馬鈴薯大壟三行鋪膜播種機關鍵部件設計與靜力學分析

摘要：結合遼西地區對馬鈴薯栽培的農藝要求，研究設計一種馬鈴薯大壟三行播種機，在探討關鍵零部件設計思路的基礎上，基于Solidworks 2015對關鍵零件進行建模和有限元分析，對工作過程中所受應力較大的零件進行強度校核，為優化機具作業質量提供數據支持。

關鍵詞：播種機;馬鈴薯;設計;靜力學分析;強度校核

中圖分類號：S223.2+4; S532? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2021）06-0030-04

遼西屬于典型的丘陵山區，每年降水量變化幅度不大但存在分配不均的情況，表現為夏季降雨量多、春季少雨、冬季以降雪為主，積雪覆蓋地表的時間較長。這里的土地相對肥沃，有較大面積的黑土地種植馬鈴薯。結合遼西地區對馬鈴薯栽培的農藝要求，研究設計一種馬鈴薯大壟三行鋪膜播種機，在探討關鍵零部件設計思路的基礎上，基于Solidworks 2015對關鍵零件進行建模和有限元分析，對工作過程中所受應力較大的零件進行強度校核，為優化機具作業質量提供數據支持。

1 機架設計與靜力學分析

1.1 機架設計

機架是馬鈴薯大壟三行鋪膜播種機最重要的承載部件，其作用是固定和連接各工作部件，如開溝器、種箱、肥箱、輔助部件等，且在機具工作過程中傳遞牽引力。所以，機架強度和質量對整機裝配和播種質量具有重要影響。在滿足工況的條件下，機架結構應盡可能簡單，以減少機具質量和制造成本。

設計機架時應綜合考慮機架工作時所處的環境，使其與各部件的連接有一定的可靠性、緊實性、難變形性，且在一定范圍內有可調性，以滿足不同的作業要求。基于種薯的特殊性，在機架上設計人工補種座椅。從改進提高方面考慮，留出足夠的空間用于設計改進。從外形美觀考慮，在保障完成工作的前提下，縮小機具的總體尺寸。

參考當前普遍使用的成型產品，機架采用由50 mm×50 mm×5 mm方形管和50 mm×30 mm×5 mm矩形管共同組成的框架結構，中間增設兩縱梁。采用焊接連接方式，減小播種機作業和懸掛時的變形。機架三維模型如圖1所示。

1.2 機架靜力學分析

在運輸過程中，拖拉機上的液壓機構通過三點掛接機構提升整機，故其牢固穩定性至關重要。三點掛接機構由50 mm×30 mm的方管通過焊接、螺栓等方式連接為直角三角形。在馬鈴薯播種機被提升時，三角形斜邊承受的彎曲應力最大，為此，對三點掛接機構進行靜力學分析，通過建模仿真找出易受損部位。將三角機構的下邊作為固定面，對上方做出一定量壓力，其靜力學分析如圖2所示。

由圖2可知，三角形斜邊中部所受彎曲應力最大。若三角部位受損，其斜邊中部將出現破壞點，應通過加厚斜邊方管來延長機架使用年限。

2 開溝器設計與靜力學分析

2.1 開溝器設計

在保證種肥播深一致的前提下，開溝器的作業性能影響種質量。開溝器設計要求：1） 具有較好的入土性能，不易發生纏雜草和堵塞現象;結構簡單，便于調整。2） 開溝深度可在特定區間調節，溝槽溝形整齊平直。3） 開溝時不擾亂土層，且有一定的回土效果。工作時，將肥料和種子引導至濕土部分，使濕土覆蓋種子和化肥。

開溝器的種類繁多，按入土角度可分成兩大類，即鈍角開溝器和銳角開溝器。銳角開溝器所受阻力小，入土性能好;鈍角開溝器入土性能較差，但開出的溝槽底面平坦整齊。為滿足開溝器入土性能良好、開溝深度一致、溝形整齊平直、溝底平整、溝寬適度等要求，采用如圖3所示的滾動式圓盤開溝鏟。

2.2 開溝圓盤的靜力學分析

工作過程中，圓盤滾動式開溝器刀片在自重和機架的作用下切開土壤，并與播種機前進方向呈一定角度，形成種溝或肥溝。在此過程中，開溝器的刀片切割土壤，對刀片產生很大的反作用力。刀片的主要受力面在刀鋒和對外側面。若圓盤滾動式開溝器受損，其破壞點主要出現在這兩個部位。通過對圓盤滾動式開溝器刀片建模并進行靜力學分析，找出刀片的易受損部位。

在靜力學分析中，固定面選在刀片中間的軸孔，對刀片刀鋒處施加一定壓力，并施加與刀面呈30 °的壓力，其靜力學分析如圖4和5所示。刀片的刀鋒與側面所受應力最大，若出現破壞點，則可能出現刀片斷裂或刀鋒遲鈍等現象。為保證開溝器的使用壽命和工作效率，應對刀片進行加厚并選擇強度較大的材料。

3 排種器設計

目前，馬鈴薯排種器有帶勺式、鏈勺式、勺盤式、叉夾式、針刺式等。鏈勺式排種器結構簡單緊湊，使用可靠，排種穩定性好，不傷薯種，易于維修，因此應用最為廣泛。為保證勺碗在上升過程中穩定，將主動軸設置在導種管上方，取種一邊為鏈條緊邊，使勺碗始終保持水平狀態。圖6為排種器模型和示意圖，圖7為排種勺鏈工程圖。

在等距分布勺碗的排種勺鏈和鏈條傳動驅動下，驅動輪做環形運動。排種勺鏈自下而上穿行，在勺碗的作用下把種薯帶出、升起。上升過程中勺碗中多余的種子在機具振動、鏈條抖動等外力作用下掉入種箱。當種塊翻越種箱上方的鏈輪頂端后，被拋向前方的勺碗內，種塊隨勺碗在排種導管中等距運行，最后離開導種管落入溝槽。

排種器參數：1） 作業速度與勺碗的速度相同或呈正比。若勺碗速度≤0.5 m/s，可達最佳播種質量。勺碗速度隨鏈輪線速度變化，若勺碗速度>0.5 m/s，則播種質量顯著下降，重播、漏播情況嚴重。因此，鏈輪線的最大作業速度應≤0.5 m/s。2） 鏈工作長度L。若鏈條過長，會引起兩鏈輪間距離變大，從而使輸種距離變大，漏種率增加;若鏈條太短，則清種時間短。鏈條總長度應根據中心距選取，確定為2 180 mm。3） 轉速直接影響排種的均勻度。若鏈輪轉速過小，會引起脈動頻率和排種均勻度下降;若鏈輪轉速太高，會使漏種率和傷種率急劇上升。按照相關播種要求，轉速應小于50 r/min。4） 勺碗形狀影響充種效果，充種率要高、傷種率要低。勺碗由2 mm厚的材料沖壓而成。為保證薯塊有效充種，勺碗寬度應不小于種長1/2，不大于1.5倍的種子厚度。因薯塊大小為20 mm×20 mm×20 mm，所以選用厚度17 mm、直徑50 mm的半圓形勺碗，勺碗的邊緣處外翻。每個升運鏈等距分布19個勺碗。

4 仿形機構設計

常見的仿形機構有平行四桿仿形、單點單鉸接仿形、多桿雙自由度仿形。由于播種前需耕整土壤，故采用單點單鉸接機構仿形。

5 起壟裝置設計與靜力學分析

5.1 起壟裝置設計

起壟高度和寬度是影響馬鈴薯播種質量的關鍵因素。完成施肥播種后，起壟葉片在自重和液壓機構的作用下切入地表一定深度，刀軸旋轉帶動葉片相對機組做回轉運動。刀片與機組前進方向按一定角度成螺旋排列，葉片回轉運動將地表土壤向旋轉內側撥動、兩側土壤向中間集中，形成壟和溝。合理的起壟高度和寬度能減少對鋪膜工作的影響，保證種薯透氣性良好，出苗整齊。起壟裝置模型如圖7所示，可通過液壓缸調節起壟寬度。

5.2 起壟葉片靜力學分析

工作過程中，起壟刀片與前進方向呈一定角度，在自重和機架的作用下切入土壤，通過自身回轉將刀片附近的土壤向中間撥動，再由平土托板將土壤鋪平，從而形成大壟。刀片側面彎曲處所受應力最大。在靜力學分析中，固定面為3個螺栓孔連接處，在刀片外側呈30 °夾角處施加壓力，其靜力學分析結果如圖8和9所示。

由圖8和9可知，刀片側面所受的應力為極值，螺栓孔附近是應力集中的地方，若出現破壞點，則可能出現刀片斷裂等現象。為保證起壟刀片的使用壽命和工作效率，應增加其厚度和光滑性，并采用合理強度的材料。

6 鋪膜機構設計

馬鈴薯發芽適宜溫度在5～8 ℃之間鋪膜的作用是在大環境溫度較低時為種薯提供適宜的生長環境。先播種后覆膜可使土壤的水分蒸發量減少，能夠節水、保肥、保墑和抑制雜草泛濫。長時間高溫可促使種薯發大芽，這是提高其質量和產量的有效措施。鋪膜機構主要由掛膜輥、壓膜輥、壓膜輪和覆土鏟等組成，適于寬度為120～140 cm的薄膜，零部件更換簡單。鋪膜機構如圖10所示。

7 結論

遼西是遼寧省馬鈴薯主要種植區域，結合區域自然條件和農藝要求，推廣應用馬鈴薯大壟三行播種模式及機具意義深遠。排種器的參數選擇是否合理和最優，是提高馬鈴薯產量的重要因素。利用Solidworks軟件中的Simulation對機具受力最多的部件（機架、開溝器、起壟機構）進行強度校核，結果表明：應通過加厚斜邊方管來延長機架使用年限;開溝器刀片的刀鋒與側面應加厚并選擇強度較大的材料;為保證起壟刀片的使用壽命和工作效率，應增加其厚度和光滑性，并選用合理強度的材料。

參考文獻

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Design and Statics Analysis of the Key Components of Potato Large Ridge

Three-row Film Planter

CHEN Mengchao

（Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China）

Abstract： Combined with the agronomic requirements of potato cultivation in western Liaoning province， a large ridge three-row potato planter was designed. On the basis of discussing the design ideas of key parts， modeling and finite element analysis of key parts were carried out based on Solidworks2015， and intensity check was carried out for parts with greater stress in the working process，in order to provide data support for optimizing the operation quality of machines and tools.

Key words： planter; potato; design; statics analysis; intensity check

收稿日期：2020-11-16

作者簡介：陳孟超（1986—），女，碩士，工程師，從事農業機械方面的設計與研究工作。