水稻钵育秧盘起盘铲的有限元静力学分析

刘斌，汪春，张欣悦，于波（.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆6339；.牡丹江管局850农场）



水稻钵育秧盘起盘铲的有限元静力学分析

刘斌1，汪春1，张欣悦1，于波2
（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆163319；2.牡丹江管局850农场）

摘要：为了适应水稻田间规模化、标准化的生产需要，减少人工费用，降低生产成本，提高作业效率和经济效益，结合水稻大棚现有的育秧模式，设计了一种配合履带式推进作业的植质钵育秧盘起盘机。考虑结构参数、铲体材料、载荷和受力等因素，应用有限元分析软件对铲体进行网格划分，并对其关键部件起盘铲进行等效应力、变形量和安全系数等的分析计算。结果显示：初始设计的起盘铲结构参数不够合理，通过对结构参数的优化，再次进行分析得到合理的结构参数，为起盘机整机的研制提供基础设计依据。

关键词：水稻；钵育秧盘；起盘铲；有限元分析

秧盘的起盘作业过程是水稻培育生产过程中的重要环节之一[1]。以往采取的模式是人工用铁铲、铁叉等工具进行人工起盘，此种作业方式为纯人工作业，因此该种作业方式的劳动强度大、作业效率低、人工费用较高[2-3]。近年来，随着水稻种植产业的发展，种植面积的增加，规模的加大，因此对成品水稻秧苗的需求量也随之加大[4-5]。为了解决这一问题，设计了针对水稻植质钵育秧盘的起盘机构，其中，起盘铲是起盘机构的核心工作部件，选择合理的结构参数，可有效减小机具的工作阻力，从而提高作业性能。因此，通过运用ANSYS软件对起盘铲进行有限元分析，以获得起盘铲的结构参数，从而减少工作时所受阻力且保证秧盘的完整性[6-8]。

1　起盘机结构及起盘铲的三维参数化特征

1.1起盘机的结构

该起盘机是专为植质钵育水稻育秧秧盘起盘而设计的，由扶手、机架、起盘铲、连接板及履带式行走机构等组成，如图1所示。工作时，行走机构带动起盘铲向前运动并随之入土，接触秧盘后，水平进行切割并沿铲面向上铲起。起盘铲沿水平面对秧盘底部进行切割，保证了秧盘底面的平整性，并使秧盘与地面分离，以便于随机工作人员拾起。

1.2起盘铲的参数化特征模型

减小起盘铲工作时的入土阻力是该起盘机构的技术难点，因而在保证铲体强度符合要求的前提下，通过适当减少铲体、连接板以及机架的重量来减少入土阻力，以达到入土稳定的效果。初步设计起盘铲的参数如表1所示。

图1　起盘机主要结构Fig.1Main structure of disc machine

表1　起盘铲参数Table 1Parameters of disk spade

在起盘铲各项参数中，起盘铲的设计铲长由秧盘尺寸及农艺要求确定，不宜做改变。其余各项参数在保证起盘铲强度的条件下，在以后进行结构参数优化过程中可适当做出调整。

2　起盘铲有限元模型的建立

2.1建立基本分析假设条件

运用ANSYS分析软件对起盘铲进行分析，该软件应力分析技术模块的数学模型如下式（1）。

式中F——载荷向量；

［K］——刚度矩阵；

x——节点位移矢量

由于该方程没有时间量，所以若对零件进行应力分析，应求该零件在静力载荷作用下的响应。分析之前首先定义基本假设，以确保分析结构的正确性：（1）起盘铲所用材料为理想材料，即其应力与压力成正比；（2）环境对起盘铲的影响忽略不计；（3）起盘铲所用材料在所有方向为各向同性[7-9]。

表2　表起盘铲材料属性参数Table 2Property parameter of disk shovel material

2.2定义材料属性

为了能够更好的减小起盘时铲体所受到的阻力，在能够保证起盘平稳性能的前提下，可以通过减小起盘铲的质量来达到这一目的。

Q235是一种综合性能较好且被广泛使用的合金钢，其含碳量适中，强度、塑性和焊接等性能之间能够得到较好配合。因此选Q235碳素结构钢为起盘铲材料，盘铲材料属性如表2所示。

2.3施加约束与载荷

起盘铲与连接板通过螺栓进行固定。因此，在软件中将约束施加在连接板平面。考虑到起盘铲的自身重量，根据当地选择重量加速度的大小和方向。为避免起盘铲因变形较大引起不能进行作业的情况，分析中起盘铲的最大变形量须小于5 mm。起盘铲的行走机构为履带式，其推进力为

式中P——行走机构的功率，kw；

F——行走机构推进力，N；

v——行走机构速度，m·s-1。

考虑到机组作业时，机组行走时粘结的土壤。因此行走机构的推进功率为

式中A——行走机构可提供的最大功率，kw。

根据上述结合实际配套动力，得到F=537.6N。

2.4网格划分

划分网格是建立有限元模型的重要环节，其中网格数量对最终计算量和计算精度均产生直接影响。若网格数量过少，则影响所建模型的计算精度；若网格过多，计算精度有所提高，但会增大模型的计算量[9]。因此，在划分网格时，应综合考虑两个因素的影响。利用ANSYS软件对起盘铲进行网格划分，得到3 087个四面体单元和5 965个节点。

3　求解与结果

在进行完起盘铲材料、施加约束等设置以及划分网格后，即可对建立的起盘铲有限元模型进行计算，通过分析得到起盘铲应力分析结果。将多个方向上产生的应力和应变合成一个等效应力，利用Von Mises屈服准则[10-11]，等效应力值为：

式中σ1、σ2、σ3分别为三个法向上的主应力。应用ANSYS对起盘铲的有限元模型进行求解和处理，得到如图2所示的起盘铲等效应力与变形图。

图2　起盘铲等效应力与变形Fig.2Equivalent stress and deformation of disk shovel

利用可延展材料的失效原理计算出安全系数，通过计算得出的安全系数k与范围值进比较，可以判断材料是否会发生永久形变[11]，即

式中k——材料的安全系数；

［σ］——为材料最大许用应力。

当k≤1时，说明起盘铲的等效应力大于材料的需用应力，不可取；当1＜k≤2时，作业过程中如遇到特殊情况，材料将严重变形，影响起盘铲的应用；当2＜k≤4时，认为起盘铲的参数是合理的；当k＞4时，起盘铲结构尺寸满足强度要求但尺寸过大，在增加起盘铲重量的同时增加了作业阻力。表3为起盘铲初始设计应力分析结果。

表3　起盘铲初始设计应力分析结果Table 3Stress analysis results of disk shovel

由表3可知，起盘铲安全系数为k=7.590，显然安全系数偏大，即起盘铲的初始设计尺寸偏大。由起盘铲等效应力与变形图中可以看出，最大等效应力集中在起盘铲内侧，但最大变形处于起盘铲外侧，由此可断定起盘过程中起盘铲出现扭转现象。

虽然安全系数k较大可以保证铲体不发生永久变形或发生断裂，但这会导致起盘铲在工作中受到较大的阻力，造成行走装置无法前进等现象。因此，需要将铲体的整体尺寸变小，再次分析。

4　调整起盘铲参数和改进结构后的分析

4.1调整尺寸后应力分析

因起盘铲的整体尺寸较大，因此需对其参数进行调整。由前述确定铲长不得改变，可适当调整其他设计参数。

将铲体的设计宽度由280 mm变成200 mm，钢板厚度由5 mm变为3 mm，进而减小起盘铲的整体尺寸，再次进行计算，重新计算求解，计算结果如图3所示。调整尺寸后的起盘铲应力分析结果如表4。

图3　调整尺寸后铲体等效应力与变形Fig.3Equivalent stress and deformation of adjusted disk shovel

表4　调整尺寸的起盘铲应力分析结果Table 4　Stress analysis result of adjusted disk shovel

由表4可知，参数经调整后的起盘铲安全系数为k=4.970，仍大于4。因此为达到最优参数，可通过调整铲体结构进行优化参数。

4.2调整铲体结构后应力分析

起盘铲外侧壁高度越大，其与土壤的摩擦力越大，进而行进过程中阻力就越大，因此继续减少起盘铲的材料，将外侧壁高度由20 mm降到10 mm，同时起盘铲宽度降低50 mm。改进机构后，再次重新计算，计算结果如图4所示。调整尺寸后的起盘铲应力分析结果如表5。

图4　调整结构后起盘铲应力与变形Fig.4Equivalent stress and deformation of improved disk shovel

表5　调整铲体结构后起盘铲应力分析结果Table 5　Stress analysis result of improved disk shovel

由表5可知，起盘铲经第二次调整参数后的安全系数k=3.573，在合理区间范围；变形量相应增大为3.937，但在要求的范围内。如此，起盘铲的结构参数同时满足安全系数与变形要求，达到设计要求。

5　结论

设计了一种针对植质钵育水稻育秧秧盘起盘机，并针对其核心部件起盘铲进行了有限元分析。有限元分析结果显示，初步设计的起盘铲需进行尺寸的调整和结构的改进，要求起盘铲的安全系数和最大变形量符合设计要求，最终得到合理的起盘铲结构和尺寸，为起盘机整机的设计提供了参考。

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Analysis of Structural Finite Element on Rice Breeding Disk Shovel

Liu Bin1，Wang Chun1，Zhang Xinyue1，Yu Bo2
（1.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.850 Farm of Mudanjiang Bureau）

Abstract:In order to meet the needs of rice large scale and standardized production，reduce production cost and improve the production efficiency，combine with the existing mode of rice seedling in greenhouse，the rice breeding disk shovel machine was designed through the existing mode of rice seedling in greenhouse for planting seedling growing tray.The finite element analysis of the rice breeding disk shovel was performed through ANSYS technology.During the finite element analysis progress，the configuration，disk shovel material，loads and forces were defined and added on the disk shovel，and the equivalent stress，deformation and safety factor were obtained after finite element calculation.The results showed that the initial design of the disk shovel structure parameter was not reasonable enough.Through the software analysis，the reasonable structure parameters were got，and the article provided the basis for the development of disc shovel machine.

Key words：rice；the seedling disc；disk shovel；finite element analysis

中图分类号：S233.71

文献标识码：A

文章编号：1002-2090（2016）01-0076-04

doi:10.3969/j.issn.1002-2090.2016.01.017

收稿日期：2015-03-25

基金项目：教育部博士点新青年基金（20112305120003）。

作者简介：刘斌（1989-），男，黑龙江八一农垦大学工程学院2012级硕士研究生。

通讯作者：汪春，男，教授，博士研究生导师，E-mail：Ewangchun1963@126.com。