，G為開溝器自身重力，R為土壤對其的作用力，P為前進牽引力，S為合力。O點位置高低決定著開溝器入土深淺，當P與S在同一直線上時，開溝器處于平衡狀態(tài)，開溝深度不變，工作狀態(tài)穩(wěn)定。較低或者較為靠前時，重力G與阻力R的合力S與牽引力P構(gòu)成向下入土的力矩，于是，開溝器入土深度增加；反之則深度減小。當合力與牽引力P作用在一直線上處于平衡狀態(tài)時，則開溝器深度不變，工作穩(wěn)定[3]。

開溝器所受的工作阻力，包括以下幾種力：

（1）溝器前進中與土壤之間產(chǎn)生的摩擦力；

（2）溝器翻土受到的土壤反作用力；

（3）土壤對開溝鏟的垂直反作用力。

根據(jù)犁耕工作阻力計算式得：

R=kab （8）

式中

k——為土壤比阻（N/cm2）

a——開溝器寬度（cm）

b——開溝深度（cm）

機具為旋耕后開溝播種，因此土壤類型是輕質(zhì)，故選取土壤比阻k=3N/cm2，由上文知a=12cm，開溝最大深度為b=9cm，代入數(shù)據(jù)得R=324N。

2.2 開溝器有限元分析

有限元 分 析 法 （Finite Element Analysis,FEA）是求解工程受力問題的一種數(shù)值求解計算方法[4]。其可將連續(xù)系統(tǒng)模型離散成為有限個簡單系統(tǒng)模型，再逐個進行分析，然后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)問題，但同時計算量也會相應(yīng)增加。有限元系統(tǒng)用節(jié)點和單元的方式把較大的工程問題劃分，節(jié)點把單元相互連接起來，得到近似解。其中施加的力主要集中在節(jié)點的位置，相應(yīng)的可以對節(jié)點位移、壓力、電壓等進行分析。要對節(jié)點的位移、電壓、溫度、壓力及磁位能等進行相應(yīng)的分析[5]。元素又把節(jié)點與節(jié)點相互連接，可以根據(jù)不同類型的工程系統(tǒng)選用不同的元素。劃分的越細致計算量就越大，計算精度也越高。

有限元分析操作過程如下:

第一步，創(chuàng)建數(shù)字樣機模型，定義模型材料；

第二步，設(shè)定模型的邊界和受力條件；

第三步，網(wǎng)格劃分求解；

第四步，得到輸出結(jié)果，研究改進。

2.2.1 模型簡化說明

針對開溝器焊合組的強度進行有限元分析。芯鏵開溝器選用3mm厚的65Mn鋼。前連接板、上加強筋和下加強筋選用4mm厚的鋼板。

開溝器焊合組工作時，前連接板與機架相連，開溝器入土開溝，與土壤接觸的是芯鏵開溝器兩側(cè)板，而工作阻力主要作用在兩側(cè)板芯鏵曲面上，需要先對芯鏵曲面進行分割，再施加載荷，這樣計算分析得到的結(jié)果更加準確。

有限元分析是AIP軟件里附加的模塊，它屬于靜力學(xué)范疇，在諸多行業(yè)的機械強度校核中得到了應(yīng)用。本次分析的物理模型由開溝器焊合組三維模型（圖3）及其邊界條件所構(gòu)成，可進行靜力分析[6]。為了便于計算，作如下假設(shè)：（1）三維模型所用材料是各向同性、均質(zhì)和線彈性的；（2）不考慮溫度對開溝器材料的影響；（3）應(yīng)力分析后的變形量與開溝器鋼板厚度相比忽略不計[7]。

2.2.2 指定材料

在AIP軟件中，打開開溝器焊合三維模型，因為軟件內(nèi)嵌有應(yīng)力分析，所以不用轉(zhuǎn)換格式。左擊標題欄上的“環(huán)境”按鈕，再點擊“應(yīng)力分析”按鈕，進入應(yīng)力分析環(huán)境，在此創(chuàng)建靜態(tài)分析，接觸類型選擇粘合；由上文敘述可知芯鏵開溝器為65Mn鋼，連接架為Q235，在軟件中指定構(gòu)件的材料如圖5所示，各材料的物理屬性如圖6所示。

圖5 指定材料

圖6 材料屬性

2.2.3 施加約束和載荷

為了獲得較為準確的結(jié)果，需要按照開溝器實際工作時的狀態(tài)給其施加固定約束和載荷。開溝器焊合組是連接在機架上的，所以前連接板是固定的，在其前面施加固定約束。工作阻力主要作用在芯鏵前曲面上，故在其上加載垂直于面的力。此外，兩側(cè)板上受到土壤側(cè)壓力，上板受到排種器及種箱的壓力。需要說明的是，力的加載在軟件中顯示在面的特定位置，但實際并不是如此，而是力均勻加載在面上，且開溝器還受到自身重力約束和載荷的施加，如圖7所示。

圖7 施加載荷力

2.2.4 劃分網(wǎng)格與求解

圖8 有限元網(wǎng)格

圖9 分析結(jié)果

劃分網(wǎng)格是有限元分析中的重要環(huán)節(jié)，它是進一步將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為有限元模型。網(wǎng)格劃分的形式和精度直接影響有限元分析的結(jié)果。AIP軟件中“網(wǎng)格相關(guān)性控制”可以調(diào)整全局網(wǎng)格大小的劃分，其值越大網(wǎng)格單元就越小，分析產(chǎn)生的結(jié)果精度越高，但求解時間越長。相反，其值越小，網(wǎng)格單元越大，求解時間越短，但結(jié)果精度不高。該零件有限元分析網(wǎng)格相關(guān)性控制為0，共被劃分為20319個節(jié)點，9648個元素，如圖8所示。

網(wǎng)格劃分完成后，左擊“分析”按鈕，即可得到分析結(jié)果，包括等效應(yīng)力、第一個主應(yīng)力、第三主應(yīng)力、位移和安全系數(shù)等，如圖9所示。

2.2.5 結(jié)果分析與優(yōu)化

Richaed Von Mises提出了最大變形屈服變量等效應(yīng)力。它主要用于塑性材料變形強度校核。等效應(yīng)力σe[8]常用三個法向主應(yīng)力來表示即：

式中σ1，σ2，σ3——法向主應(yīng)力。

塑性材料的等效應(yīng)力應(yīng)小于其屈服強度，否則，零件將會失效。即：

σe≤σs（10）

式中σs——材料本身的屈服強度。

圖10和圖11所示為開溝器在工作阻力作用下的等效應(yīng)力圖和最大主應(yīng)力圖。由圖可知開溝器焊合組所受最大主應(yīng)力為149.4MPa，出現(xiàn)在芯鏵開溝器板上。最大等效應(yīng)力也應(yīng)發(fā)生在相同的位置?？梢钥闯鲩_溝器等效應(yīng)力的最大值為160.6MPa，此位置的材料為65Mn鋼，其屈服強度為430 MPa。所以，等效應(yīng)力小于材料的屈服強度，故從等效應(yīng)力角度校核開溝器焊合組時，強度滿足要求。

圖10 等效應(yīng)力

圖11 第一主應(yīng)力

變形量和安全系數(shù)也是有限元分析得到的結(jié)果，其能更加直觀地來判斷構(gòu)件受力后的變形大小和是否永久變形。圖12所示為開溝器焊合組的變形量，其最大位移量為0.7486mm，相對于構(gòu)件的尺寸來說，因其在安全允許范圍內(nèi)，可以忽略不計。

圖12 變形

圖13 安全系數(shù)

安全系數(shù)是等效應(yīng)力與最大許用應(yīng)力的比值，根據(jù)其大小可以判斷零部件是否失效，比值越小，安全系數(shù)越小，失效可能性越大；比值越大，安全系數(shù)越大，安全性越高。設(shè)安全系數(shù)為s，則有

當安全系數(shù)s＜1時，零部件是失效的，不可采用。只有當安全系數(shù)s＞1時，零部件設(shè)計才可能被接受。但安全系數(shù)過大，會浪費材料及過多的消耗能量。農(nóng)機行業(yè)中，安全系數(shù)被認為控制在2～4之間為較好。如圖13，該開溝器焊合組安全系數(shù)為1.29，不夠安全，所以有待改進。

故針對芯鏵開溝器側(cè)板薄弱和減輕開溝器焊合組總重量進行修改，將芯鏵側(cè)板厚度由3mm增加到6mm，把連接架、肋板等安全系數(shù)較高的零件，厚度由6mm縮小到3mm。由于尺寸是關(guān)聯(lián)設(shè)計的[9]，草圖修改后驅(qū)動三維模型自動更新。修改后開溝器質(zhì)量由9.592 kg減小到8.353kg。固定約束和力的大小位置不變，網(wǎng)格相關(guān)性控制不變?yōu)?，共被劃分為17164個節(jié)點，8136個元素。

圖14 優(yōu)化后的安全系數(shù)

表1 改進后應(yīng)力分析結(jié)果

改進后安全系數(shù)如圖14所示，開溝器焊合組安全系數(shù)最小值為2.21，符合安全系數(shù)要求。其他參數(shù)結(jié)果如表1所示，全部滿足要求。通過有限元分析計算后的優(yōu)化改進，開溝器焊合組既滿足了強度需求，又節(jié)省了材料，降低了成本及能耗。

3 結(jié)論

（1）對2BFGM-4棉花旋播機開溝器的關(guān)鍵零部件的主要參數(shù)進行了詳細設(shè)計，確定了初步的尺寸參數(shù)。

（2）利用AIP軟件創(chuàng)建2BFGM-4棉花旋播機開溝器的三維參數(shù)化模型，設(shè)置了各部分的材料屬性，并采用參數(shù)關(guān)聯(lián)方法，構(gòu)建初始設(shè)計與改型結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為有限元分析中模型參數(shù)改進提供了方便。

（3）對2BFGM-4棉花旋播機開溝器初始模型施加實際作業(yè)工況下的載荷條件和邊界約束條件，進行有限元應(yīng)力分析計算。根據(jù)計算結(jié)果改進模型參數(shù)，使其強度、變形量和安全系數(shù)均達到作業(yè)強度要求。

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