青稞免耕播種機(jī)排肥器的設(shè)計(jì)

羅軍華 蘇玉軍 寇曉峰

摘要：青稞免耕播種技術(shù)是西北旱地作業(yè)保護(hù)耕作的新型技術(shù)，也是研究和實(shí)現(xiàn)保護(hù)目的難度最大的新型技術(shù)，主要原因是作業(yè)環(huán)境是硬茬地播種，特殊的作業(yè)環(huán)境對設(shè)備的要求比較特殊，青稞播種機(jī)工作時(shí)通過硬茬時(shí)工作的土壤性質(zhì)不容樂觀，在播種時(shí)通過減少耕地次數(shù)，對地表進(jìn)行微地形改造達(dá)到傳統(tǒng)作業(yè)的目的，從而達(dá)到減少對土地的破壞，保護(hù)我國的土地，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境多出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：播種機(jī);排肥器;青稞

中圖分類號：S776.24+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0238-03

0? 引言

本文章利用SOLIDWORKS對青稞免耕播種機(jī)的動力源、傳動總成系統(tǒng)、播種系統(tǒng)、排肥系統(tǒng)、開溝系統(tǒng)、覆土系統(tǒng)等進(jìn)行三維建模，使用ANSYS Workbench的結(jié)構(gòu)（structural）和流體（fluent）子模塊對其播種機(jī)分析，其中動力源為內(nèi)燃機(jī)，本文主要闡述排肥器相關(guān)內(nèi)容。

1? 排肥器黑箱法

青稞免耕播種機(jī)排肥器的設(shè)計(jì)首先利用黑箱法對排肥器的功能進(jìn)行確定，黑箱如圖1所示。

通過黑箱法確定了排肥器工作的功能、輸入、輸出、信息、能量、從環(huán)境吸收的、對環(huán)境造成的影響等。

2? 排肥器各零件的設(shè)計(jì)

對排肥器的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，排肥器主要包括肥箱支架、排肥器軸、肥箱蓋固定支架、肥箱蓋、排肥軸固定端蓋、排肥器鏈傳動支撐板、排肥量顯示板等零件，排肥器這些零件在設(shè)計(jì)和繪圖過程中的主要參數(shù)如下：

排肥器軸是排肥過程的重要零部件，設(shè)計(jì)的好壞直接影響排肥的效果，還要通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)傳動，軸的設(shè)計(jì)必須滿足扭矩力學(xué)要求，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)排肥器軸長2200mm、周徑Φ14mm，毛坯制造形式選擇鍛造獲得;肥箱蓋固定支架主要作用是固定肥箱蓋，技術(shù)要求可以放低，實(shí)現(xiàn)螺栓的良好配合，保證肥箱蓋兩邊鏈接的同軸度，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為提高固定板的平面度，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)它的長55mm、寬30mm、高100mm，肥箱蓋固定支架的鋼板毛坯選擇通過熱軋獲得;排肥器鏈傳動支撐板用于支撐排肥傳動軸，設(shè)計(jì)時(shí)與軸的配合部分配合精度要求高，為實(shí)現(xiàn)良好的配合，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)排肥器鏈傳動支撐板的長455mm、寬104mm、高12mm，肥箱蓋固定支架的鋼板毛坯選擇通過熱軋獲得;肥箱支架用于支撐肥箱，剛度要好，具有牢固支撐肥箱的可靠度，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)肥箱支架的長480mm、寬320mm，肥箱蓋固定支架的毛坯的通過鑄造獲得。

肥箱分為肥箱箱體、肥箱蓋和肥箱端蓋，肥箱是通過分塊制造，然后合并到一起，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)肥箱端蓋的長282mm、寬200mm、高15mm;在設(shè)計(jì)肥箱箱體的長2020mm、寬282mm、高185mm;在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)肥箱蓋的長2100mm、寬347mm、高20mm，針對肥箱提出如下技術(shù)要求，排肥器肥箱端蓋，表面不得有變形、縮痕、毛刺現(xiàn)象，更不能出現(xiàn)飛邊現(xiàn)象，排肥器肥箱蓋，未注圓角半徑R2，噴漆紅色面漆;排肥量顯示板是用于使用者觀測排肥量的部件，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)排肥量顯示板的長130mm、寬80mm、高60mm，此外還有部分尺寸位于CAD二維圖紙，公差允許偏差±0.5mm。

最終設(shè)計(jì)得到的裝配體如圖2中所示。

綜上所述，2BDQM青稞免耕播種機(jī)的排肥器各工件的毛坯制造形式主要如下：肥箱支架-鑄造;排肥器軸/方鋼-鍛造;肥箱蓋固定支架/鋼板-熱軋;肥箱蓋/鋼板-熱軋;排肥軸固定端蓋/尼龍-復(fù)雜工藝過程的聚合物;排肥器鏈傳動支撐板/鋼板-熱軋;排肥量顯示板/鋼板-熱軋。

3? 鏈傳動設(shè)計(jì)

為了能夠保證排肥器的負(fù)載性能和安全性能，有必要對設(shè)計(jì)的排肥器進(jìn)行鏈傳動設(shè)計(jì)。（圖3）

3.1 鏈輪齒數(shù)Z1、Z2和傳動比

查閱手冊和相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對小鏈輪齒數(shù)的多少對鏈傳動影響較大，如圖3選擇合理對鏈傳動的平穩(wěn)性和工作壽命的長短影響很大。在相同的鏈節(jié)距下，齒數(shù)比較少可縮小外輪廓的尺寸大小，但往往在設(shè)計(jì)中齒數(shù)不能過少，過少齒數(shù)的設(shè)計(jì)會帶來許多問題，例如：①增加鏈在工作過程中的不均勾性和動載荷隨之增加，傳動穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)抖動現(xiàn)象;②鏈條傳動過程中進(jìn)入鏈輪時(shí)和退出鏈輪時(shí)鏈節(jié)之間的相對轉(zhuǎn)角也隨之增加，傳動穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，更為嚴(yán)重的是加速鏈條與鏈輪之間的相互磨損;總之，①②兩個(gè)原因的存在會降級鏈和鏈輪的使用壽命。

此外，在鏈節(jié)距相同的情況下，齒數(shù)少的一個(gè)鏈輪直徑小于直徑大的鏈輪，在傳遞相同大小力的同時(shí)，鏈輪齒數(shù)過少會使工作時(shí)的拉力隨之增加，同樣也會造成加速鏈和鏈輪的損壞和提前結(jié)束生命周期，根據(jù)作用力和反作用力原理肯定會增加軸承和排肥器鏈傳動支撐板的載荷。查閱資料鏈節(jié)距的增長量⊿P和嚙合圓外移量⊿d'之間相互存在如式（1）關(guān)系（鏈節(jié)距增長量和節(jié)圓外移量關(guān)系見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊鏈部分）。

根據(jù)分析和查閱資料得，小鏈輪設(shè)計(jì)過程中齒數(shù)不能選擇太少，大鏈輪設(shè)計(jì)過程中齒數(shù)不能選擇太多，設(shè)計(jì)最大值Zmax=120，最小值Zmin=17，速度特別低數(shù)據(jù)會不能滿足要求時(shí)最大最小值可以設(shè)計(jì)成：Zmin=9， Zmax=150。鏈輪齒數(shù)表如表1。

設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)成鏈論和鏈條磨損必須均勻，齒數(shù)不是任何數(shù)字，一般設(shè)計(jì)成偶數(shù)，鏈輪齒數(shù)滿足互質(zhì)原則應(yīng)設(shè)計(jì)成奇數(shù)，本鏈輪傳動設(shè)計(jì)中選取Z1=17。

為縮小系統(tǒng)的尺寸，小輪應(yīng)縮小包角，同時(shí)考慮到每個(gè)齒的強(qiáng)度問題和進(jìn)入嚙合的不宜過少，傳動比i小于7，推薦i=2～3.5。當(dāng)傳動速度較低、載荷足夠平穩(wěn)，與尺寸之間無矛盾時(shí)i可達(dá)到10，本鏈輪傳動設(shè)計(jì)中選取3。

Z2=Z1*i=17*3=51? ? ? （2）

3.2 鏈節(jié)距和排數(shù)

鏈節(jié)距的設(shè)計(jì)大小主要體現(xiàn)在鏈節(jié)和鏈輪輪廓尺寸上面。條件不變，每一節(jié)鏈的節(jié)距越大，制造出的承載能力也越大，本鏈輪傳動設(shè)計(jì)中選取單排鏈，鏈條所傳遞的功率P0。

P0≥? ? ?kW? ? ? （3）

PC=PKA? ? ? ? kW? ? ? （4）

考慮到工作時(shí)平穩(wěn)，KA選取KA=1.0，據(jù)據(jù)式（3）和式（4）求出所需傳遞的功率，再查圖得出合適的鏈節(jié)距和排數(shù)，同時(shí)也可以定出鏈傳動的潤滑方式。

3.3 鏈節(jié)數(shù)LP和鏈輪中心距a

在尺寸不受機(jī)器的機(jī)架和結(jié)構(gòu)等條件限制外，一般可將中心距初定一個(gè)范圍，中心距初定的范圍通過機(jī)械手冊查得ao=（30～50）p，初定的范圍最大可以選取Amax=80p，當(dāng)有張緊輪等等張緊設(shè)備時(shí)，a0初定值得范圍可以取大于80p。

最小中心距amin可先按i初步選定，

當(dāng)i≤3時(shí)，amin=+（30-50）mm? ? （5）

當(dāng)i>3時(shí)，amin=*mm? （6）

式（5）和式（6）中da1、da2分別為兩輪的齒頂圓直徑。

鏈條的長度通過鏈節(jié)數(shù)Lp表示，計(jì)算公式為Lp=，L為鏈條的總長，鏈節(jié)Lp：

計(jì)算出結(jié)果后 Lp必須進(jìn)行圓整，圓整相近的整數(shù)，而且最好為偶數(shù)，良好的避免組裝時(shí)出現(xiàn)使用過渡鏈節(jié)，最后中心距：

mm（8）

求得中心距A0=350mm。

3.4 低速鏈傳動的靜強(qiáng)度計(jì)算

對于鏈傳動的速度而言，鏈速V<3m/s的鏈傳動屬于低速鏈傳動，失效主要是由于過載情況造成的拉斷導(dǎo)致，因此必須進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算分析，靜強(qiáng)度安全系數(shù)S應(yīng)滿足如下要求：

≥7? （9）

3.5 求作用在軸上的力

鏈速V==1m/s? ? ?（10）

V=1這同時(shí)也說明了在選Z1時(shí)，鏈速估計(jì)正確

工作拉力F=1000×=5500N? ?（11）

考慮工作平穩(wěn)，取壓軸力系數(shù)KQ=1.2。

表2如下。

綜上所述，單排鏈，124節(jié)，長1.1米，小鏈輪齒數(shù)Z1=17，大鏈輪齒數(shù)Z2=51，中心距為350mm。

4? 排肥器犁頭應(yīng)力學(xué)性能分析

針對青稞免耕播種機(jī)排肥器的設(shè)計(jì)，由于作業(yè)環(huán)境比較惡劣，例如土地的平坦成度，土壤的成分不定，酸堿Ph，操作不當(dāng)?shù)鹊挠绊懀瑫η囡飧シN機(jī)造成一定程度的損害，但又是無法避免的，因此對青稞播種機(jī)的排肥器犁頭進(jìn)行如下的受力分析：

4.1 靜應(yīng)力分析

排肥器犁頭是末端執(zhí)行器，因此它的可靠程度對實(shí)現(xiàn)開溝功能的影響比較大，長遠(yuǎn)考慮將直接影響青稞的產(chǎn)量，因此對排肥器犁頭進(jìn)行受力分析是很有必要的，主要分析如下：排肥器犁頭與上一級鏈接部分是通過三個(gè)面進(jìn)行連接的，利用Simulation進(jìn)行靜力學(xué)分析，固定、施加載荷進(jìn)行分析，夾緊部分和載荷分布情況如圖4中A所示。

由于計(jì)算量比較龐大，借助分析軟件的運(yùn)算此案例功能進(jìn)行，運(yùn)行計(jì)算結(jié)束后的計(jì)算結(jié)果如圖4中的B所示。

當(dāng)給工作部分施加50000N的力時(shí)，精力學(xué)分析圖如圖4，變形比例為111.272;此時(shí)的屈服力為2.482e+08N/m2;由圖可以看出，整個(gè)零件為藍(lán)色狀態(tài)（經(jīng)查閱資料得出分析右側(cè)彩色條中，紅色部分為極限載荷區(qū)，藍(lán)色部分為安全區(qū)域），處于受力屈服的一半偏上，因此排肥器犁頭輸于較安全狀態(tài)，檢查犁頭的變形情況，整個(gè)模型的最大位移為0.000106561m=0.106561mm，變形量比較小，載荷作用于犁頭后加緊面受力最大和最小位置如圖4所示：最大3.560e+08m2、最小5.707e+05m2。

4.2 熱應(yīng)力分析

同理排肥器犁頭熱應(yīng)力分析運(yùn)行計(jì)算結(jié)束后的計(jì)算結(jié)果如圖4中的C所示。

當(dāng)給工作面施加15度的溫度時(shí)，熱應(yīng)力分析圖如圖4，變形比例為0，時(shí)間步長為1;此時(shí)無任何屈服力;由圖可以看出，整個(gè)零件始終處于安全狀態(tài)，調(diào)查和查閱資料顯示工作面的溫度變化小于15度，綜上所述此零件不會出現(xiàn)因熱應(yīng)力造成破壞。

4.3 非線性應(yīng)力分析

同理排肥器犁頭非線性應(yīng)力分析運(yùn)行計(jì)算結(jié)束后的計(jì)算結(jié)果如圖4中的D所示。

當(dāng)給工作部分施加50000N的力時(shí)，非線性力分析圖如圖4，變形比例為1;此時(shí)的屈服力為2.482e+08N/m2;由圖可以看出，整個(gè)零件為藍(lán)色狀態(tài)（經(jīng)查閱資料得出分析右側(cè)彩色條中，紅色部分為極限載荷區(qū)，藍(lán)色部分為安全區(qū)域），處于受力屈服的一半偏上，因此排肥器犁頭輸于較安全狀態(tài)，綜上所述開溝器犁鏵在非線性力狀態(tài)下不會出現(xiàn)因非線性力造成破壞。

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