北方旱地玉米免耕播种机的设计与有限元优化

贾贺鹏， 王应彪， 李 明， 孙正经， 戴 丽

(西南林业大学机械与交通学院，云南昆明 650224)

玉米免耕播种技术是对农田的一种保护性技术措施，可以减少对土地的耕作，利用农作物的秸秆将地表覆盖，可以减少风、水的侵蚀，增强土壤的抗寒能力，还可以减少人力成本[1]。玉米播种机在保证粮食增产、推进种植业发展以及农业科技进步中具有极其重要的地位和作用。免耕玉米播种机就是以作物种子为播种对象的种植机械，是在未经翻耕且地表有作物残茬覆盖的条件下进行播种，可以一次完成破茬、开沟、覆土及镇压等操作[2]。玉米播种机在使用过程中，播种机工作部件开沟铲由于与土壤的接触不可避免地受到磨损，从而导致耕作质量和一些技术经济指标降低。由于陶瓷材料具有高硬度、高耐热性、高耐磨性等特征，比传统材料有一定的优越性，因此，对播种机工作部件开沟铲使用Al2O3陶瓷材料，用有限元软件对其进行静力分析，得出开沟铲在工作时的应力和应变图，对比金属材料开沟铲和Al2O3陶瓷材料开沟铲的分析结果，验证在开沟铲上Al2O3陶瓷材料能否代替金属材料使用，并对播种机的机架进行有限元分析，以保证满足各项性能指标。通过对玉米播种机Al2O3陶瓷材料工作部件的有限元分析，可以为农业机械化玉米播种机的改进优化设计提供相应的理论分析和研究方法。

1 玉米播种机的设计

根据玉米播种机整机设计要求，利用三维设计软件对播种机的各部件进行设计，并进行虚拟装配和干涉检查。玉米播种机基本组成包括机架地轮装置、开沟覆土装置、变量播种施肥装置、传动装置、镇压装置以及一些配件[3]。

1.1 机架地轮装置设计

机架设计采用三点悬挂牵引方式，如图1所示，机架作为播种机的主体构架，须要承载许多部件的安装和牵引，所以要求其具有足够的强度和刚度，材料为Q235，调质处理，构架尺寸为1 560 mm×660 mm。地轮用以支撑全机的质量，并作为播种、施肥等的动力来源，地轮要求直走性好、滑移率小。为降低传动系统的受力，减少播种距离的影响因素，地轮周长设计为1.8 m左右，同时尽可能加大摩擦力滑移率。由于地轮为该播种机机械的动力提供部件和重力支撑部件，材料选用铸铁，地轮轴有效直径选定为15 mm，根据周长公式s=2πr，地轮有效直径选定为600 mm[4]。

1.2 开沟覆土装置设计

开沟装置设计为铲式锐角开沟器，其中开沟铲的铲尖部分与地面形成一定的夹角，方便入土开沟，适合北方干旱地区使用。开沟铲2个开沟面底面夹角为30°，开出的沟宽度可达90 mm，开沟深度为30～60 mm。为更好地完成导种导肥，开沟铲内部设计为空心，由于开沟铲要求足够的耐磨性，故材料为16 Mn，调质处理；导种管材料为Q235，调质处理。开沟器的装配结构如图2所示。

在使用玉米播种机的过程中，由于工作部件开沟铲与土壤的接触不可避免地受到磨损，导致耕作质量和一些技术经济指标降低。由于陶瓷材料具有高耐热性、低导热性、高硬度、高耐磨性等特点，将其应用在农机上比传统材料有一定的优越性。因此，针对开沟铲在工作时几何形状发生改变，在土壤中磨损丢失金属，丧失其本身的特定功能等一些问题，对比陶瓷材料结构的各性能指标，选用Al2O3陶瓷材料代替金属材料在开沟铲上使用，以此提高开沟铲的硬度和耐磨性。

1.3 其他结构设计

播种机的整体结构除机架地轮装置和开沟覆土装置外，还有变量播种施肥装置、传动装置、镇压装置以及一些配件。其中，为了使播种机的播种更加均匀，开沟器以前三后二错开排列在机架上，播种行数为5行。玉米播种机采用的是链传动装置，当地轮转动时，通过固定在地轮上的链轮驱动链条将动力传递到施肥轴上，施肥轴再通过固定在其上的链轮驱动链条将动力传递到播种轴上。变量播种施肥装置通过螺丝固定在机架上，播种箱设计为圆筒形状，施肥箱则采用整体结构设计。镇压装置通过连杆悬挂在机架的后部，以此完成播种、施肥、覆土后的镇压作业。

1.4 整机虚拟装配

零件装配就是将定义出来的零件模型通过一定的链接关系将零件约束组装在一起，使整机装配体能够完成某一项特定的功能。SolidWorks软件装配是将已经建模完成的零件逐一插入装配体文件，并依次添加共面、同轴、平行等各零件间的相互配合关系，使各零件保持准确的工作位置[5]。虚拟装配的顺序则是按照复杂系统划分的逆序进行，即先装配最底层最简单的子系统，然后将其作为一个整体装配到上一个较为复杂的模块，最后完成总装配和干涉检验，进一步检测虚拟装配的可靠性[6]。玉米播种机的整机装配结构如图3所示，其中主要的参数有播种机长、宽、高分别为1 750、1 400、950 mm；播种箱直径为120 mm；施肥箱长宽分别为1 560、240 mm。

通过对装配体进行干涉、碰撞检查、动态间隙检测，以保证任意零件在空间上不出现相互重叠现象。同时，通过移动或旋转动态检查零部件之间的间隙，避免实物安装时产生干涉[7]。经过干涉检查，发现本次装配不存在干涉现象，满足装配要求。

3 开沟铲的有限元分析

3.1 开沟铲阻力计算

开沟器是播种机的关键部件之一，其功能是在播种机工作时，开出种沟，引导种子、肥料进入种沟，并且将湿土覆盖种子和肥料。但在我国北方干旱地区，地表坚硬，且有大量的秸秆覆盖，开沟器入土困难、阻力较大，须要良好的破茬入土性能[8]。

根据犁耕阻力经验计算公式[9]：

R=kab。

式中：k是土壤的犁耕比阻，即土壤单位横断面面积阻力，针对北方干旱地区一般土壤取k=5 N/cm2；开沟器的最大开沟深度a=9 cm、宽度b=6 cm，由计算公式得出开沟铲的最大开沟阻力R为270 N。

3.2 定义材料属性

根据设计要求，开沟铲的厚度为3 mm，导种管的厚度为2 mm。金属材料选用条件：开沟铲采用16 Mn，材料密度为7.25×103kg/m3，泊松比μ=0.31，弹性模量E=2.1×1011Pa，屈服强度σs=350 MPa。导种管采用Q235，材料密度为7.86×103kg/m3，泊松比μ=0.3，弹性模量E=2.0×1011Pa，屈服强度σs=235 MPa。陶瓷材料选用条件：开沟铲导种管采用Al2O3陶瓷，材料密度为3.72×103kg/m3，泊松比μ=0.25，弹性模量E=4.0×1011Pa，抗拉强度σb=180 MPa，抗弯强度σbb=280 MPa。

3.3 网格划分

将用SolidWorks完成的播种机开沟铲的三维建模导入到ANSYS Workbench 17.0中，并进行网格划分。设置开沟铲网格参数，定义开沟铲和导种管的接触为绑定，采用自动划分网格方法[10]。(1)金属材料开沟铲共划分为13 012个节点和 3 612 个元素；(2)陶瓷材料开沟铲共划分为9 451个节点和 4 555 个元素。最后得到的网格划分结果如图4所示[11]。

3.4 定义载荷和约束

开沟铲在工作过程中，主要受到的力有与土壤之间的摩擦力、开沟铲对土壤开沟的推移力以及地面对开沟铲的垂直反力。由于开沟铲在实际工作过程中受力复杂，可将开沟铲受力状况简化为1个水平阻力和1个垂直反力[12]。

据研究，在开沟过程中，开沟铲所承担的水平阻力占全部开沟阻力的80%～90%[13]，故最大水平阻力为Rx=270×90%=243 N，沿水平方向；垂直反力为27 N，沿垂直地面方向。工作阻力具体加载位置如图5所示[14]。最后，求解指定的2种材料结果均为总体变形、最大等应力、最大剪应力、最大主应力。

3.5 对比分析结果

经过以上处理后，选用程序自动控制方式进行运算，这样可以得到较快的运算速度，最后得到应力和应变云，如图6、图7所示。结果表明，2种材料属性开沟铲的最大变形均发生在开沟铲尖端，最大主应力、最大等应力、最大剪应力均出现在开沟铲与导种管焊接处，其他部分受力均匀。普通金属材料最大等应力为90.025 MPa，最大主应力为37.61 MPa，最大剪应力为46.070MPa；Al2O3陶瓷材料最大等应力为80.741 MPa，最大主应力为45.464 MPa，最大剪应力为46.219 MPa；均满足强度要求；普通金属材料的最大变形量为0.088 mm，Al2O3陶瓷材料的最大变形量为0.065 mm，Al2O3陶瓷材料工作时变形较小。在开沟铲上使用Al2O3陶瓷材料来代替金属材料，以此增强开沟铲的耐磨性和耐热性。

4 机架有限元分析

机架是播种机的主要受力部件，为了使机架在工作中具有足够强的强度，用ANSYS软件对机架进行静力分析，从而得到机架在工作时的变形量和应力大小[15]。

4.1 定义材料属性

机架的梁结构所使用材型为60 mm×5 mm的冷弯方形空心钢及60 mm×30 mm×5 mm的冷弯矩形空心钢，所使用材质为碳素结构钢Q235，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.28，屈服强度σs=235 MPa，主要结构通过焊接而成[16]。

4.2 划分网格

将用SolidWorks完成的播种机机架的三维建模导入到ANSYS Workbench 17.0中，并进行网格划分。由于机架结构较为复杂，为保证计算精度，在设置好网格相关参数后采用自由划分网格的方法划分网格，划分后的网格共有71 566个节点、36 055个元素[17]。最后得到的网格划分结果如图8所示。

4.3 定义载荷和约束

玉米播种机在工作过程中，机架的静载荷达到最大，此时机架受力不仅有自身重力还有机架上各部件的压力。将机架上各部件简化为质点，通过节点施加在各部件的安装部位，机架自身重力通过重力加速度施加[18]。

播种机工作时机架所承受其他部件的总力为3 000 N，机架地轮安装轴孔处使用固定约束；播种机在水平方向的阻力为开沟器的总阻力和播种机所受摩擦力之和，即270×5+3000×0.5=2 850 N。考虑田间的复杂性，取水平牵引力为 3 200 N，三点悬挂牵引力分别为1 400、900、900 N。具体加载位置如图9所示。最后，求解指定结果为总体变形、最大等应力、最大剪应力、最大主应力。

4.4 结果分析

通过ANSYS软件的自行控制方式进行计算，得出机架的应力和应变云如图10所示。由计算结果可知，机架最大变形量发生在三点悬挂牵引C点受力处，变形量为0.426 mm，不会影响到机架的工作性能。机架的最大主应力、最大等应力、最大剪应力均出现在机架前端拐角焊接处，其中最大等应力为28.034 MPa，最大剪应力为15.822 MPa，最大主应力为 35.011 MPa，均小于机架材料Q235的屈服强度。为了保证机架结构的安全可靠性，在机架的制作过程中应加强拐角处的焊接强度。材料满足设计要求。

5 结论

通过三维软件进行实体建模和虚拟装配，实现免耕玉米播种机的三维参数化设计，缩短了设计周期并可提高工作效率。所设计免耕播种机能够实现开沟、播种、施肥、覆土、镇压等一体化工作要求。

有限元分析软件ANSYS Workbench 对2种材料开沟铲进行有限元静力学对比分析得出，2种材料均满足开沟铲强度的设计要求；Al2O3陶瓷材料的最大变形量比金属材料小，在开沟铲上使用Al2O3陶瓷材料能够增强开沟铲的耐磨性和耐热性。

在玉米播种机开沟铲上可以使用陶瓷材料代替金属材料，为陶瓷材料在玉米播种机关键部件上的使用提供了理论依据。由于陶瓷材料的实际制作工艺比较复杂，还须考虑其他方面的原因，这也是下一步笔者所在实验室的研究方向。

有限元分析软件ANSYS Workbench对玉米播种机机架进行有限元静力学分析，得到机架的应力和应变云，并对机架的强度进行校核，满足机架强度使用要求。