宋帥帥，楊欣，殷夢(mèng)杰，李建平，王鵬飛

裝備應(yīng)用技術(shù)

果樹(shù)苗木栽植機(jī)機(jī)架有限元分析

宋帥帥，楊欣，殷夢(mèng)杰，李建平，王鵬飛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定071000）

根據(jù)現(xiàn)代果樹(shù)苗木大面積密植栽植的農(nóng)藝需求，設(shè)計(jì)了一種苗木栽植機(jī)。機(jī)架承載著栽植機(jī)其他重要部件，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和品質(zhì)的好壞直接影響到栽植機(jī)的使用壽命，非常有必要對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限元分析，對(duì)整機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)有很重要的作用。利用AIP軟件建立了栽植機(jī)機(jī)架的三維模型和組合裝配，并根據(jù)果樹(shù)苗木栽植作業(yè)的實(shí)際工況定義其受力載荷和約束條件，結(jié)合機(jī)架裝置的材料屬性進(jìn)行有限元分析。通過(guò)計(jì)算和分析，得出機(jī)架在工作過(guò)程中的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布找出相應(yīng)易損部位。對(duì)變形大、應(yīng)力集中的易損部位進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終確定機(jī)架的幾何參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)其設(shè)計(jì)滿(mǎn)足農(nóng)藝要求。

果樹(shù)苗木；栽植機(jī)；機(jī)架；靜力分析

隨著國(guó)家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的實(shí)施，人們對(duì)果樹(shù)經(jīng)濟(jì)林和城市綠化苗木的需求量越來(lái)越大[1]。許多地區(qū)已把林果苗木繁育作為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化調(diào)整的主攻方向，林果苗木業(yè)已成為具有巨大潛力的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。

目前，多數(shù)林果苗木栽植作業(yè)仍舊采取人工挖坑和回填土壤定植樹(shù)苗的方式。為了提高勞動(dòng)效率和節(jié)約勞動(dòng)成本，苗木栽植機(jī)械化技術(shù)越來(lái)越受到重視[2]。近幾年，國(guó)內(nèi)和國(guó)外有關(guān)機(jī)構(gòu)就植樹(shù)作業(yè)機(jī)械化技術(shù)和機(jī)械裝備進(jìn)行了大量研究。研究的植樹(shù)作業(yè)裝備類(lèi)型主要有挖坑式、間斷開(kāi)溝式和連續(xù)開(kāi)溝式3種植樹(shù)作業(yè)機(jī)[3]。但是挖坑機(jī)械主要適用于小面積的坡陡、石頭多、山地等場(chǎng)合的植樹(shù)造林，作業(yè)效率不高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不適合大規(guī)模苗木栽植建園作業(yè)[4]。同時(shí)，基于開(kāi)溝模式的樹(shù)苗栽植機(jī)得到研究[5]，在大面積苗木栽植作業(yè)中工作效率比較高。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種多行果樹(shù)苗木栽植機(jī)。為了保證機(jī)架的剛度和強(qiáng)度要求，對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果做出改進(jìn)，從而為設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 整機(jī)的布置方案

整機(jī)和機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整機(jī)和機(jī)架

機(jī)架采用3級(jí)連接結(jié)構(gòu)，分別由100 mm×100 mm×4 mm方形空心鋼管和80 mm×60 mm×4 mm的矩形鋼管焊接而成。其中：第1級(jí)為懸掛機(jī)構(gòu)，主要包括懸掛掛接豎梁和斜梁；第2級(jí)機(jī)構(gòu)為連接限深輪支架和連接第3級(jí)機(jī)架的連接機(jī)架，包括連接限深輪橫梁和連接第3級(jí)機(jī)架的橫梁和兩根豎梁；第3級(jí)機(jī)構(gòu)為錐形覆土輪和圓形覆土輪、鎮(zhèn)壓輪支架。機(jī)架各級(jí)通過(guò)螺栓連接，連接限深輪、錐形鎮(zhèn)壓輪和圓形鎮(zhèn)壓輪、覆土輪、開(kāi)溝器、人工作業(yè)臺(tái)后組裝成栽植機(jī)整機(jī)。利用AIP三維設(shè)計(jì)軟件建模并組裝完成整機(jī)數(shù)字模型。

2 機(jī)架靜態(tài)分析

2.1 分析說(shuō)明與模型準(zhǔn)備

栽植機(jī)機(jī)架型鋼金屬材料具有各向同性的屬性，因此正常作業(yè)過(guò)程中由溫度變化對(duì)材料產(chǎn)生的影響可忽略[2]。栽植機(jī)的機(jī)架為焊接件，模型建立時(shí)如果采取焊接結(jié)構(gòu)就要把鋼板之間的焊縫類(lèi)型等因素加入到考慮之中，在很大程度上增加了計(jì)算處理的復(fù)雜性。為了控制與生成網(wǎng)格精準(zhǔn)和高效，在保證模型的幾何、力學(xué)特性與真實(shí)情況相近的條件下[6]，作如下簡(jiǎn)化：

（1）對(duì)機(jī)架作單一零件生成實(shí)體模型，待分析優(yōu)化完成后再衍生零件，進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)化為焊接件；

（2）保留機(jī)架上各型鋼的圓角和倒角，對(duì)所有焊縫按倒角處理，確保更接近實(shí)際的焊接情況。

2.2 設(shè)置材料屬性

該機(jī)架結(jié)構(gòu)所用型材為100 mm×100 mm×4 mm方形空心鋼管和80mm×60 mm×4mm的矩形鋼管，全部采用Q235鋼材質(zhì)。力學(xué)參數(shù)如表1所列。

表1 力學(xué)參數(shù)

2.3 施加約束和載荷

栽植機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中，存放苗木臺(tái)上的樹(shù)苗會(huì)越來(lái)越少，所以機(jī)架上的負(fù)載是變化的。由于進(jìn)行的是靜態(tài)線性分析，因此采用滿(mǎn)載樹(shù)苗時(shí)的載荷。為了模擬實(shí)際工況，懸掛機(jī)架連接處做孔銷(xiāo)連接約束。施加載荷有機(jī)架本身重力、工作人員（成年）3人的重力、苗木的重力以及在連接開(kāi)溝裝置和鎮(zhèn)壓輪的牽引阻力。施加載荷見(jiàn)表2.

表2 施加載荷表/N

2.4 設(shè)置網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格是有限元分析重要的一步，粗大的網(wǎng)格求解速度快，但計(jì)算精度不夠；精細(xì)的網(wǎng)格計(jì)算精度高，但求解的速度較慢[7]。根據(jù)實(shí)際工況，分別控制全局網(wǎng)格和局部網(wǎng)格。這里采用h─收斂，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)，優(yōu)化最大數(shù)設(shè)置為0，網(wǎng)格平均元素大小為0.1，最小元素大小為0.2，分級(jí)系數(shù)為1.5，最大轉(zhuǎn)角為60°，并創(chuàng)建彎曲網(wǎng)格元素，以提高模型表達(dá)的準(zhǔn)確度。劃分結(jié)果共得到97 986個(gè)單元和193 628個(gè)節(jié)點(diǎn)。劃分后見(jiàn)圖2.2.5分析與結(jié)果

圖2 機(jī)架網(wǎng)格劃分

運(yùn)行有限元求解計(jì)算，得到機(jī)架三維應(yīng)力結(jié)果。三維應(yīng)力和應(yīng)變?？筛爬橐粋€(gè)等效應(yīng)力σe[9]，即

式中，σ1、σ2、σ3為法向主應(yīng)力，如圖3所示。應(yīng)力最集中的區(qū)域在第2級(jí)連接機(jī)構(gòu)右側(cè)豎梁上，最大應(yīng)力為285.6 MPa，該應(yīng)力大于材料的需用應(yīng)力，不滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，作業(yè)過(guò)程中容易發(fā)生變形或者彎曲。其他部位應(yīng)力比較小，應(yīng)力分布也基本均勻。此外，在機(jī)架整體末端，位移變形量較大，最大值達(dá)到了11.45 mm，不滿(mǎn)足剛度要求，機(jī)架整體不夠穩(wěn)定。需要對(duì)機(jī)架進(jìn)行改進(jìn)。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖3 機(jī)架整體的應(yīng)力云圖和機(jī)架整體位移云圖

3 改進(jìn)方案

針對(duì)分析得出的結(jié)果，做以下結(jié)構(gòu)改進(jìn)：將承載錐形鎮(zhèn)壓輪、圓形鎮(zhèn)壓輪和覆土輪的支架一分為二，設(shè)計(jì)如圖4結(jié)構(gòu)。然后再次進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置和有限元分析。

圖4 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

計(jì)算后得到模擬機(jī)架工作狀態(tài)下的應(yīng)力云分布和位移云分布。改進(jìn)后機(jī)架結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖如圖5所示。改進(jìn)后的機(jī)架最大應(yīng)力值是191.9 MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，位于改進(jìn)機(jī)構(gòu)的連接板孔位置上。機(jī)架最大的位移量為1.437mm，機(jī)架變形量對(duì)于整個(gè)機(jī)架尺寸可忽略不計(jì)，滿(mǎn)足剛度要求。所以，改進(jìn)后機(jī)架滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖5 改進(jìn)后機(jī)架結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖

4 樣機(jī)試制與試驗(yàn)

該機(jī)在高碑店進(jìn)行了樣機(jī)試制和田間試驗(yàn)，樣機(jī)田間試驗(yàn)圖6所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取為每次每行連續(xù)測(cè)定150株，栽植質(zhì)量和栽植精度的測(cè)定與計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示。田間試驗(yàn)表明：該栽植機(jī)工作性能良好，所栽苗木倒伏率低，僅為0.67%；機(jī)具開(kāi)溝穩(wěn)定，苗木栽植合格率達(dá)98.22%.

圖6 栽植機(jī)田間試驗(yàn)

表3 栽植質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果

表4 數(shù)據(jù)處理

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)AIP三維軟件建立機(jī)架模型，進(jìn)行有限元分析后，發(fā)現(xiàn)起初的設(shè)計(jì)強(qiáng)度不夠，剛度也達(dá)不到要求，整體機(jī)架不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，需要改進(jìn)。將第3級(jí)機(jī)構(gòu)的承載機(jī)架一份為二，加裝一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，不僅可以調(diào)節(jié)覆土輪的高度，而且能夠提高整個(gè)機(jī)架的穩(wěn)定性，所以在分界處加裝一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。通過(guò)優(yōu)化之后，應(yīng)力和應(yīng)變均符合設(shè)計(jì)要求，為苗木栽植機(jī)的整機(jī)制造設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

（2）利用有限元分析果樹(shù)栽苗機(jī)機(jī)架，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)制造前的潛在問(wèn)題，利用設(shè)計(jì)功能優(yōu)化，減少了栽植機(jī)生產(chǎn)成本和設(shè)計(jì)周期。

（3）試驗(yàn)表明：栽植機(jī)作業(yè)性能穩(wěn)定，栽植倒伏率和傷苗率低，栽植效果良好，能夠滿(mǎn)足果樹(shù)苗木密植栽植的要求

[1]孫穎華，李浩，朱東麗，等.城市園林綠化苗木發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題分析[J].農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備，2016（2）：81.

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[3]劉晉浩，王丹．談國(guó)內(nèi)外人工林撫育機(jī)械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．森林工程，2006，22（3）：12－14．

[4]李亞萍，蒙賀偉，坎雜，等.滾動(dòng)夾苗植樹(shù)機(jī)的設(shè)計(jì)研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2014，36（10）：142－144．

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[7]楊欣，許述財(cái).數(shù)字樣機(jī)建模與仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[8]陳伯雄.Inventor機(jī)械設(shè)計(jì)解析與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

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Finite Element Analysis of Seed ling Transplanting Machine Frame

SONG Shuai-shuai，YANG Xin，YIN Meng-jie，LI Jian-ping，WANG Peng-fei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding Hebei 071001，China）

According to the modern agronomic requirement of planting fruit trees in a large area，a seedling planting machine was designed.The frame carries the other important parts of the plant，its structure stability and quality directly affect the life of the planting machine，it is necessary to carry out finite element analysis of the machine，the machine design and production is very important effect.In this paper，three-dimensional model and assembly of planting machine frame are established by using AIP software.The force load and constraint condition are defined according to the actual working condition of fruit tree seedling planting operation，and finite element analysis is carried out according to the material property of rack device.Through calculation and analysis，the stress distribution and strain distribution of the rack during working process are obtained to find the corresponding vulnerable parts.The deformation of large，stress concentration of vulnerable parts to optimize the improvement. The geometrical parameters of the rack are finally determined.The design meets the agronomic requirements by testing.

fruit tree seedlings；planting machine；frame；static analysis

S223.9

A

1672-545X（2017）02-0141-04

2016-11-30

國(guó)家蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系果園機(jī)械崗項(xiàng)目（編號(hào)：CARS-28）

宋帥帥（1990-），男，河北邯鄲人，在讀碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化、果園機(jī)械裝備；楊欣（1974-），男，河北定州人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)字樣機(jī)等方面研究工作。