一种多功能玉米中耕施肥机的仿真分析

倪世鹏

（宁夏回族自治区农机安全监理总站，宁夏 银川 750002）

0 引言

玉米田间杂草与作物争夺养分和水分直接影响玉米产量和品质，杂草也是病虫害的主要寄主，据相关研究表明，严重的草害可使玉米产量下降50%以上。目前，国内除草方法有人工除草、化学除草和机械除草等。人工除草劳动强度大、效率低，不适用在大面积种植模式下。化学除草速度快、效率高、节省人力、便于机械作业，但其带来诸如杂草群落变迁、抗药性增强且抗药谱扩大等现象，同时产生环境污染和农药残留等问题[1]。国内的机械制造水平低于国外发达国家，中耕机械的作业速度相对较慢，工作效率不高。国内大型农机生产企业和黑龙江省农垦区引进了国外的智能除草机器人等中耕机械，但因购置成本过高难以在中小农业合作组织和农户中普及应用。

宁夏玉米年种植面积在35 万hm2以上，保障玉米产量对于发展畜牧业和工业发展具有重要意义。春玉米种植区域由于长期使用农药和化肥，土壤板结现象日趋加重，加上浅旋耕作和不重视有机肥的使用，导致耕层浅且有机质减少，严重影响春玉米产量和品质。玉米苗期除草以化学除草为主，农户多以小型中耕施肥机进行追肥作业，在化肥农药“两减两提”总要求和绿色有机农业发展的背景下，如何利用玉米中耕施肥机械对草害进行有效控制以及提高化肥利用率受到了人们越来越多的关注。研究资料显示，中耕深松能够促进玉米植株生长发育和产量提高[2-3]。针对玉米田间杂草的机械防除和追施肥需求，本文研究设计了一种多功能玉米中耕施肥机，能够一次性完成玉米苗期除草、深松和追施肥等多项作业工序[4-5]，并基于该机模型进行了仿真分析，为机具应用与改进提供参考。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

宁夏灌溉区春玉米种植一般为60 cm 等行距单种模式，因此本设计的多功能玉米中耕施肥机行距为60±5 cm（可调）。该机具主要包括三点悬挂固定板和由方管伸缩双梁焊接成的高地隙机架、单翼除草铲装置、减阻深松铲装置、苗带喷施药装置、液压缸、智能高压双泵、安全卡座和带刻度塑料药箱等部件组成，整机结构如图1。

图1 多功能玉米中耕施肥机结构示意

1.2 工作原理

机具田间作业时，伸展液压缸，紧固固定螺栓，按农艺要求调整好两侧边行工作部件位置，使喷药、除草、深松、施肥各工作部件参数符合中耕作业技术要求后，启动拖拉机牵引机具匀速随行，深松铲和除草铲相继进入土壤工作，同时打开电动施肥装置北斗定位控制器开关，电动排肥器通电开始工作，肥料由排肥管经深松施肥开沟器施入土壤中，施肥量通过北斗定位控制器档位控制，从而使机组完成行间机械深松、除草和苗侧条深施肥等各项作业。在苗期除草作业时，将肥箱电动施肥装置更换成苗带喷施药装置，打开喷药系统控制开关，药液由进水管经智能高压双泵加压，通过出水管分配到各防风喷头将药液喷施在苗带上，喷药量和喷药宽度通过调节防风喷头控制，从而使机组完成行间机械深松、除草和苗带喷施药作业。苗带喷施药装置如图2。机具转场时，松开两侧边行工作部件与方管伸缩梁上的固定螺栓，液压缸收缩使机具宽度达到最小时再紧固固定螺栓，便可缩小机具运输尺寸，便于场院、农田转移和道路运输。

图2 苗带喷施药装置示意

1.3 主要技术参数

该机具要求配套动力51.47 kW（70 马力）以上，且轮距与行距配套，采用三点悬挂联接，外形尺寸：1 255×（2 400～3 000）×2 000（长×宽×高，mm），可以完成行间机械除草深度40～60 mm、深松深度150～250 mm、施肥深度100～150 mm，一次作业5 行，作业幅宽3 000 mm。根据技术要求，设计多功能玉米中耕施肥机参数见表1。

表1 多功能玉米中耕施肥机的设计参数

2 建立三维模型

在Creo Parametric 8.0 零件模块下对整机零部件进行参数化设计，逐一建立零件模型。在装配模块下对10个部件进行装配干涉分析和修复，最后集成整机模型。多功能玉米中耕施肥机两个作业状态三维模型如图3、图4。

图3 多功能玉米中耕施肥机三维模型Ⅰ

图4 多功能玉米中耕施肥机三维模型Ⅱ

3 多功能玉米中耕施肥机有限元分析

3.1 模型简化

简化模型可提升计算速度，对Creo Parametric 8.0 设计模型的螺栓连接、喷施药装置、电动施肥装置等可忽略零部件特征做简化处理，利用ANSYS Workbench 2022对多功能玉米中耕施肥机三维模型进行静力学和模态分析。网格划分越精细仿真结果越精确，但对于计算机处理器的要求比较高、耗费时间较多，为保证分析的精确度并兼顾耗费时间，结合实际情况进行设置[4]。

机具方管伸缩梁、安全卡座、单翼除草铲铲柄材料设置为20 号钢，减阻深松铲铧尖及铲柄、单翼除草铲材料设置为65Mn 钢，三点悬挂固定板及其余零件材料设置为45 号钢，材料参数见表2。根据设计要求，三点悬挂固定板与方管设置焊接接触，减阻深松铲铲柄与安全卡座销轴连接设置几何体回转接触、与安全销设置几何体固定面接触，单翼除草铲与安装库设置几何体固定接触，其余连接默认按系统判别。

表2 模型设置的材料参数

3.2 机具转场状态静力学分析

机具转场时匀速行驶，即处于稳态，对于处于稳态的机械结构，静力学分析是一种有效分析方法[1]。基于上述的静力学分析，将三维模型导入到ANSYS Workbench 2022 中，然后在机具三点悬挂位置分别施加摩擦圆柱支撑约束，当药箱装满药液时重量最大，在药箱装置与机架的两个固定板上端面分别施加1 000 N向下的力。根据机具转场设计要求，采用网格默认自动划分法就可满足静力学分析要求，经计算机处理器测算，设置网格最小尺寸8 mm，其余选项默认，机具经划分网格生成节点934 052 个，单元270 073 个。网格划分后机具模型如图5，待模型求解后得出总变形和等效应力云图（图6、图7）。

图5 机具转场状态网格划分模型

图6 机具转场状态总变形云图

图7 机具转场状态等效应力云图

由图6和图7可得，最大变形发生在机具两侧边、最大变形量为0.061 mm，最大应力发生在三点悬挂中间固定板与方管焊接处、最大应力11.33MPa，远小于20 号钢的材料屈服强度215MPa，机具在转场状态下材料不会发生屈服变形。

3.3 机具工作状态下静力学和模态分析

3.3.1 静力学分析

机具在作业时匀速直线行驶，即处于稳态，主要是减阻深松铲和除草铲受到土壤阻力。根据上述的静力分析，将三维模型导入到ANSYS Workbench 2022 中，然后在机具三点悬挂位置分别施加摩擦圆柱支撑约束；设计行间除草最大耕深60 mm，经查阅资料得出土壤比阻80～100 N/m，根据除草铲受力分析计算，分别对10 个（共5 组）单翼铲除草工作面和端面施加X 轴反方向力96 N；根据深松最大耕深250 mm，对10 个（共5 组）减阻深松铲250 mm 以下端面施加X 轴反方向力850 N[7，8]。根据设计要求，仿真计算需比机具转场时计算更加精确，经计算机处理器测算，采用四面体法（补丁适形算法）划分网格，设置网格最小尺寸5 mm，经划分网格生成节点1 544 593 个，单元796 176 个。网格划分和载荷约束设置好后，将分析模型提交求解计算，得出总变形和等效应力云图（图8、图9）。

图8 机具作业状态局部放大总变形云图

图9 机具作业状态等效应力云图（局部放大）

由图8 和图9 可得，最大变形发生在两侧边单翼除草铲的铲翼末尾和减阻深松铲铧尖处，此时最大变形量为2.082 5 mm；最大应力发生在减阻深松铲与安全卡座连接处和下悬挂固定板与方管焊接处、最大应力135.97 MPa。在减阻深松铲与安全卡座连接处最大应力值远小于65Mn 钢材料的屈服强度430 MPa，故机具作业时不会产生过载。在下悬挂固定板与方管焊接处最大应力值与20 号钢材料的屈服强度215 MPa 数值无极大差距，此状态下模型安全系数为1.58，满足机械结构静载情况下塑性材料安全系数要求，机具材料选用和设计合理。

3.3.2 预应力模态分析

模态分析是计算机械结构振动特性的数值技术，可获得最基本的动力学特征。因土壤特性不均匀，多功能玉米中耕施肥机在除草、深松和施肥过程中会受到外界随机变化载荷的作用，当这些载荷的频率与机具某个模态的频率相近时，就会发生共振损害[6]。分析工作状态振动响应特性，将模型、网格等数据进行数据关联，沿用机具静力学分析的网格划分和最大工况载荷进行求解。

机具的结构动态特性主要表现为弯曲和扭矩振动。在结构的振动过程中，低阶模态（前6阶）起着主要作用，相比低阶模态，高阶模态对结构振动的影响较小且衰减很快，本研究根据机具的实际工作情况，利用ANSYS Workbench模态分析模块对机具进行低阶模态分析[9]，前6 阶模态的振动频率和最大振型见表3。

表3 前6 阶模态最大总变形量和振动频率

由表3 可得，机具前6 阶模态频率的最大值为57.9 Hz，最小值为38.8Hz，机具在实际工况下固有频率在38.8～57.9Hz 之间，拖拉机田间作业固有频率1～3Hz，机具作业不会产生共振现象。机具振型主要发生在两侧边行方管梁和工作部件，实际使用中可根据需要在两边行加装地轮支撑，增加伸展方管梁强度[1，6，10]。

4 结论与展望

（1）多功能玉米中耕施肥机深松部件选用减阻深松铲前后单行、前浅后深的排列方式，单翼除草铲相对后排减阻深松铲镜像错位排列，三者相对错位距离不小于20 cm，实现了行间中耕深松、除草和施肥等作业工序，避免了行间土壤拖堆和漏除草的现象发生。

（2）利用Creo Parametric 8.0 软件建立的多功能玉米中耕施肥机三维模型，在设计之初就能够发现不合理零部件和装配干涉的问题，结合设计分析可以及时进行调整和修改，为样机试制提供了设计基础。

（3）运用ANSYS Workbench 对多功能玉米中耕施肥机在转场和作业实际工况下进行了静力学和模态特性有限元分析，机具在施加约束和载荷下结构强度满足设计要求，在模态分析下得出前6 阶机具结构的固有频率和振型，根据模态分析结果，机具在田间作业时不会引起共振情况发生。

（4）针对目前国内有关玉米中耕施肥机械的科研和应用现状，建议更多的设计人员密切关注有机农业和绿色农业发展，推进人工智能（AI）、自动化和智慧化等技术在玉米中耕施肥机械发展中的应用。