果树苗木栽植机机架有限元分析

宋帅帅，杨欣，殷梦杰，李建平，王鹏飞

装备应用技术

果树苗木栽植机机架有限元分析

宋帅帅，杨欣，殷梦杰，李建平，王鹏飞

（河北农业大学机电工程学院，河北保定071000）

根据现代果树苗木大面积密植栽植的农艺需求，设计了一种苗木栽植机。机架承载着栽植机其他重要部件，其结构的稳定性和品质的好坏直接影响到栽植机的使用寿命，非常有必要对机架进行有限元分析，对整机设计和生产有很重要的作用。利用AIP软件建立了栽植机机架的三维模型和组合装配，并根据果树苗木栽植作业的实际工况定义其受力载荷和约束条件，结合机架装置的材料属性进行有限元分析。通过计算和分析，得出机架在工作过程中的应力分布和应变分布找出相应易损部位。对变形大、应力集中的易损部位进行优化改进，最终确定机架的几何参数。通过试验其设计满足农艺要求。

果树苗木；栽植机；机架；静力分析

随着国家农业产业技术体系的实施，人们对果树经济林和城市绿化苗木的需求量越来越大[1]。许多地区已把林果苗木繁育作为农业产业化调整的主攻方向，林果苗木业已成为具有巨大潜力的朝阳产业。

目前，多数林果苗木栽植作业仍旧采取人工挖坑和回填土壤定植树苗的方式。为了提高劳动效率和节约劳动成本，苗木栽植机械化技术越来越受到重视[2]。近几年，国内和国外有关机构就植树作业机械化技术和机械装备进行了大量研究。研究的植树作业装备类型主要有挖坑式、间断开沟式和连续开沟式3种植树作业机[3]。但是挖坑机械主要适用于小面积的坡陡、石头多、山地等场合的植树造林，作业效率不高，劳动强度大，不适合大规模苗木栽植建园作业[4]。同时，基于开沟模式的树苗栽植机得到研究[5]，在大面积苗木栽植作业中工作效率比较高。在此基础上设计了一种多行果树苗木栽植机。为了保证机架的刚度和强度要求，对机架进行有限元分析，根据分析结果做出改进，从而为设计提供理论依据。

1 整机的布置方案

整机和机架结构如图1所示。

图1 整机和机架

机架采用3级连接结构，分别由100 mm×100 mm×4 mm方形空心钢管和80 mm×60 mm×4 mm的矩形钢管焊接而成。其中：第1级为悬挂机构，主要包括悬挂挂接竖梁和斜梁；第2级机构为连接限深轮支架和连接第3级机架的连接机架，包括连接限深轮横梁和连接第3级机架的横梁和两根竖梁；第3级机构为锥形覆土轮和圆形覆土轮、镇压轮支架。机架各级通过螺栓连接，连接限深轮、锥形镇压轮和圆形镇压轮、覆土轮、开沟器、人工作业台后组装成栽植机整机。利用AIP三维设计软件建模并组装完成整机数字模型。

2 机架静态分析

2.1 分析说明与模型准备

栽植机机架型钢金属材料具有各向同性的属性，因此正常作业过程中由温度变化对材料产生的影响可忽略[2]。栽植机的机架为焊接件，模型建立时如果采取焊接结构就要把钢板之间的焊缝类型等因素加入到考虑之中，在很大程度上增加了计算处理的复杂性。为了控制与生成网格精准和高效，在保证模型的几何、力学特性与真实情况相近的条件下[6]，作如下简化：

（1）对机架作单一零件生成实体模型，待分析优化完成后再衍生零件，进行装配设计后转化为焊接件；

（2）保留机架上各型钢的圆角和倒角，对所有焊缝按倒角处理，确保更接近实际的焊接情况。

2.2 设置材料属性

该机架结构所用型材为100 mm×100 mm×4 mm方形空心钢管和80mm×60 mm×4mm的矩形钢管，全部采用Q235钢材质。力学参数如表1所列。

表1 力学参数

2.3 施加约束和载荷

栽植机在实际工作过程中，存放苗木台上的树苗会越来越少，所以机架上的负载是变化的。由于进行的是静态线性分析，因此采用满载树苗时的载荷。为了模拟实际工况，悬挂机架连接处做孔销连接约束。施加载荷有机架本身重力、工作人员（成年）3人的重力、苗木的重力以及在连接开沟装置和镇压轮的牵引阻力。施加载荷见表2.

表2 施加载荷表/N

2.4 设置网格

划分网格是有限元分析重要的一步，粗大的网格求解速度快，但计算精度不够；精细的网格计算精度高，但求解的速度较慢[7]。根据实际工况，分别控制全局网格和局部网格。这里采用h─收敛，对网格进行划分时，优化最大数设置为0，网格平均元素大小为0.1，最小元素大小为0.2，分级系数为1.5，最大转角为60°，并创建弯曲网格元素，以提高模型表达的准确度。划分结果共得到97 986个单元和193 628个节点。划分后见图2.2.5分析与结果

图2 机架网格划分

运行有限元求解计算，得到机架三维应力结果。三维应力和应变常可概括为一个等效应力σe[9]，即

式中，σ1、σ2、σ3为法向主应力，如图3所示。应力最集中的区域在第2级连接机构右侧竖梁上，最大应力为285.6 MPa，该应力大于材料的需用应力，不满足强度要求，作业过程中容易发生变形或者弯曲。其他部位应力比较小，应力分布也基本均匀。此外，在机架整体末端，位移变形量较大，最大值达到了11.45 mm，不满足刚度要求，机架整体不够稳定。需要对机架进行改进。

（续下图）

（续上图）

图3 机架整体的应力云图和机架整体位移云图

3 改进方案

针对分析得出的结果，做以下结构改进：将承载锥形镇压轮、圆形镇压轮和覆土轮的支架一分为二，设计如图4结构。然后再次进行网格设置和有限元分析。

图4 改进后结构

计算后得到模拟机架工作状态下的应力云分布和位移云分布。改进后机架结构整体应力分布云图和位移分布云图如图5所示。改进后的机架最大应力值是191.9 MPa，满足强度要求，位于改进机构的连接板孔位置上。机架最大的位移量为1.437mm，机架变形量对于整个机架尺寸可忽略不计，满足刚度要求。所以，改进后机架满足设计要求。

图5 改进后机架结构整体应力分布云图和位移分布云图

4 样机试制与试验

该机在高碑店进行了样机试制和田间试验，样机田间试验图6所示。试验数据获取为每次每行连续测定150株，栽植质量和栽植精度的测定与计算结果如表3、表4所示。田间试验表明：该栽植机工作性能良好，所栽苗木倒伏率低，仅为0.67%；机具开沟稳定，苗木栽植合格率达98.22%.

图6 栽植机田间试验

表3 栽植质量试验结果

表4 数据处理

5 结束语

（1）通过AIP三维软件建立机架模型，进行有限元分析后，发现起初的设计强度不够，刚度也达不到要求，整体机架不满足设计要求，需要改进。将第3级机构的承载机架一份为二，加装一个调节机构，不仅可以调节覆土轮的高度，而且能够提高整个机架的稳定性，所以在分界处加装一个调节机构。通过优化之后，应力和应变均符合设计要求，为苗木栽植机的整机制造设计提供理论基础。

（2）利用有限元分析果树栽苗机机架，发现生产制造前的潜在问题，利用设计功能优化，减少了栽植机生产成本和设计周期。

（3）试验表明：栽植机作业性能稳定，栽植倒伏率和伤苗率低，栽植效果良好，能够满足果树苗木密植栽植的要求

[1]孙颖华，李浩，朱东丽，等.城市园林绿化苗木发展现状及问题分析[J].农业开发与装备，2016（2）：81.

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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

国家苹果产业技术体系果园机械岗项目（编号：CARS-28）

宋帅帅（1990-），男，河北邯郸人，在读硕士研究生，研究方向：农业机械化、果园机械装备；杨欣（1974-），男，河北定州人，副教授，硕士生导师，主要从事农业机械数字样机等方面研究工作。