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基于ANSYS的水稻精量直播机械机架的有限元分析

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罗佳杨发展李建东杨薇姜芙林魏海明刘永武

摘要：为了使开发的水稻直播机的机架满足播种作业的承载要求，避免变形过大导致播深出现较大浮动而影响出苗率，同时为防止机架与发动机等激振源发生共振，影响排种的均匀性，利用ANSYS对机架进行系统分析。综合考虑平地行驶以及翻越田垄导致一轮离地等工况，发现当右前轮离地时应力和变形量最大，最大应力为 58.969 MPa，最大变形量为1.662 9 mm。通过模态分析，获得机架的一阶固有频率为90.873 Hz，而激振频率在10～30 Hz范围内，远小于机架的固有频率，该状态下机架不会发生共振。通过对应力和大变形区的结构进行优化和强化，并重复进行了有限元仿真分析，结果表明变形量明显降低。上述工作表明设计开发的机架完全满足精量直播工作的要求，同时为进一步拓扑优化和轻量化设计提供了重要的理论依据。

关键词：水稻直播机;精量直播;机架;模态分析;振动特性;固有频率;防止共振;机架结构优化

中图分类号：S223.2 ??文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）16-0235-04

收稿日期：2018-05-03

基金项目：国家重点研发计划子课题（编号：2017YFD0701201-011）;山东省重点研发计划（编号：2018GNC112005）。

作者简介：罗佳（1993—），男，山东临沂人，硕士研究生，主要从事农业机械研究。

通信作者：杨发展，博士，副教授，主要从事刀具、农业机械研究。

水稻是我国目前主要的粮食作物，种植历史悠久，但种植过程中机械化水平较低，严重制约了水稻的整体生产效率[1]。水稻机械化直播对于降低水稻生产成本、提升生产效率和减轻农民负担等具有重要意义[2]。在水稻生产环节引入直播，可以省去育秧和插秧环节[3]，大幅提升劳动效率，同时具有可以规模经营等优点[4]。因而设计开发一种实用高效的水稻精量直播机具有重要意义。而在播种机中，机架作为主要的受力结构，承载着供种系统、播种装置、开沟装置和液压系统等结构的压力，需要对其受影响情况进行综合分析。此外，机架的变形会导致播深出现变化，进而影响出苗率;同时，当发动机产生的激振与机架固有频率接近（或为整数倍）时还会产生共振，造成供种系统和排种装置出现排种不均匀、不连续等干扰问题。为了获得最优的机架结构，借助ANSYS对机架进行静力学分析和动力学分析，了解机架在不同状态下的应力分布状况以及产生的最大变形量，同时确定系统的振动特性，获得机架的固有频率，进一步防止共振的发生，为机架优化提供理论依据。

1 播种机机架机械结构的建模

1.1 结构模型的建立

水稻精量直播机在工作时，利用双圆盘开沟器开出稳定的沟型和等深度的种沟，同时排种器将送种装置输送的种子按照预设的种距进行精量排种。选择柴油發动机（型号ZH2110D）提供整个作业过程的动力，通过链传动驱动排种器转动。提升装置采用液压油缸，连接连杆后方的吊耳在工作间隙行进时提起排种装置。本研究的机架主体由方管（60 mm×60 mm×6 mm，Q235）焊接而成，主要承受上方送种装置和操作员的重力以及自身重力，在播种间隙播种机行进时，下方排种装置利用液压油缸抬升一定高度，避免与地面发生碰撞或划擦等，此时机架同时受到排种装置的拉力。仿真过程中，将机架简化为由横梁、纵梁、竖梁和弯型梁组成的结构。机架长度设计为800 mm，宽度为1 600 mm，竖梁 450 mm。利用SolidWorks建立三维模型，模型如图1所示。

1.2 分析前处理

机架各个梁之间主要通过焊接及螺栓连接组成一个整体，由于连接的不统一，增加了仿真过程的复杂性，在本次仿真分析中，假定模型是一个整体，忽略焊接等工艺的影响[5]。机架材料选用Q235结构钢，将机架模型导入ANSYS并进行材料属性的定义。

在分析设置中，合理适当的网格划分有利于提升分析和计算的效率，增加分析结果的正确性[6]。本研究采用ANSYS自动网格划分，单元小于10 mm，网格划分具体见图2。划分

完成后，共有123 770个节点和62 494个单元。

2 静力学分析

2.1 机架受力情况

机架是该机械的主要受力机构，所受其他部件的载荷主要分为静载荷和冲击载荷[5]。播种装置提升时，排种装置、开沟装置等会对机架前梁施加作用力;圆盘开沟器开沟作业时，开沟器受到前进阻力，会使机架下梁受到拉力;机架自身的重力视为均布载荷，应用ANSYS的标准重力模块;其他施加在机架上的载荷作为集中载荷，施加在所设计的位置上。

播种装置产生的集中载荷（GA）为

GA=G1+G2+G3;（1）

G=mg。（2）

式中：G1表示6个油泵所受的重力（N）;G2表示排种开沟装置所受的重力（N）;G3表示连接杆和仿形装置所受的重力（N）;g表示重力加速度，取9.8 m/s2。

将油泵、排种开沟装置、连接杆和仿形装置的重力代入公式（1）、（2）得：

GA=1 470 N。（3）

设定油缸提起至45°时保持固定，此时前上梁和前下梁受到的压力相等。

Fcos45°+Tcos45°=GA;（4）

F=T。（5）

可得，F=T=1 039.4 N。

假设送种装置的质量为15 kg，作业员质量为80 kg，得：

GB=147 N，GC=784 N。（6）

因此，施加在机架上梁固定部位的集中力分别为147、784 N。

在水稻直播机工作时，开沟器受到前进阻力，会对机架前梁产生拉力。根据文献[7]，结合农业机械学中对播种机的分析，设定每个开沟器前部的工作阻力为120 N，前梁受到的拉力为720 N。

2.2 求解与分析

在平整的地面上行驶时，机架主要受到弯曲应力，而当机械在田间作业时，会发生耕地以及地面平整度较低导致的一轮悬空的情况，使机架受到扭矩的作用，这时须要考虑扭转工况[8]下机架的作业可靠性。

对于弯曲工况，在前梁和后梁与前后车桥的连接处施加固定约束，机架自身重力利用ANSYS的标准重力模块，将集中载荷施加在各自的安装位置，排种开沟装置的拉力按45°方向施加在前上梁和前下梁上，分析得到变形云图和应力云图，如图3、图4所示。

图3为载荷作用下总的变形云图，最大变形量为 0.184 73 mm，变形主要发生在车载工作人员的座位和送种装置安装位置的中间梁上，而由开沟排种装置造成的形变使前梁变形量在0.164 21 mm以下，因为中间部位既受到操作员的压力，还受到送种装置以及排种开沟装置的重力，前上梁承受排种开沟装置的拉力，因而形变量最大。

从图4可以看出，最大应力发生在中间梁和横梁中间位置处，纵梁以及各梁连接处受力也相对较大，弯角处受力大于其他部位。应力的最大值为13.64 MPa，远小于材料屈服极限（235 MPa），完全满足静力学的强度要求。

对于扭转工况，由于机架结构和部件布置并不完全左右对称，本研究对前左轮离地和前右轮离地分别进行讨论[5]，得出这2种工况下结构的应力应变云图并进行分析。

对于第1种工况，左前轮离地时，对右前轮和后轮施加固定约束，对左前轮施加方向向上的作用力：由图5可以看出，最大变形量发生在左前轮位置，最大变形量为1.323 4 mm;由图6可以看出，最大应力发生在前上梁中间和左侧以及前下梁左侧部位，最大应力值为 34.903 MPa，小于材料的屈服极限。

工况1、2并不对称，对于第2种工况，右前轮离地时，对左前轮和后轮施加固定约束，对右前轮施加方向向上的作用力：

由图7可以看出，最大变形发生在左前轮位置，变形范围比工况1大，最大变形值为1.662 9 mm。由图8可以看出，最大应力发生在前梁中间以及右侧部位，最大应力值为 58.969 MPa，小于材料屈服极限。

在播种机开沟排种工况下，机架主要受到上方的压力和开沟器前进阻力产生的拉力，在之前约束的基础上对弯梁后方添加固定约束，仿真结果如下：

由图9可以看出，开沟器前进阻力产生的拉力在作用梁处变形量最大为0.102 68 mm，变形量较小。由图10可知，最大应力为5.280 5 MPa，主要作用在连接处和梁中间位置，远远小于材料屈服极限。

综合以上分析结果，播种机在平地正常作业时，最大变形量为0.184 73 mm，不影响实际工作;在翻越田垄导致右前轮抬起时，最大变形量为1.662 9 mm，所受的最大应力为 58.969 MPa，小于材料的屈服极限。对于动载荷情况下材料的受力及变形情况，可以利用仿真获得的静载荷下的应力值与动载荷系数相乘来预估动载荷时的应力情况[9-10]，本研究取动载荷系数为2.5，从而得到动载荷情况下最大应力为147.42 MPa，小于材料的屈服极限。综上，机架在各种工况下的最大变形量较小，最大应力值小于材料的屈服极限（235 MPa），表明机架能满足设计的承载要求。

3 机构动力学分析

3.1 模态分析模型

机架的模态是指机架结构固有的振动特性，对机架进行模态分析可以获得机架的模态参数，例如固有频率、阻尼比和模态振型等[6，11]。通过模态分析可以避免与发动机等激振源频率接近（或为整数倍）导致共振从而引发排种不均匀等问题，同时可以根据模态分析结果对结构进行优化，更合理地布置机架。

根据参考文献[12]，物体动力学通用方程为

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F（t）}。（7）

式中：M為质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;F（t）是力矢量。

3.2 机架模态分析结果

机架各阶模态频率和振动特性见表1。对于水稻直播机机架，二阶振型能够表现出多数振动情况[13]。由图11可知，一阶振动主要发生在中间梁上，使其产生上下的弯曲;二阶振动时，机架上梁部分发生扭转变形，中间梁和各梁连接部位的变形量最大。

根据文献[10，13]，为使机架不发生共振，必须满足：

0.75ω0<ω<1.3ω0。（8）

式中：ω0表示机架固有频率;ω表示激振频率。

水稻精量直播机运动时受到的激振主要有发动机激振、地面激振、动力传动链激振和分种器的发动机以及传动链带来的激振，对各个激振频率分别进行考虑。

本设计采用双缸发动机（型号ZH2110D），发动机转速为1 500 r/min，根据文献[12]，发动机激振频率f=n60·M2，n为发动机转速，M为发动机气缸数。分别考虑正常行驶和怠速2种情况。

正常行驶时激振频率为

f=1 50060× 22=25 Hz。（9）

怠速时激振频率为

f=70060 ×22≈11.7 Hz。（10）

根据分析可知，发动机激振频率在10～30 Hz范围内，而机架的一阶固有频率是90.873 Hz，激振频率与固有频率差距较大[10]，不会引起共振。

正常行驶时，其他振源产生的激振频率均远小于机架各阶模态频率，不会与机架产生共振。

4 机架结构优化

根据分析结果，可以发现机架在不同部位受到的力以及产生的变形差异较大，在受力较大的部位可以通过增加材料厚度或改变结构布局来减少变形量[14]。根据前面的分析可知，机架中间梁受到的载荷以及产生的形变较大，在实际工作中可能发生危险，而且在模态分析中也发现，中间梁和前上梁产生波动的可能性较大，后续主要对这2处添加支撑。

4.1 确定优化方式

以精量直播机的机架模型作为优化对象，选定前期变形量较大的部位进行优化。根据分析结果，选定机架前梁和中间梁作为优化目标，对其添加支撑，如图12所示。

4.2 优化前后性能对比

由表2可知，在工况1时机架结构受到的最大应力有所增加，但仍在材料允许的范围内。除此之外，其他各主要参数均有所减小。应力以及变形量的减小使机架的稳定性增强，确保开沟器开出的沟深一致，不会因播深不均匀导致出苗率低等问题。在播种机翻越田垄导致一轮抬起时，2种工况下机架的受力情况均得到改善，变形量显著减小，对于焊接处的影响也得到了减轻。

5 结论与讨论

利用SolidWorks对机架进行建模，通过ANSYS静力学分析，根据仿真结果，弯曲工况下最大应力为13.64 MPa，变形量为0.184 73 mm;在扭转工况下，当右前轮离地时，最大应力为58.969 MPa，最大形变量为1.662 9 mm。以上工况下机架受到的最大应力均小于材料的屈服极限值，且变形量较小，验证了机架能满足播种作业的承载要求。

利用Modal模块对机架进行模态分析，得到机架的一阶固有频率约为90 Hz，根据经验公式得到发动机等激振源的激振频率低于30 Hz，机架固有频率与激振频率不在同一区间内，因而不会发生共振。

对机架薄弱部位添加支撑优化后，机架变形量显著减小，机架的刚度得到了提升，有利于得到稳定的开沟深度。同时为机架进一步优化和轻量化设计提供了理论依据。

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