船形铲式蔬菜种植开沟器的设计

戴有华　姜宽舒　王平会

摘要根据开蔬菜种植沟的农艺要求，创新了船形铲式开沟器的结构和工作原理，确定了入土角、入土隙角、铲头张角、铲刃最小半径、船头前倾角、铲头长度、船身长度为作业性能影响参数。在根据性能参数值绘制开沟器的型线图的基础上，用UG软件设计了一种船形铲式蔬菜种植开沟器，并对开沟器进行了作业曲面的光顺性检查改进和开沟过程中受力性能的有限元分析优化，最后3D打印出开沟器模型以供评测和指导量产。

关键词 蔬菜种植；开沟器；船形铲式；有限元分析；UG；3D打印

中图分类号 S223.1⁺9 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）11-0174-03

近年来，江苏出现了大量在设施大棚里开多条种植沟，并在沟内种植青椒、甘蓝等蔬菜的做法。在沟内种植蔬菜的方法能提早蔬菜种植上市供应的时间，且有利于节水灌溉和施肥。同时，随着蔬菜生产的人工成本剧增，使得以农机科技创新为手段、采用机械化生产成为蔬菜生产方式转变的必然选择。因此，研发设施蔬菜种植开沟机已经成为迫切需求。而开沟器作为设施蔬菜种植开沟机的关键部件，其形状的优劣直接影响开沟作业的入土能力、起土能力、回土能力、开沟阻力和沟形稳固等性能。为此，笔者针对设施蔬菜沟内种植的农艺要求，设计一种船形铲式蔬菜种植开沟器。

1开沟器的结构和工作原理

船形铲式蔬菜种植开沟器的结构如图1所示，由铲头、铲刃、船头侧板、船身侧板、底板、筋板、立柱和尾板组成。铲头、铲刃、船身侧板和船头侧板是由一块钢板冲压而成的复杂曲面，然后，与底板、尾板、筋板、立柱焊接在一起。

铲头呈近似三棱锥形，主要是便于切入土中，鏟破土层。铲刃是一条处于正中间的弯曲脊线，用于将推升而来的碎土块分向两侧边。船头侧板与水平面呈倾压之势，将过高的土块压向沟的两边。船身侧板近似于倾斜的平面，用于挤压沟形侧面。底板呈前端下倾、后端逐渐水平的形状，便于从沟底滑过并挤压沟形底面。筋板和尾板起到增强开沟器结构强度的作用。立柱用于开沟器与开沟机机架的联接。

开沟器平直向前运动时，土层经铲头戳破，然后被铲刃分向两侧，初步形成种植沟，推得过高的碎土块再被船头侧板压向沟的两边，最后在船身侧板和底板的挤压作用下，形成稳固的沟形。

2开沟器的关键参数设计

为实现良好切土和稳固沟形的功能，确定开沟器的关键参数有：入土角、入土隙角、铲头张角、铲刃最小半径、船头前倾角、铲头长度、船身长度，如图2所示。现以开挖沟底宽100mm、沟顶宽200mm、沟深70mm的梯形种植沟为例，设计开沟器的结构参数。

2.1入土角 入土角越小，铲头强度降低，使用寿命越短；入土角越大，土层易抬高翻土，铲土阻力越大。入土角沿着铲刃上升方向稍有变大，可加速将切开的土层平缓推高。根据实际情况，取入土角α=30°。

2.2入土隙角 入土隙角β的存在有利于铲头入土。入土隙角越小，底板与土层的摩擦阻力越大，会加速底板的磨损；入土隙角越大，易造成土壤回落到沟底，并且使沟底不平。入土隙角一般为5°～10°，根据实际情况，取入土隙角β=8°。

2.3铲头张角 铲头张角越小，铲头长度就越长，开沟器的结构不够紧凑；铲头张角越大，入土扰动土层范围越大，入土阻力就越大。根据实际情况，取铲头张角γ=30°。

2.4铲刃最小半径 铲刃下部的曲率半径大于铲刃中部的曲率半径，将有利于土壤从铲头脱落。铲刃最小曲率半径出现在铲刃中部，最小曲率半径越小，脱土能力越强；最小曲率半径越大，分土能力越好。经试验，取铲刃最小半径r=80mm。

2.5船头前倾角 船头前倾角的存在，有利于将沿着铲头推高的碎土块压回落下、滑落至沟两侧。参考船舶船首倾斜角度，并根据实际情况，取λ=20°。

2.6铲头长度 铲头长度l₁越长，铲头起土幅度就越大，前进阻力就越小。在入土角、船头前倾角、开沟器高度的限制下，铲头长度过长，会导致船头前倾长度太短，造成对推高的土块下压的作用减弱。为使入土角与船头前倾角的交汇点在沟顶面略高处，通过作图求解得，l₁=152mm。

2.7船身长度船 身长度l₂越长，对开好的种植沟的挤压稳形作用越好；船身长度过长，会使开沟器结构过长，使用不方便。经试验，取l₂=330mm。

3开沟器曲面的型线设计

船形铲式开沟器曲面尚无成熟的设计方法，但可以参考船舶设计制造中，以船体型线图来表达船体几何形状的方法。船体型线图是在3个相互垂直的投影面上，以船体型表面的截交线、投影线和最大外形轮廓线来表示船体外形的图样。型线的设计方法很多，该研究采用速度快、精度高的计算机辅助设计方法。

为能描绘船形铲式开沟器的曲面，开沟器曲面型线要包括纵剖面轮廓线、底面轮廓线、土线面轮廓线、顶面轮廓线，如图3所示。首先，根据入土角、入土隙角、铲刃最小半径、船头前倾角及船身长度、开沟器高度等参数以直线或圆弧绘制纵剖面轮廓线，并通过倒圆角等进行轮廓线的光滑联接。然后，根据铲头张角、沟底宽度、船身长度等参数绘制底面轮廓线，并进行光滑联接和调整底面轮廓线与纵剖面轮廓线尖顶点重合。之后，根据沟侧面切斜要求、沟顶宽度、船身长度等参数绘制土线面轮廓线，同样要加以光滑联接和对齐。最后，根据开沟器顶部宽度要求、船头倾斜要求、船身长度等参数绘制顶面轮廓线，并进行光滑联接和对齐。在型线绘制过程中，可以对轮廓线进行适当修正，以提高开沟器的破土、分土和挤土性能。

4开沟器的三维设计

该研究采用UG软件进行船形铲式开沟器的三维建模，为后续的仿真分析等提供基础模型。UG软件是一款集成的CAD/CAE/CAM系统软件，具有强大的三维造型、仿真分析和数控编程能力，广泛应用于航空航天、汽车、通用机械、造船等工业领域。创建开沟器的三维模型时，可以先创建它的曲面模型，再进一步创建实体模型。

船形铲式开沟器的表面由形成铲头和船身的一张复杂曲面、底部曲面、尾部平面构成。在创建这些曲面时，首先，根据开沟器的型线图，在UG软件中采用[插入]|[曲线]命令，绘制开沟器的空间线架，并直线联接尾部平面的顶点，再对曲线进行光顺和对齐。然后，采用[插入]|[网格曲面]|[通过曲线网格]命令，创建铲头船身曲面；采用[插入]|[设计特征]|[拉伸]命令，创建底部曲面；采用[插入]|[曲面]|[有界平面]命令，创建尾部平面。最后，通过[插入]|[修剪]|[修剪片体]命令，修剪得到船形铲式开沟器的表面，如图4所示。

为提高曲面的光顺程度，可以检查曲面模型是否有褶皱，以及通过[分析]|[形状]|[反射]命令，借助反射条纹进一步检查曲面是否够光顺。如果曲面不够光顺，可以截取曲面得到辅助线，割去曲面上不够光顺的部分，同时调整曲线的光顺程度和局部位置，重构并补上新的曲面，重复割补操作直至整个曲面光顺为止。光顺后的开沟器曲面的反射效果，如图5所示。

为创建船形铲式开沟器的三维实体模型，先通过[有界平面]命令补上开沟器顶部平面，再采用[插入]|[组合]|[缝合]命令，将封闭的曲面模型缝合为实体模型，之后，对实体模型进行倒圆角和抽壳操作，最后通过[插入]|[设计特征]|[拉伸]命令，创建筋板和立柱，建模完成后得到的开沟器三维模型如图6所示。

5开沟器的受力分析

对机械工作情况进行仿真分析，可以有效提高设计的效率和合理性，因而，仿真分析方法在农业机械设计领域也得到了广泛应用。在UG软件的高级仿真环境下，新建开沟器三维实体模型的FEM和仿真文件，并对模型进行删除小倒角等理想化操作，以提高仿真分析的解算速度。然后，设置开沟器的材料为Steel，设置单元类型为CTETRA（10）、单元大小为10mm，进行3D四面体网格划分。再设置开沟器中两根立柱的上顶面为固定约束面，设置铲头和船身所在的一张复杂曲面为受到来自正前方的开沟阻力为1000N、受到周边泥土对其造成的挤压力10N/mm²，选用NXNAS-TRAN求解器和SESTATIC101-单约束解算方案进行求解。解算完成后得到分析结果，如图7所示。从图7a可知，开沟阻力较大时，由于立柱也比较长，会造成开沟器在前进方向上存在较大的位移；从图7b可知，开沟器只在立柱与筋板结合处的上部受到较大的应力。由此可见，开沟器的强度是足够的，但开沟阻力较大时，其刚度显得不足，所以，需要先旋耕碎土，再进行开沟作业。

6开沟器的3D打印

为了快速获得船形铲式开沟器的实物样件，该研究采用FDM型3D打印技术制造开沟器。3D打印技术为农机研发开拓了设计思路，其在农机制造中的应用也势在必行。首先，将uG软件里的开沟器三维模型转换成STL格式，再导入到Clira软件里进行切片、生成G代码，然后，在多歌打印机上装好ABS塑料丝，并设置尺寸分辨率为0.1mm，加工速度50mm/s，进行脱机打印。打印完成并经过打磨处理的船形铲式开沟器样件，如图8所示。

7结论

针对新出现的沟内种植蔬菜的农艺要求，以型线图绘制为基础，设计出了一种船形铲式蔬菜种植开沟器。通过研究使用合适的入土角、入土隙角、铲头张角等关键参数，提升了开沟器的破土、分土及稳固沟形的性能。利用有限元分析方法，对开沟器在作业过程中受到开沟阻力和沟壁压力作用进行分析得出，开溝器的结构强度是足够的，但当立柱较长时，在种植沟方位线上会有一些向后偏移的变形。通过3D打印制造出了开沟器的样件，可供评测、指导量产开沟器。所设计的船形铲式开沟器达到了高效开蔬菜种植沟的要求，结构简单可靠，具有良好的推广应用价值。