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摘要 为了解决云南丘北地区辣椒移栽机核心部件的结构适应性问题，本文基于SolidWorks Simulation对现有开沟器的结构进行了有限元分析。结果表明，开沟器的最大应力幅值为251 MPa，超过材料的屈服极限，强度不够；危险截面位于开沟器支撑架与滑刀根部以及支撑架与调节板的结合处。通过对开沟器局部结构的优化，其应力幅值较原结构下降了19.92%，安全系数提高了25.25%，满足了工作安全强度要求；优化后开沟器的模态分析表明，其固有频率均避开了辣椒移栽机工作时的外部激振频率，有效避免了共振的产生。研究結果为云南丘北辣椒移栽的适应性设计提供了技术指导，为机器优化改型提供理论依据。
关键词 辣椒移栽机；开沟器；有限元；SolidWorks；结构分析
中图分类号 S223.92 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）14-0180-03
Abstract In order to solve the structural adaptability of the core components of the pepper transplanter in Qiubei of Yunnan，this paper analyzed the structure of the existing opener based on SolidWorks Simulation.The results showed that the maximum stress amplitude of the opener was 251 MPa，which exceeded the yield limit of the material and the strength was not enough. The dangerous section was located at the junction of the opener support frame and the slide blade and the support frame and the regulating plate.Through the local structure optimization，the stress amplitude decreased by 19.92% compared with the original structure，the safety factor increased by 25.25%，met the work safety strength requirements；The modal analysis showed that the natural frequency of the opener was free from the external excitation frequency of the pepper transplanter，which effectively avoided the resonance.The results provide technical guidance for the adaptability design of transplanting pepper in Qiubei of Yunnan，and provide the theoretical basis for the optimization of the machine.
Key words pepper transplanter；opener；finite element；SolidWorks；structural analysis
丘北辣椒是云南省具有区域优势的特色农产品，也是文山丘北农业农村经济发展的支柱产业。然而目前，丘北地区辣椒机械化种植程度很低，基本上以人工移栽的传统辣椒种植方式为主，直接影响“丘北辣椒”的种植效率，制约“丘北辣椒”产业扩大与发展[1-2]。因此，开展适应于本地区丘陵山地特征、符合当地农艺特点的辣椒移栽机械研究具有重要的现实意义。
本文以某型号辣椒移栽机上的关键部件之一开沟器为研究对象，在适应丘北辣椒移栽农艺的基础上，基于SolidWorks对原有移栽机开沟器进行有限元结构分析与优化。研究结果为云南丘北辣椒移栽的适应性设计提供了技术指导，为后续机器的优化改型提供了理论基础。
1 开沟器结构特点与工作原理
1.1 结构特点
本文研究的开沟器类型是滑刀式，其所在的辣椒移栽机主要技术参数如表1所示。
该开沟器主体结构主要由滑刀、调节板以及支撑架组成，其三维结构如图1所示。
该滑刀式开沟器可以通过改变调节板的安装位置实现开沟深度均匀一致的调节，并且结构简单；在对种沟进行一定程度压实的同时，对土壤的扰动破坏程度也比较小，有利于辣椒秧苗的生长；开出的沟深与沟宽比较稳定，不容易缠草及堵塞；结构体积小巧、开沟作业流畅。以上这些特点决定了该类型开沟器较适应云南丘北丘陵地区的辣椒移栽作业要求。
1.2 工作原理
开沟器工作时，首先将机具按照种植要求安装并落下，开沟器垂直入土迅速达到规定的沟深；随着机组的前进，与滑刀刃口接触的土壤逐渐被挤向两侧形成V型沟带。滑刀底座两侧面对所开沟的沟槽面有一定的加实和巩固作用，有效地降低了沟面坍塌的几率；同时为了防止开沟器底部的土壤压实过大，将开沟器的尾座设计成有一定角度的三角式坡口，能够有效防止开沟器完成开沟任务后上层土壤落入沟底。
1.3 工作参数
滑切式开沟器主要受刃口形状、滑切角、开沟器宽度和工作阻力等因素影响[3-4]。该型号移栽机开沟器的主要工作参数如表2所示。
开沟器工作时，土壤与开沟器直接接触并向两侧动态流动，其产生的阻力是开沟器结构设计中的重要影响因素。开沟器的工作阻力由土壤正面阻力和土壤侧面阻力2种阻力所组成。其中，土壤正面阻力按照开沟器工作参数设定，土壤侧面阻力可根据下面的计算式近似求出[5-8]。 2 开沟器有限元结构分析
运用SolidWorks Simulation有限元分析判断该型号开沟器的结构强度。该开沟器的机架是焊接组合结构，材料采用ZG240铸造碳钢，弹性模量210 GPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3。有限元结构分析云图如图2所示。
由图2（a）可知，开沟器最大应力幅值为251 MPa，位于开沟器与底座的连接部，最大应力值大于屈服强度248 MPa，说明强度不足；由图2（b）可知，开沟器的最大变形量为0.52 mm，位于开沟器端部，总体上变形量较小，刚度较好；由图2（c）可知，开沟器的最小安全系数为0.99，说明结构存在一定的强度危险。通过进一步观察，发现开沟器的危险截面集中在图3所示的2个部位。
3 开沟器局部结构优化与分析
3.1 局部结构优化
经过基于SolidWorks Simulation的开沟器有限元结构应力分析可知，开沟器支撑架与滑刀根部以及其与调节板结合处的应力峰值均超过了材料的屈服极限。这几处作为开沟器重要的结构连接部位，其强度的安全性是整个开沟器甚至移栽机能够安全工作的重要保障。为了提高开沟器整体结构的安全性和使用寿命，需要对这几处的结构进行优化，以降低应力集中程度。
由图3危险截面处的局部应力云图可以看出，这些危险部位应力集中产生的主要原因是结构衔接不连续，出现结构尺寸突变，并且这些部位缺少必要的结构加强与支撑。根据以上分析，针对以上部位的结构优化采用局部过渡尺寸增大的方法，即支撑架与滑刀根部的圆角半径增大至8 mm；支撑架与调节板结合处厚度增大到10 mm。局部尺寸优化后的结构如图4所示。
3.2 优化后的有限元静态强度分析
为了说明上述结构优化方案的有效性，对优化后的开沟器进行有限元结构分析，应力、变形以及安全系数分析云图如图5所示。可以看出开沟器的最大应力幅值为201 MPa，最大变形量为0.41 mm，最小安全系数为1.24。
优化前后有限元结构分析结果如表3所示。由表3可以看出，开沟器结构优化后，应力幅值下降了19.92%，安全系数提高了25.25%，结构强度提高，满足了工作强度安全要求；最大变形量减小了21.15%，说明优化后开沟器的结构刚度进一步提高。
3.3 优化后的有限元模态分析
开沟器是移栽机的关键工作部件之一，其振动问题是优化后结构合理性的主要动态性能判断指标。运用SolidWorks Simulation有限元模态分析可以较全面地了解开沟器结构的固有频率和振型。一般而言，低阶振动对结构的动态影响较大，低阶振型决定结构的动态特性[9]。提取开沟器前六阶模态进行求解与分析。开沟器前六阶的固有频率变化曲线如图6所示。由图6可以看出，固有频率随着阶数的递增而增加。其中，前三阶频率基本成线性递增关系，而从第四阶开始固有频率大幅度上升，达到1 400 Hz以上，远远高于外部干扰频率。因此，前三阶固有频率和振型是评价开沟器动态性能的关键。
开沟器前三阶的振型分析云图如图7所示。由图7可知，在开沟器的整体振动中，第一阶振型为滑刀主体和支撑架上下摆动；第二阶振型为滑刀主体和支撑架的左右摆动；第三阶振型为滑刀主体和支撑架的前后摆动。开沟器在振动中变形最大部位出现在滑刀的前端和支撑架的后侧连接板处。根据辣椒移栽机的传动分析，开沟器干扰频率主要来自牵引拖拉机发动机以及传动装置中的链传动，而其产生的干扰频率一般在100 Hz以下[10-11]。而开沟器前三阶中的最小固有频率已接近300 Hz，远高于外部激振频率。因此，该开沟器优化后的结构可以有效避免机器运转时发生共振的可能，动态性能良好。
4 结语
基于SolidWorks Simulation对开沟器进行了有限元结构分析，结果表明，开沟器原结构的支撑架与滑刀根部、支撑架与调节板结合处存在强度不足问题[12-13]。
本文提出了有效的结构优化方案，即通过增大相关连接部位的过渡尺寸减小局部应力集中。对优化后开沟器的有限元静态分析表明：安全系数为1.24，应力幅值为201 MPa，小于材料屈服极限，强度满足要求；有限元模态分析表明：机架的前三阶模态频率分别为296.42、572.34、812.58 Hz，均大幅度避开了外部激振频率[14-16]，有效避免了共振的产生，动态性能良好。
5 参考文献
[1] 李云，张永发，王绍祥，等.丘北辣椒产业现状及发展对策[J]. 辣椒杂志，2010，10（4）：6-10.
[2] 刘存祥，李晓虎，岳修满，等.我国旱地移栽机的现状与发展趋势[J].农机化研究，2012，28（11）：249-251.
[3] 顾耀权，贾洪雷，郭慧，等.滑刀式开沟器设计与试验[J].农业机械学报，2013，44（2）：38-42.
[4] 付宇飞，张淑敏.灌水开沟器的设计与有限元分析[J].农机化研究，2014，30（11）：108-111.
[5] 赵金辉，杨学军，周军平，等.播种机开沟器力学性能测试装置的研究与设计[J].农机化研究，2014，30（1）：238-241.
[6] 姚宗路，高煥文，李洪文，等.不同结构免耕开沟器对土壤阻力的影响[J].农机化研究，2009，25（7）：30-34.
[7] 刘献东，高凯，刘素芬. 等曲率滑刀式开沟器的研制[J].农机使用与维修，2015，22（6）：34-36.
[8] 于建群，钱立彬，于文静，等.开沟器工作阻力的离散元法仿真分析[J].农业机械学报，2009，40（6）：53-57.
[9] 刘向晖，刘俊峰，李建平，等.圆盘式果园开沟机刀盘作业模态分析[J].农机化研究，2016，32（6）：102-105.
[10] NGUYEN V N，INABA S.Effects of tire inflation pressure and Tractor velocity on dynamic wheel load and rear axle vibrations[J].Journal of Terra mechanics，2011（48）：3-16.
[11] 饶向林，卢泽民，魏新华，等.水田用大功率拖拉机驱动桥壳体设计与分析[J].农机化研究，2017，33（3）：129-133.
[12] 倪明航.钵苗成组移栽机的设计与试验研究[D].阿拉尔：塔里木大学，2015.
[13] 段斌.小型辣椒移栽机栽植器的设计与仿真试验[D].郑州：河南农业大学，2014.
[14] 郝淼.钵苗移栽机构仿真分析和结构优化[D].长春：吉林大学，2013.
[15] 张茫茫.新疆农二师移栽机械化的发展状况与对策研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2012.
[16] 杜晟.吊篮式移栽机栽植机构的设计与研究[D].石河子：石河子大学，2016
关键词 辣椒移栽机；开沟器；有限元；SolidWorks；结构分析
中图分类号 S223.92 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）14-0180-03
Abstract In order to solve the structural adaptability of the core components of the pepper transplanter in Qiubei of Yunnan，this paper analyzed the structure of the existing opener based on SolidWorks Simulation.The results showed that the maximum stress amplitude of the opener was 251 MPa，which exceeded the yield limit of the material and the strength was not enough. The dangerous section was located at the junction of the opener support frame and the slide blade and the support frame and the regulating plate.Through the local structure optimization，the stress amplitude decreased by 19.92% compared with the original structure，the safety factor increased by 25.25%，met the work safety strength requirements；The modal analysis showed that the natural frequency of the opener was free from the external excitation frequency of the pepper transplanter，which effectively avoided the resonance.The results provide technical guidance for the adaptability design of transplanting pepper in Qiubei of Yunnan，and provide the theoretical basis for the optimization of the machine.
Key words pepper transplanter；opener；finite element；SolidWorks；structural analysis
丘北辣椒是云南省具有区域优势的特色农产品，也是文山丘北农业农村经济发展的支柱产业。然而目前，丘北地区辣椒机械化种植程度很低，基本上以人工移栽的传统辣椒种植方式为主，直接影响“丘北辣椒”的种植效率，制约“丘北辣椒”产业扩大与发展[1-2]。因此，开展适应于本地区丘陵山地特征、符合当地农艺特点的辣椒移栽机械研究具有重要的现实意义。
本文以某型号辣椒移栽机上的关键部件之一开沟器为研究对象，在适应丘北辣椒移栽农艺的基础上，基于SolidWorks对原有移栽机开沟器进行有限元结构分析与优化。研究结果为云南丘北辣椒移栽的适应性设计提供了技术指导，为后续机器的优化改型提供了理论基础。
1 开沟器结构特点与工作原理
1.1 结构特点
本文研究的开沟器类型是滑刀式，其所在的辣椒移栽机主要技术参数如表1所示。
该开沟器主体结构主要由滑刀、调节板以及支撑架组成，其三维结构如图1所示。
该滑刀式开沟器可以通过改变调节板的安装位置实现开沟深度均匀一致的调节，并且结构简单；在对种沟进行一定程度压实的同时，对土壤的扰动破坏程度也比较小，有利于辣椒秧苗的生长；开出的沟深与沟宽比较稳定，不容易缠草及堵塞；结构体积小巧、开沟作业流畅。以上这些特点决定了该类型开沟器较适应云南丘北丘陵地区的辣椒移栽作业要求。
1.2 工作原理
开沟器工作时，首先将机具按照种植要求安装并落下，开沟器垂直入土迅速达到规定的沟深；随着机组的前进，与滑刀刃口接触的土壤逐渐被挤向两侧形成V型沟带。滑刀底座两侧面对所开沟的沟槽面有一定的加实和巩固作用，有效地降低了沟面坍塌的几率；同时为了防止开沟器底部的土壤压实过大，将开沟器的尾座设计成有一定角度的三角式坡口，能够有效防止开沟器完成开沟任务后上层土壤落入沟底。
1.3 工作参数
滑切式开沟器主要受刃口形状、滑切角、开沟器宽度和工作阻力等因素影响[3-4]。该型号移栽机开沟器的主要工作参数如表2所示。
开沟器工作时，土壤与开沟器直接接触并向两侧动态流动，其产生的阻力是开沟器结构设计中的重要影响因素。开沟器的工作阻力由土壤正面阻力和土壤侧面阻力2种阻力所组成。其中，土壤正面阻力按照开沟器工作参数设定，土壤侧面阻力可根据下面的计算式近似求出[5-8]。 2 开沟器有限元结构分析
运用SolidWorks Simulation有限元分析判断该型号开沟器的结构强度。该开沟器的机架是焊接组合结构，材料采用ZG240铸造碳钢，弹性模量210 GPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.3。有限元结构分析云图如图2所示。
由图2（a）可知，开沟器最大应力幅值为251 MPa，位于开沟器与底座的连接部，最大应力值大于屈服强度248 MPa，说明强度不足；由图2（b）可知，开沟器的最大变形量为0.52 mm，位于开沟器端部，总体上变形量较小，刚度较好；由图2（c）可知，开沟器的最小安全系数为0.99，说明结构存在一定的强度危险。通过进一步观察，发现开沟器的危险截面集中在图3所示的2个部位。
3 开沟器局部结构优化与分析
3.1 局部结构优化
经过基于SolidWorks Simulation的开沟器有限元结构应力分析可知，开沟器支撑架与滑刀根部以及其与调节板结合处的应力峰值均超过了材料的屈服极限。这几处作为开沟器重要的结构连接部位，其强度的安全性是整个开沟器甚至移栽机能够安全工作的重要保障。为了提高开沟器整体结构的安全性和使用寿命，需要对这几处的结构进行优化，以降低应力集中程度。
由图3危险截面处的局部应力云图可以看出，这些危险部位应力集中产生的主要原因是结构衔接不连续，出现结构尺寸突变，并且这些部位缺少必要的结构加强与支撑。根据以上分析，针对以上部位的结构优化采用局部过渡尺寸增大的方法，即支撑架与滑刀根部的圆角半径增大至8 mm；支撑架与调节板结合处厚度增大到10 mm。局部尺寸优化后的结构如图4所示。
3.2 优化后的有限元静态强度分析
为了说明上述结构优化方案的有效性，对优化后的开沟器进行有限元结构分析，应力、变形以及安全系数分析云图如图5所示。可以看出开沟器的最大应力幅值为201 MPa，最大变形量为0.41 mm，最小安全系数为1.24。
优化前后有限元结构分析结果如表3所示。由表3可以看出，开沟器结构优化后，应力幅值下降了19.92%，安全系数提高了25.25%，结构强度提高，满足了工作强度安全要求；最大变形量减小了21.15%，说明优化后开沟器的结构刚度进一步提高。
3.3 优化后的有限元模态分析
开沟器是移栽机的关键工作部件之一，其振动问题是优化后结构合理性的主要动态性能判断指标。运用SolidWorks Simulation有限元模态分析可以较全面地了解开沟器结构的固有频率和振型。一般而言，低阶振动对结构的动态影响较大，低阶振型决定结构的动态特性[9]。提取开沟器前六阶模态进行求解与分析。开沟器前六阶的固有频率变化曲线如图6所示。由图6可以看出，固有频率随着阶数的递增而增加。其中，前三阶频率基本成线性递增关系，而从第四阶开始固有频率大幅度上升，达到1 400 Hz以上，远远高于外部干扰频率。因此，前三阶固有频率和振型是评价开沟器动态性能的关键。
开沟器前三阶的振型分析云图如图7所示。由图7可知，在开沟器的整体振动中，第一阶振型为滑刀主体和支撑架上下摆动；第二阶振型为滑刀主体和支撑架的左右摆动；第三阶振型为滑刀主体和支撑架的前后摆动。开沟器在振动中变形最大部位出现在滑刀的前端和支撑架的后侧连接板处。根据辣椒移栽机的传动分析，开沟器干扰频率主要来自牵引拖拉机发动机以及传动装置中的链传动，而其产生的干扰频率一般在100 Hz以下[10-11]。而开沟器前三阶中的最小固有频率已接近300 Hz，远高于外部激振频率。因此，该开沟器优化后的结构可以有效避免机器运转时发生共振的可能，动态性能良好。
4 结语
基于SolidWorks Simulation对开沟器进行了有限元结构分析，结果表明，开沟器原结构的支撑架与滑刀根部、支撑架与调节板结合处存在强度不足问题[12-13]。
本文提出了有效的结构优化方案，即通过增大相关连接部位的过渡尺寸减小局部应力集中。对优化后开沟器的有限元静态分析表明：安全系数为1.24，应力幅值为201 MPa，小于材料屈服极限，强度满足要求；有限元模态分析表明：机架的前三阶模态频率分别为296.42、572.34、812.58 Hz，均大幅度避开了外部激振频率[14-16]，有效避免了共振的产生，动态性能良好。
5 参考文献
[1] 李云，张永发，王绍祥，等.丘北辣椒产业现状及发展对策[J]. 辣椒杂志，2010，10（4）：6-10.
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[7] 刘献东，高凯，刘素芬. 等曲率滑刀式开沟器的研制[J].农机使用与维修，2015，22（6）：34-36.
[8] 于建群，钱立彬，于文静，等.开沟器工作阻力的离散元法仿真分析[J].农业机械学报，2009，40（6）：53-57.
[9] 刘向晖，刘俊峰，李建平，等.圆盘式果园开沟机刀盘作业模态分析[J].农机化研究，2016，32（6）：102-105.
[10] NGUYEN V N，INABA S.Effects of tire inflation pressure and Tractor velocity on dynamic wheel load and rear axle vibrations[J].Journal of Terra mechanics，2011（48）：3-16.
[11] 饶向林，卢泽民，魏新华，等.水田用大功率拖拉机驱动桥壳体设计与分析[J].农机化研究，2017，33（3）：129-133.
[12] 倪明航.钵苗成组移栽机的设计与试验研究[D].阿拉尔：塔里木大学，2015.
[13] 段斌.小型辣椒移栽机栽植器的设计与仿真试验[D].郑州：河南农业大学，2014.
[14] 郝淼.钵苗移栽机构仿真分析和结构优化[D].长春：吉林大学，2013.
[15] 张茫茫.新疆农二师移栽机械化的发展状况与对策研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2012.
[16] 杜晟.吊篮式移栽机栽植机构的设计与研究[D].石河子：石河子大学，2016