旋轉式水稻苗床平地機設計與試驗

摘要：

針對標準化育秧大棚置床平地作業效率低，苗床平地精度差等問題，設計一種雙旋轉式葉片結構的水稻苗床平地機工作裝置。確定工作裝置結構參數和工作參數，分析關鍵部件運動參數和受力情況。通過Workbench軟件分析，結果表明：關鍵部件的最大應力處應力為104.59 MPa；最大的總體變形僅為1.903 8 mm；前6階固有頻率在66.22～113.94 Hz之間，滿足設計要求。田間試驗結果表明：苗床床面最大高程差從15.8 cm下降至4.7 cm，地面相對高程標準偏差值從3.95 cm下降至0.98 cm，且作業后絕對差小于1.5 cm的測量點占比為92%，改善床面平整情況，滿足當地棚室育秧需求。

關鍵詞：旋轉式；水稻苗床平地機；刮土器；有限元分析

中圖分類號：S222.5+1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 04-0012-06

收稿日期：2022年10月31日" 修回日期：2023年4月4日

基金項目：全國基層農技推廣項目（JCTG2021014）；黑龍江省省屬高等學校基本科研業務費科研項目（PTJH202002）

第一作者：陸博遠，男，1998年，黑龍江寧安人，碩士研究生；研究方向為機械機構創新。E-mail： 1143353503@qq.com

通訊作者：萬霖，女，1971年，山東即墨人，博士，博導，教授；研究方向為智能農技裝備設計與制造。E-mail： 381995603@qq.com

Design and test of rotary rice seedbed grader

Lu Boyuan1， Wan Lin1， Che Gang1， Tian Yuqi1， Liu Wei1， He shuguo2

（1. College of Engineering Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， 163319， China；

2. Jiamusi Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Machinery Engineering， Jiamusi， 154004， China）

Abstract：

In view of the problems of low efficiency and poor accuracy of seedbed leveling in standardized seedling greenhouses， a working device of rice seedbed grader with double rotating blade structure was studied， the structural parameters and working parameters of the working device were determined， and the motion parameters and force of key components were analyzed. The analysis of Workbench software showed that the maximum stress of key components was 104.59 MPa; the maximum overall deformation was only 1.9038mm; and the natural frequency of the first 6th order was between 66.22-113.94Hz， which meets the design requirements. The field test results showed that the maximum elevation difference of the seedbed bed decreased from 15.8cm to 4.7cm after operation， the standard deviation value of the relative elevation of the ground decreased from 3.95cm to 0.98cm， and the absolute difference after operation accounted for 92% of the measurement points with an absolute difference of less than 1.5cm， which improved the bed surface leveling and met the needs of local shed seedlings.

Keywords：

rotary type； rice seedbed grader； scraper; finite elements

0 引言

水稻是我國三大糧食作物之首［1］。近年來，隨著我國水稻種植面積的不斷提升，水稻育秧的需求量也呈現大幅度增長趨勢［2， 3］。尤其是我國北方地區，作為寒地水稻的主要產區，多數采用水稻育秧大棚的方法改善土壤積溫不足所導致得水稻幼苗在寒地生長緩慢的問題。在水稻育秧的置床階段，由于標準化育秧大棚尺寸等方面的限制，使大型機械無法在棚室作業，因此采用傳統置床的方法進行平地工作，如人工平地作業，但其平地效果差，質量低，長此以往大棚內土壤肥力不均，在后續的施肥環節會產生藥液殘留，從而導致死苗現象的發生［4-8］，直接或間接影響水稻的產量。

目前激光平地領域美國、葡萄牙等一些發達國家研制的平地控制設備，其平地精度高，作業半徑大［9］，但價格昂貴，維修費用高，難以推廣應用。國內胡煉等［10］改進的傳統的單輪支撐改用多輪支撐，設計一種懸掛式的多輪支撐旱地激光平地機，減少機械作業對土壤壓實的影響。在GNSS平地領域，美國Trimble、日本Topcon等公司生產的GPS平地設備占領較大的市場份額，技術處于較高水平［11， 12］。國內周俊等［13］設計了一款能夠同時兼具水田的旋耕和平地工作的GNSS水田旋耕平地機。

國內外學者對平地機控制領域展開了深入研究，但目前平地機工作部件多數采用固定式的刮土裝置，固定式的工作裝置并不能在棚室中應用作業，因此本文針對標準化育秧大棚置床平地作業效率低，苗床平地精度差等問題，研究設計一種水稻苗床平地機的工作裝置，其關鍵部件為雙旋轉葉片結構，利用ANSYS Workbench軟件對旋轉式平地機的關鍵部件進行有限元分析，分析在工作過程中其強度、剛度和模態特性，并生產樣機進行棚室試驗，改善床面平整情況，滿足當地棚室育秧需求。

1 旋轉式苗床平地機設計

1.1 整體結構與工作原理

旋轉式水稻苗床平地機工作裝置如圖1所示，主要由刮土器、懸掛機架、限深板、浮板和傳動部分組成。

通過動力機車的懸掛結構掛接苗床平地機工作裝置，利用機車自身液壓升降系統實現平地機的工作裝置浮動功能和高程運動調節。刮土器由一對雙葉片組成的平地鏟，動力由機架上方的齒輪箱傳遞，滿足行駛過程中的平地工作。為保證平地面積的完整性，每個葉片在旋轉運動時會有部分的重復作業區域，其作業總寬與前車的幅寬一致。采用雙旋轉式葉片結構，使作業面形成一個較大平面，隨機車前進對苗床表面松土起到攤平作用，葉片在旋轉過程中持續對苗床表層土壤進行“挖高填低”實現苗床土平地精細化處理。機架的兩側裝有可調節高度的限深板，在平地作業中調節限深板與刮土器葉片保持相對距離，增大機架與苗床的接觸面積，分散對刮土器苗床的垂直壓力，同時起到適度均勻壓實苗床土表層的作用。

1.2 傳動系統

傳動系統是由傳動軸和齒輪箱組成。通過連接前車動力輸出軸，經過T型齒輪箱動力傳導，分別傳遞到左右旋轉葉片的回轉軸輸出端，達到傳動要求。齒輪箱均采用錐齒輪的嚙合結構，錐齒輪傳動平穩，機械效率高，傳動力矩大。傳動系統如圖2所示。

1.3 關鍵部件設計

1.3.1 刮土器參數設計

刮土器是旋轉葉片和回轉軸組成，為較好保證機器在棚室的通過性，考慮雙旋轉葉片結構，旋轉葉片單片設計為長450 mm，寬100 mm的矩形結構。根據《農業機械設計手冊》對平地鏟切土角進行參數計算，用于鏟土和運土作業切土角范圍為30°～40°［14］，本文選取切土角為35°，可較好地實現對苗床土的鏟土、運土等功能，且減小切削阻力，減輕葉片表面黏土現象。

實現無漏刮前提下，減少重復作業的面積，因而左右刮土器的初始安裝夾角γ較為關鍵，多數采用安裝角度為90°［15］，初始安裝角度選取不適會導致兩旋轉葉片之間的存在運動干涉。實現兩旋轉葉片不干涉的極限初始安裝夾角γ計算如式（1）所示。

1.3.2 刮土器受力分析

圖4為旋轉葉片切削土壤的受力分析圖。刮土器作為苗床平地機的關鍵部件，在工作過程中，旋轉葉片可視為做切削土壤運動，葉片切削土壤時切削阻力的一部分來源于切削作用，另一部分時來源于土壤與葉片之間摩擦應力。以O點為原點，建立空間坐標系如圖4所示。

考慮實際育秧大棚中的環境條件下，沒有較大的土塊和石塊等堅硬物質，因此，不考慮旋轉葉片起邊、變鈍等情況。在垂直方向上受到的力如式（5）所示。

Fc=μN0sinα+CaA0sinα+kbsinα-N0cosα

（5）

1.3.3 刮土器運動參數分析

圖5為苗床平地機工作裝置的運動分析示意圖，左右兩側的刮土器回轉軸轉動方向相反，作業時刮土器的絕對運動是繞回轉軸中心圓周運動與機具前進運動相結合。如圖5所示，以A軸回轉中心為坐標原點，Y軸為A軸與B軸回轉中心的連線，X軸為機車的前進方向，建立坐標系，以逆時針轉動方向為正。

當A軸旋轉葉片上的任意點m1在圖5所示位置時，該初始點的位移方程如式（6）所示。

xm1=V0t+Rsinωt

ym1=-Rcosωt

（6）

B軸旋轉葉片上點m2的位移方程如式（7）所示。

xm2=V0t-Rsin（ωt-θ1）

ym2=-L+Rcos（ωt-θ1）

（7）

式中：

V0——機車的前進速度，m/s；

θ1——葉片之間的初始安裝夾角，（°）；

ω——葉片回轉角速度，rad/s；

t——時間，以Y軸負方向為起始點，s。

根據式（6）、式（7）位移方程可知，苗床平地機工作部件的運動軌跡為擺線，且擺線的形狀受機具前進速度影響，但是與臥式旋耕機不同，不會因為超過一定的旋耕速比而出現無法正常作業的現象。

旋轉刀片作業的軌跡通常為余擺線軌跡，多數采用旋刀速比來計算，旋刀速比計算如式（8）所示。

λ=δrv1

（8）

式中：

λ——旋刀速比；

δ——旋刀轉速，r/s；

r——旋刀旋轉半徑，m；

v1——機具的前進速度，m/s。

通過查閱資料和實地測試，確定刮土器轉速為150 r/min，機具前進速度為0.7 m/s。故旋刀速比為1.6。λ=1.6＞1，運動軌跡為余擺線，可較好的保證平地作業質量。

2 刮土器有限元分析

Workbench軟件分析功能強大，但是對于復雜模型的建立與處理較為困難［16］，為實現高效的模型分析，將刮土器的簡化模型在UG12.0軟件中繪制，并另存為Parasolid文件格式導入至Workbench軟件中，簡化后的刮土器模型如圖6所示。

1.旋轉葉片 2.加強桿 3.回轉軸

2.1 定義材料屬性及網格劃分

旋轉式水稻苗床平地機的刮土器主要由旋轉葉片和回轉軸，且加有兩根加強桿，保證旋轉葉片工作時的穩定性，回轉軸采用45號優質結構鋼，并調質處理；加強桿和旋轉葉片采用Q275結構鋼。各材料的屬性如表1所示。

ANSYS有限元分析中，前處理中的網格劃分對后續的分析結果起著重要的影響。采用Workbench中的四面體方法進行網格劃分，并設置單元長度為4 mm，保證網格分布均勻且過渡平滑，整體的網格劃分質量較好。網格劃分共計124 235節點、72 933單元。

2.2 約束和載荷分析

根據式（4）計算出切削土壤水平阻力Fs為98.6 N，根據式（5）計算出切削土壤垂直阻力Fc為43.7 N，且方向向上，減速器與機架自身重力約為1 163 N，故垂直方向的力向下約為1 119.3 N。在作業過程中旋轉葉片繞回轉軸做圓周運動，當旋轉葉片與機車前進方向呈90°時，旋轉葉片受到最大扭矩Tmax計算如式（9）所示。

Tmax=ξnFmaxR

（9）

式中：

ξn——旋轉單元的刀具布置系數；

Fmax——旋轉葉片所受到土壤阻力。

刮土器的旋轉單元的刀具布置系數為2，結合式（9）計算可得在作業時旋轉葉片受到最大扭矩Tmax為88.74 N·m。

2.3 刮土器靜態分析

在Workbench分析計算中，通常選用mises屈服條件作為結構破壞的臨界條件，參考第四強度理論并采用von mises等效應力進行判斷［17］，Workbench對刮土器分析求解的應力云圖和應變云圖如圖7所示。

由圖7可知，刮土器在作業過程中，應力變化主要發生在靠近回轉軸的旋轉葉片上，因此查閱機械設計手冊［18］可知，Q275材料安全系數取n=2.0，對應的許用應力則為138 MPa。而圖7（a）中最大應力為104.59 MPa，遠小于許用應力值。根據圖7（b）可知，最大的總體變形僅為1.903 8 mm，且位置處于旋轉葉片的最遠端，對作業影響可忽略不計。故刮土器滿足旋轉式苗床平地機工作裝置的設計要求。

2.4 刮土器模態分析

旋轉式水稻苗床平地機在平地作業過程中主要受到3個部分的激勵載荷。

1）" 棚室中的苗床不平而產生的隨機振動。苗床平地機以錦禾2ZG-8KZ型高速插秧機為動力機車，且將水田輪更換至適合旱地的農用輪，在棚室中的行車速度較低，激勵頻率一般為1～5 Hz范圍內。

2）" 發動機工作而產生的簡諧振動，隨著車體本身和懸掛機構等進行傳遞，其激勵頻率范圍較大，并因發動機轉速變化而不斷變化。

發動機的運轉頻率

p=2nz60c

（10）

式中：

n——發動機的轉速，r/min；

z——發動機的缸數；

c——發動機的沖程數。

錦禾2ZG-8KZ型高速插秧機采用三缸四沖程柴油發動機，額定轉速為2 600 r/min，因此發動機的激勵頻率不高于65 Hz。

3）" 刮土器在平地作業中，旋轉葉片的圓周運動產生的簡諧運動。查閱設計手冊可知，實際激勵頻率與實際工作轉速的關系式如式（11）所示。

N=60F

（11）

式中：

N——實際工作轉速，r/min；

F——實際激勵頻率，Hz。

刮土器作業時轉速為150 r/min，代入式（11）可得實際激勵頻率為2.5 Hz。

Workbench對模態分析求解后的前6階模態頻率如表2所示。

分析上述數據可知：刮土器的前6階固有頻率在66.22～113.94 Hz之間，均避開上述三種情況下的激勵頻率，因而能有效避免共振問題的產生。故刮土器結構和參數滿足設計要求。

3 田間試驗與結果分析

3.1 試驗條件

2021年10月進行試驗，試驗地點在佳木斯建三江管局前進農場的育秧試驗基地。選用1號超級育秧溫室大棚作為試驗田，為提高育秧大棚的綜合利用率，一般在起盤后，繼續種植作物，該試驗田長×寬為60 m×12 m，前茬為玉米，含水率為13.94%，苗床土壤堅實度為1 231.7 kPa，機車前進速度為0.7 m/s（2.5 km/h），刮土器轉速為150 r/min，如圖8所示，選用以錦禾2ZG-8KZ型高速插秧機為苗床平地機動力，進行棚室試驗。

3.2 試驗方法

參考《激光平地機作業質量（DB21/T 2785—2017）》作業標準要求，土壤比阻大于8×104 Pa的，需先進行旋耕作業。且為減少對人因素對苗床高程測定的影響，將棚室田塊按3 m×3 m網格劃分，共75個網格點。采用精確度較高的水準儀（LM350，精度：≤±1.0 mm/km）對作業前后進行網格化采樣測量。在棚室入口處選擇穩固的基準點，確定出基準面高度，校準調平系統高度，將基準面高度輸入平地機的調平系統中，適當調整限深板高度，架設三腳架（三腳架作業前后均不可被移動）手持塔尺立于網格點苗床進行定點測量，平地后采用同樣方法重復測量。

機車作業路線方法采用對角平整法，平地方向與秧棚方向呈一定角度，沿對角線方向依次作業，平整至對角后順時針或逆時針返回，重復3～4次作業，最后沿秧棚四周作業一周，防止漏整四周床面。

3.3 試驗結果與分析

采用Matlab軟件處理試驗數據，如圖9所示。圖9（a）為平地前的平整度分布情況，高程分布于121.7～137.5 cm之間變化；圖9（b）為平地后的平整度分布情況，高程分布在127.4～132.1 cm之間，相對于平整前，大部分的苗床高程得到改善，實現苗床平地機的作業效果。

采用棚室苗床床面的相對高程標準偏差分析作業質量，評價苗床的平整精度。

Sd=∑Mi=1（hi-h）2/e-1

（10）

式中：

Sd——平整度，cm；

hi——

田間的第i個采樣點的相對高程，cm；

h——該田間相對期望高程，cm；

M——采樣點個數；

e——田塊內所有采樣點的數量。

采用試驗棚室中苗床所有的采樣測量點高程與期望相對高程絕對差小于1.5 cm的測量點記為合格，合格點與總測量點的比值作為評價田間地面形狀差異，統計的結果如表3所示。

數據表明，旋轉式水稻苗床平地機在育秧大棚中能夠穩定完成平地作業，苗床床面最大高程差從15.8 cm下降至作業后的4.7 cm，地面相對高程標準偏差值Sd從3.95 cm下降至0.98 cm，且作業后絕對差小于1.5 cm的測量點占比為92%，明顯提高苗床平地精度，改善床面平整情況，滿足當地棚室育秧需求。

4 結論

1）" 分析工作裝置的運動參數和受力情況。利用Workbench軟件對平地機工作部件進行靜態強度分析和模態分析。分析結果表明：工作部件的最大應力處應力為104.59 MPa；最大的總體變形僅為1.903 8 mm；前6階固有頻率在66.22～113.94 Hz之間，其參數和結構滿足設計使用要求。

2） 試驗數據表明：苗床床面最大高程差從15.8 cm下降至作業后的4.7 cm，地面相對高程標準偏差值Sd從3.95 cm下降至0.98 cm，且作業后絕對差小于1.5cm的測量點占比為92%，改善床面平整情況，滿足當地棚室育秧需求。

3）" 棚室內的結構為圓弧形，中間高，四周低，四周作業時，對駕駛員身高有所限制，后續可添加智能無人駕駛系統，以解決此類問題。

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