三七基質平整裝置結構設計與參數優(yōu)化仿真試驗

仲廣遠,普 瑞,楊文彩,張 良,郎沖沖,闞成龍

(云南農業(yè)大學 機電工程學院,昆明 650201)

0 引言

云南省是三七的主產地,但目前三七種植以人工為主,特別是播種環(huán)節(jié)人工播種效率低、勞動強度大、用工成本高,采用機械化播種能有效提高播種效率、降低生產成本。三七播種的行株距均為50mm、播深為10mm,針對這種小行株距淺播深的農藝要求,課題組前期開展了大量與三七精密播種相關的研究[1-3],并開發(fā)至第三代三七精密播種樣機。多年研究發(fā)現:三七精密播種機播種質量的高低高度依賴于基質的平整程度,但目前尚沒有適宜槽式三七精密播種的基質平整機械[4]。目前,土地平整以旋耕為主,雖然其破碎能力較強,但其功率消耗較大[5-6];而采用圓盤耙作為整地裝置,能夠有效地降低功耗,且圓盤的入土性能好,能夠創(chuàng)造良好的種床條件[7-11]。

整地過程中,耙片切削土壤時所受阻力與耙片的結構、土壤的運動均等有關系。近年來,學者運用光滑粒子流體力學(SPH)方法對土壤切削過程進行有限元動態(tài)仿真,通過對不同結構參數的圓盤耙在切削土壤時的不同狀態(tài)進行受力分析,達到減小切削阻力和降低切削功率的效果[12-15]。

本文以阿基米德螺線為基礎,通過對碎土裝置的設計,設計了一種自走式基質平整裝置,建立了“圓盤耙-土壤”光滑粒子模型,并運用LS-DNNA軟件通過SPH算法對整地階段進行仿真,同時安排虛擬二次正交回歸旋轉試驗,分析各個參數對切削阻力的影響,通過優(yōu)化分析確定阻力最小的最佳參數優(yōu)化組合。

1 整機設計

1.1 整體結構與主要參數

三七基質平整機主要由機架、圓盤耙組、擋土板、限位輪、萬向輪組合、傳動機構及變速箱等部件組成,如圖1所示。圓盤耙組由兩組包含9片基于阿基米德螺線的耙片組成,結合育苗槽尺寸特性,耙片直徑設計為450mm,耙片間距設計為170mm;萬向輪組合由搖桿和萬向輪組成。整機主要參數如表1所示。

1.萬向輪 2.推桿 3.后行走輪 4.傳動箱1 5.行走電機 6.變速箱 7.電控柜 8.機架 9.刮土板 10.旋轉電機 11.傳動鏈條 12.擋土板 13.前行走輪 14.圓盤耙組

表1 平整機整機主要參數

1.2 工作原理

行走電機和電機變速箱與傳動箱連接,傳動箱由上下鏈輪通過鏈條構成。平整機工作時,行走電機為平整機的行走提供動力,通過變速箱把電機動力提供傳動箱,傳動箱通過鏈條和齒輪帶動行走輪工作;旋轉電機為圓盤耙組的旋轉提供動力,通過齒輪和軸承帶動前耙軸旋轉,同時前耙組和后耙組通過等齒的鏈輪及鏈條鏈接,保證了動力的同步性。

平整機工作時,通過控制柜可以對兩臺電機進行無級調速,從而實現對電機行走速度和圓盤耙組旋轉速度的調整。

2 關鍵部件設計

2.1 圓盤耙片

平整機的主要作用是平整土壤,而圓盤耙片是平整機的核心部件[16],其形狀直接影響入土性能和作業(yè)效果。

2.1.1 曲線設計

三七育苗基質的力學特性相對于一般土壤來說相對疏松,沒有太多的根茬等雜物,在選擇耙片形狀時主要考慮入土性能、受力均勻及制造方便等因素。參照國標[17],圓盤耙的缺口曲線選用阿基米德螺線,其曲線極坐標方程為

R=R0+Kθ

(1)

式中R—極徑(mm);

R0—起始半徑(mm);

K—常數;

θ—極角(°)。

圓盤耙片具體結構參數如圖2所示。根據耙片的作業(yè)深度及土壤擾動等參數,參照農業(yè)機械設計手冊[18],設計耙片的直徑為450mm,曲率半徑為600mm,最大設計耙深為120mm。

圖2 圓盤耙片的結構參數

其中,Rmax為最大半徑。

2.1.2 耙片的耕幅

圓盤耙片在安裝過程中需要偏置,有利于切削土壤偏置角增大使得耕幅增加。單圓盤耙片的耕幅如圖3所示。耕幅和偏置角之間的關系為

(2)

b≤Lsinα

(3)

其中,L為耕深為100mm 時觸土圓盤耙片圓弧長度;a為圓盤耙工作時的耕深;b為圓盤耙片的耕幅;α為圓盤耙片工作偏角。

圖3 耙片耕幅

2.2 耙片的排列

缺口型耙片對土壤有一定的沖擊性,易于切削土壤。切削的過程中,由于相鄰耙片間存有一定的間距,致使耙片間留有漏切區(qū)域,間距過小會有堵塞,間距過大加重漏切[19]。因此,設計出2列前后交錯的圓盤耙組,以保證機組既不漏切又不堵塞,結構如圖4所示。

圖4 2列耙組交替排列結構示意圖

圓盤耙片在耙軸上的排列方式直接影響平整機的作業(yè)性能,合適的排列方式可以提高碎土率,提升整機的穩(wěn)定性。排列方式應該滿足:①增大角度,防止堵塞;②耙軸受力更加均勻,減少耙軸的沖擊振動,延長軸承和傳動件的使用壽命[20]。

這里選用螺旋線,其排列展開圖如圖5所示。

圖5 圓盤耙組耙片排列

3 仿真分析

通過LS-DYNA軟件,運用光滑粒子流體力學(SPH)方法對切土過程進行仿真,運用LS-PREPOST前后處理軟件查看仿真結果。通過對結果分析,得出最佳工作參數,為實際生產提供參考依據。

3.1 模型的建立

3.1.1 圓盤耙組有限元模型

按照設計出的圓盤耙組,在SolidWorks軟件中建立圓盤耙組的三維實體模型,保存成.STEP格式文件,通過Hypermesh軟件對模型進行前處理。材料模型設置為剛體,密度為7.85×103kg/m3,彈性模量為2.07×1011Pa,泊松比為0.3,約束x、z方向的移動和y、z方向的旋轉。設置完成后,采用自由網格劃分建立圓盤耙組有限元模型。圓盤耙組實體與有限元模型如圖6所示。

3.1.2 土壤材料模型

設置土壤體積為280mm×250mm×500mm,采用LSPREOST中提供的MAT147(*MAT_FHWA_SOLI)材料模型[21],結合南方丘陵山區(qū)三七種植區(qū)紅壤特性[22],設計的模型主要參數[14,23-24]如表2所示。

圖6 圓盤耙實體與有限元模型

表2 土壤材料的主要參數

3.1.3 邊界條件施加

圓盤耙切土深度為100mm,在仿真過程中定義邊界條件如下:①SPH算法為數值算法;②借助SPC設定土壤底端為固定約束[14];③定義耙片和土壤間為點面接觸;④設置求解時間為3000 ms(3s)。最后,在軟件中建立的有限元模型如圖7所示。

圖7 圓盤耙片和土壤有限元模型

3.1.4 虛擬仿真過程與分析

虛擬作業(yè)過程中,設置圓盤耙組位于土槽的一側進行初始作業(yè),根據實際作業(yè)狀態(tài)及農藝要求,以某工況下為例進行仿真。設置機具前進速度為100m/min,圓盤耙旋轉速度為100rad/min,設置其固定時間步長為5ms,總時間為3s。

在LSPREPOST中進行定義之后,生成k文件,然后運用LS-DYNA軟件進行求解。

圓盤耙片切削土壤過程的仿真效果如圖8所示。

由圖8可以看出:圓盤耙片仿真過程中,耙片未進入土壤之前,土壤排列有序;隨著耙片開始切削土壤,土壤開始受到擠壓和剪切,逐漸發(fā)生破壞和變形;隨著時間的增加,破壞和變形逐步變大;當圓盤耙離開土壤后,土壤在慣性及內力的作用下仍然繼續(xù)運動,最終達到平穩(wěn)。

3.1.5 切削力分析

圓盤耙切削土壤過程中,隨著耙片逐漸接觸土壤,耙片受到的阻力從零逐漸增大。由圖9可以看出:在耙片和土壤接觸初始階段,切削力迅速增加,達到一定值之后,開始隨著入土深度的變化在一定范圍上下波動。波動時,當某一缺口完全入土時,切削力達到峰值,在此過程中最大阻力為2 572.4N,可以看出圓盤耙對土壤的切削極具沖擊性。計算得出切削過程中的平均阻力為727.06N。

3.2 基于光滑粒子流體力學仿真的參數優(yōu)化

3.2.1 試驗方法

為研究各參數對平整機碎土部件的影響,運用二次正交旋轉組合試驗進行虛擬仿真試驗研究。

3.2.2 試驗設計

結合文獻[8]可知,影響阻力的主要因素為機組前進速度、軸轉速和偏置角度。

試驗采用三因素五水平二次正交旋轉試驗,以平整機前進速度、軸旋轉速度和偏置角為試驗素,以平均阻力為優(yōu)化指標,參考農業(yè)機械設計手冊[18]及文獻[25-27],選取機組前進速度為10～16.8m/min,軸轉速為60～168r/min,偏置角為7～23°。因素和編碼水平如表3所示,試驗方案及結果如表 4所示。

表3 試驗因素編碼水平表

表4 試驗方案與結果

續(xù)表4

3.2.3 結果與分析

3.2.3.1 回歸模型的建立及檢驗

利用Design-Expert10.1.0對仿真結果進行回歸擬合分析,得到平均阻力Y的二次回歸模型為

Y=1974.55+15.07X1+84.62X2+

614.44X3+25.74X1X2-21.49X1X3-

(4)

式中Y—平均阻力;

X1—前進速度編碼值;

X2—工作轉速編碼值;

X3—偏置角編碼值。

對式(4)二次回歸模型進行方差分析和回歸系數顯著性檢驗,結果如表5所示。

由表5可知,失擬項顯著。這說明,還有其他因素對結果有影響。其中,確定系數R2=0.921 9,信噪比=16.14,CV(Y的變異系數)=9.44%,說明回歸模型的實際值與預測值吻合度高。模型的P<0.000 1,說明選取的試驗因素對阻力具有顯著的影響。

3.2.3.2 模型交互項分析

由二次回歸模型式(4)得出各因素的交互響應曲面,如圖10所示。

表5 回歸方程方差分析

續(xù)表5

圖10 各因素對阻力的影響

由圖10可知:固定其中一因素為零水平時,受到的阻力隨著偏置角的增大而呈現出上升的趨勢,隨著工作轉速的增大,其阻力先減小再增大。

3.2.3.3 作業(yè)參數優(yōu)化

為了使平整機的阻力達到合理的水平,應用Design-Expert軟件中的Optimization - Numerical模塊對回歸方程進行優(yōu)化,得到平整機阻力最小的最優(yōu)參數組合為前進速度14.366m/min、轉速100.928rad/min、偏置角10.243°。此時,平整機的阻力為1 298.339N。

4 結論與展望

1)設計了一種三七基質平整機,實現了槽式育苗槽內基質的平整。

2)運用SolideWorks軟件和Hypermesh軟件建立了“圓盤耙-土壤”模型。

3)基于SPH算法,運用LS-DYNA971求解器和LS-PREPOST前后處理器,對平整機核心部件進行切削土壤的仿真分析。

4)以前進速度、工作轉速和偏置角為影響因素,運用虛擬二次正交旋轉實驗,通過方差分析和響應曲面分析,得出了不同因素水平對圓盤耙組切土阻力的影響和各個參數的最優(yōu)參數組合。結果表明:偏置角對阻力的影響最大,通過調節(jié)前進速度和工作轉速可有效地降低阻力。最優(yōu)參數組合為:前進速度15m/min,工作轉速101r/min,偏置角為11°。

接下來,課題組將在三七播種階段應用平整機對三七基質進行處理,通過實際測試得出實際阻力值。由于實際生產過程中設備會受到工作環(huán)境的影響,實際值與仿真值會存在一定的偏差,具體偏差還要在實際生產中進行進一步的探索和研究。