小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)分析

黎毓鵬，樊凌風(fēng) ，郭文峰，王莎莎

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

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小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)分析

黎毓鵬，樊凌風(fēng) ，郭文峰，王莎莎

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

針對(duì)傳統(tǒng)小型小麥播種機(jī)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種播種質(zhì)量高、速度快、安全可靠、播種成本低、適應(yīng)不同田間要求、采用電磁振動(dòng)播種并能有效減少能耗的小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)。該機(jī)田間作業(yè)時(shí)，可以將開溝、播種、平土一次完成，大大簡化了小麥播種時(shí)的生產(chǎn)流程，有利于進(jìn)一步提高播種效率，解放生產(chǎn)力。為此，介紹了小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的整體構(gòu)造，分析了小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的工作原理，對(duì)配套部分及重要零件利用inventor自帶應(yīng)力分析模塊建立了有限元模型。有限元分析的結(jié)果表明：小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)能夠滿足工作要求，且各零件滿足剛度和強(qiáng)度的要求。經(jīng)過進(jìn)一步的改進(jìn)和研究，此機(jī)將在播種小麥方面有較大的發(fā)展前景，同時(shí)對(duì)各種低能耗播種機(jī)的研制也具有一定的參考作用。

小麥播種機(jī)；電磁振動(dòng)式；有限元分析

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已向機(jī)械化和智能化方面發(fā)展。特別是近10余年，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度越來越高。在小麥播種機(jī)器方面，出現(xiàn)了一些不同類型的小型播種機(jī)，減輕了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了播種效率。目前，市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的小型小麥播種機(jī)能耗大、播種效率低、價(jià)格高，不利于農(nóng)民搶農(nóng)時(shí)、提收益、促增長、解放生產(chǎn)力。因此，研究出一種更節(jié)能、高效、成本低的小型小麥播種機(jī)就顯得十分必要[1]。

針對(duì)傳統(tǒng)小型小麥播種機(jī)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種播種質(zhì)量高、速度快、安全可靠、成本低、適應(yīng)不同田間要求、采用電磁振動(dòng)播種且能有效減少能耗的小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)。該機(jī)田間作業(yè)時(shí)，可以將開溝、播種、平土一次完成，大大簡化了小麥播種時(shí)的生產(chǎn)流程，有利于進(jìn)一步提高播種效率，解放生產(chǎn)力。本文介紹了小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的整體構(gòu)造，分析了小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的工作原理。同時(shí)，通過Inventor軟件對(duì)此播種機(jī)關(guān)鍵部位進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證了本機(jī)器能夠滿足開溝、播種、平土等生產(chǎn)流程的工作要求，并且各零件滿足剛度和強(qiáng)度的要求。

1 整體構(gòu)造

小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)包括動(dòng)力部分、行走機(jī)構(gòu)、支架、電磁控制部分、排種部分、種子回收部分和配套部分等[2]，如圖1所示。

1)動(dòng)力部分：以柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力源。(柴油機(jī)選用功率為3～5kW，發(fā)電機(jī)選用輸出電壓14V、輸出功率500W無刷式小型硅整流發(fā)電機(jī)。

2)行走機(jī)構(gòu)：由變速箱、前輪、后輪及方向盤等組成。其中，前輪和后輪可以根據(jù)地表情況進(jìn)行更換不同類型的輪胎。

3)支架：主要作用是支承排種部分和種子回收部分，支架高度應(yīng)滿足小麥種入土深度要求。

4)電磁控制部分：包括控制盒及電磁鐵等。其中，控制盒具有頻率調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)功能，通過頻率調(diào)節(jié)旋扭和功率調(diào)節(jié)旋扭可以方便地調(diào)整振動(dòng)盤的振動(dòng)頻率和振幅；電磁鐵用來產(chǎn)生一個(gè)變化的吸力作用于振動(dòng)盤,使其產(chǎn)生振動(dòng)。

5)排種部分：通過排種管分散和輸送小麥種,并將種子排到田間。

6)回收部分：回收多余的小麥種。

7)配套部分：主要包括開溝器和覆土器，用來實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的開溝和平土。

主要技術(shù)參數(shù)如下:

外形尺寸/mm：2 000×1 100×1 500

播種幅寬/mm：1 000

開溝深度/mm：95～105

開溝寬度/mm：48～55

作業(yè)速度/km·h-1：1.69～2.54

1.柴油機(jī) 2.控制盒 3.前輪 4.開溝器 5.離合器 6.變速箱 7.傳動(dòng)軸 8.差速器 9.覆土器 10.排種管 11.排種器外盒(內(nèi)部為排種器) 12.遮陽頂棚 13.支撐桿 14.方向盤 15.操縱桿 16.后輪 17.座椅 18.離合器踏板 19.前進(jìn)踏板 20.倒退踏板 21.支架

2 工作原理

2.1 排種器的工作原理

排種器通過電磁振動(dòng)來進(jìn)行排種，如圖2所示。

當(dāng)電磁鐵產(chǎn)生變化的電磁力作于排種盤后，由于排種盤由彈簧片支撐，從而產(chǎn)生振動(dòng)，排種盤通過振動(dòng)把來自種子箱的種子向前推送；當(dāng)種子到達(dá)分流盤分流孔時(shí)，盤的振動(dòng)使架空的種子振落、分流，落入集種器回收；剩下的種子繼續(xù)向前移動(dòng)，種子到達(dá)分流盤出口時(shí)，落入接器種，經(jīng)排種管播到田里。

2.2 整機(jī)的工作原理

播種前，先在漏斗里放入需要播種的小麥種；然后，根據(jù)農(nóng)藝對(duì)小麥播種量的要求，在排種器上安裝相應(yīng)的分流盤；最后，調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率(接近共振頻率為最佳)及振幅大小(電流大小)，調(diào)好播種量，即可下田播種。播種時(shí)，播種機(jī)前進(jìn)的同時(shí)打開控制盒開關(guān)，在底板下方的4個(gè)開溝器開出4條溝，小麥種子通過漏斗進(jìn)入排種盤，電磁振動(dòng)使其向前運(yùn)動(dòng)，到達(dá)分流盤；部分種子在分流孔分流，由集種器回收；另一部分種子經(jīng)接種器、排種管播入開好的溝中，完成開溝和播種[3]。最后，轉(zhuǎn)盤式覆土器通過拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)將兩側(cè)的土覆蓋到小麥種上，從而將小麥的開溝、播種、平土工作一次性完成。

1.漏斗 2.接種盤 3.分流盤 4.接種器 5.拍種管 6.集種器7.電磁鐵 8.彈簧

3 配套部分的靜強(qiáng)度分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的主要受力部位為配套部分、車輪和傳動(dòng)軸，只要得出這幾個(gè)部件的剛度和強(qiáng)度都符合要求，就可以基本確定該小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)是符合工作要求的。

3.1 配套部分的組成

小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)能將開溝、播種、平土一次完成。其中，開溝和平土的任務(wù)是通過配套部分實(shí)現(xiàn)的，如圖3所示。配套部分主要包括開溝器和覆土器，能方便地從開溝器安裝柱和覆土器安裝柱上裝上和取下，便于損壞后的更換和維修[4]。

3.2 開溝器的數(shù)學(xué)模型

對(duì)于開溝器，一般有滾動(dòng)式和移動(dòng)式兩大類。為了方便開溝、減少阻力，選用滾動(dòng)式開溝器；為了減輕開溝器質(zhì)量，增強(qiáng)入土能力，簡化結(jié)構(gòu)，選用單圓盤式開溝器[5]。傳統(tǒng)的單圓盤式開溝器一般都存在所開的溝底不平、覆土?xí)r干濕相混及側(cè)壓力過大等問題，所以選用一種新的單圓盤式開溝器，它基本上解決了上述問題。單圓盤開溝器主要由圓盤和固定在一側(cè)的護(hù)板及其輸種筒等組成[6]，如圖4所示。工作時(shí)，圓盤平面垂直地面并與前進(jìn)方向有一個(gè)夾角α，α的角度一般為3°～8°，這樣做的目的是便于開出溝槽。單圓盤式開溝器的護(hù)板安裝在圓盤的后部，目的是便于圓盤先入土。因?yàn)樾碌膯螆A盤式開溝器的前進(jìn)方向與圓盤面之間有一個(gè)夾角，所以開溝器在滾動(dòng)的同時(shí)會(huì)做側(cè)向滑移，使地面形成一個(gè)斷面為半橢圓形的溝。新的單圓盤式開溝器的護(hù)板與靴子式開溝器相似，它和圓盤共同作用形成新的單圓盤式開溝器，開出的溝底十分平整，沒有凸尖。

1.覆土器安裝柱 2.覆土器 3.開溝器 4.開溝器安裝柱 5.排種管

圖4 單圓盤開溝器

種溝的寬度為

K=B+C

其中，B為單圓盤切出的溝寬。隨圓盤入土深度而變化，其值為

式中 H—圓盤入土深度；

R—圓盤半徑；

α—圓盤與前進(jìn)方向的夾角。

護(hù)板入土部位的外形與圓盤的外形相似，由其形成的溝槽寬C在不同入土深度基本不變，即

由此可知：單圓盤開溝器的溝槽寬與圓盤半徑R及牽引偏角α有關(guān)，且隨著入土深度的加深而加寬，但溝底形狀不變。

3.3 配套部分有限元分析

3.3.1 指定材料

根據(jù)工作環(huán)境，單圓盤開溝器和覆土器的材料指定為65Mn鋼。其抗拉強(qiáng)度為751MPa，屈服強(qiáng)度為437MPa[7]，泊松比為0.3，彈性模量為214MPa[8]。

3.3.2 施加約束

將開溝器刀盤中間設(shè)為固定約束，覆土器的上端面設(shè)為固定約束。

3.3.3 選擇接觸

采用自動(dòng)接觸。

3.3.4 劃分網(wǎng)格

平均元素大小設(shè)為0.08，最小元素大小設(shè)為0.2，分級(jí)系數(shù)設(shè)為1.5，最大轉(zhuǎn)角設(shè)為60°。

3.3.5 施加載荷

在工作中，圓盤刀和覆土器在各點(diǎn)的力隨圓盤刀轉(zhuǎn)角的變化而有所不同，但靜強(qiáng)度的分析主要考慮的是強(qiáng)度校核，所以只在載荷最大的工況下進(jìn)行計(jì)算。最大切土阻力是在切割深度達(dá)到最大的位置產(chǎn)生的[9]，最大覆土阻力是在轉(zhuǎn)盤埋在土層中深度達(dá)到最大位置產(chǎn)生的。根據(jù)理論分析計(jì)算得出：切割阻力為280N，切土阻力為2 028N，最大覆土阻力3 246N。

3.3.6 有限元模型

有限元模型建立如圖5所示。節(jié)點(diǎn)數(shù)目為12 532，元素?cái)?shù)目為7 329。

3.3.7 等效應(yīng)力云圖和位移云圖

經(jīng)有限元分析后，計(jì)算得開溝器和覆土器的等效應(yīng)力云圖和位移云圖[10]，如圖6～圖9所示。

經(jīng)有限元計(jì)算可知：開溝器的最大應(yīng)力在刀盤切削土壤的刀尖處，最大應(yīng)力為94.26MPa，小于許用應(yīng)力；最大變形發(fā)生在刀盤切削土壤的遠(yuǎn)離刀尖處，最大變形量為0.010 72mm。覆土器的最大應(yīng)力在拐角處，最大應(yīng)力為88.72MPa，小于許用應(yīng)力；最大變形發(fā)生在覆土器的爪端，最大變形量為0.672mm。因此，開溝器和覆土器都滿足強(qiáng)度和剛度的要求。

圖5 單圓盤開溝器的有限元分析模型

圖6 單圓盤開溝器的等效應(yīng)力云圖

圖7 單圓盤開溝器的位移云圖

圖8 轉(zhuǎn)盤式覆土器的等效應(yīng)力云圖

圖9 轉(zhuǎn)盤式覆土器的位移云圖

4 車輪的有限元分析

經(jīng)有限元分析計(jì)算，車輪的最大應(yīng)力發(fā)生在車輪和車輪軸連接處，最大應(yīng)力為50.14MPa，如圖10所示。

圖10 車輪的應(yīng)力云圖

經(jīng)有限元分析計(jì)算，車輪的最大變形發(fā)生在車輪滾動(dòng)的邊緣，最大變形為0.013 86mm，如圖11所示。

圖11 車輪的位移云圖

5 傳動(dòng)軸的有限元分析

經(jīng)有限元分析計(jì)算，傳動(dòng)軸的最大應(yīng)力發(fā)生在軸兩端處，最大應(yīng)力為116.7MPa，如圖12所示。

圖12 傳動(dòng)軸的應(yīng)力云圖

經(jīng)有限元計(jì)算，傳動(dòng)軸的最大變形發(fā)生在中間位置，最大變形為0.024 65mm，如圖13所示。

圖13 傳動(dòng)軸的位移云圖

6 結(jié)論

1 )小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的主要零件符合強(qiáng)度要求。

2 )小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的主要零件符合剛度要求。

3 )小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)符合工作要求。

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Working Principle and Structure Analysis of Small Electromagnetic Vibration Type Wheat Seeding Machine

Li Yupeng, Fan Lingfeng， Guo Wenfeng， Wang Shasha

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Aimed at the shortcoming of traditional small wheat seeder, we design a high quality, high speed, safe and reliable, low cost on sowing seeds, adapting to different requirements, the electromagnetic vibration field planting, can effectively reduce the energy consumption of small electromagnetic vibrating wheat seeder.When the machine works in field,it can finish ditching, seeding, leveling in one time, greatly simplify the production process, improving the efficiency of planting and the liberation of productive forces. This paper introduces the overall structure of small electromagnetic vibration type wheat seeding machine.Analysing the small electromagnetic vibration type wheat seeding machine’s working principle.The finite element model is established by using inventor for the matching part and important parts. The results of finite element analysis show that the small electromagnetic vibration type wheat sowing machine can meet the job requirements and each part of the machine meets the requirements of stiffness and strength. After further improvement, this machine will have larger development prospects in sowing wheat aspect as well as the development of low energy consumption seeder.

wheat seeder; electromagnetic vibration type; finite element analysis

2016-01-05

廣西大學(xué)國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(141059301)

黎毓鵬(1971-)，男，廣西桂平人，工程師，碩士。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)02-0057-05