1ZQ-440型起壟整形機(jī)的設(shè)計與試驗研究

李宇飛，胡軍*，李慶達(dá)，孔慶龍

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，大慶 163000；2.黑龍江省友誼農(nóng)場，雙鴨山 155800)

起壟整形機(jī)屬于耕整地機(jī)械，起壟的目的在于防止風(fēng)蝕、水蝕，革新地面灌水方式，提高水分利用率，提高肥料利用率，改善田間透光性能[1]。目前，大壟種植模式在東北地區(qū)被廣泛采用[2]。大壟種植的主要優(yōu)勢有：大壟體積較大、壟溝數(shù)量相比常規(guī)壟更少，起壟過程中在不過多翻動土壤的前提下使地表面積大幅縮小，更利于土壤水分、溫度的保持，為作物生長提供必要的溫濕度條件；大壟種植方式符合目前東北比較流行多項農(nóng)藝措施的要求，如玉米行間覆膜、玉米110 cm大壟雙行、大豆130 cm大壟壟上三行等，這些農(nóng)藝措施均建立在大壟種植模式之上[3]。但國內(nèi)現(xiàn)有的常用起壟整形機(jī)一般只適用于壟形尺寸在20～50 cm的起壟作業(yè)，如果僅在機(jī)械的原有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，則難以保證起壟質(zhì)量。并且現(xiàn)有的大部分起壟機(jī)工作幅寬較小并不適用于東北地區(qū)大壟的種植模式，這在一定程度上阻礙了東北地區(qū)種植模式的革新[4]。因此，本文運(yùn)用UG軟件建立起壟機(jī)模型，用ANSYS有限元分析軟件對其進(jìn)行模態(tài)分析，制作樣機(jī)并進(jìn)行田間試驗，為起壟整形機(jī)的設(shè)計提供了借鑒和參考。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)作業(yè)需求，起壟整形機(jī)一次作業(yè)應(yīng)完成起壟、整形、鎮(zhèn)壓等作業(yè)環(huán)節(jié)，因此，該起壟整形機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括起壟鏵、整形鏵、鎮(zhèn)壓輥、限深輪、機(jī)架、劃印器、牽引架等，根據(jù)農(nóng)藝的要求和動力計算，作業(yè)參數(shù)主要為：耕寬B=440 cm，起壟寬度b=130 cm，起壟高度H=14 cm，配套拖拉機(jī)動力P≥66.2 kW，作業(yè)速度V=6～8 km·h-1。起壟機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 起壟整形機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the ridge shaping machine1—鎮(zhèn)壓輥; 2—整形鏵； 3—起壟鏵； 4—鎮(zhèn)壓輥連接架； 5—機(jī)架； 6—劃印器； 7—油缸； 8—牽引架； 9—刮土板； 10—限深輪1. Rolling roller 2. Shaping3.Rising ridge 4.Rolling roller connecting frame 5.Rack 6.Marker 7.Cylinder 8. Traction frame 9. Molding plate 10. Limited depth wheel

整機(jī)采用先開溝、起壟后鎮(zhèn)壓的作業(yè)方式。由于配套拖拉機(jī)的后輪距為180 cm，可調(diào)最大輪距為200 cm，機(jī)具耕幅大于拖拉機(jī)兩后輪外緣間的距離，作業(yè)時為了避免漏耕和保證拖拉機(jī)工作時的穩(wěn)定性，機(jī)具采用三點(diǎn)全懸掛的方式[5]。

1.2 工作原理

該起壟整形機(jī)設(shè)計配套動力為66.2～88.2 kW輪式拖拉機(jī)。作業(yè)時機(jī)具與拖拉機(jī)采用三點(diǎn)懸掛方式連接，始終保證作業(yè)過程中起壟整形機(jī)和拖拉機(jī)相對位置的一致性。作業(yè)時起壟鏵將兩側(cè)的土壤翻到中間形成壟體，而土壤被翻區(qū)域形成壟溝。同時兩側(cè)呈對稱分布的整形鏵在起壟刮板和鎮(zhèn)壓輥的配合下，形成梯形壟床，并完成對壟床的鎮(zhèn)壓作業(yè)。通過調(diào)節(jié)限深輪的高度和起壟鏵深度，完成不同高度壟床的起壟作業(yè)。另外，起壟整形機(jī)可根據(jù)農(nóng)藝要求，通過對起壟鏵、整形鏵、鎮(zhèn)壓輥在機(jī)架上的位置進(jìn)行調(diào)整，并改變鎮(zhèn)壓輥長度，來實現(xiàn)不同行距大壟的起壟作業(yè)。

2 主要工作部件設(shè)計

2.1 機(jī)架設(shè)計

機(jī)架作為整個機(jī)械的連接件和承載件，為了保證穩(wěn)固，采用焊接設(shè)計[6]。機(jī)架主體是由三根機(jī)架長方管、機(jī)架底板、機(jī)架側(cè)板經(jīng)由螺栓和焊接的方式連接，并且為加強(qiáng)機(jī)架整體強(qiáng)度，在機(jī)架橫向均勻布置了加強(qiáng)背管和加強(qiáng)立管。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)架結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Frame structure1—機(jī)架后上梁； 2—機(jī)架后下梁； 3—機(jī)架加強(qiáng)立管； 4—懸掛斜拉座板； 5—加強(qiáng)背管； 6—前牽引板； 7—機(jī)架加強(qiáng)橫管； 8—機(jī)架加強(qiáng)板； 9—機(jī)架底板(左1、右1)；10—機(jī)架底板(左2、右2)； 11—機(jī)架后上梁； 12—懸掛斜拉座板加強(qiáng)板； 13—復(fù)梁連接管； 14—機(jī)架復(fù)梁； 15—機(jī)架側(cè)板1. Rear frame of the frame 2. Rear frame of the frame 3.Rack of riser for the frame 4.Suspension of the cable-stayed plate 5. Reinforced back pipe 6. Front traction plate 7. Rack reinforcement cross tube8. Rack reinforcement plate 9. Rack base plate (left 1, right 1) 10.Rack base plate (left 2, right 2) 11.Rear frame of the frame12. Suspension cable-stayed plate reinforcement plate 13. Composite beam connection pipe 14. Rack composite beam 15. Rack side plate

2.2 牽引架設(shè)計

牽引架負(fù)責(zé)連接拖拉機(jī)與起壟整形機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)起壟整形機(jī)被拖拉機(jī)后懸掛提升之后，全部的重量都集中在牽引架，并且起壟作業(yè)時全部作用力都通過牽引架傳遞，因此牽引架整體采用焊接設(shè)計，并且加裝加強(qiáng)板以提高其強(qiáng)度。牽引架由牽引架底座、前牽引板、上部小加強(qiáng)板、前加強(qiáng)板、后加強(qiáng)板、斜拉板組成，其中牽引架底座與機(jī)架通過螺栓連接，前牽引板的上部與拖拉機(jī)上拉桿連接，下部與底座相連，斜拉板上部與前牽引板上部焊接成一體，下部與底座相連，其他三塊加強(qiáng)板用于提升整個牽引架的強(qiáng)度。牽引架設(shè)計時還應(yīng)保證機(jī)具工作時拖拉機(jī)的下懸掛板與地面平行，從而實現(xiàn)拖拉機(jī)動力的高效利用，此時起壟整形機(jī)架的上平面也應(yīng)與地面平行以確保起壟質(zhì)量[7]。

圖3 牽引架結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Traction frame structure1—牽引架底座； 2—前牽引板； 3—上部小加強(qiáng)板；4—前加強(qiáng)板；5—后加強(qiáng)板；6—斜拉板1. Traction frame base 2. Front traction plate 3.Upper small reinforcement plate4. Front reinforcing plate 5. Rear reinforcing plate 6. Diagonal pull plate

2.3 整形鏵設(shè)計

整形鏵由上板、平土基板、桿尺座、側(cè)板4個部分組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。將桿尺座與整形鏵焊接在一起可以方便安裝起壟鏵。起壟鏵安裝之后高度可調(diào)，從而實現(xiàn)不同的壟溝深度及取土量。實際工作中整形鏵上的平土基板將起壟鏵翻起的土向壟臺中部推送，并進(jìn)行初步平整，之后再經(jīng)整形鏵整形。

圖4 整形鏵總成圖Fig.4 Shaping map1—整形鏵由上板；2—平土基板；3—桿尺座；4—側(cè)板1. Plastic by the upper plate 2. Flat soil substrate 3.Rod ruler 4. Side plate

3 起壟機(jī)機(jī)架建模及其模態(tài)分析

3.1 起壟機(jī)機(jī)架三維建模

機(jī)架作為該起壟整形機(jī)的主體部分，所有部件都是通過安裝在機(jī)架進(jìn)行工作的。作為整個機(jī)體的連接件和承載件，機(jī)架采用焊接設(shè)計，不僅可以保證強(qiáng)度足夠而且成型方便，便于制造。[8，9]利用UG軟件建立其三維模型，結(jié)果如圖5所示。

圖5 機(jī)架三維圖Fig.5 Rack 3D diagram

3.2 起壟機(jī)機(jī)架靜力學(xué)分析

三維模型建立后，利用UG高級仿真模塊對模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過受力云圖和形變云圖，可以判斷機(jī)架在作業(yè)載荷下的結(jié)構(gòu)和材料能否滿足強(qiáng)度和剛度的要求，以檢測和優(yōu)化機(jī)架模型，為物理樣機(jī)的試制提供依據(jù)[10～12]。

對機(jī)架模型進(jìn)行靜力學(xué)分析。首先，指派機(jī)架的材料以及其材料特性。將機(jī)架三維模型材料設(shè)置為Q235 碳鋼(密度7 850 kg·m-3，彈性模量E 為2.1×1 011 N·m-2，泊松比0.3)焊接而成。其次是對機(jī)架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格是進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵一步，網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣直接影響求解結(jié)果的準(zhǔn)確性，劃分網(wǎng)格單元越小，則計算越精確，但計算速度越慢。在Unigraphics高級分析模塊中，可直接在模型上劃分網(wǎng)格，通過網(wǎng)格生成器建立機(jī)架的3D四面體網(wǎng)格模型，為均衡計算精度和速度，設(shè)定網(wǎng)格單元大小為10 mm。最后添加約束和載荷，模擬機(jī)架工作狀態(tài)，為機(jī)架選擇約束條件。對起壟機(jī)整體結(jié)構(gòu)分析時，選擇固定約束命令對機(jī)架側(cè)板、加強(qiáng)立管和加強(qiáng)背管6個自由度進(jìn)行約束。機(jī)架受力主要受土壤抬升力，機(jī)架自身重力以及施加于機(jī)架上的配重等幾個力共同作用，根據(jù)受力結(jié)果分析，計算各力值，并為機(jī)架施加各力值，選用NX NASTRAN求解器和SESTATIC-單約束結(jié)算方案進(jìn)行求解得到機(jī)架模型的應(yīng)變云圖如圖6所示，可以看到由于機(jī)架的下方管受力變形較為集中，分析原因主要由于受其下掛接的分土板、整形鏵在工作過程中的抬升作用。得出在設(shè)計過程中應(yīng)加強(qiáng)機(jī)架后方管的壁厚或改變其制作材料以提高機(jī)構(gòu)強(qiáng)度。

圖6 機(jī)架受力應(yīng)變云圖Fig.6 Frame force cloud diagram

3.3 起壟機(jī)機(jī)架與牽引架裝配體模態(tài)分析

模態(tài)分析是動力學(xué)分析中不可或缺的一部分，主要目的是確定機(jī)器部件或設(shè)計機(jī)構(gòu)的固有頻率和振型。一般情況下，低階振動特性對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性影響最為明顯[13]。利用ANSYS Workbench模塊，在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上直接對機(jī)架與牽引架的裝配體進(jìn)行模態(tài)分析，選擇自動劃分網(wǎng)格法，對牽引架和拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛連接處施加約束，求解機(jī)架的前六階固有頻率和振型。機(jī)架前六階模態(tài)的頻率按順序分別為11.911、14.324、29.004、41.898、42.338、53.542 Hz。

圖7 第一階模態(tài)振形圖Fig.7 First order modal waveform

圖8 第二階模態(tài)的振形圖Fig.8 second order modal waveform

圖9 第三階模態(tài)的振形圖Fig.9 Third order modal waveform

圖10 第四階模態(tài)的振形圖Fig.10 Four order modal waveform

圖11 第五階模態(tài)的振形圖Fig.11 Fifth order modal waveform

圖12 第六階模態(tài)的振形圖Fig.12 Sixth order modal waveform

六階模態(tài)的振型如圖7～圖12所示。由前六階振動頻率值可以看出，機(jī)架各階的固有頻率隨著階次的增加呈遞增趨勢， 6 階固有頻率范圍分布在 10～60 Hz 之間。輪式拖拉機(jī)的輪胎對振動的高頻部分有衰減作用，到機(jī)身的主要是低頻(0～15 Hz)隨機(jī)振動，因此不會發(fā)生特別明顯的振動疊加現(xiàn)象[14]。從模態(tài)振型圖中可看出，當(dāng)振動頻率達(dá)到相應(yīng)固有頻率時，機(jī)架的底板變形較為集中，只要設(shè)計實際振源的振動頻率避開機(jī)架固有頻率，機(jī)架實際變形大小不會達(dá)到最大變形量[15，16]。另外，對底板應(yīng)力集中部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化處理也可有效解決此類問題。

4 生產(chǎn)性試驗分析

4.1 試驗方案

在黑龍江省友誼農(nóng)場，以翰迪爾904拖拉機(jī)為配套動力，對該起壟整形機(jī)進(jìn)行了田間試驗(試驗面積為150 hm2，壟底寬130 cm)，測定了覆土寬度和厚度、壟寬和壟高等相關(guān)工作參數(shù)。試驗選擇土層深厚、土質(zhì)疏松、肥力中上的旱川地，前茬作物為玉米，并要求前茬作物收獲后及時整地，達(dá)到地面平整、土壤細(xì)碎、無大土塊、無根茬的要求。圖13為機(jī)具的實地作業(yè)情況。

圖13 起壟機(jī)田間試驗圖Fig.13 Schematic diagram of the ridge field

田間試驗作業(yè)檢測項目及試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2 結(jié)果分析

為量化實際作業(yè)效果，對壟底寬等5項作業(yè)指標(biāo)的實際測量平均值與機(jī)具作業(yè)設(shè)計值進(jìn)行對比計算，得出起壟的相對誤差。如表2所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)記錄表/cmTable 1 Test data record table

表2 起壟效果數(shù)據(jù)對比表Table 2 Ridge effect data comparison table

通過起壟效果數(shù)據(jù)對比表可以得出該型起壟機(jī)作業(yè)效果良好，除壟溝底面寬一項相對誤差在25%左右外，其余測試項目相對誤差均控制在5%左右，達(dá)到設(shè)計使用要求。

5 結(jié) 論

本文利用UG軟件建立了起壟整形機(jī)的三維模型，并對主機(jī)架進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，確定了機(jī)架的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用機(jī)械的應(yīng)力、應(yīng)變云圖找出了機(jī)架的受力薄弱點(diǎn)和機(jī)架前六階模態(tài)振型圖，并以此為理論依據(jù)對其進(jìn)行改進(jìn)。制作物理樣機(jī)并進(jìn)行田間試驗，得到：

(1)機(jī)架整體受力較為均勻，最大變形部位出現(xiàn)在機(jī)架下方管，最大變形量控制在10 mm以內(nèi)，證明了機(jī)架結(jié)構(gòu)的合理性。

(2)機(jī)架的最薄弱環(huán)節(jié)為底板。機(jī)架的三塊底板焊接于機(jī)架前后橫梁，雖然振動變形較大，但設(shè)計過程中可以采用避開機(jī)架固有頻率和對底板進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)處理等方法解決。通過模態(tài)分析，為機(jī)架的改進(jìn)設(shè)計提供了理論依據(jù)，也為實際應(yīng)用提供了參考。

(3)該起壟整形機(jī)土壟壟形一致性達(dá)95%以上，壟形合格率達(dá)90%，作業(yè)指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。