對小型茶樹開溝和施肥一體機的有限元分析

謝紅梅，葉自旺，梁 策

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

0 引言

茶葉是世界著名的三大飲料之一，具有清頭目、醒精神、解煩渴、利小便、消食積及解毒等功效，一直深受廣大消費者的喜愛。全國分布有幾大茶葉種植區(qū)，廣西就是其中一個重要的茶葉生產區(qū)；但由于廣西丘陵地帶以及惡劣的自然條件，使得茶葉的種植工作主要依靠手工的方法進行。由于茶樹主要種植在丘陵山地等地帶，土地緊實，不易進行開溝工作，單純依靠手工進行開溝和施肥顯然勞動強度大，影響了茶葉的經濟效益和社會效益，使得純手工的茶樹開溝和施肥難以滿足日益增長的茶葉需求。

為了解決純手工的茶樹開溝和施肥勞動強度大等問題，本文提出了一種小型茶樹開溝和施肥一體機，為解決茶樹開溝和施肥過程中純手工開溝和施肥及勞動強度大等的問題提供了新的思路及解決方案。本文在小型茶樹開溝和施肥一體機的設計過程中做出了較好的適應性設計，實現了小型茶樹開溝和施肥一體機的刀具升降功能及在開溝的過程中進行自動施肥功能，并為需要達到的設計目標對設計方案進行運動有限元分析，避免產生干涉等問題。最后，實際環(huán)節(jié)中對小型茶樹開溝和施肥一體機進行實驗，獲得實驗數據，以此來優(yōu)化小型茶樹開溝和施肥一體機的結構以及零部件的尺寸，保證小型茶樹開溝和施肥一體機的開溝和施肥一體化，在滿足社會需求的情況下，實現小型茶樹開溝和施肥一體化。

1 裝置的結構設計及工作原理分析

1.1 小型茶樹開溝和施肥一體機的結構設計

小型茶樹開溝和施肥一體機主要由3大部分組成，分別為車架、升降機構和電機傳動機構。其中，升降機構主要應用升降桿上的套筒在升降導槽上做滾動運動而使得升降架進行上下運動從而帶動開溝刀具的升降運動的原理，這里同時應用了螺紋自鎖的原理使得升降架在螺桿的自鎖作用下進行開溝刀具的定位，使得開溝刀具能夠在轉盤的調節(jié)下處于開溝和不開溝狀態(tài)。在電機傳動機構中，通過減速機和皮帶的帶動，使得電機可以通過驅動開溝刀具進行旋轉運動，同時考慮到實際工作過程中動力因素，為電機傳動機構配備了減速機進行動力的傳動，起到減速增距的作用，從而保證實際工作中的開溝作業(yè)；同時為了保持皮帶的張緊力，需要增加張緊輪，以保證皮帶的傳輸效率。運用三維造型軟件UG對其進行三維造型，其具體結構如圖1所示。

1.2 小型茶樹開溝和施肥一體機的傳動部分的設計

主要針對小型茶樹開溝和施肥一體機中的電機傳動機構進行設計，以此保證小型茶樹開溝和施肥一體機獲得足夠的動力，滿足生產需要。

此處選擇的皮帶類型為普通A型V帶，在這里設置兩皮帶輪的距離為a=500mm,大帶輪的直徑為d2=315mm，小帶輪直徑d1=90mm,由此可計算出小帶輪與大帶輪的包角分別為?1和?2，即

此時，選擇的皮帶輪包角均大于120°，可保證皮帶與帶輪的接觸面產生的總摩擦力很大，以此保證了皮帶的傳動能力提高及滿足開溝需求。

(a) 小型茶樹開溝和施肥一體機的三維造型

(b) 1.轉動手盤 2.螺桿 3.升降導槽 4.升降固定架 5.升降桿 6.升降架 7.升降桿套筒 8.開溝刀片 9.機底架 10.滾動軸承座 11.前輪 12.后輪 13.肥料輸出管 14.皮帶 15.電機 16.大帶輪 17.減速機 18.肥料收集箱 19.把手 20.開溝刀具 21.小帶輪圖1 小型茶樹開溝和施肥一體機的升降機構的三維造型Fig.1 Three - Dimensional modeling of lifting mechanism of small - size Tea tree ditching and fertilizer

1.3 小型茶樹開溝和施肥一體機的工作原理分析

小型茶樹開溝和施肥一體機是一種能夠實現茶樹開溝和施肥一體化同時具有刀具升降功能及在開溝的過程中進行自動施肥功能的農業(yè)機械設備，其整體的運動靠電機在驅動開溝刀具旋轉的過程中推動小型茶樹開溝和施肥一體機向前運動。當開溝刀具不工作時，可通過推動把手使得小型茶樹開溝和施肥一體機向前運動，通過旋轉手盤，使得升降機構在套筒在升降導槽滾動的輔助作用下進行開溝刀具升降運動，同時在轉動手盤的下方通過螺桿上螺紋的自鎖作用能夠實現開溝刀具的定位作用，使得開溝刀具能夠懸停在一定的高度，方便進行作業(yè)。

車架由升降導槽、升降固定架、機底架、前輪、把手、后輪、肥料收集箱，以及肥料輸出管組成。其中，升降固定架和前輪位于小型茶樹開溝和施肥一體機的前方，升降固定架豎直安裝，與肥料收集箱焊接在一起，肥料輸出管安裝在肥料收集箱的底部，在升降固定架上開有4處升降導槽，使得升降機構上的升降架能夠進行豎直升降運動；把手和后輪安裝在小型茶樹開溝和施肥一體機的后方，機底架位于整體裝置的底部，起到支撐的作用。車架主要起到支撐的作用，用來放置電機、開溝刀具等機構。

升降機構由轉動手盤、螺桿、升降桿、升降架、升降桿套筒、開溝刀片、滾動軸承座，以及開溝刀具組成。其中，轉動手盤位于裝置的最上方，轉動手盤下連接有螺桿，螺桿穿過帶有螺孔的升降固定架，可利用螺紋的自鎖作用實現開溝刀具在豎直方向上的定位；在螺桿的底部用螺母連接有升降架，升降架上平行分布有兩根升降桿，在每根升降桿的首尾兩端上安裝有套筒，通過套筒的滾動作用可以實現升降機構的升降運動；在升降架的底端安裝有兩個滾動軸承座，在這兩個滾動軸承座的中間分布有開溝刀具，開溝刀具由4片開溝刀片組成，4片開溝刀在開溝刀具上呈現“T”字形分布，在橫向方向上左右兩邊各分布有一片開溝刀，在縱向方向上同向分布有兩片開溝刀。升降機構是小型茶樹開溝和施肥一體機重要組成部分，此處主要通過旋轉轉動手盤穿過帶有螺孔的升降固定架從而使得機構作上下升降運動，以及螺紋的自鎖功能，實現開溝刀具的調節(jié)定位作用，使得開溝刀具可以按照預定的高度進行開溝，保證了小型茶樹開溝和施肥一體機工作的可靠性。

電機傳動機構由減速機、大帶輪、電機、皮帶，以及小帶輪組成。其中，電機通過螺栓和螺母固定在車架上，減速機也通過螺栓和螺母固定在車架上，電機和減速機通過套筒連接在一起；在減速機的輸出軸上安裝有大帶輪，小帶輪安裝在開溝刀具的同軸上，大帶輪通過皮帶可以帶動小帶輪進行運動，進而可以帶動開溝刀具進行旋轉運動。電機傳動機構作為小型茶樹開溝和施肥一體機的動力部分，主要通過電機和減速機的作用帶動皮帶轉動，進而使得開溝刀具進行旋轉運動，實現小型茶樹開溝和施肥一體機的功能。

2 有限元分析

在UG中做好三維造型后直接在UG中進行有限元分析，目的在于驗證機械的可運行性及材料是否滿足實際的工作需要。首先對該裝置的整體進行網格的劃分，以此來模擬該裝置在實際使用過程中的受力情況(見圖2)，從而驗證小型茶樹開溝和施肥一體機的材料是否滿足實際的工作需要。在圖2中對裝置的整體進行了網格劃分，定義網格尺寸為8mm，定義網格的劃分方法以六面體為主，即讓有限元模型具有盡量多的六面體網格，最后生成網格。

圖2 小型茶樹開溝和施肥一體機的網格劃分圖Fig.2 Mesh patterns of ditching and fertilizing machines for small tea trees

2.1 開溝刀的有限元分析

對小型茶樹開溝和施肥一體機進行整體的網格劃分之后，著重對小型茶樹開溝和施肥一體機的開溝刀進行有限元分析，以此來驗證開溝刀的材料強度是否滿足實際的生產需要。由有限元分析得出了小型茶樹開溝和施肥一體機的開溝刀的等效應力云圖及等效位移云圖，如圖3和圖4所示。

根據具體的工作情況進行詳細的分析，小型茶樹開溝和施肥一體機的零部件需要有足夠的韌性、耐磨性及強度，因此材料使用中碳馬氏體鋼。中碳馬氏體鋼的彈性模量E=32GPA，屈服極限δs=380MPa，泊松比μ=0.3。在進行有限元分析中，通過UG的指派材料功能進行材料屬性編輯。

開溝刀作為小型茶樹開溝和施肥一體機的最重要的受力部件，著重對開溝刀進行力學分析。對開溝刀的垂直面上向外施加100N的作用力以此來模擬開溝刀在實際的工作中的受力情況，由此可得出了如圖3、4所示的小型茶樹開溝和施肥一體機的等效應力云圖及等效位移云圖。

圖3 開溝刀的等效應力云圖Fig.3 The equivalent stress cloud of the ditch knife

圖4 開溝刀的等效位移云圖Fig.4 The equivalent displacement cloud diagram of the ditch knife

2.2 有限元結果

經有限元計算，開溝刀最大應力發(fā)生在開溝刀接近轉軸的位置，其最大應力為3.559MPa，因此可認定小型茶樹開溝和施肥一體機滿足強度和剛度的要求。

3 試驗分析

由上述的力學分析可知小型茶樹開溝和施肥一體機的零部件滿足強度和剛度的要求，且具有可行性。經過嚴格對茶樹生活環(huán)境及生長規(guī)律的研究，不斷優(yōu)化產品的機構，確定各零件的具體數值及裝配工藝，進行了實驗和開溝和施肥效率測試，以保證小型茶樹開溝和施肥一體機的工作效率明顯高于人工開溝和施肥，以及能夠最大限度地減輕農民們的勞動強度。對小型茶樹開溝和施肥一體機進行實地測試，結果表明：小型茶樹開溝和施肥一體機的零部件滿足強度和剛度的要求，具有很好的開溝和施肥效率；開溝和施肥一體機工作速度比純手工作業(yè)快將近兩倍。且小型茶樹開溝和施肥一體機結構緊湊，開溝效率高，對茶樹的開溝和施肥有很好的適應性以及很好的應用前景，其實物圖如圖5、圖6所示。

圖5 小型茶樹開溝和施肥一體機整體實物圖Fig.5 The graph of the small tea tree all-in-one trenching and fertilizer application

4 結論

經過有限元分析及對一體機的實地測試可知：小型茶樹開溝和施肥一體機具有很好的工作可靠性和安全性，其實際工作效率更是純手工作業(yè)的將近兩倍。小型茶樹開溝和施肥一體機結構緊湊，開溝效率高，適應性好，明顯具有優(yōu)于傳統(tǒng)手工的優(yōu)勢，滿足了生產需要，極具發(fā)展前景。