水稻種繩直播機改進設計及主要工作部件的有限元分析

韓　雙 ，任文濤 ，李　廣

(1.沈陽農業大學 工程學院，沈陽　110161；2.營口職業技術學院，遼寧 營口　115009)

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水稻種繩直播機改進設計及主要工作部件的有限元分析

韓雙1,2，任文濤1，李廣2

(1.沈陽農業大學 工程學院，沈陽110161；2.營口職業技術學院，遼寧 營口115009)

摘要：對水稻種繩直播機的限深輪與倒繩機構進行了改進設計，并對整機的結構做了調整。其整機長度為581.8mm，質量為21.1kg，實現單體可拆卸，攜帶、安裝方便。同時，對水稻種繩直播機的主要工作受力部件開溝器進行了有限元分析。強度分析結果表明：開溝器在線性壓力下的最大等效應力為330MPa，小于45鋼的屈服強度355MPa，滿足強度要求。剛度分析結果表明：開溝器沿Y方向會產生受力變形，最大變形為2.0742mm，位于開溝器尾部，滿足剛度要求。

關鍵詞：水稻種繩直播機；改進設計；有限元分析

0引言

近年來，隨著農村年輕勞動力不斷向第二三產業轉移，導致從事農業生產的勞動力短缺。與此同時，農業生產的勞動者平均年齡也在逐漸遞增，農業勞動力工價不斷上漲，而省工省力、低成本高收入的農作物受到農民的歡迎，使水稻直播技術受到了人們的普便關注。為了確保水稻直播的作業質量，提高勞動生產率、節約水資源、減少農藥和化肥施用量、降低生產成本、減輕勞動強度，以及增加農民的經濟效益，直播機在不斷的改進中提出了水稻種繩直播種植技術的全新思路。水稻種繩直播技術在適合旱直播的地區以其繩條播的優勢而得到逐漸推廣，而輕巧節能、運輸方便、容易安裝定位的水稻種繩直播機的設計與生產是必然趨勢。

針對課題組近些年研制的幾代直播機整機質量較大、功率消耗較大及容易斷繩等缺點，本文對直播機關鍵部件進行了優化設計。

1水稻種繩直播機主要技術參數

整機由5.5kW汽油手扶拖拉機提供動力，采用兩點懸掛式，外形尺寸為581.8mm×800mm×387.2mm，總體長度大大減小；整機質量21.4kg，作業行數為2行，單體可拆卸，單體質量大大減輕；行距為200～700mm可調，攜帶與安裝方便；限深壓溝輪截面采用平底的V型結構，材質為尼龍；開溝器后面安裝倒繩輪，為了減小種繩的阻力，倒繩輪上配有軸承；種繩盤單體懸掛在手扶拖拉機的扶手上，更加容易拆卸。此款機型輕巧便攜、安裝方便、節約能耗、結構簡單。直播機主要參數如表1所示。

表1　種繩直播機主要技術參數

2直播機結構及工作原理

2.1水稻種繩直播機的工作原理

如圖1所示，種繩直播機通過牽引桿中間的2個定位孔與手扶拖拉機定位連接，機架上方的套管穿到牽引桿上，通過3個空間孔定位，實現兩行單體行距可調；限深壓溝輪3在開溝器的前面，將限深輪與壓溝輪合二為一，既能起到限制機器下限深度，又能為開溝器壓出一條種溝的作用，限深壓溝輪的橫截面為倒梯形；開溝器采用尖角形狀，在開溝器后下方安裝一個倒繩輪，在開溝器開出的溝內播放種繩；覆土器將開溝器開出的種溝覆蓋，鎮壓輪將剛剛覆蓋的土壤壓實。種繩纏繞在種繩盤上，懸掛于手扶拖拉機的扶手上，倒繩輪由兩個倒繩輪并排安裝在一起。如圖3所示，種繩通過倒繩輪之間的凹槽，繞過安裝在開溝器后面的倒繩輪，被覆土器上的擋板收集到的土壤覆蓋，經過鎮壓輪的鎮壓作用，使種繩輕松的播放到土壤中。種繩的播放動力來自于種繩與土壤之間的摩擦力。為了減小種繩播放過程中的的摩擦阻力，種繩盤和倒繩輪上都安裝有滾動軸承。為了實現水稻種繩直播機在正常作業過程中工作的平穩性，在限深壓溝輪與機架的連接處安裝有壓縮彈簧，既能保證限深壓溝輪限深和壓溝的作用，又起到了減震和仿形作用；在覆土器上方安裝壓縮彈簧，在鎮壓輪兩側安裝拉伸彈簧，起到了與耕作土壤保持連續一致的仿形作用。

1.牽引桿　2.壓縮彈簧　3.限深壓溝輪　4.機架　5.開溝器

2.2倒繩機構設計

為了減小水稻種繩在播放過程中的摩擦阻力，采用圖2所示的凹槽尼龍倒繩輪對種繩進行導向、定位和輸送；倒繩輪為尼龍材質，直徑為40mm，總厚度為28mm，輪邊厚度為4mm，槽寬20mm，雙側配套安裝6201軸承，軸承內孔12mm。尼龍材料滾輪具有噪音小、不腐蝕、質量輕及價格低等優點。

種繩通過安裝在機架上的兩個倒繩輪中間的凹槽向下輸送(見圖3)，使種繩盤上纏繞的種繩直接垂直定位，通過開溝器后面的倒繩輪直接下到開溝器開出的溝內，再由覆土器和鎮壓輪進行覆蓋和壓實。種繩在播繩過程中僅進行了一點定位和一點轉向，每個倒繩輪上雙側都安裝有軸承，種繩與倒繩輪之間是滾動摩擦，減小了種繩的播放阻力，使播放到溝內的種繩更加精準。

圖2　凹槽尼龍倒繩輪

圖3　倒繩輪的空間位置

2.3限深壓溝輪的設計

設計安裝限深輪的目的是控制農業機械陷入土壤的深度，對農機具起到一定的支撐和平衡的作用。而本文改進設計的水稻種繩直播機的限深輪不僅要起到限深和平衡的作用，還要在開溝器的前面預壓出一條種溝，以減小開溝器的開溝阻力。本文對限深輪進行了改進設計，對限深輪的輪緣進行車削加工處理，形狀如圖4左視圖所示。為了保證輪子依然能夠起到限深的作用，輪的外邊緣寬度為15mm，限深壓溝輪的厚度為45mm，外邊緣直徑為190mm，限深壓溝輪依靠直播機自身質量和手扶手柄調節下陷量，在開溝器前面預先壓出一條淺溝，開溝器在后面再開出一條設定深度的種溝。限深壓溝輪壓出的淺溝，既增加了限深輪的限深的作用，也減小了開溝器的開溝阻力。

圖4　限深壓溝輪

3開溝器模型的有限元分析

開溝器開出的種溝深度會因土壤種類和土壤含水量的不同而不同。在開溝器上方設有3個定位孔，可以實現開溝深度20、35、50mm3個擋位進行調節；實際播種過程中，根據土壤的類型和土壤墑情進行調節。

開溝器是直播機工作的主要受力部件，為了分析開溝器的工作狀態和所受外力及產生的變形效果，利用ANSYS軟件對開溝器模型進行了強度和剛度的有限元分析。

3.1有限元模型的建立

開溝器材料為45#鋼，密度為7 850kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強度是355MPa，拉伸極限為600MPa，經過UG軟件測量開溝器質量為0.583 8kg。

開溝器由曲面與開溝器支架焊接而成，利用UGNX7.0軟件進行實體建模，并將模型導入到ANSYS軟件中進行操作。開溝器ANSYS實體模型，如圖5所示。

圖5　開溝器ANSYS實體模型

3.2網格劃分

采用SOLID187/SOLID186單元類型對開溝器實體模型進行網格劃分，生成開溝器有限元模型，共生成5 304個單元，22 907個節點。開溝器有限元參數如表2所示，生成開溝器有限元網格如圖6所示。

表2　開溝器有限元參數

圖6　網格劃分

3.3邊界條件與施加載荷

為了分析開溝器單體的受力狀況，將開溝器頂部3個通孔全約束，如圖8左圖所示。3個通孔的圓環面為施加約束的位置。邊界條件中要對開溝器進行載荷加載，開溝器工作阻力Fi為

Fi=kah

其中， k為土壤比阻，一般取k=70-120kPa，此處為檢驗開溝的強度，取上限120kPa；a為開溝器開溝寬度，模型設計值為34mm；h為開溝器入土深度，按照模型設計開溝曲面高度為70mm。

將各值代入到公式中，得出開溝器開溝阻力為F=285.6N。考慮在實際作業中各種因素影響，開溝器工作阻力按6倍計算，即F=1 713.6N。

開溝器曲面面積進行測定，如圖7所示。曲面面積為S=3 679.2mm2。按照開溝阻力均布計算開溝器施加載荷為P=F/S=0.47MPa，取0.5MPa。

圖7　開溝器曲面拾取

開溝器在土壤中工作，土壤深度不同給開溝器曲面的壓力也是不同的。考慮這一點，近似認為土壤給開溝器壓力從深到淺是線性分布(見圖8)，即開溝器底部受力最大，承受0.5 MPa載荷的線性壓力，曲面頂部壓力為0。

圖8　開溝器邊界條件與線性載荷加載

3.4強度分析

開溝器曲面受到土壤的表面載荷作用，在ANSYS中，可以將表面載荷施加在線和面上，也可以施加在節點和單元上，既可以成均布載荷，也可以成線性載荷。選擇List—Loads—On picked Nodes命令，實現線性壓力的變化，選擇等分的節點，列出壓力載荷，如圖9所示。

圖9　開溝器等效應力分布云圖

通過對水稻種繩直播機開溝器等效應力圖的分析可知，應力主要集中在開溝器最下面的定位孔的位置。經計算，開溝器在線性壓力下的最大等效應力為330MPa，標注點的位置為最大等效應力點。開溝器使用材質為45鋼，屈服強度為355MPa，開溝器結構能夠滿足強度要求。

3.5剛度分析

據分析，開溝器沿Y方向會產生受力變形，圖10為開溝器總體變形圖，最大變形為2.074 2mm，位于開溝器尾部。開溝器尾部安裝有倒繩輪，由于倒繩輪下邊緣在開溝器底部以下，所產生的變形對種繩播放的深度影響不大，能夠滿足剛度要求。

圖10　開溝器總體變形

4結論

1)對水稻種繩直播機的倒繩機構進行了改進設計，采用空間放置的3個凹槽尼龍輪對種繩進行導向、定位和輸送，減小了種繩的播放阻力，使播放到溝內的種繩更加精準。

2)對限深輪進行了改進設計，改進后的限深輪不僅有限深和平衡的作用，還起到預壓種溝及減小開溝阻力的作用。

3)對水稻種繩直播機的開溝器進行了有限元分析，結果表明：開溝器最大等效應力為330MPa，小于45鋼的屈服強度355MPa，滿足強度要求；開溝器沿Y方向的最大變形量為2.074 2mm，位于開溝器尾部，滿足剛度要求。

參考文獻：

[1]任文濤,呂小榮,張本華.水稻種繩直播機對地表不平度的動態響應[J].農業機械學報，2009,40(8):58-61.

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[3]任文濤,崔紅光,辛明金. 乳芽直播種植技術條件下水稻生長特性的研究[J].農業工程學報, 2003,19(5):91-96.

[4]任文濤,韓雙,石鵬.水稻種繩直播機作業參數對種繩覆土厚度影響的試驗[J].農機化研究,2013，35(5)：167-169.

Abstract ID:1003-188X(2016)01-0062-EA

Improved Design and Finite Element Analysis of the Main Working Parts of Rice Rope Direct Sowing Machine

Han Shuang1,2, Ren Wentao1, Li Guang2

(1.Shenyang Agriculture University College of Engineering,Shenyang 110161,China; 2.Yingkou Vocational and Technical College,Yingkou 115009,China)

Abstract：This paper make the improved design on Depth wheel and Inverted rope mechanism of Rice rope direct sowing machine, adjust the mechanism of machine which the length is 581.8mm, weight is 21.1kg, Conveniently to install and assemble and the Single part is detachable. Opener is the main working parts of rice rope direct seeding machine ，the finite element analysis has been done on the furrow opener. The results showed that the maximum equivalent stress is 330MPa, Less than the Yield strength 355MPa of 45 steel; The maximum deformation of Furrow opener along the Y direction is 2.0742mm, can satisfy the intensity and the rigidity requirement.

Key words：rice rope direct seeding machine；improved design；finite element analysis

文章編號：1003-188X(2016)01-0062-04

中圖分類號：S223.2+6

文獻標識碼：A

作者簡介：韓雙(1981-)，女，遼寧遼陽人，講師，博士研究生，(E-mail)32284736@qq.com。通訊作者：任文濤(1958-)，男，遼寧海城人，教授，博士生導師，(E-mail)rwt@syau.edu.cn。

基金項目：教育部博士點基金項目(20092103110003)

收稿日期：2015-01-06