一種多功能玉米中耕施肥機的仿真分析

倪世鵬

（寧夏回族自治區農機安全監理總站，寧夏 銀川 750002）

0 引言

玉米田間雜草與作物爭奪養分和水分直接影響玉米產量和品質，雜草也是病蟲害的主要寄主，據相關研究表明，嚴重的草害可使玉米產量下降50%以上。目前，國內除草方法有人工除草、化學除草和機械除草等。人工除草勞動強度大、效率低，不適用在大面積種植模式下?；瘜W除草速度快、效率高、節省人力、便于機械作業，但其帶來諸如雜草群落變遷、抗藥性增強且抗藥譜擴大等現象，同時產生環境污染和農藥殘留等問題[1]。國內的機械制造水平低于國外發達國家，中耕機械的作業速度相對較慢，工作效率不高。國內大型農機生產企業和黑龍江省農墾區引進了國外的智能除草機器人等中耕機械，但因購置成本過高難以在中小農業合作組織和農戶中普及應用。

寧夏玉米年種植面積在35 萬hm2以上，保障玉米產量對于發展畜牧業和工業發展具有重要意義。春玉米種植區域由于長期使用農藥和化肥，土壤板結現象日趨加重，加上淺旋耕作和不重視有機肥的使用，導致耕層淺且有機質減少，嚴重影響春玉米產量和品質。玉米苗期除草以化學除草為主，農戶多以小型中耕施肥機進行追肥作業，在化肥農藥“兩減兩提”總要求和綠色有機農業發展的背景下，如何利用玉米中耕施肥機械對草害進行有效控制以及提高化肥利用率受到了人們越來越多的關注。研究資料顯示，中耕深松能夠促進玉米植株生長發育和產量提高[2-3]。針對玉米田間雜草的機械防除和追施肥需求，本文研究設計了一種多功能玉米中耕施肥機，能夠一次性完成玉米苗期除草、深松和追施肥等多項作業工序[4-5]，并基于該機模型進行了仿真分析，為機具應用與改進提供參考。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

寧夏灌溉區春玉米種植一般為60 cm 等行距單種模式，因此本設計的多功能玉米中耕施肥機行距為60±5 cm（可調）。該機具主要包括三點懸掛固定板和由方管伸縮雙梁焊接成的高地隙機架、單翼除草鏟裝置、減阻深松鏟裝置、苗帶噴施藥裝置、液壓缸、智能高壓雙泵、安全卡座和帶刻度塑料藥箱等部件組成，整機結構如圖1。

圖1 多功能玉米中耕施肥機結構示意

1.2 工作原理

機具田間作業時，伸展液壓缸，緊固固定螺栓，按農藝要求調整好兩側邊行工作部件位置，使噴藥、除草、深松、施肥各工作部件參數符合中耕作業技術要求后，啟動拖拉機牽引機具勻速隨行，深松鏟和除草鏟相繼進入土壤工作，同時打開電動施肥裝置北斗定位控制器開關，電動排肥器通電開始工作，肥料由排肥管經深松施肥開溝器施入土壤中，施肥量通過北斗定位控制器檔位控制，從而使機組完成行間機械深松、除草和苗側條深施肥等各項作業。在苗期除草作業時，將肥箱電動施肥裝置更換成苗帶噴施藥裝置，打開噴藥系統控制開關，藥液由進水管經智能高壓雙泵加壓，通過出水管分配到各防風噴頭將藥液噴施在苗帶上，噴藥量和噴藥寬度通過調節防風噴頭控制，從而使機組完成行間機械深松、除草和苗帶噴施藥作業。苗帶噴施藥裝置如圖2。機具轉場時，松開兩側邊行工作部件與方管伸縮梁上的固定螺栓，液壓缸收縮使機具寬度達到最小時再緊固固定螺栓，便可縮小機具運輸尺寸，便于場院、農田轉移和道路運輸。

圖2 苗帶噴施藥裝置示意

1.3 主要技術參數

該機具要求配套動力51.47 kW（70 馬力）以上，且輪距與行距配套，采用三點懸掛聯接，外形尺寸：1 255×（2 400～3 000）×2 000（長×寬×高，mm），可以完成行間機械除草深度40～60 mm、深松深度150～250 mm、施肥深度100～150 mm，一次作業5 行，作業幅寬3 000 mm。根據技術要求，設計多功能玉米中耕施肥機參數見表1。

表1 多功能玉米中耕施肥機的設計參數

2 建立三維模型

在Creo Parametric 8.0 零件模塊下對整機零部件進行參數化設計，逐一建立零件模型。在裝配模塊下對10個部件進行裝配干涉分析和修復，最后集成整機模型。多功能玉米中耕施肥機兩個作業狀態三維模型如圖3、圖4。

圖3 多功能玉米中耕施肥機三維模型Ⅰ

圖4 多功能玉米中耕施肥機三維模型Ⅱ

3 多功能玉米中耕施肥機有限元分析

3.1 模型簡化

簡化模型可提升計算速度，對Creo Parametric 8.0 設計模型的螺栓連接、噴施藥裝置、電動施肥裝置等可忽略零部件特征做簡化處理，利用ANSYS Workbench 2022對多功能玉米中耕施肥機三維模型進行靜力學和模態分析。網格劃分越精細仿真結果越精確，但對于計算機處理器的要求比較高、耗費時間較多，為保證分析的精確度并兼顧耗費時間，結合實際情況進行設置[4]。

機具方管伸縮梁、安全卡座、單翼除草鏟鏟柄材料設置為20 號鋼，減阻深松鏟鏵尖及鏟柄、單翼除草鏟材料設置為65Mn 鋼，三點懸掛固定板及其余零件材料設置為45 號鋼，材料參數見表2。根據設計要求，三點懸掛固定板與方管設置焊接接觸，減阻深松鏟鏟柄與安全卡座銷軸連接設置幾何體回轉接觸、與安全銷設置幾何體固定面接觸，單翼除草鏟與安裝庫設置幾何體固定接觸，其余連接默認按系統判別。

表2 模型設置的材料參數

3.2 機具轉場狀態靜力學分析

機具轉場時勻速行駛，即處于穩態，對于處于穩態的機械結構，靜力學分析是一種有效分析方法[1]?；谏鲜龅撵o力學分析，將三維模型導入到ANSYS Workbench 2022 中，然后在機具三點懸掛位置分別施加摩擦圓柱支撐約束，當藥箱裝滿藥液時重量最大，在藥箱裝置與機架的兩個固定板上端面分別施加1 000 N向下的力。根據機具轉場設計要求，采用網格默認自動劃分法就可滿足靜力學分析要求，經計算機處理器測算，設置網格最小尺寸8 mm，其余選項默認，機具經劃分網格生成節點934 052 個，單元270 073 個。網格劃分后機具模型如圖5，待模型求解后得出總變形和等效應力云圖（圖6、圖7）。

圖5 機具轉場狀態網格劃分模型

圖6 機具轉場狀態總變形云圖

圖7 機具轉場狀態等效應力云圖

由圖6和圖7可得，最大變形發生在機具兩側邊、最大變形量為0.061 mm，最大應力發生在三點懸掛中間固定板與方管焊接處、最大應力11.33MPa，遠小于20 號鋼的材料屈服強度215MPa，機具在轉場狀態下材料不會發生屈服變形。

3.3 機具工作狀態下靜力學和模態分析

3.3.1 靜力學分析

機具在作業時勻速直線行駛，即處于穩態，主要是減阻深松鏟和除草鏟受到土壤阻力。根據上述的靜力分析，將三維模型導入到ANSYS Workbench 2022 中，然后在機具三點懸掛位置分別施加摩擦圓柱支撐約束；設計行間除草最大耕深60 mm，經查閱資料得出土壤比阻80～100 N/m，根據除草鏟受力分析計算，分別對10 個（共5 組）單翼鏟除草工作面和端面施加X 軸反方向力96 N；根據深松最大耕深250 mm，對10 個（共5 組）減阻深松鏟250 mm 以下端面施加X 軸反方向力850 N[7，8]。根據設計要求，仿真計算需比機具轉場時計算更加精確，經計算機處理器測算，采用四面體法（補丁適形算法）劃分網格，設置網格最小尺寸5 mm，經劃分網格生成節點1 544 593 個，單元796 176 個。網格劃分和載荷約束設置好后，將分析模型提交求解計算，得出總變形和等效應力云圖（圖8、圖9）。

圖8 機具作業狀態局部放大總變形云圖

圖9 機具作業狀態等效應力云圖（局部放大）

由圖8 和圖9 可得，最大變形發生在兩側邊單翼除草鏟的鏟翼末尾和減阻深松鏟鏵尖處，此時最大變形量為2.082 5 mm；最大應力發生在減阻深松鏟與安全卡座連接處和下懸掛固定板與方管焊接處、最大應力135.97 MPa。在減阻深松鏟與安全卡座連接處最大應力值遠小于65Mn 鋼材料的屈服強度430 MPa，故機具作業時不會產生過載。在下懸掛固定板與方管焊接處最大應力值與20 號鋼材料的屈服強度215 MPa 數值無極大差距，此狀態下模型安全系數為1.58，滿足機械結構靜載情況下塑性材料安全系數要求，機具材料選用和設計合理。

3.3.2 預應力模態分析

模態分析是計算機械結構振動特性的數值技術，可獲得最基本的動力學特征。因土壤特性不均勻，多功能玉米中耕施肥機在除草、深松和施肥過程中會受到外界隨機變化載荷的作用，當這些載荷的頻率與機具某個模態的頻率相近時，就會發生共振損害[6]。分析工作狀態振動響應特性，將模型、網格等數據進行數據關聯，沿用機具靜力學分析的網格劃分和最大工況載荷進行求解。

機具的結構動態特性主要表現為彎曲和扭矩振動。在結構的振動過程中，低階模態（前6階）起著主要作用，相比低階模態，高階模態對結構振動的影響較小且衰減很快，本研究根據機具的實際工作情況，利用ANSYS Workbench模態分析模塊對機具進行低階模態分析[9]，前6 階模態的振動頻率和最大振型見表3。

表3 前6 階模態最大總變形量和振動頻率

由表3 可得，機具前6 階模態頻率的最大值為57.9 Hz，最小值為38.8Hz，機具在實際工況下固有頻率在38.8～57.9Hz 之間，拖拉機田間作業固有頻率1～3Hz，機具作業不會產生共振現象。機具振型主要發生在兩側邊行方管梁和工作部件，實際使用中可根據需要在兩邊行加裝地輪支撐，增加伸展方管梁強度[1，6，10]。

4 結論與展望

（1）多功能玉米中耕施肥機深松部件選用減阻深松鏟前后單行、前淺后深的排列方式，單翼除草鏟相對后排減阻深松鏟鏡像錯位排列，三者相對錯位距離不小于20 cm，實現了行間中耕深松、除草和施肥等作業工序，避免了行間土壤拖堆和漏除草的現象發生。

（2）利用Creo Parametric 8.0 軟件建立的多功能玉米中耕施肥機三維模型，在設計之初就能夠發現不合理零部件和裝配干涉的問題，結合設計分析可以及時進行調整和修改，為樣機試制提供了設計基礎。

（3）運用ANSYS Workbench 對多功能玉米中耕施肥機在轉場和作業實際工況下進行了靜力學和模態特性有限元分析，機具在施加約束和載荷下結構強度滿足設計要求，在模態分析下得出前6 階機具結構的固有頻率和振型，根據模態分析結果，機具在田間作業時不會引起共振情況發生。

（4）針對目前國內有關玉米中耕施肥機械的科研和應用現狀，建議更多的設計人員密切關注有機農業和綠色農業發展，推進人工智能（AI）、自動化和智慧化等技術在玉米中耕施肥機械發展中的應用。