一種多功能玉米中耕施肥機(jī)的仿真分析

倪世鵬

（寧夏回族自治區(qū)農(nóng)機(jī)安全監(jiān)理總站，寧夏 銀川 750002）

0 引言

玉米田間雜草與作物爭(zhēng)奪養(yǎng)分和水分直接影響玉米產(chǎn)量和品質(zhì)，雜草也是病蟲(chóng)害的主要寄主，據(jù)相關(guān)研究表明，嚴(yán)重的草害可使玉米產(chǎn)量下降50%以上。目前，國(guó)內(nèi)除草方法有人工除草、化學(xué)除草和機(jī)械除草等。人工除草勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，不適用在大面積種植模式下。化學(xué)除草速度快、效率高、節(jié)省人力、便于機(jī)械作業(yè)，但其帶來(lái)諸如雜草群落變遷、抗藥性增強(qiáng)且抗藥譜擴(kuò)大等現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生環(huán)境污染和農(nóng)藥殘留等問(wèn)題[1]。國(guó)內(nèi)的機(jī)械制造水平低于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，中耕機(jī)械的作業(yè)速度相對(duì)較慢，工作效率不高。國(guó)內(nèi)大型農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和黑龍江省農(nóng)墾區(qū)引進(jìn)了國(guó)外的智能除草機(jī)器人等中耕機(jī)械，但因購(gòu)置成本過(guò)高難以在中小農(nóng)業(yè)合作組織和農(nóng)戶(hù)中普及應(yīng)用。

寧夏玉米年種植面積在35 萬(wàn)hm2以上，保障玉米產(chǎn)量對(duì)于發(fā)展畜牧業(yè)和工業(yè)發(fā)展具有重要意義。春玉米種植區(qū)域由于長(zhǎng)期使用農(nóng)藥和化肥，土壤板結(jié)現(xiàn)象日趨加重，加上淺旋耕作和不重視有機(jī)肥的使用，導(dǎo)致耕層淺且有機(jī)質(zhì)減少，嚴(yán)重影響春玉米產(chǎn)量和品質(zhì)。玉米苗期除草以化學(xué)除草為主，農(nóng)戶(hù)多以小型中耕施肥機(jī)進(jìn)行追肥作業(yè)，在化肥農(nóng)藥“兩減兩提”總要求和綠色有機(jī)農(nóng)業(yè)發(fā)展的背景下，如何利用玉米中耕施肥機(jī)械對(duì)草害進(jìn)行有效控制以及提高化肥利用率受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。研究資料顯示，中耕深松能夠促進(jìn)玉米植株生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量提高[2-3]。針對(duì)玉米田間雜草的機(jī)械防除和追施肥需求，本文研究設(shè)計(jì)了一種多功能玉米中耕施肥機(jī)，能夠一次性完成玉米苗期除草、深松和追施肥等多項(xiàng)作業(yè)工序[4-5]，并基于該機(jī)模型進(jìn)行了仿真分析，為機(jī)具應(yīng)用與改進(jìn)提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

寧夏灌溉區(qū)春玉米種植一般為60 cm 等行距單種模式，因此本設(shè)計(jì)的多功能玉米中耕施肥機(jī)行距為60±5 cm（可調(diào)）。該機(jī)具主要包括三點(diǎn)懸掛固定板和由方管伸縮雙梁焊接成的高地隙機(jī)架、單翼除草鏟裝置、減阻深松鏟裝置、苗帶噴施藥裝置、液壓缸、智能高壓雙泵、安全卡座和帶刻度塑料藥箱等部件組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 多功能玉米中耕施肥機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

機(jī)具田間作業(yè)時(shí)，伸展液壓缸，緊固固定螺栓，按農(nóng)藝要求調(diào)整好兩側(cè)邊行工作部件位置，使噴藥、除草、深松、施肥各工作部件參數(shù)符合中耕作業(yè)技術(shù)要求后，啟動(dòng)拖拉機(jī)牽引機(jī)具勻速隨行，深松鏟和除草鏟相繼進(jìn)入土壤工作，同時(shí)打開(kāi)電動(dòng)施肥裝置北斗定位控制器開(kāi)關(guān)，電動(dòng)排肥器通電開(kāi)始工作，肥料由排肥管經(jīng)深松施肥開(kāi)溝器施入土壤中，施肥量通過(guò)北斗定位控制器檔位控制，從而使機(jī)組完成行間機(jī)械深松、除草和苗側(cè)條深施肥等各項(xiàng)作業(yè)。在苗期除草作業(yè)時(shí)，將肥箱電動(dòng)施肥裝置更換成苗帶噴施藥裝置，打開(kāi)噴藥系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)，藥液由進(jìn)水管經(jīng)智能高壓雙泵加壓，通過(guò)出水管分配到各防風(fēng)噴頭將藥液噴施在苗帶上，噴藥量和噴藥寬度通過(guò)調(diào)節(jié)防風(fēng)噴頭控制，從而使機(jī)組完成行間機(jī)械深松、除草和苗帶噴施藥作業(yè)。苗帶噴施藥裝置如圖2。機(jī)具轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)，松開(kāi)兩側(cè)邊行工作部件與方管伸縮梁上的固定螺栓，液壓缸收縮使機(jī)具寬度達(dá)到最小時(shí)再緊固固定螺栓，便可縮小機(jī)具運(yùn)輸尺寸，便于場(chǎng)院、農(nóng)田轉(zhuǎn)移和道路運(yùn)輸。

圖2 苗帶噴施藥裝置示意

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

該機(jī)具要求配套動(dòng)力51.47 kW（70 馬力）以上，且輪距與行距配套，采用三點(diǎn)懸掛聯(lián)接，外形尺寸：1 255×（2 400～3 000）×2 000（長(zhǎng)×寬×高，mm），可以完成行間機(jī)械除草深度40～60 mm、深松深度150～250 mm、施肥深度100～150 mm，一次作業(yè)5 行，作業(yè)幅寬3 000 mm。根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)多功能玉米中耕施肥機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 多功能玉米中耕施肥機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)

2 建立三維模型

在Creo Parametric 8.0 零件模塊下對(duì)整機(jī)零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，逐一建立零件模型。在裝配模塊下對(duì)10個(gè)部件進(jìn)行裝配干涉分析和修復(fù)，最后集成整機(jī)模型。多功能玉米中耕施肥機(jī)兩個(gè)作業(yè)狀態(tài)三維模型如圖3、圖4。

圖3 多功能玉米中耕施肥機(jī)三維模型Ⅰ

圖4 多功能玉米中耕施肥機(jī)三維模型Ⅱ

3 多功能玉米中耕施肥機(jī)有限元分析

3.1 模型簡(jiǎn)化

簡(jiǎn)化模型可提升計(jì)算速度，對(duì)Creo Parametric 8.0 設(shè)計(jì)模型的螺栓連接、噴施藥裝置、電動(dòng)施肥裝置等可忽略零部件特征做簡(jiǎn)化處理，利用ANSYS Workbench 2022對(duì)多功能玉米中耕施肥機(jī)三維模型進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析。網(wǎng)格劃分越精細(xì)仿真結(jié)果越精確，但對(duì)于計(jì)算機(jī)處理器的要求比較高、耗費(fèi)時(shí)間較多，為保證分析的精確度并兼顧耗費(fèi)時(shí)間，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置[4]。

機(jī)具方管伸縮梁、安全卡座、單翼除草鏟鏟柄材料設(shè)置為20 號(hào)鋼，減阻深松鏟鏵尖及鏟柄、單翼除草鏟材料設(shè)置為65Mn 鋼，三點(diǎn)懸掛固定板及其余零件材料設(shè)置為45 號(hào)鋼，材料參數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，三點(diǎn)懸掛固定板與方管設(shè)置焊接接觸，減阻深松鏟鏟柄與安全卡座銷(xiāo)軸連接設(shè)置幾何體回轉(zhuǎn)接觸、與安全銷(xiāo)設(shè)置幾何體固定面接觸，單翼除草鏟與安裝庫(kù)設(shè)置幾何體固定接觸，其余連接默認(rèn)按系統(tǒng)判別。

表2 模型設(shè)置的材料參數(shù)

3.2 機(jī)具轉(zhuǎn)場(chǎng)狀態(tài)靜力學(xué)分析

機(jī)具轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)勻速行駛，即處于穩(wěn)態(tài)，對(duì)于處于穩(wěn)態(tài)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，靜力學(xué)分析是一種有效分析方法[1]?；谏鲜龅撵o力學(xué)分析，將三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 2022 中，然后在機(jī)具三點(diǎn)懸掛位置分別施加摩擦圓柱支撐約束，當(dāng)藥箱裝滿(mǎn)藥液時(shí)重量最大，在藥箱裝置與機(jī)架的兩個(gè)固定板上端面分別施加1 000 N向下的力。根據(jù)機(jī)具轉(zhuǎn)場(chǎng)設(shè)計(jì)要求，采用網(wǎng)格默認(rèn)自動(dòng)劃分法就可滿(mǎn)足靜力學(xué)分析要求，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理器測(cè)算，設(shè)置網(wǎng)格最小尺寸8 mm，其余選項(xiàng)默認(rèn)，機(jī)具經(jīng)劃分網(wǎng)格生成節(jié)點(diǎn)934 052 個(gè)，單元270 073 個(gè)。網(wǎng)格劃分后機(jī)具模型如圖5，待模型求解后得出總變形和等效應(yīng)力云圖（圖6、圖7）。

圖5 機(jī)具轉(zhuǎn)場(chǎng)狀態(tài)網(wǎng)格劃分模型

圖6 機(jī)具轉(zhuǎn)場(chǎng)狀態(tài)總變形云圖

圖7 機(jī)具轉(zhuǎn)場(chǎng)狀態(tài)等效應(yīng)力云圖

由圖6和圖7可得，最大變形發(fā)生在機(jī)具兩側(cè)邊、最大變形量為0.061 mm，最大應(yīng)力發(fā)生在三點(diǎn)懸掛中間固定板與方管焊接處、最大應(yīng)力11.33MPa，遠(yuǎn)小于20 號(hào)鋼的材料屈服強(qiáng)度215MPa，機(jī)具在轉(zhuǎn)場(chǎng)狀態(tài)下材料不會(huì)發(fā)生屈服變形。

3.3 機(jī)具工作狀態(tài)下靜力學(xué)和模態(tài)分析

3.3.1 靜力學(xué)分析

機(jī)具在作業(yè)時(shí)勻速直線(xiàn)行駛，即處于穩(wěn)態(tài)，主要是減阻深松鏟和除草鏟受到土壤阻力。根據(jù)上述的靜力分析，將三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 2022 中，然后在機(jī)具三點(diǎn)懸掛位置分別施加摩擦圓柱支撐約束；設(shè)計(jì)行間除草最大耕深60 mm，經(jīng)查閱資料得出土壤比阻80～100 N/m，根據(jù)除草鏟受力分析計(jì)算，分別對(duì)10 個(gè)（共5 組）單翼鏟除草工作面和端面施加X(jué) 軸反方向力96 N；根據(jù)深松最大耕深250 mm，對(duì)10 個(gè)（共5 組）減阻深松鏟250 mm 以下端面施加X(jué) 軸反方向力850 N[7，8]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，仿真計(jì)算需比機(jī)具轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)計(jì)算更加精確，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理器測(cè)算，采用四面體法（補(bǔ)丁適形算法）劃分網(wǎng)格，設(shè)置網(wǎng)格最小尺寸5 mm，經(jīng)劃分網(wǎng)格生成節(jié)點(diǎn)1 544 593 個(gè)，單元796 176 個(gè)。網(wǎng)格劃分和載荷約束設(shè)置好后，將分析模型提交求解計(jì)算，得出總變形和等效應(yīng)力云圖（圖8、圖9）。

圖8 機(jī)具作業(yè)狀態(tài)局部放大總變形云圖

圖9 機(jī)具作業(yè)狀態(tài)等效應(yīng)力云圖（局部放大）

由圖8 和圖9 可得，最大變形發(fā)生在兩側(cè)邊單翼除草鏟的鏟翼末尾和減阻深松鏟鏵尖處，此時(shí)最大變形量為2.082 5 mm；最大應(yīng)力發(fā)生在減阻深松鏟與安全卡座連接處和下懸掛固定板與方管焊接處、最大應(yīng)力135.97 MPa。在減阻深松鏟與安全卡座連接處最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于65Mn 鋼材料的屈服強(qiáng)度430 MPa，故機(jī)具作業(yè)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)載。在下懸掛固定板與方管焊接處最大應(yīng)力值與20 號(hào)鋼材料的屈服強(qiáng)度215 MPa 數(shù)值無(wú)極大差距，此狀態(tài)下模型安全系數(shù)為1.58，滿(mǎn)足機(jī)械結(jié)構(gòu)靜載情況下塑性材料安全系數(shù)要求，機(jī)具材料選用和設(shè)計(jì)合理。

3.3.2 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

模態(tài)分析是計(jì)算機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，可獲得最基本的動(dòng)力學(xué)特征。因土壤特性不均勻，多功能玉米中耕施肥機(jī)在除草、深松和施肥過(guò)程中會(huì)受到外界隨機(jī)變化載荷的作用，當(dāng)這些載荷的頻率與機(jī)具某個(gè)模態(tài)的頻率相近時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振損害[6]。分析工作狀態(tài)振動(dòng)響應(yīng)特性，將模型、網(wǎng)格等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，沿用機(jī)具靜力學(xué)分析的網(wǎng)格劃分和最大工況載荷進(jìn)行求解。

機(jī)具的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性主要表現(xiàn)為彎曲和扭矩振動(dòng)。在結(jié)構(gòu)的振動(dòng)過(guò)程中，低階模態(tài)（前6階）起著主要作用，相比低階模態(tài)，高階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響較小且衰減很快，本研究根據(jù)機(jī)具的實(shí)際工作情況，利用ANSYS Workbench模態(tài)分析模塊對(duì)機(jī)具進(jìn)行低階模態(tài)分析[9]，前6 階模態(tài)的振動(dòng)頻率和最大振型見(jiàn)表3。

表3 前6 階模態(tài)最大總變形量和振動(dòng)頻率

由表3 可得，機(jī)具前6 階模態(tài)頻率的最大值為57.9 Hz，最小值為38.8Hz，機(jī)具在實(shí)際工況下固有頻率在38.8～57.9Hz 之間，拖拉機(jī)田間作業(yè)固有頻率1～3Hz，機(jī)具作業(yè)不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。機(jī)具振型主要發(fā)生在兩側(cè)邊行方管梁和工作部件，實(shí)際使用中可根據(jù)需要在兩邊行加裝地輪支撐，增加伸展方管梁強(qiáng)度[1，6，10]。

4 結(jié)論與展望

（1）多功能玉米中耕施肥機(jī)深松部件選用減阻深松鏟前后單行、前淺后深的排列方式，單翼除草鏟相對(duì)后排減阻深松鏟鏡像錯(cuò)位排列，三者相對(duì)錯(cuò)位距離不小于20 cm，實(shí)現(xiàn)了行間中耕深松、除草和施肥等作業(yè)工序，避免了行間土壤拖堆和漏除草的現(xiàn)象發(fā)生。

（2）利用Creo Parametric 8.0 軟件建立的多功能玉米中耕施肥機(jī)三維模型，在設(shè)計(jì)之初就能夠發(fā)現(xiàn)不合理零部件和裝配干涉的問(wèn)題，結(jié)合設(shè)計(jì)分析可以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和修改，為樣機(jī)試制提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

（3）運(yùn)用ANSYS Workbench 對(duì)多功能玉米中耕施肥機(jī)在轉(zhuǎn)場(chǎng)和作業(yè)實(shí)際工況下進(jìn)行了靜力學(xué)和模態(tài)特性有限元分析，機(jī)具在施加約束和載荷下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，在模態(tài)分析下得出前6 階機(jī)具結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，機(jī)具在田間作業(yè)時(shí)不會(huì)引起共振情況發(fā)生。

（4）針對(duì)目前國(guó)內(nèi)有關(guān)玉米中耕施肥機(jī)械的科研和應(yīng)用現(xiàn)狀，建議更多的設(shè)計(jì)人員密切關(guān)注有機(jī)農(nóng)業(yè)和綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展，推進(jìn)人工智能（AI）、自動(dòng)化和智慧化等技術(shù)在玉米中耕施肥機(jī)械發(fā)展中的應(yīng)用。