对小型茶树开沟和施肥一体机的有限元分析

谢红梅，叶自旺，梁 策

(广西大学 机械工程学院，南宁 530004)

0 引言

茶叶是世界著名的三大饮料之一，具有清头目、醒精神、解烦渴、利小便、消食积及解毒等功效，一直深受广大消费者的喜爱。全国分布有几大茶叶种植区，广西就是其中一个重要的茶叶生产区；但由于广西丘陵地带以及恶劣的自然条件，使得茶叶的种植工作主要依靠手工的方法进行。由于茶树主要种植在丘陵山地等地带，土地紧实，不易进行开沟工作，单纯依靠手工进行开沟和施肥显然劳动强度大，影响了茶叶的经济效益和社会效益，使得纯手工的茶树开沟和施肥难以满足日益增长的茶叶需求。

为了解决纯手工的茶树开沟和施肥劳动强度大等问题，本文提出了一种小型茶树开沟和施肥一体机，为解决茶树开沟和施肥过程中纯手工开沟和施肥及劳动强度大等的问题提供了新的思路及解决方案。本文在小型茶树开沟和施肥一体机的设计过程中做出了较好的适应性设计，实现了小型茶树开沟和施肥一体机的刀具升降功能及在开沟的过程中进行自动施肥功能，并为需要达到的设计目标对设计方案进行运动有限元分析，避免产生干涉等问题。最后，实际环节中对小型茶树开沟和施肥一体机进行实验，获得实验数据，以此来优化小型茶树开沟和施肥一体机的结构以及零部件的尺寸，保证小型茶树开沟和施肥一体机的开沟和施肥一体化，在满足社会需求的情况下，实现小型茶树开沟和施肥一体化。

1 装置的结构设计及工作原理分析

1.1 小型茶树开沟和施肥一体机的结构设计

小型茶树开沟和施肥一体机主要由3大部分组成，分别为车架、升降机构和电机传动机构。其中，升降机构主要应用升降杆上的套筒在升降导槽上做滚动运动而使得升降架进行上下运动从而带动开沟刀具的升降运动的原理，这里同时应用了螺纹自锁的原理使得升降架在螺杆的自锁作用下进行开沟刀具的定位，使得开沟刀具能够在转盘的调节下处于开沟和不开沟状态。在电机传动机构中，通过减速机和皮带的带动，使得电机可以通过驱动开沟刀具进行旋转运动，同时考虑到实际工作过程中动力因素，为电机传动机构配备了减速机进行动力的传动，起到减速增距的作用，从而保证实际工作中的开沟作业；同时为了保持皮带的张紧力，需要增加张紧轮，以保证皮带的传输效率。运用三维造型软件UG对其进行三维造型，其具体结构如图1所示。

1.2 小型茶树开沟和施肥一体机的传动部分的设计

主要针对小型茶树开沟和施肥一体机中的电机传动机构进行设计，以此保证小型茶树开沟和施肥一体机获得足够的动力，满足生产需要。

此处选择的皮带类型为普通A型V带，在这里设置两皮带轮的距离为a=500mm,大带轮的直径为d2=315mm，小带轮直径d1=90mm,由此可计算出小带轮与大带轮的包角分别为∂1和∂2，即

此时，选择的皮带轮包角均大于120°，可保证皮带与带轮的接触面产生的总摩擦力很大，以此保证了皮带的传动能力提高及满足开沟需求。

(a) 小型茶树开沟和施肥一体机的三维造型

(b) 1.转动手盘 2.螺杆 3.升降导槽 4.升降固定架 5.升降杆 6.升降架 7.升降杆套筒 8.开沟刀片 9.机底架 10.滚动轴承座 11.前轮 12.后轮 13.肥料输出管 14.皮带 15.电机 16.大带轮 17.减速机 18.肥料收集箱 19.把手 20.开沟刀具 21.小带轮图1 小型茶树开沟和施肥一体机的升降机构的三维造型Fig.1 Three - Dimensional modeling of lifting mechanism of small - size Tea tree ditching and fertilizer

1.3 小型茶树开沟和施肥一体机的工作原理分析

小型茶树开沟和施肥一体机是一种能够实现茶树开沟和施肥一体化同时具有刀具升降功能及在开沟的过程中进行自动施肥功能的农业机械设备，其整体的运动靠电机在驱动开沟刀具旋转的过程中推动小型茶树开沟和施肥一体机向前运动。当开沟刀具不工作时，可通过推动把手使得小型茶树开沟和施肥一体机向前运动，通过旋转手盘，使得升降机构在套筒在升降导槽滚动的辅助作用下进行开沟刀具升降运动，同时在转动手盘的下方通过螺杆上螺纹的自锁作用能够实现开沟刀具的定位作用，使得开沟刀具能够悬停在一定的高度，方便进行作业。

车架由升降导槽、升降固定架、机底架、前轮、把手、后轮、肥料收集箱，以及肥料输出管组成。其中，升降固定架和前轮位于小型茶树开沟和施肥一体机的前方，升降固定架竖直安装，与肥料收集箱焊接在一起，肥料输出管安装在肥料收集箱的底部，在升降固定架上开有4处升降导槽，使得升降机构上的升降架能够进行竖直升降运动；把手和后轮安装在小型茶树开沟和施肥一体机的后方，机底架位于整体装置的底部，起到支撑的作用。车架主要起到支撑的作用，用来放置电机、开沟刀具等机构。

升降机构由转动手盘、螺杆、升降杆、升降架、升降杆套筒、开沟刀片、滚动轴承座，以及开沟刀具组成。其中，转动手盘位于装置的最上方，转动手盘下连接有螺杆，螺杆穿过带有螺孔的升降固定架，可利用螺纹的自锁作用实现开沟刀具在竖直方向上的定位；在螺杆的底部用螺母连接有升降架，升降架上平行分布有两根升降杆，在每根升降杆的首尾两端上安装有套筒，通过套筒的滚动作用可以实现升降机构的升降运动；在升降架的底端安装有两个滚动轴承座，在这两个滚动轴承座的中间分布有开沟刀具，开沟刀具由4片开沟刀片组成，4片开沟刀在开沟刀具上呈现“T”字形分布，在横向方向上左右两边各分布有一片开沟刀，在纵向方向上同向分布有两片开沟刀。升降机构是小型茶树开沟和施肥一体机重要组成部分，此处主要通过旋转转动手盘穿过带有螺孔的升降固定架从而使得机构作上下升降运动，以及螺纹的自锁功能，实现开沟刀具的调节定位作用，使得开沟刀具可以按照预定的高度进行开沟，保证了小型茶树开沟和施肥一体机工作的可靠性。

电机传动机构由减速机、大带轮、电机、皮带，以及小带轮组成。其中，电机通过螺栓和螺母固定在车架上，减速机也通过螺栓和螺母固定在车架上，电机和减速机通过套筒连接在一起；在减速机的输出轴上安装有大带轮，小带轮安装在开沟刀具的同轴上，大带轮通过皮带可以带动小带轮进行运动，进而可以带动开沟刀具进行旋转运动。电机传动机构作为小型茶树开沟和施肥一体机的动力部分，主要通过电机和减速机的作用带动皮带转动，进而使得开沟刀具进行旋转运动，实现小型茶树开沟和施肥一体机的功能。

2 有限元分析

在UG中做好三维造型后直接在UG中进行有限元分析，目的在于验证机械的可运行性及材料是否满足实际的工作需要。首先对该装置的整体进行网格的划分，以此来模拟该装置在实际使用过程中的受力情况(见图2)，从而验证小型茶树开沟和施肥一体机的材料是否满足实际的工作需要。在图2中对装置的整体进行了网格划分，定义网格尺寸为8mm，定义网格的划分方法以六面体为主，即让有限元模型具有尽量多的六面体网格，最后生成网格。

图2 小型茶树开沟和施肥一体机的网格划分图Fig.2 Mesh patterns of ditching and fertilizing machines for small tea trees

2.1 开沟刀的有限元分析

对小型茶树开沟和施肥一体机进行整体的网格划分之后，着重对小型茶树开沟和施肥一体机的开沟刀进行有限元分析，以此来验证开沟刀的材料强度是否满足实际的生产需要。由有限元分析得出了小型茶树开沟和施肥一体机的开沟刀的等效应力云图及等效位移云图，如图3和图4所示。

根据具体的工作情况进行详细的分析，小型茶树开沟和施肥一体机的零部件需要有足够的韧性、耐磨性及强度，因此材料使用中碳马氏体钢。中碳马氏体钢的弹性模量E=32GPA，屈服极限δs=380MPa，泊松比μ=0.3。在进行有限元分析中，通过UG的指派材料功能进行材料属性编辑。

开沟刀作为小型茶树开沟和施肥一体机的最重要的受力部件，着重对开沟刀进行力学分析。对开沟刀的垂直面上向外施加100N的作用力以此来模拟开沟刀在实际的工作中的受力情况，由此可得出了如图3、4所示的小型茶树开沟和施肥一体机的等效应力云图及等效位移云图。

图3 开沟刀的等效应力云图Fig.3 The equivalent stress cloud of the ditch knife

图4 开沟刀的等效位移云图Fig.4 The equivalent displacement cloud diagram of the ditch knife

2.2 有限元结果

经有限元计算，开沟刀最大应力发生在开沟刀接近转轴的位置，其最大应力为3.559MPa，因此可认定小型茶树开沟和施肥一体机满足强度和刚度的要求。

3 试验分析

由上述的力学分析可知小型茶树开沟和施肥一体机的零部件满足强度和刚度的要求，且具有可行性。经过严格对茶树生活环境及生长规律的研究，不断优化产品的机构，确定各零件的具体数值及装配工艺，进行了实验和开沟和施肥效率测试，以保证小型茶树开沟和施肥一体机的工作效率明显高于人工开沟和施肥，以及能够最大限度地减轻农民们的劳动强度。对小型茶树开沟和施肥一体机进行实地测试，结果表明：小型茶树开沟和施肥一体机的零部件满足强度和刚度的要求，具有很好的开沟和施肥效率；开沟和施肥一体机工作速度比纯手工作业快将近两倍。且小型茶树开沟和施肥一体机结构紧凑，开沟效率高，对茶树的开沟和施肥有很好的适应性以及很好的应用前景，其实物图如图5、图6所示。

图5 小型茶树开沟和施肥一体机整体实物图Fig.5 The graph of the small tea tree all-in-one trenching and fertilizer application

4 结论

经过有限元分析及对一体机的实地测试可知：小型茶树开沟和施肥一体机具有很好的工作可靠性和安全性，其实际工作效率更是纯手工作业的将近两倍。小型茶树开沟和施肥一体机结构紧凑，开沟效率高，适应性好，明显具有优于传统手工的优势，满足了生产需要，极具发展前景。