基于SolidWorks+圆盘式免耕开沟器的仿真设计与分析
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本设计的工作原理为：圆盘开沟部件与免耕播种 机连接，随动力机械前行，圆盘刀入土 10cm 左右，开 出纵向沟槽，同时，在其两侧对称安装有向外 L 型翼 刀，开出横向沟槽，种肥从其两侧分施入土。这样不 仅能够实现切断秸秆、残茬、杂草等，还可满足在保 证种子发芽的条件下尽量减少动土量的要求。 1.2 性能分析
为 8703，节点数为 15416。图 5 为圆盘刀和 L 型翼刀的 网格划分结果。
(a)
(b)
图 5 网格划分
Fig.5 Mesh of disc and L-type blade
(a) 圆盘刀 (b) L 型翼刀
2.2.2 定义约束和施加载荷
因为刀轴和圆盘刀是通过均匀分布在圆盘刀中心孔
周围的螺栓连接的，为了分析刀片在极限时的应力状态，
0.85
N/m^2 NA
N/m^2 N/m^2 N/m^2
NA
本设计的实体采用 SolidWorks 中的高品质实体网格
来划分，圆盘刀所用网格长度为 11.24mm ，公差为
0.56mm，划分单元数为 7837，节点为 16075；L 型翼刀
所用网格长度为 3.99mm，公差为 0.199mm，划分单元数
型翼刀在所施加约束和载荷下的应力、位移及应变，如
图 6 所示。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
图 6 应力、位移和应变云图
Fig.6 Stress, displacement and strain contours
(a) 圆盘刀应力云图 (b) 圆盘刀位移云图 (c) 圆盘刀应变云图 (d) L 型翼刀应力云图 (d) L 型翼刀位移云图 (e) L 型翼刀应变云图
图 3 圆盘刀 M 点运动轨迹示意图
Fig.3 Trajectory of M point on the disc
2 三维建模与运动仿真
2.1 模型的建立 应用 SolidWorks 来建立实体，虽然它是参数化设计
软件，但也需合理规划零部件的建模过程，这样才能保 证参数化设计效果。应先分析实体的结构特征，并确定 这些特征建立的先后顺序，以及每个特征的建立方法， 使所建立的特征尽可能简单，参数尺寸尽可能少。几何 建模时应尽量减少修改尺寸，同时不引起其他特征的更 改，以保证模型的其他参数不变。在进行上述分析后， 利用 SolidWorks 所提供的拉伸、旋转、扫Hale Waihona Puke Baidu、切除、抽 壳等建模功能创建出三维实体模型。
收稿日期：2011-09-19 基金项目：公益性行业（农业）科研专项（200903009）；北京市自然科学基 金(6112015) 作者简介：朱惠斌（1974－），男，山西五台人，讲师，博士研究生，主要 从事农业机械装备与计算机测控研究，E-mail：hbzhu113@yahoo.com.cn ※通信作者：李洪文，教授，博士生导师，现代农业装备优化设计北京市重 点实验室主任，主要从事保护性耕作、农业装备研究， E-mail： lhwen@cau.edu.cn 农业工程学会会员：李洪文(E041200280S)
圆盘刀基本结构如图 1 所示。圆盘半径 R=250 mm， 入土深度 h=100 mm，圆盘刀厚度 D=3.6 mm，刃口厚度 =3.56 mm。
图 1 圆盘刀结构参数图 Fig.1 Parameters of disc
1.2.1 圆盘开沟器受力模型 根据力学理论，开沟器与土壤之间的应力包括表面
正应力和剪应力[6]。在实际应用中，主要关心的是合力， 可以简写为 F = N + T + Q，每个力所代表的物理意义分 别为：N 为推土正压力，这个力是产生土壤侧移的主要 原因，同时这个力克服被扰动土壤与未扰动土壤之间的 界面阻力；T 为土壤与开沟器之间相对运动产生的切土阻
将约束施加于中心孔的边缘上。
根据上述圆盘开沟器表面受力分析可知，在切削土
壤时，圆盘刀入土的前部分是受荷载最大的部分，故只
对其进行加载。由试验数据可知，切土阻力 T 为 1946N，
切割阻力 Q 为 250N，圆盘两侧土壤正压力差 N 为 200N[9]。
在图 3 所示的坐标系下进行分析运算，圆盘刀和 L
节: 276
节: 49
位
URES:合位移
0 mm
移
节: 20
0.0371961 mm 节: 49
应 ESTRN :对等应变 2.65833e-007 变
单元: 5133
0.00694143 单元: 2975
3 结论
应用 SolidWorks 对圆盘刀及 L 型翼刀的受力情况进 行仿真模拟，得出其对应的最大应力值分别为 95.67MPa 和 2443MPa，所相应位置分别为第 15489 节和第 49 节， 尤其是 L 型翼刀的拐角处是易损部位，并对其进行了原 因分析，指出必须对其进行必要的处理和进一步优化， 以提高强度和耐磨性。
力，是圆盘滚动阻力的主要原因；Q 为开沟器刃部楔入 土壤的切割阻力。由此得到的圆盘开沟器表面受力如图 2 所示(h 为开沟深度)。
图 2 圆盘开沟器表面受力示意图
Fig.2 Schematic diagram of stress of disc 1.2.2 圆盘刀运动学分析
圆盘刀任意一点的位移分析在圆盘刀平面建立直角 坐标 XOY，刀轴中心为坐标原点 O，机组前进方向为 X 轴正向，垂直向下为 Y 轴正向，机组前进速度为 Vm， 刀轴转速为ω，行走 t 时间后，圆盘刀刃上任一点 M 由 M1 的位置运动至 M2 的位置，刀轴中心 O 也由 O1 的位 置移动到 O2 的位置，圆盘半径为 R，如图 3 所示。则该 点 M 位移方程为：
1 破茬原理和性能分析
1.1 基本原理 破茬开沟部件是免耕播种机关键部件，是直接与土
壤接触发生作用的部件，它为施肥播种创造适宜的沟带 [5]。其结构不仅决定种肥沟的形状，而且还会影响开沟器 的入土性能、防堵效果及整个播种机的阻力，进而影响 播种质量、种子发芽率。破茬开沟部件在未经翻耕且有 作物残茬的土壤中工作，难度较大。因此，免耕开沟器 除应满足一般播种机的要求外，还应满足破茬开沟窄、
2.2.3 结果分析
圆盘刀最大应力出现在螺纹连接孔板附近，最大应
力值为 95.67MPa，发生在第 15489 节，说明连接螺纹孔
所带来的应力集中对圆盘的影响比较大；最大位移量为
0.639mm，发生在第 1521 节；最大应变发生在第 4690 单
元，值为 1.95e-4，远小于材料许可的屈服应力，说明该
SolidWorks 提供了两种基本方法生成装配体——自 上向下设计和自下向上设计。自上向下的设计是指在装
图 4 圆盘开沟器装配图
Fig.4 Disc opener assembly 2.2 运动仿真
2.2.1 材料属性和网格划分
本实例中圆盘刀材料选用合金钢，以增加圆盘刀的
耐磨性和锋锐性，减少切割阻力[8]。该材料的抗拉强度为
处理工艺不到位，二是 L 处拐角的形状导致其应力集中 现象明显，三是此部件材料选择不当。具体分析结果见
表 3。
表 3 L 型翼刀 FEM 结果
Table3 FEM results of L-type blade
名
类型
最小
最大
称
应 VON:von Mises
力
应力
128451 N/m^2
2.44308e+009 N/m^2
种肥分施且距离可调、回土性能好、布局合理等要求。 免耕播种机的防堵技术主要有：切断型是利用旋转
工作部件的刃口切断覆盖层、开出缝隙，从而使开沟器 顺利通过；而分开型是利用扫、拨和绕流等方式清除播 种单组前方秸秆层，清理出无覆盖层的播种条带,保证免 耕播种机良好的通过性；其他型式是指利用新的工艺措 施和新的原理解决免耕播种机的作业时的堵塞问题。
本装配体在装配时采用的是自下向上设计方法，即 首先利用拉伸、阵列、切除等基本功能建立圆盘开沟器 各个零部件图，在装配时先确定轴作为固定件，其他零 件在固定件的基础上，按照装配关系依次导入进行装配。 各个零件之间可加上所需的约束关系，如同轴、两平面 平行、两平面重合等。这些约束使得到的装配体更接近 实际装配体，整个装配过程犹如在实际生产中进行实物 组装一样，较为逼真。最终得到的圆盘开沟器装配图如 图 4 所示。
(1) 并可得圆盘刀此点 M 的运动轨迹方程为：
(2)
配环境下设计相关子部件，要求不仅做到尺寸参数全相 关，而且实现几何形状与零部件之间全自动完全相关， 还要为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动相 关设计环境。用户可以在装配布局图做好之后设计其他 零部件，并保证布局图与零部件之间全自动完全相关。 自下向上的设计是指在用户先设计好产品的各个零部件 后，运用装配关系把各个零部件组合成产品。在装配关 系定制好之后，要求不仅做到尺寸参数全相关，而且实 现几何形状与零部件之间全自动完全相关，还要为设计 者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环 境[7]。
圆盘的材料还可进行适当选择，以达到最佳匹配。具体
分析结果见表 2。
表 2 圆盘刀 FEM 结果
Table2 FEM results of disc
名
类型
最小
最大
称
应 VON:von Mises
力
应力
34854.1 N/m^2
9.56734e+007 N/m^2
节: 7627
节: 15489
位
URES:合位移
提出圆盘刀及双侧 L 型翼刀免耕开沟器，一次性实现秸秆切割、开沟和种肥分施。应用 SolidWorks/Simulation 对该机构
进行了三维建模，并对模型进行静力学分析，得到圆盘刀及 L 型翼刀的应力、位移和应变的分布云图，从而达到仿真和
优化结构的目的。分析结果表明：圆盘刀及 L 型翼刀对应的最大应力值分别为 95.67MPa 和 2443MPa，L 型翼刀的拐角
0.724MPa，屈服强度为 0.62MPa，泊松比为 0.28，弹性
模量为 210MPa，具体见表 1。
表 1 材料属性
Table1 Material Properties
属性名称
数值
单位
弹性模量 泊松比 抗剪模量 张力强度 屈服强度 硬化因子
2.1e+011 0.28
7.9e+010 7.2383e+008 6.2042e+008
处已超过屈服应力极限，需进一步优化处理，以提高其强度和耐磨性。为该类机具的设计提供了理论依据。
关键词：保护性耕作；SolidWorks；开沟器；免耕
中图分类号：S223.2+4；S126
文献标识码：A
文章编号：
朱惠斌，李洪文，白丽珍. 基于 SolidWorks 圆盘式免耕开沟器的仿真设计与分析[J].2011 Zhu Huibin, Li Hongwen, Bai Lizhen. Simulation Design and Analysis of No-till Disc Opener Based on SolidWorks[J]. 2011
0 mm
移 节: 85
0.639003 mm 节: 1521
应 ESTRN :对等应 1.10239e-007
变
变
单元: 6532
0.000194978 单元: 4690
L 型翼刀最大应力出现在 L 的折角处附近，最大值 为 2443MPa，发生在第 49 节，而屈服应力值为 620MPa， 说明此处强度严重欠缺，具体原因可能有：一是材料热
0 引 言
保护性耕作技术可有效地抵御干旱、控制土壤侵蚀、 增加地力和提高作物产量。而免耕播种技术是其核心技 术，即在有作物秸秆和残茬覆盖的免耕地上进行播种作 业，要求免耕播种机具有较好的防堵性能，以保证满足 播种农艺要求的作业质量和机器的田间通过性[1-2]。
目前，国内外用于免耕播种机的防堵装置主要有切 断型、分开型和其它型[3-4]。由于作物秸秆分布及其含水 率、土壤质地变化和有诸如石块等扰动因素的影响，采 用人工准确计算工作部件在工作过程中的受力情况、应 力状态以及对其进行强度校核是比较困难。本文采用 SolidWorks/Simulation 对圆盘式免耕开沟器进行建模和 仿真，对圆盘刀进行结构、强度和应力分析计算，获得 刀片应力、位移和应变分布图，提高了设计效率，从而 为免耕播种机的参数化设计和优化设计提供了理论依 据。
基于 SolidWorks 圆盘式免耕开沟器的仿真设计与分析
朱惠斌 1,2 ，李洪文 1※，白丽珍 2
（1．中国农业大学工学院现代农业装备优化设计北京市重点实验室，北京 100083； 2．昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 云南 650224）
摘 要：针对保护性耕作技术要求，应在尽可能减少土壤耕作的条件下实现播种作业。通过分析现有防堵和开沟装置，
为 8703，节点数为 15416。图 5 为圆盘刀和 L 型翼刀的 网格划分结果。
(a)
(b)
图 5 网格划分
Fig.5 Mesh of disc and L-type blade
(a) 圆盘刀 (b) L 型翼刀
2.2.2 定义约束和施加载荷
因为刀轴和圆盘刀是通过均匀分布在圆盘刀中心孔
周围的螺栓连接的，为了分析刀片在极限时的应力状态，
0.85
N/m^2 NA
N/m^2 N/m^2 N/m^2
NA
本设计的实体采用 SolidWorks 中的高品质实体网格
来划分，圆盘刀所用网格长度为 11.24mm ，公差为
0.56mm，划分单元数为 7837，节点为 16075；L 型翼刀
所用网格长度为 3.99mm，公差为 0.199mm，划分单元数
型翼刀在所施加约束和载荷下的应力、位移及应变，如
图 6 所示。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
图 6 应力、位移和应变云图
Fig.6 Stress, displacement and strain contours
(a) 圆盘刀应力云图 (b) 圆盘刀位移云图 (c) 圆盘刀应变云图 (d) L 型翼刀应力云图 (d) L 型翼刀位移云图 (e) L 型翼刀应变云图
图 3 圆盘刀 M 点运动轨迹示意图
Fig.3 Trajectory of M point on the disc
2 三维建模与运动仿真
2.1 模型的建立 应用 SolidWorks 来建立实体，虽然它是参数化设计
软件，但也需合理规划零部件的建模过程，这样才能保 证参数化设计效果。应先分析实体的结构特征，并确定 这些特征建立的先后顺序，以及每个特征的建立方法， 使所建立的特征尽可能简单，参数尺寸尽可能少。几何 建模时应尽量减少修改尺寸，同时不引起其他特征的更 改，以保证模型的其他参数不变。在进行上述分析后， 利用 SolidWorks 所提供的拉伸、旋转、扫Hale Waihona Puke Baidu、切除、抽 壳等建模功能创建出三维实体模型。
收稿日期：2011-09-19 基金项目：公益性行业（农业）科研专项（200903009）；北京市自然科学基 金(6112015) 作者简介：朱惠斌（1974－），男，山西五台人，讲师，博士研究生，主要 从事农业机械装备与计算机测控研究，E-mail：hbzhu113@yahoo.com.cn ※通信作者：李洪文，教授，博士生导师，现代农业装备优化设计北京市重 点实验室主任，主要从事保护性耕作、农业装备研究， E-mail： lhwen@cau.edu.cn 农业工程学会会员：李洪文(E041200280S)
圆盘刀基本结构如图 1 所示。圆盘半径 R=250 mm， 入土深度 h=100 mm，圆盘刀厚度 D=3.6 mm，刃口厚度 =3.56 mm。
图 1 圆盘刀结构参数图 Fig.1 Parameters of disc
1.2.1 圆盘开沟器受力模型 根据力学理论，开沟器与土壤之间的应力包括表面
正应力和剪应力[6]。在实际应用中，主要关心的是合力， 可以简写为 F = N + T + Q，每个力所代表的物理意义分 别为：N 为推土正压力，这个力是产生土壤侧移的主要 原因，同时这个力克服被扰动土壤与未扰动土壤之间的 界面阻力；T 为土壤与开沟器之间相对运动产生的切土阻
将约束施加于中心孔的边缘上。
根据上述圆盘开沟器表面受力分析可知，在切削土
壤时，圆盘刀入土的前部分是受荷载最大的部分，故只
对其进行加载。由试验数据可知，切土阻力 T 为 1946N，
切割阻力 Q 为 250N，圆盘两侧土壤正压力差 N 为 200N[9]。
在图 3 所示的坐标系下进行分析运算，圆盘刀和 L
节: 276
节: 49
位
URES:合位移
0 mm
移
节: 20
0.0371961 mm 节: 49
应 ESTRN :对等应变 2.65833e-007 变
单元: 5133
0.00694143 单元: 2975
3 结论
应用 SolidWorks 对圆盘刀及 L 型翼刀的受力情况进 行仿真模拟，得出其对应的最大应力值分别为 95.67MPa 和 2443MPa，所相应位置分别为第 15489 节和第 49 节， 尤其是 L 型翼刀的拐角处是易损部位，并对其进行了原 因分析，指出必须对其进行必要的处理和进一步优化， 以提高强度和耐磨性。
力，是圆盘滚动阻力的主要原因；Q 为开沟器刃部楔入 土壤的切割阻力。由此得到的圆盘开沟器表面受力如图 2 所示(h 为开沟深度)。
图 2 圆盘开沟器表面受力示意图
Fig.2 Schematic diagram of stress of disc 1.2.2 圆盘刀运动学分析
圆盘刀任意一点的位移分析在圆盘刀平面建立直角 坐标 XOY，刀轴中心为坐标原点 O，机组前进方向为 X 轴正向，垂直向下为 Y 轴正向，机组前进速度为 Vm， 刀轴转速为ω，行走 t 时间后，圆盘刀刃上任一点 M 由 M1 的位置运动至 M2 的位置，刀轴中心 O 也由 O1 的位 置移动到 O2 的位置，圆盘半径为 R，如图 3 所示。则该 点 M 位移方程为：
1 破茬原理和性能分析
1.1 基本原理 破茬开沟部件是免耕播种机关键部件，是直接与土
壤接触发生作用的部件，它为施肥播种创造适宜的沟带 [5]。其结构不仅决定种肥沟的形状，而且还会影响开沟器 的入土性能、防堵效果及整个播种机的阻力，进而影响 播种质量、种子发芽率。破茬开沟部件在未经翻耕且有 作物残茬的土壤中工作，难度较大。因此，免耕开沟器 除应满足一般播种机的要求外，还应满足破茬开沟窄、
2.2.3 结果分析
圆盘刀最大应力出现在螺纹连接孔板附近，最大应
力值为 95.67MPa，发生在第 15489 节，说明连接螺纹孔
所带来的应力集中对圆盘的影响比较大；最大位移量为
0.639mm，发生在第 1521 节；最大应变发生在第 4690 单
元，值为 1.95e-4，远小于材料许可的屈服应力，说明该
SolidWorks 提供了两种基本方法生成装配体——自 上向下设计和自下向上设计。自上向下的设计是指在装
图 4 圆盘开沟器装配图
Fig.4 Disc opener assembly 2.2 运动仿真
2.2.1 材料属性和网格划分
本实例中圆盘刀材料选用合金钢，以增加圆盘刀的
耐磨性和锋锐性，减少切割阻力[8]。该材料的抗拉强度为
处理工艺不到位，二是 L 处拐角的形状导致其应力集中 现象明显，三是此部件材料选择不当。具体分析结果见
表 3。
表 3 L 型翼刀 FEM 结果
Table3 FEM results of L-type blade
名
类型
最小
最大
称
应 VON:von Mises
力
应力
128451 N/m^2
2.44308e+009 N/m^2
种肥分施且距离可调、回土性能好、布局合理等要求。 免耕播种机的防堵技术主要有：切断型是利用旋转
工作部件的刃口切断覆盖层、开出缝隙，从而使开沟器 顺利通过；而分开型是利用扫、拨和绕流等方式清除播 种单组前方秸秆层，清理出无覆盖层的播种条带,保证免 耕播种机良好的通过性；其他型式是指利用新的工艺措 施和新的原理解决免耕播种机的作业时的堵塞问题。
本装配体在装配时采用的是自下向上设计方法，即 首先利用拉伸、阵列、切除等基本功能建立圆盘开沟器 各个零部件图，在装配时先确定轴作为固定件，其他零 件在固定件的基础上，按照装配关系依次导入进行装配。 各个零件之间可加上所需的约束关系，如同轴、两平面 平行、两平面重合等。这些约束使得到的装配体更接近 实际装配体，整个装配过程犹如在实际生产中进行实物 组装一样，较为逼真。最终得到的圆盘开沟器装配图如 图 4 所示。
(1) 并可得圆盘刀此点 M 的运动轨迹方程为：
(2)
配环境下设计相关子部件，要求不仅做到尺寸参数全相 关，而且实现几何形状与零部件之间全自动完全相关， 还要为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动相 关设计环境。用户可以在装配布局图做好之后设计其他 零部件，并保证布局图与零部件之间全自动完全相关。 自下向上的设计是指在用户先设计好产品的各个零部件 后，运用装配关系把各个零部件组合成产品。在装配关 系定制好之后，要求不仅做到尺寸参数全相关，而且实 现几何形状与零部件之间全自动完全相关，还要为设计 者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环 境[7]。
圆盘的材料还可进行适当选择，以达到最佳匹配。具体
分析结果见表 2。
表 2 圆盘刀 FEM 结果
Table2 FEM results of disc
名
类型
最小
最大
称
应 VON:von Mises
力
应力
34854.1 N/m^2
9.56734e+007 N/m^2
节: 7627
节: 15489
位
URES:合位移
提出圆盘刀及双侧 L 型翼刀免耕开沟器，一次性实现秸秆切割、开沟和种肥分施。应用 SolidWorks/Simulation 对该机构
进行了三维建模，并对模型进行静力学分析，得到圆盘刀及 L 型翼刀的应力、位移和应变的分布云图，从而达到仿真和
优化结构的目的。分析结果表明：圆盘刀及 L 型翼刀对应的最大应力值分别为 95.67MPa 和 2443MPa，L 型翼刀的拐角
0.724MPa，屈服强度为 0.62MPa，泊松比为 0.28，弹性
模量为 210MPa，具体见表 1。
表 1 材料属性
Table1 Material Properties
属性名称
数值
单位
弹性模量 泊松比 抗剪模量 张力强度 屈服强度 硬化因子
2.1e+011 0.28
7.9e+010 7.2383e+008 6.2042e+008
处已超过屈服应力极限，需进一步优化处理，以提高其强度和耐磨性。为该类机具的设计提供了理论依据。
关键词：保护性耕作；SolidWorks；开沟器；免耕
中图分类号：S223.2+4；S126
文献标识码：A
文章编号：
朱惠斌，李洪文，白丽珍. 基于 SolidWorks 圆盘式免耕开沟器的仿真设计与分析[J].2011 Zhu Huibin, Li Hongwen, Bai Lizhen. Simulation Design and Analysis of No-till Disc Opener Based on SolidWorks[J]. 2011
0 mm
移 节: 85
0.639003 mm 节: 1521
应 ESTRN :对等应 1.10239e-007
变
变
单元: 6532
0.000194978 单元: 4690
L 型翼刀最大应力出现在 L 的折角处附近，最大值 为 2443MPa，发生在第 49 节，而屈服应力值为 620MPa， 说明此处强度严重欠缺，具体原因可能有：一是材料热
0 引 言
保护性耕作技术可有效地抵御干旱、控制土壤侵蚀、 增加地力和提高作物产量。而免耕播种技术是其核心技 术，即在有作物秸秆和残茬覆盖的免耕地上进行播种作 业，要求免耕播种机具有较好的防堵性能，以保证满足 播种农艺要求的作业质量和机器的田间通过性[1-2]。
目前，国内外用于免耕播种机的防堵装置主要有切 断型、分开型和其它型[3-4]。由于作物秸秆分布及其含水 率、土壤质地变化和有诸如石块等扰动因素的影响，采 用人工准确计算工作部件在工作过程中的受力情况、应 力状态以及对其进行强度校核是比较困难。本文采用 SolidWorks/Simulation 对圆盘式免耕开沟器进行建模和 仿真，对圆盘刀进行结构、强度和应力分析计算，获得 刀片应力、位移和应变分布图，提高了设计效率，从而 为免耕播种机的参数化设计和优化设计提供了理论依 据。
基于 SolidWorks 圆盘式免耕开沟器的仿真设计与分析
朱惠斌 1,2 ，李洪文 1※，白丽珍 2
（1．中国农业大学工学院现代农业装备优化设计北京市重点实验室，北京 100083； 2．昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 云南 650224）
摘 要：针对保护性耕作技术要求，应在尽可能减少土壤耕作的条件下实现播种作业。通过分析现有防堵和开沟装置，