分體膜盤鋪設機構的設計—自走式水稻育秧聯合作業機配套機構

陳國銀，古榮華，馮偉東，佘永衛，丁文捷

(1.寧夏大學 機械工程學院，銀川　750021；2.西北師范大學 教育技術學院，蘭州　730000；3.寧夏農林科學院 農作物研究所，寧夏 永寧　750105)

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分體膜盤鋪設機構的設計
—自走式水稻育秧聯合作業機配套機構

陳國銀1，古榮華2，馮偉東3，佘永衛1，丁文捷1

(1.寧夏大學 機械工程學院，銀川750021；2.西北師范大學 教育技術學院，蘭州730000；3.寧夏農林科學院 農作物研究所，寧夏 永寧750105)

摘要：針對原槽盤鋪膜機構在實際中的應用情況，設計了分體槽盤鋪膜機構。首先，采用三維模型與功能設計逐步演進的方法實現了槽盤鋪膜機構折疊成型部分秧盤單元結構的功能，由秧盤單元結構演進為包含9個秧盤單體槽膜成型的上架與底架結構；然后，對主要桿件進行了受力分析，并采用有限元方法進行了應力、應變、變形位移和安全系數分析；最后，采用1:1試驗機模型驗證了鋪膜成型功能。研究表明：所設計的鋪膜結構能夠實現預定功能，成膜達到預定參數要求，結構設計參數校核達標。

關鍵詞：水稻育秧聯合作業機；分體槽盤；鋪膜機構；折疊成型

0引言

水稻是寧夏地區主要糧食作物，改變傳統的生產方式、實現全程機械化，是農業發展的關鍵所在。目前，水稻生產突破了機械化育插秧這一關鍵技術瓶頸，已呈現出良好的發展態勢[1-12]。在水稻工廠化流水線育秧環節中，已開發研制了集鋪膜機構與自走式水稻育秧聯合作業機的鋪土機構、灑水機構、播種機構、覆土機構為一體的新型育秧成套設備[13]，能夠一次性完成鋪膜、鋪土、灑水、播種及覆土等工序，一個往返播完一個大棚，大大提高了工作效率。然而，原槽盤鋪膜機構采用的是聯體槽膜，寬度較大，因此在被折疊前，折疊成型結構的尺寸較大，直接導致機構的整體尺寸相對較大，且聯體槽膜較寬，制造較難，鋪膜成型較難；插秧前，還要進行長度和寬度的裁剪，增加了勞動強度。針對上述問題，設計了分體槽盤鋪膜機構。

1整體結構

分體槽盤鋪膜機構由膜卷心軸、膜卷心軸座、上架、底架、連接座及保持架等組成，如圖1所示。其結構要點如下：上架和保持架各采用鉸接銷軸與底架連接；連接座與底架焊接在一起，用于與自走式水稻育秧聯合作業機的連接；膜卷通過膜卷心軸由膜卷心軸座支撐。

1.膜卷心軸　2. 膜卷心軸座　3.上架

育秧時，首先將分體槽盤鋪膜機構與自走式水稻育秧聯合作業機相連接；然后將9個專用單體槽膜卷通過膜卷心軸放在膜卷心軸座上，手動將其依次通過折疊成型部分的底架和上架折疊成為9個單體槽條形底膜(見圖2)，形狀由保持架保持。在自走式水稻育秧聯合作業機行走的過程中，一次性完成鋪土、澆水、播種及覆土等工序。

圖2　單體槽條形底膜擺放示意圖

2主要結構設計

分體槽盤鋪膜機構的主要結構是折疊成型部分，是單體槽膜被順利地折疊成為單體槽條形底膜的關鍵部件。

2.1折疊成型部分的單元結構設計演進

折疊成型部分的主要參考尺寸為秧盤的寬和高，因此要使單體槽膜折疊成為秧盤單元。秧盤單元結構設計經初步結構、結構改進的演進后定型。

2.1.1秧盤單元初步結構

結構由下模和上模組成(見圖3)，各模采用鋼板的形式焊接而成。上模由上模底板和上模側板組成，下模由下模底板和下模側板組成。在單體槽膜經過由下模和上模組成的固定空間時，逐步被折疊成為所要求的形狀。適用評價：能夠實現功能；但結構笨重，成本較高，不便于制造。

1.上模側板　2.上模底板　3.下模側板　4.下模底板

2.1.2結構改進

結構由底架和上架組成(見圖4)，各架采用不銹鋼管焊接而成。底架由底架前主桿、底架后主桿和支膜桿組成；上架由上架前主桿、上架后主桿和壓膜桿組成。在單體槽膜經過由底架和上架組成的固定空間時，逐步被折疊成為所要求的形狀。適用評價：能夠實現功能，結構輕巧，成本較低，便于制造。

1.上架前主桿　2.支膜桿　3.壓膜桿

2.2折疊成型部分

折疊成型部分采用結構演進后的多個秧盤單元組合結構，由底架和上架組成。

1)底架。主要由底架前主桿、底架后主桿、底架側主桿、底架中間桿及支膜桿組組成，如圖5所示。

1.底架側主桿　2.底架前主桿

其中，支模桿組由5個支膜桿組成，依次焊接在由底架前主桿、底架后主桿、底架側主桿、底架中間桿焊接而成的基礎框架上,是單體槽膜被折疊成為所要求形狀的主要支撐桿件。支模桿組的特點是單體槽膜沿任意支模桿件被折疊時能保證行走路徑一致，使單體槽膜能順利的被折疊成為單體槽條形底膜。

2)上架。主要由上架前主桿、上架后主桿、上架側主桿、上架中間桿、上架支撐桿、上架定位桿及壓膜桿組組成，如圖6所示。其中，壓模桿組包括5對壓膜桿，依次焊接在由上架前主桿、上架后主桿、上架側主桿、上架中間桿、上架支撐桿、上架定位桿焊接而成的基礎框架上,是單體槽膜被折疊成為所要求形狀的主要壓膜桿件。壓模桿組的特點是：單體槽膜沿著支模桿件被折疊時，都有與之相對應的2根壓膜桿件共同組成一個固定的空間，供單體槽膜通過并使其逐步被折疊成為單體槽條形底膜。

1.上架定位桿　2.上架側主桿　3.上架前主桿

2.3主要受力桿件的計算

在實際工作過程中，底架連接桿兩端受到軸向拉力F= 1 200 N，直徑d= 20 mm，長度l= 685 mm，材料為不銹鋼，彈性模量E= 210 GPa，泊松比v= 0.3。在軸向拉力作用下，計算直徑減小量及長度伸長量，如圖7所示。

圖7　變形示意圖

1)由胡克定律的表達式得

(1)

改寫為

(2)

式中σ—底架連接桿橫截面上的正應力；

F—軸向拉力；

A—底架連接桿的橫截面面積；

E—彈性模量；

ε—底架連接桿內任一點處的縱向線應變。

代入數值可得

由ε、v、ε之間的關系式可表達為

ε′=-νε

(3)

式中ε′—底架連接桿的橫向線應變；

v—泊松比。

代入數值可得

ε′= - 0.3 × 1.8 × 10-5= - 5.4 × 10-6

底架連接桿的橫向線應變表達式為

(4)

將式(4)改寫為

Δd=dε′

(5)

式中d—底架連接桿的原始直徑；

△d—底架連接桿的直徑縮減量。

代入數值可得

△d= 20 × (- 5.4 × 10-6) =- 1.08 × 10- 4(mm)

2)底架連接桿的縱向線應變表達式為

(6)

將式(6)改寫為

Δl=lε

(7)

式中l—底架連接桿的原始長度；

△l—底架連接桿的長度伸長量。

代入數值可得

△l= 685 ×1.8 × 10-5= 0.01233(mm)

2.4主要受力桿件的應力分析

底架側主桿位于底架兩側，主要作用是連接底架前主桿、底架后主桿及膜卷支撐桿等主要桿件，最前端要支撐膜卷支撐桿上的膜卷，支撐過程中受到向下的力最大。現采用Inventor的有限元分析模塊進行分析，底架側主桿長710 mm，材料為不銹鋼，左端及距左端480 mm處添加固定約束；所能承受的最大負荷1 200 N，在底架側主桿最前端向下施加載荷的位置、方向上添加載荷，模型網格劃分節點3 429個，元素1 690個。根據底架側主桿變形趨勢的特點，將載荷設置為面力分析，可得應力云圖(見圖8)和變形位移云圖(見圖9)。

圖8　等效應力云圖

圖9　受力變形位移云圖

由圖8可知：在底架側主桿距端面480 mm的固定約束處，等效應力達到最大，最大值為215.7MPa。由圖9可知：底架側主桿端面受力處變形位移最大，最大值為0.685mm。分析結果表明，底架側主桿能夠滿足設計要求。

3試驗分析

3.1鋪膜功能驗證試驗

分體槽盤鋪膜機構按照1:1比例制作試驗模型，實物單體槽條形底膜的基本尺寸寬×高為275mm×30mm。經打開上架，覆膜放入底架，壓下上架，固定覆膜，牽拉槽膜等一系列步驟，得到鋪膜試驗結果，如圖10所示。由圖10可知：膜卷由折疊成型區的入口進入，到預成型逐漸被折疊成為所要求的形狀后，最終由折疊成型區的出口出來，能夠實現預定功能。

圖10　試驗結果

3.2試驗測量數據分析

由試驗結果可測得表1所列試驗數據。

表1　鋪膜試驗數據

由表1數據可知：試驗所得數據與設計要求基本吻合。這表明，定量設計計算有效。

4結論

1)通過對原槽盤鋪膜機構實際應用分析，運用了基于三維模型的演進式結構設計方法，確定了分體槽盤鋪膜機構折疊成型部分的功能結構，以及由上、下桿形結構組成的整體結構；完成了對主要受力桿件的分析及對關鍵零件的應力分析，并對分體槽盤鋪膜機構進行鋪膜功能驗證試驗。試驗表明：該機構能夠實現預定功能。

2)分體槽盤鋪膜機構采用的是單體槽膜，寬度較小，并采用前后相錯的方式放置，縮小了折疊成型結構的尺寸，也相應縮小了機構的整體尺寸；且原使用的聯體槽膜改為單體槽膜，不僅便于制造而且鋪膜成型容易；在插秧時，只需進行長度的截取即可，不再需要寬度的截取，減少了勞動力。

3)分體槽盤鋪膜機構保持了原有機構的優點，結構更加緊湊合理，操作更加簡單，更加適應了市場需求，推動了育秧技術的發展。

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Design of Split Membranous Disc Laying Institutions—Supporting Mechanism of Self-propelled Rice Seedling Raising Integrated Machine

Chen Guoyin1， Gu Ronghua2， Feng Weidong3， She Yongwei1， Ding Wenjie1

(1.School of Mechanical Engineering, Ningxia University 750021, China; 2.School of Educational Technology, Northwest Normal University, Lanzhou 730000, China;3.Ningxia Institute of Agriculture and Forestry,Yongning 750105, China)

Abstract：According to the original disc slot mechanism in practical application, split trough tray laying membrane institution is designed. Firstly, three-dimensional model of gradual evolution and functional design have approached to achieve a functional part of fold forming part’s seedling tray unit structure about disc slot mechanism. Seedling tray unit structure evolves into nine seedling tray units and included shelves and chassis structure with bars structure. Then, the main bars are analyzed by stress analysis, and also analyzed by stress, strain, displacement, deformation and safety factor using finite element method. Finally, the function of laying membrane forming is verified by a 1:1 model, it shown that: designed filming structure has achieved the intended function; and the film parameter has reached predetermined requirements, and structural design parameters were checked and passed.

Key words：rice seeding raising integrated machine; split throughtray; film spreading machine; fold forming part

文章編號：1003-188X(2016)06-0167-05

中圖分類號：S223.1+3

文獻標識碼：A

作者簡介：陳國銀(1987 - )，男，河南信陽人，碩士研究生，(E-mail) 741890516@qq.com。通訊作者：丁文捷(1968 - )，男，江蘇泰州人，教授，碩士生導師，(E-mail) dwjnet@nxu.edu.cn。

基金項目：寧夏回族自治區科技攻關項目(2012ZZN38)；國家水稻產業技術體系項目(CARS-01-84)

收稿日期：2015-05-15