王珏 侯为康 杨欣 王建合

1、河北农业大学机电工程学院 2、河北省农机化技术推广服务总站

2BFGM-4棉花旋播机开沟器的设计与仿真

王珏1侯为康1杨欣1王建合2

1、河北农业大学机电工程学院 2、河北省农机化技术推广服务总站

本文对2BFGM-4棉花旋播机开沟器的关键零部件的主要参数进行了详细设计，确定了初步的尺寸参数。利用AIP软件建立了原始开沟器的三维装配体模型，并根据旋播机作业的实际工况定义其约束条件和受力载荷，结合开沟器的材料属性进行有限元分析，通过参数驱动机制变换开沟器设计参数，最终使开沟器开沟效果达到最佳。

棉花旋播机开沟器；零部件；设计参数

2BFGM-4棉花旋播机是针对河北省棉区气候状况与区域特点，结合河北省棉花产业技术体系提出的棉花种植农艺新要求，农机与农艺相结合，在现有棉花播种机的基础上，设计一种集旋耕、施肥、播种、喷药、覆膜、压土等多工序为一体且能实现（68+8）cm宽窄行错位播种的多功能联合作业机[1,2]。而开沟器是棉花旋播机上的重要部件，其作业效果的好坏，直接影响着播种机的播种质量。

1 开沟器的结构设计

开沟器结构图如图1所示，包括开沟器连接架和开沟器两部分。开沟器连接架由前连接板1、上加强筋2和下加强筋3组成，通过U型螺栓固定在机架上，起到承载和支撑的作用并带动开沟器工作。弹簧导板座板5用来安装镇压轮。开沟器4包括芯铧和翼板，翼板能保护种子下落时不受风等外界环境因素的影响，按预计轨道落种。

图1 开沟器结构图

开沟器的结构简图如图2所示，为了增加开沟器的耐磨性，使用3mm厚的65锰钢板制造，把铧尖和刃热处理，硬度为HRC40。

图2 开沟器结构简图

图中α为入土角，入土角较小时，入土性能强，工作阻力小，但是导致铧尖过长，强度和耐磨性差，同时沟槽深度也不够。入土角较大时，强度和沟槽深度能达到要求，但是入土能力不足，前进阻力也比较大。所以，必须选择合适的入土角。实验研究表明，芯铧式开沟器入土角在15°～25°最合适，本机型选择的入土角α=25°。入土隙角ε是水平地面与开沟器底面之间的夹角，开沟器入土性能也受入土隙角影响。入土隙角过小，入土能力比较差，增大了摩擦阻力致使底边磨损严重；入土隙角较大使沟槽底不平，回土提前，入土隙角以5°～10°为宜，本机选择入土隙角ε=5°。γ为斜切角，芯铧开沟器的斜切角过大，杂物不易通过，容易造成缠挂和堵塞。斜切角过小时，切断杂物的能力较弱，斜切角一般取60°～75°，本设计中斜切角γ=60°。铧高H过高会壅土，增加工作阻力，本设计铧高H=140mm。开沟器幅宽B主要作用是控制垄作幅宽，由苗幅宽度决定，本开沟器幅宽B=120mm。

翼板的长度起着尤为重要的作用，翼板过长会增加开沟器重量和体积；太短，种子下落时会受到外部环境的影响。所以需计算翼板长度的最优值。

地轮通过链轮将动力传给排种器，播种机的前进速度为vm，排种盘转速为np，排种盘线速度为vp，三者关系如下：

由公式（1）和（2）得：

式中dp——排种盘直径（m）

s——株距（m）

z——排种盘型孔数

γ——地轮打滑率

根据2BFGM-4棉花旋播机技术参数，将数据代入公式（3）得，vp=0.111m/s。则种子离开排种盘的速度方程为：

式中，β为落种角，最合理的落种角β=44°；vx为种子脱离排种盘时水平方向的速度分量，种子沿机器前进方向作匀速运动；vy为种子脱离排种盘时竖直方向上的速度分量，种子在竖直方向作初速度为vy，加速度为g的匀加速运动。种子从离开排种盘到落入种沟的垂直距离为H=0.18m。所以，设种子下落H高度所用时间为t（s），水平前进位移为L（m），则种子离开排种盘的运动方程为：

代入已知数据，解方程得，L=0.1m，t=0.18s。

设种子落入种沟内的t时间里，播种机前进距离为S，

则S=vmt=0.15m （6）

设种子相对于播种机向后的位移为C，

则C=S-L=0.15-0.1=0.05m （7）

所以，开沟器翼板的最短距离为0.05m，本机设计为C=80mm。

按照上述相关尺寸，利用AIP软件对开沟器进行三维建模，如图3所示。建模时，开沟器连接架运用钣金设计，调用资源中心的钣金，之后进行切割和折弯，再进行焊接；开沟器主要运用草图、放样、圆角等特征，最后进行装配，装配过程中会用到面与面配合、角度配合和线面配合等命令。

图3 开沟器三维模型

2 开沟器的有限元分析

开沟器是2BFGM-4棉花旋播机的关键部件之一。工作时，芯铧式开沟器与土壤之间接触挤压，受力比较复杂，为了保证开沟器的强度和可靠性能够满足要求，有必要对其进行应力分析。

2.1 开沟器受力分析

图4 开沟器受力及其平衡

开沟器的受力比较复杂，受到诸多因素的影响，如开沟深度、土壤特性、开沟器尺寸参数、作业速度等。开沟器受力状况影响其工作性能。如图4中，G为开沟器自身重力，R为土壤对其的作用力，P为前进牵引力，S为合力。O点位置高低决定着开沟器入土深浅，当P与S在同一直线上时，开沟器处于平衡状态，开沟深度不变，工作状态稳定。较低或者较为靠前时，重力G与阻力R的合力S与牵引力P构成向下入土的力矩，于是，开沟器入土深度增加；反之则深度减小。当合力与牵引力P作用在一直线上处于平衡状态时，则开沟器深度不变，工作稳定[3]。

开沟器所受的工作阻力，包括以下几种力：

（1）沟器前进中与土壤之间产生的摩擦力；

（2）沟器翻土受到的土壤反作用力；

（3）土壤对开沟铲的垂直反作用力。

根据犁耕工作阻力计算式得：

R=kab （8）

式中

k——为土壤比阻（N/cm2）

a——开沟器宽度（cm）

b——开沟深度（cm）

机具为旋耕后开沟播种，因此土壤类型是轻质，故选取土壤比阻k=3N/cm2，由上文知a=12cm，开沟最大深度为b=9cm，代入数据得R=324N。

2.2 开沟器有限元分析

有限元 分 析 法 （Finite Element Analysis,FEA）是求解工程受力问题的一种数值求解计算方法[4]。其可将连续系统模型离散成为有限个简单系统模型，再逐个进行分析，然后转变为数学问题，但同时计算量也会相应增加。有限元系统用节点和单元的方式把较大的工程问题划分，节点把单元相互连接起来，得到近似解。其中施加的力主要集中在节点的位置，相应的可以对节点位移、压力、电压等进行分析。要对节点的位移、电压、温度、压力及磁位能等进行相应的分析[5]。元素又把节点与节点相互连接，可以根据不同类型的工程系统选用不同的元素。划分的越细致计算量就越大，计算精度也越高。

有限元分析操作过程如下:

第一步，创建数字样机模型，定义模型材料；

第二步，设定模型的边界和受力条件；

第三步，网格划分求解；

第四步，得到输出结果，研究改进。

2.2.1 模型简化说明

针对开沟器焊合组的强度进行有限元分析。芯铧开沟器选用3mm厚的65Mn钢。前连接板、上加强筋和下加强筋选用4mm厚的钢板。

开沟器焊合组工作时，前连接板与机架相连，开沟器入土开沟，与土壤接触的是芯铧开沟器两侧板，而工作阻力主要作用在两侧板芯铧曲面上，需要先对芯铧曲面进行分割，再施加载荷，这样计算分析得到的结果更加准确。

有限元分析是AIP软件里附加的模块，它属于静力学范畴，在诸多行业的机械强度校核中得到了应用。本次分析的物理模型由开沟器焊合组三维模型（图3）及其边界条件所构成，可进行静力分析[6]。为了便于计算，作如下假设：（1）三维模型所用材料是各向同性、均质和线弹性的；（2）不考虑温度对开沟器材料的影响；（3）应力分析后的变形量与开沟器钢板厚度相比忽略不计[7]。

2.2.2 指定材料

在AIP软件中，打开开沟器焊合三维模型，因为软件内嵌有应力分析，所以不用转换格式。左击标题栏上的“环境”按钮，再点击“应力分析”按钮，进入应力分析环境，在此创建静态分析，接触类型选择粘合；由上文叙述可知芯铧开沟器为65Mn钢，连接架为Q235，在软件中指定构件的材料如图5所示，各材料的物理属性如图6所示。

图5 指定材料

图6 材料属性

2.2.3 施加约束和载荷

为了获得较为准确的结果，需要按照开沟器实际工作时的状态给其施加固定约束和载荷。开沟器焊合组是连接在机架上的，所以前连接板是固定的，在其前面施加固定约束。工作阻力主要作用在芯铧前曲面上，故在其上加载垂直于面的力。此外，两侧板上受到土壤侧压力，上板受到排种器及种箱的压力。需要说明的是，力的加载在软件中显示在面的特定位置，但实际并不是如此，而是力均匀加载在面上，且开沟器还受到自身重力约束和载荷的施加，如图7所示。

图7 施加载荷力

2.2.4 划分网格与求解

图8 有限元网格

图9 分析结果

划分网格是有限元分析中的重要环节，它是进一步将数学模型转化为有限元模型。网格划分的形式和精度直接影响有限元分析的结果。AIP软件中“网格相关性控制”可以调整全局网格大小的划分，其值越大网格单元就越小，分析产生的结果精度越高，但求解时间越长。相反，其值越小，网格单元越大，求解时间越短，但结果精度不高。该零件有限元分析网格相关性控制为0，共被划分为20319个节点，9648个元素，如图8所示。

网格划分完成后，左击“分析”按钮，即可得到分析结果，包括等效应力、第一个主应力、第三主应力、位移和安全系数等，如图9所示。

2.2.5 结果分析与优化

Richaed Von Mises提出了最大变形屈服变量等效应力。它主要用于塑性材料变形强度校核。等效应力σe[8]常用三个法向主应力来表示即：

式中σ1，σ2，σ3——法向主应力。

塑性材料的等效应力应小于其屈服强度，否则，零件将会失效。即：

σe≤σs（10）

式中σs——材料本身的屈服强度。

图10和图11所示为开沟器在工作阻力作用下的等效应力图和最大主应力图。由图可知开沟器焊合组所受最大主应力为149.4MPa，出现在芯铧开沟器板上。最大等效应力也应发生在相同的位置。可以看出开沟器等效应力的最大值为160.6MPa，此位置的材料为65Mn钢，其屈服强度为430 MPa。所以，等效应力小于材料的屈服强度，故从等效应力角度校核开沟器焊合组时，强度满足要求。

图10 等效应力

图11 第一主应力

变形量和安全系数也是有限元分析得到的结果，其能更加直观地来判断构件受力后的变形大小和是否永久变形。图12所示为开沟器焊合组的变形量，其最大位移量为0.7486mm，相对于构件的尺寸来说，因其在安全允许范围内，可以忽略不计。

图12 变形

图13 安全系数

安全系数是等效应力与最大许用应力的比值，根据其大小可以判断零部件是否失效，比值越小，安全系数越小，失效可能性越大；比值越大，安全系数越大，安全性越高。设安全系数为s，则有

当安全系数s＜1时，零部件是失效的，不可采用。只有当安全系数s＞1时，零部件设计才可能被接受。但安全系数过大，会浪费材料及过多的消耗能量。农机行业中，安全系数被认为控制在2～4之间为较好。如图13，该开沟器焊合组安全系数为1.29，不够安全，所以有待改进。

故针对芯铧开沟器侧板薄弱和减轻开沟器焊合组总重量进行修改，将芯铧侧板厚度由3mm增加到6mm，把连接架、肋板等安全系数较高的零件，厚度由6mm缩小到3mm。由于尺寸是关联设计的[9]，草图修改后驱动三维模型自动更新。修改后开沟器质量由9.592 kg减小到8.353kg。固定约束和力的大小位置不变，网格相关性控制不变为0，共被划分为17164个节点，8136个元素。

图14 优化后的安全系数

表1 改进后应力分析结果

改进后安全系数如图14所示，开沟器焊合组安全系数最小值为2.21，符合安全系数要求。其他参数结果如表1所示，全部满足要求。通过有限元分析计算后的优化改进，开沟器焊合组既满足了强度需求，又节省了材料，降低了成本及能耗。

3 结论

（1）对2BFGM-4棉花旋播机开沟器的关键零部件的主要参数进行了详细设计，确定了初步的尺寸参数。

（2）利用AIP软件创建2BFGM-4棉花旋播机开沟器的三维参数化模型，设置了各部分的材料属性，并采用参数关联方法，构建初始设计与改型结构的关系，为有限元分析中模型参数改进提供了方便。

（3）对2BFGM-4棉花旋播机开沟器初始模型施加实际作业工况下的载荷条件和边界约束条件，进行有限元应力分析计算。根据计算结果改进模型参数，使其强度、变形量和安全系数均达到作业强度要求。

[1]侯为康.棉花旋播机设计及性能分析[D].保定：河北农业大学,2016.

[2]侯为康,王珏,杨欣,王建合.棉花旋播覆膜联合作业机设计及试验[J].农机化研究,2017(09):123～128.

[3]李宝筏.农业机械学[M].北京:中国农业出版社,2003:39～33,66～68.

[4]何建华,杨欣,李建平,刘俊峰.林果树苗栽植开沟装置有限元分析与结构改进[J].农机化研究,2017(01):147～151+157.

[5]杨欣,佟金,陈东辉,张书军,陈秉聪. RFT内支撑三维结构有限元静力学分析与改进设计[J].农业机械学报,2008,03:10～13.

[6]ANSYSinc.ANSYS Workbench re -lease9.0 documentation[M].Simulation Help 2006.

[7]唐湘民.Autodesk Inventor有限元分析和运动仿真详解[M].北京:机械工业出版社,2009.

[8]过小容,吴洁.Autodesk Inventor Pro -fessional R 9/10培训教程[M].北京:化学工业出版社,2006.

[9]Nobuyuki F,Satoshi S.Observana -mic stallon darrieus wind turbine blades[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2001,89(02):201～214.