馬鈴薯大壟三行鋪膜播種機關鍵部件設計與靜力學分析

Summary：結合遼西地區(qū)對馬鈴薯栽培的農(nóng)藝要求，研究設計一種馬鈴薯大壟三行播種機，在探討關鍵零部件設計思路的基礎上，基于Solidworks2015對關鍵零件進行建模和有限元分析，對工作過程中所受應力較大的零件進行強度校核，為優(yōu)化機具作業(yè)質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。Key：播種機;馬鈴薯;設計;靜力學分析;強度校核：S223.2+4;S532

：A

：1674-1161（2021）06-0030-04遼西屬于典型的丘陵山區(qū)，每年降水量變化幅度不大但存在分配不均的情況，表現(xiàn)為夏季降雨量多、春季少雨、冬季以降雪為主，積雪覆蓋地表的時間較長。這里的土地相對肥沃，有較大面積的黑土地種植馬鈴薯。結合遼西地區(qū)對馬鈴薯栽培的農(nóng)藝要求，研究設計一種馬鈴薯大壟三行鋪膜播種機，在探討關鍵零部件設計思路的基礎上，基于Solidworks2015對關鍵零件進行建模和有限元分析，對工作過程中所受應力較大的零件進行強度校核，為優(yōu)化機具作業(yè)質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。1機架設計與靜力學分析1.1機架設計機架是馬鈴薯大壟三行鋪膜播種機最重要的承載部件，其作用是固定和連接各工作部件，如開溝器、種箱、肥箱、輔助部件等，且在機具工作過程中傳遞牽引力。所以，機架強度和質(zhì)量對整機裝配和播種質(zhì)量具有重要影響。在滿足工況的條件下，機架結構應盡可能簡單，以減少機具質(zhì)量和制造成本。設計機架時應綜合考慮機架工作時所處的環(huán)境，使其與各部件的連接有一定的可靠性、緊實性、難變形性，且在一定范圍內(nèi)有可調(diào)性，以滿足不同的作業(yè)要求。基于種薯的特殊性，在機架上設計人工補種座椅。從改進提高方面考慮，留出足夠的空間用于設計改進。從外形美觀考慮，在保障完成工作的前提下，縮小機具的總體尺寸。參考當前普遍使用的成型產(chǎn)品，機架采用由50mm×50mm×5mm方形管和50mm×30mm×5mm矩形管共同組成的框架結構，中間增設兩縱梁。采用焊接連接方式，減小播種機作業(yè)和懸掛時的變形。機架三維模型如圖1所示。1.2機架靜力學分析在運輸過程中，拖拉機上的液壓機構通過三點掛接機構提升整機，故其牢固穩(wěn)定性至關重要。三點掛接機構由50mm×30mm的方管通過焊接、螺栓等方式連接為直角三角形。在馬鈴薯播種機被提升時，三角形斜邊承受的彎曲應力最大，為此，對三點掛接機構進行靜力學分析，通過建模仿真找出易受損部位。將三角機構的下邊作為固定面，對上方做出一定量壓力，其靜力學分析如圖2所示。由圖2可知，三角形斜邊中部所受彎曲應力最大。若三角部位受損，其斜邊中部將出現(xiàn)破壞點，應通過加厚斜邊方管來延長機架使用年限。2開溝器設計與靜力學分析2.1開溝器設計在保證種肥播深一致的前提下，開溝器的作業(yè)性能影響種質(zhì)量。開溝器設計要求：1）具有較好的入土性能，不易發(fā)生纏雜草和堵塞現(xiàn)象;結構簡單，便于調(diào)整。2）開溝深度可在特定區(qū)間調(diào)節(jié)，溝槽溝形整齊平直。3）開溝時不擾亂土層，且有一定的回土效果。工作時，將肥料和種子引導至濕土部分，使?jié)裢粮采w種子和化肥。開溝器的種類繁多，按入土角度可分成兩大類，即鈍角開溝器和銳角開溝器。銳角開溝器所受阻力小，入土性能好;鈍角開溝器入土性能較差，但開出的溝槽底面平坦整齊。為滿足開溝器入土性能良好、開溝深度一致、溝形整齊平直、溝底平整、溝寬適度等要求，采用如圖3所示的滾動式圓盤開溝鏟。2.2開溝圓盤的靜力學分析工作過程中，圓盤滾動式開溝器刀片在自重和機架的作用下切開土壤，并與播種機前進方向呈一定角度，形成種溝或肥溝。在此過程中，開溝器的刀片切割土壤，對刀片產(chǎn)生很大的反作用力。刀片的主要受力面在刀鋒和對外側面。若圓盤滾動式開溝器受損，其破壞點主要出現(xiàn)在這兩個部位。通過對圓盤滾動式開溝器刀片建模并進行靜力學分析，找出刀片的易受損部位。在靜力學分析中，固定面選在刀片中間的軸孔，對刀片刀鋒處施加一定壓力，并施加與刀面呈30°的壓力，其靜力學分析如圖4和5所示。刀片的刀鋒與側面所受應力最大，若出現(xiàn)破壞點，則可能出現(xiàn)刀片斷裂或刀鋒遲鈍等現(xiàn)象。為保證開溝器的使用壽命和工作效率，應對刀片進行加厚并選擇強度較大的材料。3排種器設計目前，馬鈴薯排種器有帶勺式、鏈勺式、勺盤式、叉夾式、針刺式等。鏈勺式排種器結構簡單緊湊，使用可靠，排種穩(wěn)定性好，不傷薯種，易于維修，因此應用最為廣泛。為保證勺碗在上升過程中穩(wěn)定，將主動軸設置在導種管上方，取種一邊為鏈條緊邊，使勺碗始終保持水平狀態(tài)。圖6為排種器模型和示意圖，圖7為排種勺鏈工程圖。在等距分布勺碗的排種勺鏈和鏈條傳動驅動下，驅動輪做環(huán)形運動。排種勺鏈自下而上穿行，在勺碗的作用下把種薯帶出、升起。上升過程中勺碗中多余的種子在機具振動、鏈條抖動等外力作用下掉入種箱。當種塊翻越種箱上方的鏈輪頂端后，被拋向前方的勺碗內(nèi)，種塊隨勺碗在排種導管中等距運行，最后離開導種管落入溝槽。排種器參數(shù)：1）作業(yè)速度與勺碗的速度相同或呈正比。若勺碗速度≤0.5m/s，可達最佳播種質(zhì)量。勺碗速度隨鏈輪線速度變化，若勺碗速度>0.5m/s，則播種質(zhì)量顯著下降，重播、漏播情況嚴重。因此，鏈輪線的最大作業(yè)速度應≤0.5m/s。2）鏈工作長度L。若鏈條過長，會引起兩鏈輪間距離變大，從而使輸種距離變大，漏種率增加;若鏈條太短，則清種時間短。鏈條總長度應根據(jù)中心距選取，確定為2180mm。3）轉速直接影響排種的均勻度。若鏈輪轉速過小，會引起脈動頻率和排種均勻度下降;若鏈輪轉速太高，會使漏種率和傷種率急劇上升。按照相關播種要求，轉速應小于50r/min。4）勺碗形狀影響充種效果，充種率要高、傷種率要低。勺碗由2mm厚的材料沖壓而成。為保證薯塊有效充種，勺碗寬度應不小于種長1/2，不大于1.5倍的種子厚度。因薯塊大小為20mm×20mm×20mm，所以選用厚度17mm、直徑50mm的半圓形勺碗，勺碗的邊緣處外翻。每個升運鏈等距分布19個勺碗。4仿形機構設計常見的仿形機構有平行四桿仿形、單點單鉸接仿形、多桿雙自由度仿形。由于播種前需耕整土壤，故采用單點單鉸接機構仿形。5起壟裝置設計與靜力學分析5.1起壟裝置設計起壟高度和寬度是影響馬鈴薯播種質(zhì)量的關鍵因素。完成施肥播種后，起壟葉片在自重和液壓機構的作用下切入地表一定深度，刀軸旋轉帶動葉片相對機組做回轉運動。刀片與機組前進方向按一定角度成螺旋排列，葉片回轉運動將地表土壤向旋轉內(nèi)側撥動、兩側土壤向中間集中，形成壟和溝。合理的起壟高度和寬度能減少對鋪膜工作的影響，保證種薯透氣性良好，出苗整齊。起壟裝置模型如圖7所示，可通過液壓缸調(diào)節(jié)起壟寬度。5.2起壟葉片靜力學分析工作過程中，起壟刀片與前進方向呈一定角度，在自重和機架的作用下切入土壤，通過自身回轉將刀片附近的土壤向中間撥動，再由平土托板將土壤鋪平，從而形成大壟。刀片側面彎曲處所受應力最大。在靜力學分析中，固定面為3個螺栓孔連接處，在刀片外側呈30°夾角處施加壓力，其靜力學分析結果如圖8和9所示。由圖8和9可知，刀片側面所受的應力為極值，螺栓孔附近是應力集中的地方，若出現(xiàn)破壞點，則可能出現(xiàn)刀片斷裂等現(xiàn)象。為保證起壟刀片的使用壽命和工作效率，應增加其厚度和光滑性，并采用合理強度的材料。6鋪膜機構設計馬鈴薯發(fā)芽適宜溫度在5～8℃之間鋪膜的作用是在大環(huán)境溫度較低時為種薯提供適宜的生長環(huán)境。先播種后覆膜可使土壤的水分蒸發(fā)量減少，能夠節(jié)水、保肥、保墑和抑制雜草泛濫。長時間高溫可促使種薯發(fā)大芽，這是提高其質(zhì)量和產(chǎn)量的有效措施。鋪膜機構主要由掛膜輥、壓膜輥、壓膜輪和覆土鏟等組成，適于寬度為120～140cm的薄膜，零部件更換簡單。鋪膜機構如圖10所示。7結論遼西是遼寧省馬鈴薯主要種植區(qū)域，結合區(qū)域自然條件和農(nóng)藝要求，推廣應用馬鈴薯大壟三行播種模式及機具意義深遠。排種器的參數(shù)選擇是否合理和最優(yōu)，是提高馬鈴薯產(chǎn)量的重要因素。利用Solidworks軟件中的Simulation對機具受力最多的部件（機架、開溝器、起壟機構）進行強度校核，結果表明：應通過加厚斜邊方管來延長機架使用年限;開溝器刀片的刀鋒與側面應加厚并選擇強度較大的材料;為保證起壟刀片的使用壽命和工作效率，應增加其厚度和光滑性，并選用合理強度的材料。Reference[1]呂金慶，楊穎，李紫輝，等.舀勺式馬鈴薯播種機排種器的設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32（16）：17-25.[2]崔亞超，賈立國，陳偉，等.旱作馬鈴薯微壟覆膜側播機的設計與試驗[J].農(nóng)機化研究，2016（2）：62-66.[3]程亨曼，竇鈺程，杜木軍，等.馬鈴薯微型原種播種機關鍵部件的設計與研究[J].農(nóng)機使用與維修，2015（10）：26-29.[4]中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院.農(nóng)業(yè)機械設計手冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術出版社，2007.DesignandStaticsAnalysisoftheKeyComponentsofPotatoLargeRidgeThree-rowFilmPlanterCHENMengchao（LiaoningInstituteofAgriculturalMechanization，Shenyang110161，China）Abstract：CombinedwiththeagronomicrequirementsofpotatocultivationinwesternLiaoningprovince，alargeridgethree-rowpotatoplanterwasdesigned.Onthebasisofdiscussingthedesignideasofkeyparts，modelingandfiniteelementanalysisofkeypartswerecarriedoutbasedonSolidworks2015，andintensitycheckwascarriedoutf