林果树苗栽植开沟装置有限元分析与结构改进

何建华，杨 欣，李建平，刘俊峰

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)



林果树苗栽植开沟装置有限元分析与结构改进

何建华，杨 欣，李建平，刘俊峰

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)

根据现代林果树苗大面积栽植的农艺需求，设计了一种林果树苗开沟栽植机。在初始样机田间试验中，开沟装置侧面的沟型保持板发生较大变形。为了增强开沟装置的结构强度，避免作业阻力过度增加，利用有限元法对开沟装置进行了结构分析。利用AIP软件建立了原始开沟装置的三维装配体模型，并根据林果树苗栽植作业的实际工况定义其约束条件和受力载荷，结合开沟装置的材料属性进行有限元计算。同时，通过参数驱动机制变换开沟装置模型尺寸，获得了开沟装置的多组应力、变形和安全系数等数据，依据计算结果改进了开沟装置的结构和参数。试验结果表明：改进的开沟装置没有出现变形现象，作业机组工作状态良好，达到了林果树苗栽植作业的农艺要求。

林果树苗；栽植机械；开沟装置；有限元分析；结构改进

0 引言

目前，多数林果树苗栽植作业仍采用人工挖坑和回填土壤定植树苗的方式。为了节约劳动成本，提高劳动效率，林果树苗栽植机械化技术越来越受到重视。手提式挖坑机或拖拉机悬挂式挖坑机在林果树苗栽植中已经得到应用[1-3]，这些机具采用螺旋或铣刀等钻头挖坑装置，因侧向力较大而常导致机组有较大摇晃或振动。国内研究者研发了车载式挖坑机[4]、分层式挖坑机[5]和其他新型挖坑机具[6-7]，对挖掘部件的结构参数做了大量研究和改进[8-9]，使得挖坑机作业性能得到了改善。但挖坑作业是按照树苗定植穴距逐个进行的，人工用铁锹回填土壤、压实、覆土，完成苗木定植。该作业方式在大面积栽植树苗时，作业效率不高，劳动强度很大。同时，基于开沟模式的树苗栽植机得到研究[10]，在大面积树苗栽植中工作效率较高。本文针对现代林果业大面积树苗栽植的需求，设计了林果大面积树苗栽植的专用栽植机，该机核心部件是苗带开沟装置，开沟质量的好坏直接影响树苗的栽植质量和成活率。初始设计的苗带开沟装置在试验中表现为沟形不稳定，树苗易倾斜，开沟阻力大，侧板易变形。AIP(Autodesk Inventor Professional)软件在林果苗木断根、挖掘、果园开沟等入土部件优化设计中得到了应用，并在关键部件的结构改进、强度分析和参数优化等诸多方面取得了良好效果[11-13]。为此，利用AIP软件对原始设计的苗带开沟装置进行三维建模和有限元分析，计算开沟装置在开沟作业实际工况载荷条件下的结构强度，并根据其应力分布、变形量和安全系数等分析结果，改进结构和参数，以期强化开沟装置、改善开沟质量、提高作业效率，达到大面积林果树苗栽植培育的农艺要求。

1 开沟装置三维参数化建模

1.1 林果树苗栽植机结构和工作原理

牵引式林果树苗栽植机主要包括覆土轮、镇压轮、回土轮、开沟装置、机架和限深轮等部件，如图1所示。

1.覆土轮 2.镇压轮 3.回土轮 4.开沟装置 5.机架 6.限深轮

作业时，机组进地一次即可实现地表开沟、放苗、扶苗、回土、分层压实和表层覆土等一系列作业工序，完成苗木田间定植。

机架为整体焊接结构，整机与拖拉机形成后悬挂作业方式，通过限深轮实现150～400mm范围内调节开沟深度。开沟装置是整机的核心工作部件，在其入土开沟作业中要求容易入土、深度稳定、沟形整齐且能维持一定放苗时间，及时协助扶持苗木保持直立状态，直到回土压实，确保树苗垂直定植。

1.2 开沟装置的三维模型

开沟装置由开沟刀、开沟板、保持板、挡土板、扶苗器和连接件等结构焊合而成，如图2(a)所示。开沟装置通过连接件和U型螺栓固定在机架横梁上。

为了达到开沟装置作业要求，其开沟板应具备保持作业状态下稳定的工作隙角α，如图2(b)所示。开沟板的作用是开沟分土，并向两侧推土。开沟刀的强度应足够大，确保稳定的开沟深度和较强的破土能力。保持板的作用是防止已分土垡过早回落沟中，确保沟形宽度维持一定时间。挡土板的作用是防止两侧因推土堆积的松土翻落沟中影响沟深。扶苗器的作用是将树苗收拢到苗带中间，保证回土压实过程中树苗直立并定植成一条直线。

(a) 开沟装置结构组成

(b) 开沟板工作隙角

在AIP软件中按1∶1建立开沟装置部件初始设计的三维装配体模型，所有零件均采用参数化建模，零件之间添加正确的装配关系达到模型全约束，确保后续更新零件结构参数(宽度、厚度、角度等)时装配体的拓扑关系不会发生改变[11,14]。为了在后续有限元分析中便于快速更新模型，利用参数化功能建立了尺寸驱动关联关系[15]。

1.3 设置零件材料属性

材料的选用原则是在保证挖掘性能的前提下降低阻力、节省材料[11]。65Mn具有耐磨损和刚性好的优点，常被选用做犁铧等入土工作部件[16-17]，因此开沟刀材料选用65Mn，其屈服强度为430MPa，极限拉伸强度为735MPa。开沟装置的其它零件均选用Q235A，其屈服强度为235MPa，极限拉伸强度为500MPa。在AIP中分别设置了两种材料的属性。后续有限元模型可继承该零件模型中的材料属性。

2 开沟装置有限元分析

2.1 分析说明与模型准备

为了获得开沟装置最优结构参数，对开沟装置进行有限元分析。因为Q235A、65Mn等金属材料具有各向同性，忽略工作过程中温度变化对材料的影响。开沟装置在正常开沟作业工作过程中入土部位动载荷可转换为等效静载荷，其变形量与总体尺寸相比很小。开沟装置各零件的物理属性符合结构静力学分析的基本假设[18]。在结构静力学分析中，螺栓连接、焊接等详细结构常用“粘合”接触方式代替[19]，因此开沟装置连接板与底架横梁之间的螺栓连接和各焊接零件之间均采用面与面“粘合”接触方式。

2.2 施加载荷和约束

该树苗栽植机配套拖拉机动力功率为55.2kW，开沟深度为150～400mm，设计作业速度为1.0～1.2m/s。重力加速度g取9.81m/s2,为保证开沟作业质量，开沟装置最大变形量设计要求不能超过5mm，扶苗器最远端变形量不能超过5mm。开沟装置通过U型螺栓固定在机架横梁上， 固定约束加在连接板与机架横梁接触面及其螺栓孔上。开沟装置的入土载荷可通过拖拉机挂钩牵引力进行计算。拖拉机挂钩的牵引力的计算式为[17]

(1)

式中 PT─拖拉机牵引功率(kW)。

拖拉机行走在松软土壤上，取拖拉机的牵引功率PT为

PT=0.40Pe

(2)

式中 Pe─发动机额定功率(kW)。

考虑机组作业时，轮式拖拉机最大牵引效率达55%[11]，分配到开沟装置上的牵引力为50%(另50%用于克服传动等阻力)。经计算，拖拉机挂钩牵引力为18.4kN；开沟产生的土垡质量约为30kg时，计算得到开沟装置总阻力为5.1kN。总阻力作用在开沟刀、开沟板的倾斜面和刃口部位，考虑到开沟过程中可能受到石头等杂物的冲击，因此将施加的总阻力提高到计算值的1.5倍。将总阻力以正压力、土壤摩擦力等形式分配在开沟装置作用面上；扶苗器在收拢弯折处将受到树苗的推挤和摩擦作用，其尾部仅有很小的树苗横向推挤和摩擦，根据树苗歪斜角度、树苗质量及木质材料与金属的摩擦因数等因素，将预估载荷施加到扶苗器相应部位；保持板表面也将受到两侧土壤的推挤和摩擦，根据土垡质量、开沟质量及金属材料土壤的摩擦因数等因素，将预估压力施加到保持板表面。

2.3 设置网格

在有限元分析中，网格划分数量的多少直接影响计算精度，网格划分越多，计算精度越高，但求解慢、计算时间长；网格划分越粗糙，计算精度越低，但求解快、计算时间短。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0.06，最小元素大小为0.15，分级系数为2，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45 817个单元和85 617个节点。

2.4 计算结果分析

运行有限元求解计算，得到开沟装置三维应力结果。三维应力和应变常在多个方向上产生，这些多方向应力可概括为一个等效应力δe[20-21]，即

(3)

式中 δ1、δ2、δ3─法向主应力。

为了更加直观地判断材料是否发生永久变形，应用最大等效应力失效原理对可延展材料计算安全系数K，即

(4)

式中 [δ]─材料最大许用应力。

表1列出了开沟装置初始设计三维应力分析结果。

只有安全系数大于1才能被接受[20-21]，由表1可知：开沟装置的安全系数为0.38，即开沟装置的结构尺寸偏小；等效应力最大值超过了结构的屈服极限，且最大值发生在开沟板上。这一计算结果和该开沟装置在初始试验中，开沟板发生变形的情况吻合。由此可以判断出，开沟装置的壁厚参数过小强度不够，在开沟作业中可能引起永久变形失效，进而导致沟形宽度和深度不稳，土壤回落较早。由于开沟板变形导致扶苗器间距改变，严重影响栽植作业质量，因此，必须对开沟板的参数进行调整。

表1 初始设计开沟装置三维应力分析结果

3 开沟装置结构改进

3.1 参数调整

根据设计要求，开沟板的工作隙角α不能改变，土壤松动主要是靠工作隙角α保证；保持板的高度不能改变，保持板的高度决定了最大开沟深度。因此，主要对开沟板的厚度和保持板的厚度等参数进行调整。通过调整参数(见表2)，考虑到加工工艺性，保证开沟板和保持板厚度相同)驱动模型更新，通过多次有限元分析计算后，开沟装置三维应力分析结果的变化趋势如图3所示。

表2 开沟装置的关键参数结构表

由图3可知：随着开沟板和保持板厚度增加，等效应力有了明显降低，但是仍大于材料的屈服极限；开沟装置质量随结构尺寸的变大而增大，这将导致结构变得笨重；开沟装置变形量随着结构尺寸的变大而减小，但安全系数始终在1以下，且增加趋势不明显。

(a) 等效应力和质量变化趋势

(b) 变形量和安全系数变化趋势

3.2 结构改进

对开沟装置的结构做了进一步的改进，对其内部薄弱地方焊接了加强肋板，如图4所示。

(a) 内部原始结构

(b) 内部加强肋

其中，加强肋1与左右保持板焊接，加强肋2与左右保持板和连接板焊接，加强肋3与左右开沟板和加强肋4，加强肋4与加强肋2、加强肋3、开沟刀和开沟板的上部焊接在一起。通过调整参数，进行多次有限元分析计算后，将最后确定的结构尺寸与原始模型进行对比，如表3所示，变形和安全系数如图5所示。

表3 改进前后参数与分析结果对比

(a) 开沟装置变形图

(b) 开沟装置安全系数图

4 样机试制与田间试验

2015年3月下旬，河北省高碑店市宝忠农具厂对改进后的开沟装置进行了试制，并安装到牵引式林果树苗栽植机上，在厂家试验田进行了栽植试验，配套动力为55.2 kW拖拉机，如图6所示。试验结果显示:改进后的开沟装置最大开沟深度可达到400mm，拖拉机动力充沛，作业顺畅，苗木放置方便，且能够保持直立，填土压实稳定，定植直线性好。试验完毕后开沟装置没有变形，该机型经批量生产，用户生产应用效果良好，达到了预期的设计要求和林果树苗栽植作业效果。

图6 开沟栽植树苗田间试验

5 结论

1) 利用AIP软件创建了林果树苗栽植机开沟装置零部件的三维参数化模型和装配体模型，设置了材料属性，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更新提供了方便。

2) 对开沟装置初始模型施加实际作业工况下的载荷条件和边界约束等边界条件，进行有限元三维应力计算。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预期设计要求。

3)田间试验表明：改进设计的开沟装置具有良好的入土性能，作业中没有发生永久变形和断裂，能够开出栽植林果树苗时所需深度，有效地减少了土垡过早回落，确保在一定时间内维持沟形，保证树苗栽植的顺利进行。

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Finite Element Analysis and Structural Improvements for the Ditching Equipment of Planting Fruit Tree Saplings

He Jianhua，Yang Xin， Li Jianping， Liu Junfeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China)

According to the modern agronomic requirements of planting large area fruit tree saplings, a kind of planting ditching machine was designed. In the initial field experiments of prototype, the large deformation was occurred on the gutter-holding plate of ditching equipment side. In order to enhance the structural strength of ditching equipment and avoid the work resistance excessively increased, using finite element method to analyze the structure of ditching equipment. The three-dimensional assemblies model of ditching equipment was built by AIP software, the constraint conditions, loading forces, and materials of ditching equipment were defined for the ditching equipment FEM model based on the real work environments of planting fruit tree saplings. the more groups of data were calculated such as stress, deformation, and safety factors, through transforming the model dimensions of the ditching equipment by the parameter-driven mechanism, and according to the results to improve structure and parameters, the modified ditching equipment was tested, the results show that there was no deformation phenomenon on the ditching equipment, the working units can be operated in good condition, and reach agronomic requirements of planting fruit tree saplings.

fruit tree saplings; planting machinery; ditching equipment; finite element analysis; structural improvements

2015-11-26

现代农业装备研发中心建设项目(XDNZ201501)；国家苹果产业体系果园机械岗专项(CARS-28)；国家公益性行业(农业)科研专项(201203016)

何建华(1990-)，男(满族)，河北秦皇岛人，硕士研究生，(E-mail)963715013@qq.com。

杨 欣(1974-)，男，河北保定人，副教授，博士，(E-mail)yangxin@hebau.edu.cn。

S223.94

A

1003-188X(2017)01-0147-05