羅佳 楊發(fā)展 李建東 楊薇 姜芙林 魏海明 劉永武

摘要：為了使開發(fā)的水稻直播機的機架滿足播種作業(yè)的承載要求，避免變形過大導致播深出現(xiàn)較大浮動而影響出苗率，同時為防止機架與發(fā)動機等激振源發(fā)生共振，影響排種的均勻性，利用ANSYS對機架進行系統(tǒng)分析。綜合考慮平地行駛以及翻越田壟導致一輪離地等工況，發(fā)現(xiàn)當右前輪離地時應力和變形量最大，最大應力為 58.969 MPa，最大變形量為1.662 9 mm。通過模態(tài)分析，獲得機架的一階固有頻率為90.873 Hz，而激振頻率在10～30 Hz范圍內(nèi)，遠小于機架的固有頻率，該狀態(tài)下機架不會發(fā)生共振。通過對應力和大變形區(qū)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和強化，并重復進行了有限元仿真分析，結(jié)果表明變形量明顯降低。上述工作表明設計開發(fā)的機架完全滿足精量直播工作的要求，同時為進一步拓撲優(yōu)化和輕量化設計提供了重要的理論依據(jù)。

關鍵詞：水稻直播機;精量直播;機架;模態(tài)分析;振動特性;固有頻率;防止共振;機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：S223.2 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）16-0235-04

收稿日期：2018-05-03

基金項目：國家重點研發(fā)計劃子課題（編號：2017YFD0701201-011）;山東省重點研發(fā)計劃（編號：2018GNC112005）。

作者簡介：羅 佳（1993—），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機械研究。

通信作者：楊發(fā)展，博士，副教授，主要從事刀具、農(nóng)業(yè)機械研究。

水稻是我國目前主要的糧食作物，種植歷史悠久，但種植過程中機械化水平較低，嚴重制約了水稻的整體生產(chǎn)效率[1]。水稻機械化直播對于降低水稻生產(chǎn)成本、提升生產(chǎn)效率和減輕農(nóng)民負擔等具有重要意義[2]。在水稻生產(chǎn)環(huán)節(jié)引入直播，可以省去育秧和插秧環(huán)節(jié)[3]，大幅提升勞動效率，同時具有可以規(guī)模經(jīng)營等優(yōu)點[4]。因而設計開發(fā)一種實用高效的水稻精量直播機具有重要意義。而在播種機中，機架作為主要的受力結(jié)構(gòu)，承載著供種系統(tǒng)、播種裝置、開溝裝置和液壓系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的壓力，需要對其受影響情況進行綜合分析。此外，機架的變形會導致播深出現(xiàn)變化，進而影響出苗率;同時，當發(fā)動機產(chǎn)生的激振與機架固有頻率接近（或為整數(shù)倍）時還會產(chǎn)生共振，造成供種系統(tǒng)和排種裝置出現(xiàn)排種不均勻、不連續(xù)等干擾問題。為了獲得最優(yōu)的機架結(jié)構(gòu)，借助ANSYS對機架進行靜力學分析和動力學分析，了解機架在不同狀態(tài)下的應力分布狀況以及產(chǎn)生的最大變形量，同時確定系統(tǒng)的振動特性，獲得機架的固有頻率，進一步防止共振的發(fā)生，為機架優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 播種機機架機械結(jié)構(gòu)的建模

1.1 結(jié)構(gòu)模型的建立

水稻精量直播機在工作時，利用雙圓盤開溝器開出穩(wěn)定的溝型和等深度的種溝，同時排種器將送種裝置輸送的種子按照預設的種距進行精量排種。選擇柴油發(fā)動機（型號ZH2110D）提供整個作業(yè)過程的動力，通過鏈傳動驅(qū)動排種器轉(zhuǎn)動。提升裝置采用液壓油缸，連接連桿后方的吊耳在工作間隙行進時提起排種裝置。本研究的機架主體由方管（60 mm×60 mm×6 mm，Q235）焊接而成，主要承受上方送種裝置和操作員的重力以及自身重力，在播種間隙播種機行進時，下方排種裝置利用液壓油缸抬升一定高度，避免與地面發(fā)生碰撞或劃擦等，此時機架同時受到排種裝置的拉力。仿真過程中，將機架簡化為由橫梁、縱梁、豎梁和彎型梁組成的結(jié)構(gòu)。機架長度設計為800 mm，寬度為1 600 mm，豎梁 450 mm。利用SolidWorks建立三維模型，模型如圖1所示。

1.2 分析前處理

機架各個梁之間主要通過焊接及螺栓連接組成一個整體，由于連接的不統(tǒng)一，增加了仿真過程的復雜性，在本次仿真分析中，假定模型是一個整體，忽略焊接等工藝的影響[5]。機架材料選用Q235結(jié)構(gòu)鋼，將機架模型導入ANSYS并進行材料屬性的定義。

在分析設置中，合理適當?shù)木W(wǎng)格劃分有利于提升分析和計算的效率，增加分析結(jié)果的正確性[6]。本研究采用ANSYS自動網(wǎng)格劃分， 單元小于10 mm，網(wǎng)格劃分具體見圖2。劃分

完成后，共有123 770個節(jié)點和62 494個單元。

2 靜力學分析

2.1 機架受力情況

機架是該機械的主要受力機構(gòu)，所受其他部件的載荷主要分為靜載荷和沖擊載荷[5]。播種裝置提升時，排種裝置、開溝裝置等會對機架前梁施加作用力;圓盤開溝器開溝作業(yè)時，開溝器受到前進阻力，會使機架下梁受到拉力;機架自身的重力視為均布載荷，應用ANSYS的標準重力模塊;其他施加在機架上的載荷作為集中載荷，施加在所設計的位置上。

播種裝置產(chǎn)生的集中載荷（GA）為

GA=G1+G2+G3;（1）

G=mg。（2）

式中：G1表示6個油泵所受的重力（N）;G2表示排種開溝裝置所受的重力（N）;G3表示連接桿和仿形裝置所受的重力（N）;g表示重力加速度，取9.8 m/s2。

將油泵、排種開溝裝置、連接桿和仿形裝置的重力代入公式（1）、（2）得：

GA=1 470 N。（3）

設定油缸提起至45°時保持固定，此時前上梁和前下梁受到的壓力相等。

Fcos45°+Tcos45°=GA;（4）

F=T。（5）

可得，F(xiàn)=T=1 039.4 N。

假設送種裝置的質(zhì)量為15 kg，作業(yè)員質(zhì)量為80 kg，得：

GB=147 N，GC=784 N。（6）

因此，施加在機架上梁固定部位的集中力分別為147、784 N。

在水稻直播機工作時，開溝器受到前進阻力，會對機架前梁產(chǎn)生拉力。根據(jù)文獻[7]，結(jié)合農(nóng)業(yè)機械學中對播種機的分析，設定每個開溝器前部的工作阻力為120 N，前梁受到的拉力為720 N。

2.2 求解與分析

在平整的地面上行駛時，機架主要受到彎曲應力，而當機械在田間作業(yè)時，會發(fā)生耕地以及地面平整度較低導致的一輪懸空的情況，使機架受到扭矩的作用，這時須要考慮扭轉(zhuǎn)工況[8]下機架的作業(yè)可靠性。

對于彎曲工況，在前梁和后梁與前后車橋的連接處施加固定約束，機架自身重力利用ANSYS的標準重力模塊，將集中載荷施加在各自的安裝位置，排種開溝裝置的拉力按45°方向施加在前上梁和前下梁上，分析得到變形云圖和應力云圖，如圖3、圖4所示。

圖3為載荷作用下總的變形云圖，最大變形量為 0.184 73 mm，變形主要發(fā)生在車載工作人員的座位和送種裝置安裝位置的中間梁上，而由開溝排種裝置造成的形變使前梁變形量在0.164 21 mm以下，因為中間部位既受到操作員的壓力，還受到送種裝置以及排種開溝裝置的重力，前上梁承受排種開溝裝置的拉力，因而形變量最大。

從圖4可以看出，最大應力發(fā)生在中間梁和橫梁中間位置處，縱梁以及各梁連接處受力也相對較大，彎角處受力大于其他部位。應力的最大值為13.64 MPa，遠小于材料屈服極限（235 MPa），完全滿足靜力學的強度要求。

對于扭轉(zhuǎn)工況，由于機架結(jié)構(gòu)和部件布置并不完全左右對稱，本研究對前左輪離地和前右輪離地分別進行討論[5]，得出這2種工況下結(jié)構(gòu)的應力應變云圖并進行分析。

對于第1種工況，左前輪離地時，對右前輪和后輪施加固定約束，對左前輪施加方向向上的作用力：由圖5可以看出，最大變形量發(fā)生在左前輪位置，最大變形量為1.323 4 mm;由圖6可以看出，最大應力發(fā)生在前上梁中間和左側(cè)以及前下梁左側(cè)部位，最大應力值為 34.903 MPa，小于材料的屈服極限。

工況1、2并不對稱，對于第2種工況，右前輪離地時，對左前輪和后輪施加固定約束，對右前輪施加方向向上的作用力：

由圖7可以看出，最大變形發(fā)生在左前輪位置，變形范圍比工況1大，最大變形值為1.662 9 mm。由圖8可以看出，最大應力發(fā)生在前梁中間以及右側(cè)部位，最大應力值為 58.969 MPa，小于材料屈服極限。

在播種機開溝排種工況下，機架主要受到上方的壓力和開溝器前進阻力產(chǎn)生的拉力，在之前約束的基礎上對彎梁后方添加固定約束，仿真結(jié)果如下：

由圖9可以看出，開溝器前進阻力產(chǎn)生的拉力在作用梁處變形量最大為0.102 68 mm，變形量較小。由圖10可知，最大應力為5.280 5 MPa，主要作用在連接處和梁中間位置，遠遠小于材料屈服極限。

綜合以上分析結(jié)果，播種機在平地正常作業(yè)時，最大變形量為0.184 73 mm，不影響實際工作;在翻越田壟導致右前輪抬起時，最大變形量為1.662 9 mm，所受的最大應力為 58.969 MPa，小于材料的屈服極限。對于動載荷情況下材料的受力及變形情況，可以利用仿真獲得的靜載荷下的應力值與動載荷系數(shù)相乘來預估動載荷時的應力情況[9-10]，本研究取動載荷系數(shù)為2.5，從而得到動載荷情況下最大應力為147.42 MPa，小于材料的屈服極限。綜上，機架在各種工況下的最大變形量較小，最大應力值小于材料的屈服極限（235 MPa），表明機架能滿足設計的承載要求。

3 機構(gòu)動力學分析

3.1 模態(tài)分析模型

機架的模態(tài)是指機架結(jié)構(gòu)固有的振動特性，對機架進行模態(tài)分析可以獲得機架的模態(tài)參數(shù)，例如固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等[6，11]。通過模態(tài)分析可以避免與發(fā)動機等激振源頻率接近（或為整數(shù)倍）導致共振從而引發(fā)排種不均勻等問題，同時可以根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，更合理地布置機架。

根據(jù)參考文獻[12]，物體動力學通用方程為

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F（t）}。（7）

式中：M為質(zhì)量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;F（t）是力矢量。

3.2 機架模態(tài)分析結(jié)果

機架各階模態(tài)頻率和振動特性見表1。對于水稻直播機機架，二階振型能夠表現(xiàn)出多數(shù)振動情況[13]。由圖11可知，一階振動主要發(fā)生在中間梁上，使其產(chǎn)生上下的彎曲;二階振動時，機架上梁部分發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，中間梁和各梁連接部位的變形量最大。

根據(jù)文獻[10，13]，為使機架不發(fā)生共振，必須滿足：

0.75ω0<ω<1.3ω0。（8）

式中：ω0表示機架固有頻率;ω表示激振頻率。

水稻精量直播機運動時受到的激振主要有發(fā)動機激振、地面激振、動力傳動鏈激振和分種器的發(fā)動機以及傳動鏈帶來的激振，對各個激振頻率分別進行考慮。

本設計采用雙缸發(fā)動機（型號ZH2110D），發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，根據(jù)文獻[12]，發(fā)動機激振頻率f=n60·M2，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，M為發(fā)動機氣缸數(shù)。分別考慮正常行駛和怠速2種情況。

正常行駛時激振頻率為

f=1 50060× 22=25 Hz。（9）

怠速時激振頻率為

f=70060 ×22≈11.7 Hz。（10）

根據(jù)分析可知，發(fā)動機激振頻率在10～30 Hz范圍內(nèi)，而機架的一階固有頻率是90.873 Hz，激振頻率與固有頻率差距較大[10]，不會引起共振。

正常行駛時，其他振源產(chǎn)生的激振頻率均遠小于機架各階模態(tài)頻率，不會與機架產(chǎn)生共振。

4 機架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)機架在不同部位受到的力以及產(chǎn)生的變形差異較大，在受力較大的部位可以通過增加材料厚度或改變結(jié)構(gòu)布局來減少變形量[14]。根據(jù)前面的分析可知，機架中間梁受到的載荷以及產(chǎn)生的形變較大，在實際工作中可能發(fā)生危險，而且在模態(tài)分析中也發(fā)現(xiàn)，中間梁和前上梁產(chǎn)生波動的可能性較大，后續(xù)主要對這2處添加支撐。

4.1 確定優(yōu)化方式

以精量直播機的機架模型作為優(yōu)化對象，選定前期變形量較大的部位進行優(yōu)化。根據(jù)分析結(jié)果，選定機架前梁和中間梁作為優(yōu)化目標，對其添加支撐，如圖12所示。

4.2 優(yōu)化前后性能對比

由表2可知，在工況1時機架結(jié)構(gòu)受到的最大應力有所增加，但仍在材料允許的范圍內(nèi)。除此之外，其他各主要參數(shù)均有所減小。應力以及變形量的減小使機架的穩(wěn)定性增強，確保開溝器開出的溝深一致，不會因播深不均勻?qū)е鲁雒缏实偷葐栴}。在播種機翻越田壟導致一輪抬起時，2種工況下機架的受力情況均得到改善，變形量顯著減小，對于焊接處的影響也得到了減輕。

5 結(jié)論與討論

利用SolidWorks對機架進行建模，通過ANSYS靜力學分析，根據(jù)仿真結(jié)果，彎曲工況下最大應力為13.64 MPa，變形量為0.184 73 mm;在扭轉(zhuǎn)工況下，當右前輪離地時，最大應力為58.969 MPa，最大形變量為1.662 9 mm。以上工況下機架受到的最大應力均小于材料的屈服極限值，且變形量較小，驗證了機架能滿足播種作業(yè)的承載要求。

利用Modal模塊對機架進行模態(tài)分析，得到機架的一階固有頻率約為90 Hz，根據(jù)經(jīng)驗公式得到發(fā)動機等激振源的激振頻率低于30 Hz，機架固有頻率與激振頻率不在同一區(qū)間內(nèi)，因而不會發(fā)生共振。

對機架薄弱部位添加支撐優(yōu)化后，機架變形量顯著減小，機架的剛度得到了提升，有利于得到穩(wěn)定的開溝深度。同時為機架進一步優(yōu)化和輕量化設計提供了理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]張洪程，龔金龍. 中國水稻種植機械化高產(chǎn)農(nóng)藝研究現(xiàn)狀及發(fā)展探討[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2014，47（7）：1273-1275.

[2]高 興，王立臣. 關于如何加快江蘇省水稻栽植機械發(fā)展問題的探討[J]. 中國農(nóng)機化，2010，5（5）：14-15.

[3]孫永健，鄭洪幀，徐 徽，等. 機械旱直播方式促進水稻生長發(fā)育提高產(chǎn)量[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（20）：12-16.

[4]于吉淼，趙 冰，田新慶. 水稻直播機械的發(fā)展狀況及前景展望[J]. 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2006，32（2）：15.

[5]李琳琳，王麗紅，坎 雜，等. 矮化密植紅棗收獲機騎跨式機架的有限元分析[J]. 農(nóng)機化研究，2017（1）：25-28.

[6]顧麗春，果 霖，李 歡. 三點懸掛尖鏟式小麥播種機機架振動特性分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2017，45（1）：214-215.

[7]趙艷忠，王運興，禹棟棟. 雙圓盤開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)對作業(yè)性能影響研究[J]. 農(nóng)機化研究，2018（11）：44-47.

[8]劉明輝. 大客車骨架結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性分析[D]. 大連：大連理工大學，2005：38-47.

[9]鄭夕健，劉 翔，董 建. 裝載機動臂截面參數(shù)對于固有頻率的影響分析[J]. 機械與電子，2016，34（12）：23-25.

[10]沈柳楊，蘭海鵬，張 宏，等. 基于ANSYS的核桃分級裝置機架靜力學及模態(tài)分析[J]. 農(nóng)機化研究，2018（7）：36-39.

[11]宋爐祥，陶 冶. 混合齒輪行星系分插機構(gòu)有限元分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2018，46（3）：189.

[12]陳艷霞. ANSYS Workbench 15.0有限元分析從入門到精通[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2015：153.

[13]王東偉，尚書旗，韓 坤. 4HJL-2型花生聯(lián)合收獲機摘果機構(gòu)的設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（14）：15-18.

[14]吳偉斌，廖勁威，洪添勝，等. 山地果園輪式運輸機車架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32（11）：40-45.