玉米播种机机架有限元分析及优化

吉林省吉林农业大学工程技术学院 赵怀祥

前言

免耕玉米播种机是在没有耕过且地表有其它作物收割之后的残茬条件下来播种的机器。可以完成破茬、开沟、施肥、播种、覆土、镇压等操作[1]。机架是玉米播种机的关键零部件，机架在工作的时受力复杂，机架的几何尺寸与强度直接决定玉米播种机的精度[2]。因此，为了保证机架的强度和刚度要求，有必要对机架进行有限元分析，从而得出其工作时的应力分布和应变分布，为设计提供理论支撑。

1 玉米播种机介绍

玉米播种机的三维设计，主要零部件包括：排种器、机架、覆土器等[3]。

玉米播种机的主要性能参数有：外形尺寸、悬挂方式、工作行数、工作宽度等[4]。悬挂方式为三点悬挂，工作行数为四行，工作宽度为220~240m，深松深度大于25mm。

2 机架的设计

根据玉米播种机的要求，运用pro/E三维软件的抽壳特征完成机架设计。机架悬挂方式为三点悬挂。

3 机架有限元分析

ANSYSWorkbench提供了强大的分析模块，利用该模块只要给工件添加材料、网格划分、定义约束和载荷、就可以实现有限元分析。

3.1 有限元分析理论

在有限元分析过程中，其动力学方程如下[5]：

[M]是质量矩阵，[K]是刚度矩阵，{x}是位移向量，{F}是静载荷，[C]为阻尼矩阵，t是时间。在静力学分析中，与时间有关的量等于零，方程化简如下：

常规方法进行强度和刚度计算难度大，利用Pro/E软件建模并用ANSYS对其进行有限元分析，可以求出机架的应力、应变分布情况[6]。

3.2 机架的有限元分析

首先，将机架模型导入ANSYS，并插入静力分析模块。

其次，添加材料属性、划分网格。机架采用Q235，材料密度为7.86×103kg/m3，泊松比μ=0.3，弹性模量E=2.0×1011pa。单元类型采用系统默认的10借点四面体单元，每个节点有三个自由度。该模型一共划分36530个节点，16320个单元，。

再次，定义载荷和约束。机架的受到多种形式的力，种肥箱的总重约为180kg，其中包括播种机净重100kg，种肥箱容纳3/4种肥时的重量80kg。播种机的水平方向的阻力为开沟器的总阻力和播种机摩擦力的和，约为1200N。所以牵引力取2000N，三点悬挂牵引力分配为700N、700N、600N。

最后，求解并查看分析结果。在设定好以上参数后，便可以进行求解，求解完成后，通过后处理，便可查看应力分步、应变分步情况。进而可知机架的最大变形在前臂为1.3mm，变形不大。静载荷作用下机架的应力主要集中在机架和牵引臂焊接的地方。最大主应力108.1为MPa，最大剪应力为53MPa，均小于材料的屈服极限。当播种机受到过大的阻力时，焊接处容易断裂。因此该结构需要优化设计。

4 悬挂装置优化

通过对机架和悬挂装置静力学分析，得出机架与悬挂装置焊接处容易断裂。因此需要对悬挂装置进行优化设计。优化方案为：在悬挂装置后再焊接两个支撑肋板。优化后最大等应力变为37.79MPa，最大主应力变为33.07MPa，最大变形也减少为0.12mm。综上，机架的强度、刚度满足设计要求。

5 结论

首先，通过三维pro/E软件建立播种机机架及其悬挂装置模型，将模型导入ANSYSWorkbench中进行静力学分析，对强度进行校核，得出强度满足要求，但安全余量不大，因此结构需要优化。通过静力学分析得出机架与悬挂装置处受到应力比较大，容易断裂，所以在悬挂装置后加装两个肋板，通过优化之后其应力及其应变完全符合设计要求，为播种机的整机设计制造提供理论依据。