紅樹林種子泥模定位播種機設計與仿真

李豐延，成 銘，李昊達，李海平，葉自旺

( 廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

0 引言

紅樹林是我國海岸濕地生態系統的重要類型之一，有著巨大的生態價值：防風護堤、吸收重金屬、凈化空氣和海水且具有工業和藥用價值[1]。目前，我國的紅樹林正遭受嚴重的污染和圍墾破壞，不合理的開發活動使我國紅樹林面積劇減。在自然生長的情況下，其種子存活率極低，紅樹林樹木繁育極慢，為解決這個問題，科研工作者正不斷進行人工種植紅樹林的研究[2]。

本文設計的紅樹林種子泥模定位播種機的泥模塊采用白泥作為原料，優點有：①白泥塊粒度較小，粘合性較強，不易破裂，能將紅樹林種子包裹在內，從而進行人工種植;②白泥吸附力很強，能吸附對種子生長有益的有機成分，從而降低種子的死亡率且能加速種子生長；③白泥呈堿性，其中有可溶性的鈣離子與陰離子污染物結合生成沉淀，有效對抗紅樹林遭遇的污染問題[3]；④白泥自重大且不易溶于水，能防止紅樹林種子在漲潮時被潮水沖走。

為應對在播種過程中的誤差問題，該機械設計過程中做出了較好的適應性設計，保證了機器工作的合理性。最后，進行該機械的仿真，驗證零件的實際尺寸是否符合標準，并進行試制與試驗，有效解決了紅樹林遭受污染和圍墾所帶來的生態破壞的問題，提高了紅樹林的存活率和生長速度[4]。

1 設計原理及結構

結合設計原理分析，運用三維建模軟件UG進行三維建模。

1.1 設計原理

電動機作為驅動力來源，工作時驅動后傳動軸旋轉。

1)行走功能的實現：后輪定位軸通過帶輪與后傳動軸連接，后傳動軸旋轉時帶動后輪旋轉，從而使整車行走。

2)播種功能的實現：前傳動軸通過帶輪與后傳動軸連接，后傳動軸旋轉時帶動前傳動軸與圓盤旋轉。通過曲柄滑塊機構，實現滑塊水平直線運動，滑塊推板將泥模進槽底端泥模塊推出。定位機構定位釘板的釘在泥模進槽的孔中，當軸承與接觸桿凸臺接觸時定位釘被頂出，實現泥模塊的下落。由于復位彈簧，軸承離開凸臺時能被頂回與接觸桿接觸，上方的泥模塊被重新釘入，最后推桿返回，下落泥模塊不能從推桿槽返回，成為下一個被推出的對象。

3)行走與播種功能的離散與結合：阻動機構能終止帶輪的轉動，從而實現兩種功能的結合或者只使用一種功能或者同時終止，增加了可操作性。

1.2 整體結構

紅樹林種子泥模定位播種機以電動機作為動力源，主要由整車車身、帶輪傳動機構、阻動機構、泥模定位機構及曲柄滑塊機構等組成，如圖1所示。

1.3 關鍵部位結構

1.3.1曲柄滑塊機構

曲柄滑塊機構如圖2所示。

1.后輪 2.電機 3.減速機 4.前傳動軸 5.曲柄滑塊機構 6.前輪 7.泥模出槽 8.泥模定位機構 9.泥模進槽 10.底盤 11.阻動機構 12.后傳動軸 13.帶輪傳動機構圖1 總設計圖Fig.1 Overall design picture

1.圓盤 2.前傳動軸 3.銷釘 4.連桿 5.滑槽 6.銷釘與螺母 7.推板 8.接觸桿凸臺 9.接觸桿 10.滑塊圖2 曲柄滑塊機構圖Fig.2 Crank slider mechanism picture

軸承座固定前傳動軸，圓盤做圓周運動，連桿長度為 16 mm，一端被銷釘定位在圓盤上，另一端被銷釘定位在滑塊上，滑塊外有滑槽，滑塊被約束為水平直線運動。接觸桿定位在滑塊上，前后移動時與定位機構的軸承接觸，帶動軸承旋轉運動，接觸桿凸臺在接觸桿上某一位置，用來將軸承撐開。推板在滑塊底部，用來將泥模塊推出出口。

1.3.2 泥模定位機構

泥模定位機構如圖3所示。

螺釘被焊在泥模進槽的口子里。定位釘板的釘與泥模進槽的孔配合，釘板被接觸桿的凸臺推出后，釘不再起定位左右，上方的泥模塊下落。復位彈簧起到將釘板復位、回到起始位置及并重新釘住泥模塊的作用，從而使推板槽返回時不會帶出泥模塊。

1.泥模進槽 2.泥模出槽 3.推板槽 4.復位彈簧 5.螺釘 6.定位釘板 7.軸承圖3 泥模定位機構Fig.3 Clay mold positioning mechanism

2 動態仿真與分析

將三維造型軟件UG完成的模型中的關鍵部位導入到Adams虛擬樣機中,進行動態仿真。仿真的目的是驗證所設計的機械是否可以運行及機械運動過程中是否存在零件干涉問題。在仿真過程中，以曲柄滑塊機構和泥模定位機構為研究對象。關鍵部位仿真約束圖如圖 4 所示。

2.1 帶輪傳動結果

根據帶輪線速度公式，有

v=ω·r

由于帶輪的直徑都為80mm，所以兩個輪的角速度一致，前傳送軸的角速度為150(°)/s。后輪的速度v為

v=2πn·r

代入數據得v=0.52m/s。

2.2 泥模塊推出的合理性

選擇推板頂點A點作為觀測對象，泥模槽出槽位置點B點作為參考點，獲得在推板移動方向的坐標曲線，如圖5所示。

AB距離最小值公式為

d=dmax-dmin

由曲線可得：d=1.2mm。泥模可被推板推出比例Q為

Q=1-d/L

式中d—AB距離最小值；

L—泥模槽底部長度。

由設計尺寸得L(泥模長度)為5.1mm，所以代入數據可得，泥模可被推板推出比例為Q=0.77。

依據力學模型可知，均勻物體伸出平面是否下落將由重力力矩與支持力力矩矢量和相加后決定。力矩和M為

M=(Q-1/2)·G+(1-Q)/2·FN

式中G—重力；

FN—支持力。

當推出比例Q>0.5時，重力力矩與支持力力矩同向，物體將下落。考慮到靜摩擦力的影響，將推出比例Q進行修正，修正后推出比例Q′為

式中n—摩擦修正系數。

根據白泥材料的摩擦情況，本文設定泥模塊修正系數n=1.2，代入相關數據求得Q′=0.64。因此，當物體被推出平面0.64時，由于推出系數0.64>0.5，所以泥模塊一定下落，因而通過推板推出泥模是可行的。

圖 4 紅樹林種子泥模定位播種機的約束仿真圖Fig.4 Constraint simulation chart of mangrove seeds clay position sowing machine

圖5 AB兩點位置曲線Fig.5 A and B displacement curve

2.3 泥模塊下落的合理性

選擇左定位釘板的釘頂點C點作為觀測對象，泥模槽左槽內壁點B點作為參考點，獲得B、C在釘的移動方向的坐標曲線，如圖6所示。

可見，在1.76～1.96的時間范圍內釘與槽內壁的最小距離為0，滿足泥模塊下落的條件。泥模塊下落時間t為

t=t2-t1

此時t=0.20s，由于下落時間短，可忽略空氣摩擦，視為自由落體運動，根據自由落體模型，下落高度為

h=1/2gt2

代入數據得h=19.6mm，泥模塊的設計高度尺寸是2cm(19.6mm≈2cm)，所以每次下落高度滿足泥模塊的高度，在第一個泥模掉落，并且釘趨向重新定位時，上方的泥模塊到達定位位置，所以泥模塊下落是可行的。

圖6 CD兩點位置曲線Fig.6 C and D displacement curve

2.4 泥模塊定位的合理性

選擇左邊彈簧作為觀測對象，彈簧剛度系數設置為5N/mm，導出彈簧受力曲線，如圖7所示。

圖7 彈簧受力曲線Fig.7 Spring force curve

由圖7可得彈簧最大受壓時的彈力Fn=2.5N。由于釘在水平方向只受彈簧力Fn和對泥模塊擠壓力Fk的反作用力，所以軸向每個釘的軸力為Fn=Fk/2。根據力學模型[5]，釘的直徑d為2mm，此時接觸點的應力σ為

σ=Fn/A=Fk/2A=2F/πd2

代入數據得σ=399kPa，由于泥模塊的成分為白泥，可近似視為海相黏土，它的剪切強度為σ=150kPa[6]。由于399kPa>>150kPa，所以泥模塊被釘重新釘入定位是可行的。

3 實物試制與試驗

3.1 實物試制

通過上述仿真可知，紅樹林種子泥模定位播種機具有良好的工作可靠性及一定的適應性，可以進行試制。紅樹林種子泥模定位播種機實物樣機,如圖8所示。

圖8 紅樹林種子泥模定位播種機實物拍攝圖Fig.8 Photo graph of mangrove seeds clay position sowing machine

3.2 試驗條件

在海岸邊對紅樹林種子泥模定位播種機進行性能試驗。采用的白泥主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3。取1hm2海灘用于模擬自然生長的紅樹林生長情況，再取1hm2海灘用于紅樹林種子泥模定位播種機種植紅樹林的生長情況[7]。試驗采用木欖作為紅樹林種子，千粒質量為520g，播種量為200kg/hm2[8]。

3.3 試驗結果

播種機性能試驗指標如表 1 所示。

表1 紅樹林種子泥模定位播種機性能試驗指標Table 1 The performance testTable of mangrove seeds clay position sowing machine %

由表1可知，紅樹林種子泥模定位播種機的各性能指標:漏播率、泥模破碎率、發芽率都達到了技術要求，設計合理。

4 結論

1) 本播種機針對紅樹林自然生長存活率低的問題而進行了設計，通過機械種植的方式來取代種子的自然生長。通過白泥做成的泥模塊攜帶種子，實現紅樹林的機械種植。白泥粘合性強，不易破碎；吸附性強，能吸收有機成分；呈弱堿性，中和污染因子；且不易溶于水，防止種子被漲潮時的潮水所沖走，能大大提高存活率并加快種子生長速度。本機能使種子發芽率達到 97%。

2) 本播種機使用電機提供驅動力，曲柄滑塊機構作為傳動裝置，簡單高效，預計完成一次播種的工作時間為2.4s，符合種植機械化所要求的效率。

3) 播種機輪子采用帶輪傳動，并配有阻動機構，在實現機械代替人工種植泥模塊的同時，達到行走與播種功能的離散與結合，大大提高工作效率。

4)經過adams仿真，驗證了泥模定位的可行性，并通過實物試制與試驗，進一步驗證了播種機使用達到了技術標準和設計要求，可實現設計目標。