可調行距高速插秧機移箱機構優化設計

熊　瑋，朱德泉,，王延慶，武立權，蔣　銳

(1.安徽農業大學 工學院，合肥　230036；2.安徽省糧食作物協同創新中心，合肥　230036)

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可調行距高速插秧機移箱機構優化設計

熊瑋1，朱德泉1,2，王延慶1，武立權2，蔣銳1

(1.安徽農業大學 工學院，合肥230036；2.安徽省糧食作物協同創新中心，合肥230036)

摘要：移箱機構是可調行距高速水稻插秧機的重要部件，其工作可靠性直接關系到栽植臂的取秧量，對整個插秧機工作性能有著重要影響。為此,通過對現有移箱機構的研究與分析，設計一種可調行距高速水稻插秧移箱機構。運用三維軟件對轉子和螺旋軸等核心零部件進行實體建模，通過動力學分析軟件對其進行虛擬仿真，得出轉子與不同過渡曲線的螺旋軸在運動過程中的接觸力曲線圖，并運用有限元分析軟件對正弦過渡曲線的螺旋軸進行強度校核。最后運用多學科優化方法對移箱機構轉子進行優化。結果表明：優化后的轉子最大應力降低21.8%，移箱機構滿足可調行距高速水稻插秧機工作性能要求。

關鍵詞：可調行距；移箱機構；虛擬仿真；多學科設計優化

0引言

我國水稻種植區域分布廣泛，不同水稻種植區域的氣候、土壤和種植制度各不相同，水稻品種類型差異較大；即使同一區域，種植的水稻類型和品種也較多，機械化插秧的密度和行距也各不相同[1-2]。目前，市場上的固定行距插秧機不能根據所需的農藝要求對插秧行距進行調整，遠遠不能滿足水稻生產要求。因此，設計插秧行距可以調節的高速水稻插秧機對實現我國水稻種植地區的機械化、輕簡化和規模化，保證水稻高產穩產、減少病蟲害和農業可持續發展有著非常重要的意義[2]。

移箱機構是可調行距高速水稻插秧機的重要部件，其工作可靠性直接影響整個插秧機工作性能，對研制可調行距高速水稻插秧機至關重要。因此，應用動力學分析方法與多學科優化手段對轉子、滑套和螺旋軸等核心部件進行了虛擬仿真與優化。

1總體結構與工作原理

可調行距高速水稻插秧機移箱機構主要由轉子、滑套和螺旋軸等3部分構成，如圖1所示。滑套安裝在螺旋軸外徑上，螺旋軸的左端與插秧機動力傳動齒輪軸相鏈接，而右端則固定在后面機架上；滑套的上端分布著與轉子相配合的圓孔，轉子的下面圓弧尖角夾在螺旋軸的雙八字螺旋槽內，通過聯接件將滑套與秧箱固定在一起。工作時，螺旋軸在驅動力的作用下轉動，使轉子在螺旋槽內做左右橫向往復移動，轉子的移動帶動滑套同步移動，從而使秧箱作左右往復移動，實現了插秧機秧箱的橫向送秧功能。轉子左右橫向移動的距離即是秧箱左右橫向移動的距離[3-4]。

1.螺旋軸　2. 滑套　3. 轉子

2受力分析

轉子是移箱機構的重要組成部件之一，起著承上啟下的作用，并最終將力和運動從螺旋軸傳遞給秧箱。因此，對轉子進行受力分析是很有必要的[5]。當插秧機作業時，螺旋軸在驅動力的作用下，驅動著轉子橫向左右移動時，此時以轉子為研究對象，進行受力分析，如圖2所示。圖2中：v為轉子橫向移動速度(m/s)；G為轉子受到的重力(kg)；N為轉子受到的支持力(N)；Q1為螺旋槽對轉子z方向的作用力(N)；Q2為螺旋槽對轉子x方向的作用力(N)；Q3為轉子受到滑套y方向的作用力(N)；Fx為滑套對轉子x方向的平衡力(N)；Fy為滑套對轉子y方向的平衡力(N)；Fz為滑套對轉子z方向的平衡力(N)；M為轉子受到螺旋槽的力矩(N·mm)；Q為Q1、Q2和Q3的合力(N)；f為轉子在運動過程中所受的摩擦力(N)。

圖2　移箱機構受力分析圖

由上述分析可知，轉子只允許在x軸方向進行水平左右往復運動和繞軸z軸方向上的轉動。當轉子通過過渡連接槽運動到螺旋軸兩端反向螺旋軸槽時，z軸方向的旋轉自由度起到換向的作用，可以實現轉子在螺旋軸上實現往復變向移動，帶動秧箱移動，實現橫向送秧的功能[6-7]。

3螺旋軸設計

3.1　螺旋軸參數設計

螺旋軸是整個移箱機構的核心部件，而且也是受力最大的部件。為了防止螺旋軸的斷裂，需要通過校核輸出端的最小軸徑尺寸，且螺旋軸承受的彎矩不大。因此，可按需用切應力進行計算[8-10]。假設螺旋軸工作時，受到扭矩為T，則螺旋軸所受扭剪應力為

(1)

由式(1)得出

(2)

式中τT—扭轉切應力(MPa)；

T—軸所受的扭矩(N·mm)；

WT—軸的抗扭截面系數(mm3)；

n—軸的轉速(r/min)；

P—軸傳遞的功率(kW)；

d——軸截面直徑(mm)；

[τT] ——許用扭轉切應力(MPa)。

螺旋軸材料為40Cr，取[τT]=45MPa；由文獻[5]知：C=102，P=0.22kW，n=360r/min，并考慮鍵槽的影響，代入式(2)得16≤d≤22mm。

為保證移箱機構準確、均勻送秧，使得秧苗沿水平方向移動，在豎直方向使秧苗連續地向取秧口補充，則每次秧苗橫向傳送的寬度應與秧爪所能抓取的秧苗寬度相對應，以免取秧過程中，秧爪抓到秧箱的內壁，使秧箱和秧爪受到損壞。因此，應根據插秧行距設計移箱機構螺旋軸的結構參數。由于可調行距高速水稻插秧機最小行距為200mm，所以螺旋軸參數依據插秧行距200mm設計。

假設移箱機構一個單行程內的取秧次數為ns，秧爪寬度為b0，△為調整寬度，δ為秧箱隔斷寬度，Δbs為秧箱與秧爪的側向間隙，θt為螺旋軸凸輪轉角，螺旋軸中徑為D中。

秧箱橫向每次送秧移動距離b為

b=b0+△

(3)

移箱內寬Bs為

Bs=200-δ

(4)

每一行程移箱的額定總次數ns為

(5)

螺旋軸螺旋升角α為

(6)

由式(6)得

(7)

代入數據得α為16.14°。

根據實驗可知，螺旋軸升角過小，會導致傳動效率太低；但也不能過大，否則會產生自鎖現象。所以，設計的螺旋軸最大螺旋升角應滿足材料相對應的最大螺旋升角的要求。即最大升角αmax為38°[4]。本文螺旋軸螺旋升角α≤αmax，滿足最大螺旋升角的設計要求。通過上述設計得到移箱機構參數，如表1所示。

表1　螺旋軸設計參數表

3.2　螺旋軸過渡曲線確定

螺旋軸由兩條旋向相反的螺旋槽組成，螺旋軸轉動時，帶動從動件轉子在其螺旋槽內做平行于螺旋軸線的往復運動。隨著插秧機工作速度的提高，移箱機構螺旋軸上兩條旋向相反的螺旋槽在軸端的轉向過渡曲線與轉子的沖擊和磨損加劇，常常嚴重影響水稻插秧機的正常工作情況[5]。因此，設計選擇合適的過渡曲線對，可以有效地減少從動件的振動、沖擊和磨損，從而改善移箱機構的動力學性能。以普通圓弧和拋物線作為過渡曲線如圖3和圖4所示。

圖3　普通圓弧過渡曲線　　 圖4　拋物線過渡曲線

以正弦函數為過渡曲線，展開圖如圖5所示。

圖5正弦函數過渡曲線展開圖

分別以圓弧、拋物線、正弦3種不同的曲線作為過渡曲線，利用CATIA軟件創建3種不同過渡曲線螺旋軸實體建模，運用ADAMS軟件進行動力學分析，得到螺旋軸與轉子的接觸力，如圖6所示。

由圖6可知：以正弦過渡曲線為過渡曲線的螺旋軸在回轉時受到的碰撞力較小，從而轉子和螺旋軸的磨損較小。因此，本文選擇的螺旋軸雙向螺旋槽之間的過渡曲線為正弦過渡曲線。

(a)　圓弧過渡曲線

(b)　拋物線過渡曲線

(c)　正弦過渡曲線

3.3　螺旋軸模態分析

根據機械振動理論，螺旋軸屬于連續系統且可以將其近似看作一個單位長度質量相同且軸兩端固定的細弦支撐結構[11]。

設螺旋軸單位長度質量為ρ(x)、橫向分布力為f(x)、張緊力為T(x,t)，可知螺旋軸的橫向位移振動函數為y=y(x,t)。根據機械振動原理和牛頓定律得到

(8)

螺旋軸的邊界條件為y(0,t)=y(L,t)=0，L為螺旋軸總長。

經過計算化簡，整理得到螺旋軸的特征方程為

(9)

固有頻率為

(10)

最終得到螺旋軸模態系統的振型函數為

(11)

為改善移箱機構工作狀況、降低噪聲及振動，對螺旋軸進行模態分析，并對其的動態特性進行研究和分析。

在有限元分析軟件ANSYS Workbench中鍵入模態分析(MODAL)截面、添加螺旋軸的材料屬性、進行模型網格劃分，分析階數為5。根據螺旋軸實際工作狀況，對其添加約束，通過求解得到分析結果，如表2所示。

表2　各階模態分析結果

續表2

激振頻率為

(12)

其中，ωn為螺旋軸轉速(r/min)。

設計的螺旋軸工作轉速n為360r/min，代入式(12)得fn為6Hz。由此可知，螺旋軸在工作狀態下的激振頻率遠遠小于其的第1階固有頻率，因此所設計螺旋軸在正常工作情況下不會發生共振等現象，符合螺旋軸設計的要求。

3.4　螺旋軸強度分析

與市場上最常見的行距為300mm高速插秧機相比，設計螺旋軸導程變小、螺旋槽總長縮短，使秧箱橫向移動速度加快，頻率增大，為保證所設計螺旋軸工作性能良好，對其進行強度分析十分必要。

利用ANSYS Workbench對螺旋軸進行強度分析，建立螺旋軸的三維模型后導入有限元分析軟件中。建立靜力學分析(Static Structural)，添加材料屬性40Cr(密度ρ=7 820kg/m3，彈性模量E=2.068e11Pa，泊松比μ=0.29)，劃分網格，添加載荷和約束。求解得到螺旋軸總位移圖、應力分布圖和等效應力圖分別如圖7(b)、(c)、(d)所示。

(a)　螺旋軸網格劃分　 　　　(b)　螺旋軸總位移

(c)　螺旋軸應力分布　　　　 (d)　螺旋軸等效應力

由強度分析得：螺旋軸總位移為0.133 47mm，位移較小；最大分布應力為21.117MPa，最大等效應力為20.156MPa，均小于40Cr的屈服應力[σs]=785MPa。因此，設計的螺旋軸符合強度條件。

4轉子優化設計

4.1　轉子靜力學分析

考慮到轉子既要有一定強度，又受到一定沖擊載荷，因此轉子材料采用45號鋼，并進行表面硬化處理。運用ABAQUS軟件，對轉子進行靜力學分析，定義材料屬性，劃分網格，添加載荷和邊界條件，并通過求解得到其應力圖，如圖8所示。

圖8　轉子應力圖

轉子在螺旋軸上做左右直線運動，在過渡回轉軌道處，螺旋軸與轉子的最大接觸力達4000N，同時轉子還受到滑套給它的反作用力和秧箱對轉子的壓力。由應力圖可知：轉子的最大應力可以達到218MPa。

4.2　轉子的優化

通過對轉子的應力求解，發現雖然采用了正弦過渡曲線螺旋軸，但轉子與螺旋軸之間的碰撞力依然很大，達4 000N。由于轉子的尺寸較小，導致應力較大，甚至可導致轉子在交變應力下發生破壞，影響插秧機的正常工作。為保證插秧機工作的穩定性，必須設計出性能更佳的轉子。本設計運用多學科設計優化(Multidisciplinary Design Optimization)方法對轉子進行優化[12-15]，通過集成優化平臺進行計算。首先對轉子進行參數化，如圖9所示。

圖9　 轉子參數

設計變量為

X={d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7，d8，d9，d10，d11，d12，d13}

根據移箱機構的裝配尺寸，對自變量進行約束，約束條件為

{2.8≤d1≤3 ；7.2≤d2≤8.25；1.5≤d3≤2.5 ；6≤d4≤8 ；7≤d5≤9；8≤d6≤10；21≤d7≤23；2.5≤d8≤3.9；3.5≤d9≤4；6.3≤d10≤6.8；0.75≤d11≤1.25；24≤d12≤26 ；8≤d13≤10}

優化目標：轉子的最大應力S最小，即求Smin。

運用多學科設計優化軟件ISIGHT集成CATIA和ABAQUS，對轉子的最大應力進行優化，使得最大應力最小，經過迭代30次后的優化結果如圖10所示。

從優化結果可得：d6、d7、d10、d12對轉子應力影響較大；經過優化后的轉子最大應力由原來的218MPa，降到179MPa，轉子的力學性能得到了明顯的改善。

圖10　優化結果

5結論

設計了一種適用于可調寬窄行水稻高速插秧機的移箱機構，通過CATIA軟件進行了實體建模，并通過ADAMS軟件對3種不同過渡曲線螺旋軸進行了動力學分析，確定了適宜過渡曲線。同時，運用有限元方法對轉子進行靜力學分析，得出轉子的應力，并利用多學科設計優化方法對轉子進行優化。本文設計的正弦過渡曲線螺旋軸，結構簡單緊湊、質量小，實現了轉子在螺旋槽內移動到兩端時能夠純機械式的自動換向，無需間斷，保證了插秧機送秧過程的連續性，提高移箱機構的工作性能。

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Optimal Design for Seedling Box Mover of Space-adjustable High Speed Rice Transplanter

Xiong Wei1, Zhu Dequan1,2, Wang Yanqing1, Wu Liquan2, Jiang Rui1

(1.School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036,China; 2. Anhui Province Center of Cooperative Innovation for Crop, Hefei 230036, China)

Abstract：The seedling box mover is an important part of space-adjustable high speed rice transplanter and its operational reliability influences the pinching amount of planting arms and working performances of the transplanter. The existing seedling box mover was researched and analyzed to design a new seedling box mover for space-adjustable high speed rice transplanter. Core components such as rotor, sliding sleeve and screw shaft were modeled by three-dimension software and were simulated virtually by dynamic software to obtain the contact force curves between the rotor and the screw shaft with different transition curves. The screw shaft with sine transition curve was analyzed by finite element analyzing software. The rotor of seedling box mover was optimized by multidisciplinary design optimization method eventually. The result showed that the maximum stress of optimized rotor has reduced 21.8% and optimized seedling box mover has met the performance demand of space-adjustable high speed rice transplanter.

Key words：space-adjustable； seedling box mover； virtual simulation； multidisciplinary design optimization

中圖分類號：S223.91;TH122

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0165-06

作者簡介：熊瑋(1990-)，女，安徽馬鞍山人，碩士研究生，(E-mail)137257769@qq.com。通訊作者：朱德泉(1969-)，男，安徽天長人，教授，博士，(E-mail)zhudequan@ahau.edu.cn。

基金項目：國家農業科技成果轉化項目(2014C30000162)；“十二五”農村領域國家科技計劃課題(2011BAD16B06)

收稿日期：2015-09-06