丁建梅 胡永冉 丁建華 徐海峰 袁洪棟

摘 要：為使水稻覆膜直播機(jī)的機(jī)架滿(mǎn)足覆膜直播工作的承載要求，避免機(jī)架變形過(guò)大影響覆膜平整度，同時(shí)為避免機(jī)架與發(fā)動(dòng)機(jī)等激振源發(fā)生共振現(xiàn)象，利用ANSYS軟件對(duì)水稻覆膜直播機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析。通過(guò)對(duì)3種材質(zhì)的機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估，材質(zhì)Q235的機(jī)架為最優(yōu)。在對(duì)Q235機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析中，獲得機(jī)架的前六階固有頻率。將主要激振源的激振頻率與機(jī)架的前六階固有頻率進(jìn)行比較，其結(jié)果說(shuō)明機(jī)架工作中不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。最后通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)架能滿(mǎn)足覆膜直播作業(yè)的要求。

關(guān)鍵詞：水稻覆膜直播機(jī);靜力學(xué)分析;模態(tài)分析;田間試驗(yàn)

Abstract：In order to make the frame of the rice mulching direct seeding machine meet the load-bearing requirements of the mulching direct seeding work， avoid excessive deformation of the frame and affect the flatness of the cover， and to avoid resonance between the frame and the excitation source such as the engine， ANSYS is used to perform static analysis and modal analysis on the rice mulching direct seeding machine frame. Through static analysis of three material frames and comprehensive evaluation based on the analysis results， the frame of material Q235 is the best. In the modal analysis of the Q235 rack， the first six natural frequencies of the rack are obtained. The excitation frequency of the main excitation source is compared with the first six natural frequencies of the rack， and the comparison results show that the resonance phenomenon does not occur in the work of the rack. Finally， field tests verify that the designed frame can meet the requirements of the mulching direct seeding operation.

Keywords：Rice mulching direct seeding machine; static analysis; modal analysis; field trial

0 引言

目前，水稻作為主要糧食中的三大部分組成之一，其種植面積占世界糧食種植面積的1/5。在我國(guó)的東北三省，春季時(shí)期的氣候相較于其他南方省份來(lái)說(shuō)偏干燥和寒冷，而水稻覆膜技術(shù)可以很好地解決這一問(wèn)題。水稻覆膜技術(shù)中所用的粘有水稻種子的可降解膜，對(duì)土壤能起到保溫、保墑作用。此外，還能減少病蟲(chóng)害、有效除草和高效節(jié)水[1]。但目前水稻覆膜直播過(guò)程中機(jī)械化水平較低，嚴(yán)重限制了水稻的種植生產(chǎn)效率[2]。

水稻覆膜直播機(jī)械化作業(yè)對(duì)于提高水稻種植效率、降低成本和減輕種植戶(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度等具有重要意義[3-5]。因而，研究設(shè)計(jì)出一種水稻覆膜直播機(jī)具十分重要。在水稻覆膜直播機(jī)研究設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)架作為整個(gè)機(jī)器的承重機(jī)構(gòu)，它承載著展平裝置、覆膜裝置以及鎮(zhèn)壓裝置等結(jié)構(gòu)，故機(jī)架要滿(mǎn)足其覆膜直播工作的承載要求，應(yīng)具備足夠的剛度和強(qiáng)度。機(jī)架的變形會(huì)導(dǎo)致種膜的展平度變差，甚至?xí)l(fā)生斷膜的現(xiàn)象，進(jìn)而影響覆膜效果以及水稻的出苗率。本研究通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)架進(jìn)行仿真分析以及田間試驗(yàn)，驗(yàn)證了其能滿(mǎn)足作業(yè)要求，為機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 水稻覆膜直播機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)建模

1.1 結(jié)構(gòu)模型的建立

機(jī)架主體主要由方管焊接而成。機(jī)架長(zhǎng)為720 mm，寬為2 750 mm，高為620 mm。在Solid Works中建模，如圖1所示。

1.2 分析前處理

機(jī)架主要承受各工作部件以及自身的重力。此外，在覆膜直播工作過(guò)程中，機(jī)架同時(shí)受來(lái)自鎮(zhèn)壓輥的拉力。仿真過(guò)程中，將機(jī)架簡(jiǎn)化為橫梁以及豎梁組成的結(jié)構(gòu)。假定機(jī)架模型為一整體，將機(jī)架模型從Solid Works中導(dǎo)入至Workbench中，進(jìn)行材料屬性的設(shè)置。其材料屬性參數(shù)見(jiàn)表1。

將機(jī)架模型導(dǎo)入分析模塊，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分方法采用四面體劃分法。網(wǎng)格劃分情況為：Q235機(jī)架共有775 674個(gè)節(jié)點(diǎn)，432 279個(gè)單元;鋁合金和不銹鋼機(jī)架各有774 851個(gè)節(jié)點(diǎn)、431 729個(gè)單元。

2 靜力學(xué)分析

2.1 施加約束與載荷

在對(duì)機(jī)架模型進(jìn)行仿真分析時(shí)，確定正確的邊界條件來(lái)限制其位移是獲得較高精度求解結(jié)果的前提[6]。仿真分析中，在機(jī)架上部的耳板上施加固定約束。設(shè)機(jī)架自身重力為均布載荷，其他施加在機(jī)架上的載荷為集中載荷，且施加在各自的設(shè)計(jì)位置上[7]。

經(jīng)研究，整體機(jī)架所承受的載荷主要有兩方面：一是機(jī)架自身重力及各覆膜工作部件重力對(duì)機(jī)架的作用，其中粘附有水稻種子的種膜卷對(duì)機(jī)架也有重力作用，種膜卷安裝在覆膜輥上;二是鎮(zhèn)壓輥在受到前進(jìn)阻力時(shí)機(jī)架立梁受到的拉力。其余諸如帶立式座軸承及螺栓等零件的重力作用影響較小，可忽略不計(jì)。機(jī)架及各部分工作部件質(zhì)量見(jiàn)表2。

2.2 求解分析

在將約束與載荷施加完成后，分析得到機(jī)架的變形云圖如圖2所示，應(yīng)力云圖如圖3所示。

由圖2可知，Q235機(jī)架的最大變形量為2.628 7 mm，最大變形處位于后橫梁的中間部位;鋁合金機(jī)架的最大變形量為5.581 mm，最大變形處位于左側(cè)立梁下方部位;不銹鋼機(jī)架的最大變形量為3.276 3 mm，最大變形處位于后橫梁的中間部位。

由圖3可知，Q235機(jī)架最大應(yīng)力值為188.15 MPa，鋁合金機(jī)架最大應(yīng)力值為167.8 MPa，不銹鋼機(jī)架最大應(yīng)力值為257.57 MPa，

根據(jù)材料屬性可知Q235鋼的屈服強(qiáng)度為σb=235 MPa，鋁合金的屈服強(qiáng)度σb=195 MPa，不銹鋼的屈服強(qiáng)度σb=440 MPa。根據(jù)使用情況，可取安全系數(shù)n=1.2，由公式（5）經(jīng)計(jì)算得出其各自的許用應(yīng)力分別為195、162.5、366.7 MPa。

在機(jī)架結(jié)構(gòu)相同條件下，Q235、鋁合金以及不銹鋼機(jī)架質(zhì)量分別為169.13、66.66、204.55 kg。但鋁合金和不銹鋼材料的價(jià)格均高于Q235。綜上，強(qiáng)度方面，Q235和不銹鋼材質(zhì)機(jī)架強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求，鋁合金材質(zhì)機(jī)架不滿(mǎn)足使用要求;重量方面，鋁合金機(jī)架重量最小，Q235次之;經(jīng)濟(jì)方面，Q235材料價(jià)格最低，經(jīng)濟(jì)適用。故選擇Q235作為機(jī)架材料。

3 機(jī)架模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析介紹

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析獲得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析的過(guò)程就叫作模態(tài)分析[8]。

在模態(tài)分析中，振動(dòng)頻率和模態(tài)由方程（6）計(jì)算求解：

式中：[K]為剛度矩陣;[M]為質(zhì)量矩陣;ωi為振動(dòng)頻率;φi為模態(tài)。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

在對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，高階振型對(duì)其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)影響較小[9]，故主要分析前六階頻率。進(jìn)行仿真后，得到機(jī)架的前六階模態(tài)參數(shù)，其中包括機(jī)架固有頻率、振型以及最大變形量，見(jiàn)表3。

針對(duì)水稻覆膜直播機(jī)，引起其機(jī)架振動(dòng)的振源因素由牽引裝置發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)以及機(jī)器在工作時(shí)作業(yè)地面平整度不一而引起的振動(dòng)等。其中發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)架的振動(dòng)影響主要考慮爆發(fā)激勵(lì)頻率[10-12]，計(jì)算公式為：

水稻覆膜直播機(jī)牽引拖拉機(jī)為直列四缸四沖程的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為2 400 r/min，將發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)代入公式（7）可得發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作情況下的激勵(lì)頻率是80 Hz，這一頻率高于機(jī)架的前六階固有頻率。因此拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)不會(huì)與機(jī)架造成共振。

4 田間試驗(yàn)

通過(guò)與生產(chǎn)方協(xié)調(diào)，生產(chǎn)出所設(shè)計(jì)的整機(jī)機(jī)器。而后進(jìn)行田間試驗(yàn)，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)機(jī)架對(duì)膜平整度的影響，并驗(yàn)證機(jī)架能否滿(mǎn)足要求。

4.1 種膜平整度測(cè)定

通過(guò)進(jìn)行田間試驗(yàn)，測(cè)定并計(jì)算出了3種不同鏈輪轉(zhuǎn)速下的種膜平整度。種膜展平度（δ）通過(guò)以下公式計(jì)算[13]：

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)效果以及數(shù)據(jù)結(jié)果看，機(jī)器所覆種膜未出現(xiàn)斷膜、雍膜現(xiàn)象，覆膜效果良好。此外3次試驗(yàn)的種膜展平度平均值為95.17%，符合覆膜要求。

4.2 穴距、行距和穴粒數(shù)測(cè)定

在水稻覆膜直播機(jī)完成鋪膜作業(yè)后，要對(duì)鋪膜后的種膜的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，以此來(lái)評(píng)價(jià)水稻覆膜直播機(jī)的直播效果。測(cè)定的項(xiàng)目包括穴距、行距和穴粒數(shù)，測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

根據(jù)表5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，穴距、行距沒(méi)有發(fā)生變化，水稻覆膜直播機(jī)的作業(yè)情況良好，但有水稻種子丟失的現(xiàn)象發(fā)生。經(jīng)分析，造成水稻種子丟失現(xiàn)象發(fā)生的原因是種膜在運(yùn)輸以及覆膜過(guò)程中水稻種子發(fā)生脫膠現(xiàn)象。該問(wèn)題可通過(guò)完善種膜的運(yùn)輸過(guò)程以及調(diào)節(jié)種子的黏膠方式來(lái)解決[14]。

5 結(jié)論

通過(guò)ANSYS Workbench軟件對(duì)水稻覆膜直播機(jī)的機(jī)架部分進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析，得到了機(jī)架的應(yīng)力云圖與變形云圖。通過(guò)以強(qiáng)度、質(zhì)量和價(jià)格等方面的衡量尺度，對(duì)3種不同材質(zhì)的機(jī)架進(jìn)行比較分析，確定了最優(yōu)機(jī)架為Q235機(jī)架。然后，通過(guò)對(duì)Q235機(jī)架的模態(tài)分析，得到了機(jī)架的前六階固有頻率與振型云圖。進(jìn)一步分析了影響機(jī)架的主要振動(dòng)因素為發(fā)動(dòng)機(jī)引起的振動(dòng)，將產(chǎn)生振動(dòng)的主要振源與機(jī)架的固有頻率相比對(duì)，發(fā)現(xiàn)機(jī)架模型避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)頻率以及路面激勵(lì)頻率，從而確定了機(jī)架不會(huì)發(fā)生共振。此外，通過(guò)對(duì)整機(jī)的田間試驗(yàn)驗(yàn)證了其工作性能，也測(cè)定了種膜的展平度。試驗(yàn)結(jié)果表明種膜展平度符合要求，機(jī)器工作性能良好。

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