马铃薯大垄三行铺膜播种机关键部件设计与静力学分析

马铃薯大垄三行铺膜播种机关键部件设计与静力学分析

Summary：结合辽西地区对马铃薯栽培的农艺要求，研究设计一种马铃薯大垄三行播种机，在探讨关键零部件设计思路的基础上，基于Solidworks2015对关键零件进行建模和有限元分析，对工作过程中所受应力较大的零件进行强度校核，为优化机具作业质量提供数据支持。Key：播种机;马铃薯;设计;静力学分析;强度校核：S223.2+4;S532

：A

：1674-1161（2021）06-0030-04辽西属于典型的丘陵山区，每年降水量变化幅度不大但存在分配不均的情况，表现为夏季降雨量多、春季少雨、冬季以降雪为主，积雪覆盖地表的时间较长。这里的土地相对肥沃，有较大面积的黑土地种植马铃薯。结合辽西地区对马铃薯栽培的农艺要求，研究设计一种马铃薯大垄三行铺膜播种机，在探讨关键零部件设计思路的基础上，基于Solidworks2015对关键零件进行建模和有限元分析，对工作过程中所受应力较大的零件进行强度校核，为优化机具作业质量提供数据支持。1机架设计与静力学分析1.1机架设计机架是马铃薯大垄三行铺膜播种机最重要的承载部件，其作用是固定和连接各工作部件，如开沟器、种箱、肥箱、辅助部件等，且在机具工作过程中传递牵引力。所以，机架强度和质量对整机装配和播种质量具有重要影响。在满足工况的条件下，机架结构应尽可能简单，以减少机具质量和制造成本。设计机架时应综合考虑机架工作时所处的环境，使其与各部件的连接有一定的可靠性、紧实性、难变形性，且在一定范围内有可调性，以满足不同的作业要求。基于种薯的特殊性，在机架上设计人工补种座椅。从改进提高方面考虑，留出足够的空间用于设计改进。从外形美观考虑，在保障完成工作的前提下，缩小机具的总体尺寸。参考当前普遍使用的成型产品，机架采用由50mm×50mm×5mm方形管和50mm×30mm×5mm矩形管共同組成的框架结构，中间增设两纵梁。采用焊接连接方式，减小播种机作业和悬挂时的变形。机架三维模型如图1所示。1.2机架静力学分析在运输过程中，拖拉机上的液压机构通过三点挂接机构提升整机，故其牢固稳定性至关重要。三点挂接机构由50mm×30mm的方管通过焊接、螺栓等方式连接为直角三角形。在马铃薯播种机被提升时，三角形斜边承受的弯曲应力最大，为此，对三点挂接机构进行静力学分析，通过建模仿真找出易受损部位。将三角机构的下边作为固定面，对上方做出一定量压力，其静力学分析如图2所示。由图2可知，三角形斜边中部所受弯曲应力最大。若三角部位受损，其斜边中部将出现破坏点，应通过加厚斜边方管来延长机架使用年限。2开沟器设计与静力学分析2.1开沟器设计在保证种肥播深一致的前提下，开沟器的作业性能影响种质量。开沟器设计要求：1）具有较好的入土性能，不易发生缠杂草和堵塞现象;结构简单，便于调整。2）开沟深度可在特定区间调节，沟槽沟形整齐平直。3）开沟时不扰乱土层，且有一定的回土效果。工作时，将肥料和种子引导至湿土部分，使湿土覆盖种子和化肥。开沟器的种类繁多，按入土角度可分成两大类，即钝角开沟器和锐角开沟器。锐角开沟器所受阻力小，入土性能好;钝角开沟器入土性能较差，但开出的沟槽底面平坦整齐。为满足开沟器入土性能良好、开沟深度一致、沟形整齐平直、沟底平整、沟宽适度等要求，采用如图3所示的滚动式圆盘开沟铲。2.2开沟圆盘的静力学分析工作过程中，圆盘滚动式开沟器刀片在自重和机架的作用下切开土壤，并与播种机前进方向呈一定角度，形成种沟或肥沟。在此过程中，开沟器的刀片切割土壤，对刀片产生很大的反作用力。刀片的主要受力面在刀锋和对外侧面。若圆盘滚动式开沟器受损，其破坏点主要出现在这两个部位。通过对圆盘滚动式开沟器刀片建模并进行静力学分析，找出刀片的易受损部位。在静力学分析中，固定面选在刀片中间的轴孔，对刀片刀锋处施加一定压力，并施加与刀面呈30°的压力，其静力学分析如图4和5所示。刀片的刀锋与侧面所受应力最大，若出现破坏点，则可能出现刀片断裂或刀锋迟钝等现象。为保证开沟器的使用寿命和工作效率，应对刀片进行加厚并选择强度较大的材料。3排种器设计目前，马铃薯排种器有带勺式、链勺式、勺盘式、叉夹式、针刺式等。链勺式排种器结构简单紧凑，使用可靠，排种稳定性好，不伤薯种，易于维修，因此应用最为广泛。为保证勺碗在上升过程中稳定，将主动轴设置在导种管上方，取种一边为链条紧边，使勺碗始终保持水平状态。图6为排种器模型和示意图，图7为排种勺链工程图。在等距分布勺碗的排种勺链和链条传动驱动下，驱动轮做环形运动。排种勺链自下而上穿行，在勺碗的作用下把种薯带出、升起。上升过程中勺碗中多余的种子在机具振动、链条抖动等外力作用下掉入种箱。当种块翻越种箱上方的链轮顶端后，被抛向前方的勺碗内，种块随勺碗在排种导管中等距运行，最后离开导种管落入沟槽。排种器参数：1）作业速度与勺碗的速度相同或呈正比。若勺碗速度≤0.5m/s，可达最佳播种质量。勺碗速度随链轮线速度变化，若勺碗速度>0.5m/s，则播种质量显著下降，重播、漏播情况严重。因此，链轮线的最大作业速度应≤0.5m/s。2）链工作长度L。若链条过长，会引起两链轮间距离变大，从而使输种距离变大，漏种率增加;若链条太短，则清种时间短。链条总长度应根据中心距选取，确定为2180mm。3）转速直接影响排种的均匀度。若链轮转速过小，会引起脉动频率和排种均匀度下降;若链轮转速太高，会使漏种率和伤种率急剧上升。按照相关播种要求，转速应小于50r/min。4）勺碗形状影响充种效果，充种率要高、伤种率要低。勺碗由2mm厚的材料冲压而成。为保证薯块有效充种，勺碗宽度应不小于种长1/2，不大于1.5倍的种子厚度。因薯块大小为20mm×20mm×20mm，所以选用厚度17mm、直径50mm的半圆形勺碗，勺碗的边缘处外翻。每个升运链等距分布19个勺碗。4仿形机构设计常见的仿形机构有平行四杆仿形、单点单铰接仿形、多杆双自由度仿形。由于播种前需耕整土壤，故采用单点单铰接机构仿形。5起垄装置设计与静力学分析5.1起垄装置设计起垄高度和宽度是影响马铃薯播种质量的关键因素。完成施肥播种后，起垄叶片在自重和液压机构的作用下切入地表一定深度，刀轴旋转带动叶片相对机组做回转运动。刀片与机组前进方向按一定角度成螺旋排列，叶片回转运动将地表土壤向旋转内侧拨动、两侧土壤向中间集中，形成垄和沟。合理的起垄高度和宽度能减少对铺膜工作的影响，保证种薯透气性良好，出苗整齐。起垄装置模型如图7所示，可通过液压缸调节起垄宽度。5.2起垄叶片静力学分析工作过程中，起垄刀片与前进方向呈一定角度，在自重和机架的作用下切入土壤，通过自身回转将刀片附近的土壤向中间拨动，再由平土托板将土壤铺平，从而形成大垄。刀片侧面弯曲处所受应力最大。在静力学分析中，固定面为3个螺栓孔连接处，在刀片外侧呈30°夹角处施加压力，其静力学分析结果如图8和9所示。由图8和9可知，刀片侧面所受的应力为极值，螺栓孔附近是应力集中的地方，若出现破坏点，则可能出现刀片断裂等现象。为保证起垄刀片的使用寿命和工作效率，应增加其厚度和光滑性，并采用合理强度的材料。6铺膜机构设计马铃薯发芽适宜温度在5～8℃之间铺膜的作用是在大环境温度较低时为种薯提供适宜的生长环境。先播种后覆膜可使土壤的水分蒸发量减少，能够节水、保肥、保墒和抑制杂草泛滥。长时间高温可促使种薯发大芽，这是提高其质量和产量的有效措施。铺膜机构主要由挂膜辊、压膜辊、压膜轮和覆土铲等组成，适于宽度为120～140cm的薄膜，零部件更换简单。铺膜机构如图10所示。7结论辽西是辽宁省马铃薯主要种植区域，结合区域自然条件和农艺要求，推广应用马铃薯大垄三行播种模式及机具意义深远。排种器的参数选择是否合理和最优，是提高马铃薯产量的重要因素。利用Solidworks软件中的Simulation对机具受力最多的部件（机架、开沟器、起垄机构）进行强度校核，结果表明：应通过加厚斜边方管来延长机架使用年限;开沟器刀片的刀锋与侧面应加厚并选择强度较大的材料;为保证起垄刀片的使用寿命和工作效率，应增加其厚度和光滑性，并选用合理强度的材料。Reference[1]吕金庆，杨颖，李紫辉，等.舀勺式马铃薯播种机排种器的设计与试验[J].农业工程学报，2016，32（16）：17-25.[2]崔亚超，贾立国，陈伟，等.旱作马铃薯微垄覆膜侧播机的设计与试验[J].农机化研究，2016（2）：62-66.[3]程亨曼，窦钰程，杜木军，等.马铃薯微型原种播种机关键部件的设计与研究[J].农机使用与维修，2015（10）：26-29.[4]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[M].北京：中国农业科学技术出版社，2007.DesignandStaticsAnalysisoftheKeyComponentsofPotatoLargeRidgeThree-rowFilmPlanterCHENMengchao（LiaoningInstituteofAgriculturalMechanization，Shenyang110161，China）Abstract：CombinedwiththeagronomicrequirementsofpotatocultivationinwesternLiaoningprovince，alargeridgethree-rowpotatoplanterwasdesigned.Onthebasisofdiscussingthedesignideasofkeyparts，modelingandfiniteelementanalysisofkeypartswerecarriedoutbasedonSolidworks2015，andintensitycheckwascarriedoutf