基于Proe的多功能一體化播種機設計及關鍵部件動態仿真

雪艇 馬科 仝傳祥 許彬

摘要：設計一款能集成耕地、施肥、播種等功能的一體化播種機，設計思路為以臥式旋耕機為本體，在其上添加施肥、播種、覆土等聯合作業功能部件，設計的關鍵為旋耕刀的建模、旋耕機的輸出軸與施肥機的排肥軸二級傳動鏈的設計，播種機的播種器的設計，并按照農業生產的步驟，合理的布置各個作業機構。利用虛擬樣機技術在Proe軟件建立整機的裝配模型，在虛擬環境中模擬系統運動，對各部件干涉檢驗；分析旋耕刀的運動過程并建立其運動學模型，在simulink軟件中仿真得到旋耕刀端點在水平方向和豎直方向的運動速度和位移，預知產品的工作性能，這對于縮短產品開發周期，降低開發成本，提高設計精度具有重要的意義。

關鍵詞：多功能一體機；聯合作業；Proe；虛擬樣機；simulink

1引言

在我國的廣大農村地區，農業生產往往采用的是傳統的勞作方式，這占用大量的人力和物力，且在某些使用農機具的區域其集約化程度不太高，農機具未得到廣泛的使用，而在歐美等農業發達國家，農業機械已向寬幅、聯合和高速方向發展，單一功能作業機具日趨減少。虛擬樣機技術是利用計算機仿真技術，在計算機上搭建產品的整體模型，預測產品的整體性能，改進產品設計的一種技術，它能將我們的設計靈感轉化成為虛擬產品，本文利用該技術設計一款能實現整地、施肥、播種等功能的聯合作業一體化機。

2整機構造原理

2.1旋耕機結構

該旋耕機的結構圖如圖1所示，主要包括機架、旋耕刀軸、旋耕刀、蝸桿蝸輪+齒輪減速器，主動鏈輪等，其懸掛于拖拉機后方，減速器的輸入軸與拖拉機的輸出軸通過萬向節連接，輸入軸通過蝸桿蝸輪+齒輪減速器給旋耕刀軸提供動力，旋耕刀軸上面均勻分布有旋耕刀，旋耕機的機架以旋耕刀主軸為基本構架，機身上方設計出放置施肥機的預留空間。

旋耕刀的建模：旋耕刀采用彎刀結構，彎刀刃口由側切刃和正切刃兩部分組成，設計回轉半徑R=400mm，計算出旋耕刀曲線、曲面的坐標，然后擬合出側切刃曲線、正切刃曲線等各部分方程，將其導入軟件并運用拉伸切除等操作，完成旋耕刀的建模。

2.2施肥機結構

施肥機對稱固定放置于旋耕機的上方，且施肥的動力由旋耕機提供，該施肥機的結構如圖2所示，主要包括肥料箱、支撐架、從動鏈輪、排肥軸及其排肥齒輪等，考慮耕作的工況比較復雜，機器受到的動載荷較大，因而采用二級鏈傳動的方式傳遞運動和動力，旋耕刀軸上的主動鏈輪與旋耕機機架上的鏈輪組成第一級鏈傳動，排肥軸上的從動鏈輪和旋耕機機架上鏈輪組成第二級鏈傳動。

二級傳動鏈的設計：為減少零件的設計和布置，考慮將旋耕機機架上的鏈輪設計為帶有2個相同鏈輪的鏈輪軸，鏈輪的基圓直徑D=160mm，齒數z=23，齒厚w=19.5mm，模數m=2.5，壓力角20度，利用漸開線直齒圓柱齒輪參數化設計過程即可以建立鏈輪軸的模型。然而用鏈條分別將鏈輪軸與旋耕刀主軸上的主動鏈輪和排肥軸上的從動鏈輪連接起來。種管道、放種漏嘴、覆土欄桿、播種機機架等組成，播種機的機架與旋耕機的機架通過插銷螺栓連接，播種機的前進輪在旋耕機的牽引下運動，且在運動過程中前進輪為排種槽輪提供動力，種子在重力的作用下在種箱內落入進種槽道，后在槽輪的驅動下流入排種管道，且種子流入的速度和數量由槽輪旋轉的速度和進種槽道的寬度來決定，當排種管道的種子依次進入放種漏嘴時，放種漏嘴有節奏的將其一個個地放入到土壤中。

3關鍵部件運動仿真

3.1旋耕刀運動分析

旋耕機工作時，旋耕刀一邊繞旋耕刀軸旋轉，一邊隨機組前進，因此旋耕刀的絕對運動是旋耕刀軸的旋轉運動和機組前進運動的合成，其運動軌跡是擺線。對于臥式旋耕機，設坐標原點為刀軸的旋轉中心，x軸正向與旋耕機的前進方向一致，y軸正向垂直于地面向下，刀片端點位于前方水平位置與x軸正向重合，旋耕刀運動速度如圖4所示：

3.2旋耕刀仿真分析

將式（1）.（2）旋耕刀的運動學模型，導入到數值處理軟件MATLAB中的SIMULINK，利用其模塊庫功能搭建運動方程的仿真模型，參數取值見表1，仿真結果如圖5、6所示。

4總結

本文設計一款多功能一體化播種機，運用三維建模技術、運動學分析技術、Simulink仿真技術等，得到旋耕刀端點沿水平方向的位移隨著旋耕機的前進逐漸增大，沿豎直方向的位移隨著刀軸的旋轉呈現往復運動；旋耕刀端點沿水平方向和豎直方向的速度分別以某一值為基礎呈現正弦規律變化。