自行式牛蒡播种机关键部件的有限元仿真与设计

黎毓鹏，王 瑞，边幸燕，李 竞，成 铭

(广西大学 机械工程学院，南宁 530004)

0 引言

牛蒡是一种具有良好的药用价值与食用价值的农作物，是我国出口创汇的主要农作物之一[1]，对农业发展做出了重要的贡献。自行式牛蒡播种机是一种半机械化的农业播种机械，具有结构简单、性能可靠的特点，极具发展前景。

播种滚子作为自行式牛蒡播种机播种过程中的重要工作部件，同时承受皮带轮的转矩和种子的物料反作用力。为了验证其工作的稳定性，防止在工作过程中发生问题，通过ANSYS workbench建立虚拟仿真模型，提前预测播种滚子在正常工作时的工作状态，以保证其在正常工作时的安全性，最后通过严格的参数优化与选择，试制了一台试验样机进行实际试验。

1 工作原理和技术参数

1.1 工作原理[2]

自行式牛蒡播种机主要由工作台、动力传动部件、双阻动离合张紧控制装置及播种机构组成，如图1所示。

1.万向轮 2.播种盒子底座 3.右侧操纵杆 4.车轮 5.车架底盘 6.电机 7.减速机 8.播种传动轮 9.播种机构 10.左侧操纵杆 11.手推杆

1)行进功能的实现：整机由蓄电池提供动力，蓄电池放出直流电带动直流电机，电机与减速器直接连接，减速机将动力输送主动力轴，主动力轴通过皮带轮阻动张紧机构将动力分别传递给车轮和播种机构上。播种时，合上皮带轮阻动张紧机构的右侧操纵杆，主传动轴至车轮轴上的皮带张紧，使动力输送到车轮上从而带动整机行走。

2)播种功能的实现：合上皮带轮阻动张紧离合装置的左侧操纵杆，主传动轴至播种机构上的皮带轮张紧，动力输送到播种机构带动播种滚子转动；种子流入滚子上的凹槽内，进而进入播种盒子的下半部中，掉入种植穴中，从而实现播种功能。播种机构如图2所示。

1.连接轴 2.播种盒子下半部 3.定位销轴 4.定位螺栓孔

2 播种滚子的有限元分析

2.1 模型建立与网格划分

本文基于UG建立播种滚子的三维模型，并进行合理简化后导入ANSYS workbench 的相应模块之中，如图3所示。

图3 播种滚子的三维模型图

本文使用Sizing自动划分网格对播种滚子模型整体进行网格划分，之后通过Refined对关键受力部分进行网格细分，完成后通过 Element quality准则检验网格质量。网格模型的网格总数为11 088，节点总数

为18 032，得到的网格划分结果如图4所示。

图4 播种滚子的网格模型图

2.2 材料属性及边界条件

根据实际工作要求，定位旋转轴需要有足够的耐磨性和强度，国内常用材料为45钢。根据材料相关性质，在ANSYS中设定相关参数，Ansys Workbench15中，设定材料为 45 钢，该材料基本属性为：弹性模量为 2.1e11MPa，泊松比为 0.3，密度7 800kg/m3通过Workbench 的Engineering Data 模块进行材料属性编辑。

V带张紧力计算：

张紧力F0为

式中Pd—计算功率(kW);

v—带的线速度(m/s);

z—带的根数；

Ka—包角系数；

m—带单位长度的质量(kg/m)。

在自行式牛蒡播种机的设计中采用的是A型V带，m=0.1，Pd=0.1,v=2.965,z=1,Ka=1，从而得到所求张紧力为26.17N。

通过ANSYS自带的面分析功能，可以很轻松地获得皮带与皮带轮之间的接触面积为0.003 090 1m2。从而得到张紧力对皮带轮的压力载荷为8.46×10-3MPa。

针对播种滚子的具体结构约束和施加载荷包括：①在滚子两端添加仅有压缩的约束(Compression only Support)，以模拟轴承座对轴的作用力；②在播种滚子的导槽处添加1×10-4MPa的压力载荷(Pressure)，以模拟牛蒡种子对滚子的作用力；③在皮带轮处添加转速(Rotational Velocity)81.68rad/s；④在皮带轮上添加张紧力对皮带轮的压力载荷。约束结果如图5所示。

图5 施加约束和载荷的播种滚子模型

2.3 播种滚子的静力学有限元分析

通过ANSYS workbench的静力学分析，得到播种滚子的总变形云图和主应力分布云图，分析结果如图6、图7所示。

图6 播种滚子总变形云图

图7 播种滚子总应力云图

1)对播种滚子的变形云图进行分析：播种滚子皮带轮外沿的位置发生了较大的变形，最大位移量为0.000 488 5mm；通过计算，播种滚子的许用挠度为0.054mm，大于最大变形量。因此，播种滚子的刚度符合要求。

2)对播种滚子的应力云图进行分析：播种滚子的轴承座根部位置处应力强度较大，滚子与轴的连接处因尺寸变化较大导致应力比较集中,播种滚子的应力变化范围在1.182～0.000 183 34MPa之间且大部分应力都为0.2MPa左右，而45钢的最大许用应力为355MPa。因此，播种滚子的最大应力远小于许用应力，安全系数大，故转子强度满足要求。

2.4 播种滚子模态分析结果[9]

播种滚子的最大转速为780r/min,计算得到转子受到的激励振频率为13Hz,因低阶固有频率和外界振荡频率相似，故对播种滚子进行模态分析可得固有频率位移云图，如图8所示；前6阶模态频率，如图9所示。

图8 播种滚子1阶固有频率位移云图

图9 前6阶模态频率

分析结果表明：播种滚子在工作过程中震动主要集中在皮带轮外沿，形式为弯扭振动耦合；第1阶模态的固有频率为2 683.2Hz,随着阶数的增加，滚子的固有频率也在增加，当转速接近或者达到临界转速时，滚子会发生最大变形并伴有剧烈振动，从而导致滚子结构受损；滚子的1阶固有频率为2 683.2Hz,远大于滚子收到的激振频率(13Hz)，因此不会发生共振，动态性能符合要求。

2.5 播种滚子安全系数与寿命分析[10]

通过Fatigue tool 中的添加 Safety Factor和 life解算方案，可以得到播种滚子使用寿命的云图，如图10所示；播种滚子安全系数云图，如图11所示。

图10 播种滚子使用寿命云图

图11 播种滚子安全系数云图

由安全系数云图可知：播种滚子在工作过程中的最小安全系数为15，与机械设计最大安全系数相等，在工作过程中是安全的。由安全系数云图可知：播种滚子在规定工况下的最小循环次数为1×106,可知该部件进入了机械设计疲劳曲线的无限寿命阶段，可以认为播种滚子的使用寿命是良好的。

3 试验样机试制与试验

3.1 试验样机试制

经过仿真验证了自行式牛蒡播种机的可行性，对播种距离、播种效果及各种工作环境的适应性等进行严格的调查，确定各零件的具体参数，试制了1台试验样机，并进行实地试验，测定其工作效率及效果，以验证其是否满足实际需求的生产效率。其实物拍摄图如图12所示。

(a)

(b)

(c)

3.2 试物试验

在试验田对自行式牛蒡播种机进行性能试验。取1hm2试验地用于模拟自然生长的牛蒡生长情况，再取1hm2试验地用于自行式牛蒡播种机种植牛蒡的生长情况。试验采用牛蒡种子的千粒质量为520g，播种量为200kg/hm2。

3.3 试验结果

播种机性能试验指标，如表 1 所示。

表1 自行式牛蒡播种机性能试验指标

由表1可见：自行式牛蒡播种机漏播率、发芽率都达到了技术要求，此机器的设计是合理的。

4 结论

通过运用ANSYS workbench 对自行式牛蒡播种机进行有限元仿真，并对其关键部件—播种滚子的受力后的应变、应力情况进行分析，发现其在正常工作要求下具有很好的可靠性。对播种滚子的前6阶模态分析可得，播种滚子的动态性能满足使用要求。对其可能存在的寿命和安全余量问题进行分析，可以得出关键部件的使用寿命及安全余量满足所需的工作要求。通过样机试制和实际实验可以得出自行式牛蒡播种机具有良好的工作表现及较好的设计可靠性。