覃海英，馬桂香，馬俊生， 王　迪，陶建梅

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004 )

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紅樹林種子泥模定位制作播種機(jī)的有限元分析

覃海英，馬桂香，馬俊生， 王迪，陶建梅

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004 )

摘要：基于環(huán)境保護(hù)的原則，針對中國紅樹林已遭受嚴(yán)重圍墾砍伐破壞的現(xiàn)狀，在紅樹林生長規(guī)律的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種播種質(zhì)量高、能耗低、可以廣泛應(yīng)用于紅樹林機(jī)械化種植的紅樹林種子泥模定位制作播種機(jī)。同時，分析了該機(jī)的工作原理，對其關(guān)鍵零部件建立有限元模型，并進(jìn)行了基于Inventor的有限元分析。結(jié)果表明：播種機(jī)關(guān)鍵零部件的剛度和強(qiáng)度滿足工作要求。

關(guān)鍵詞：紅樹林；播種機(jī)；Inventor；有限元分析

0引言

紅樹林的工業(yè)、藥用等經(jīng)濟(jì)價值高，且對生態(tài)效益起著諸多重要的作用，如存淤造灘、保岸固堤、抵御海風(fēng)、消減海浪，以及凈化空氣和海水等。紅樹林錯綜復(fù)雜的根系可以有效地滯存陸地的來沙，從而減少近岸海域的含沙量，其茂盛粗壯的枝體可以抵御風(fēng)浪襲擊。目前，中國的紅樹林已遭受嚴(yán)重的圍墾砍伐破壞，而且還在繼續(xù)遭受破壞。由于紅樹林目前都是自然野生、繁衍速度極慢、自然生長種子存活率極低，因此研制一種設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、實用牢固可靠的紅樹林種子播種機(jī)十分必要。為使該機(jī)結(jié)構(gòu)合理、輕巧牢固，可承受較大的負(fù)載，需引進(jìn)更加合理先進(jìn)的設(shè)計方法，使研究設(shè)計出的紅樹林播種機(jī)更加合理和科學(xué)，為以后播種機(jī)的研發(fā)、制造和生產(chǎn)提供更為有效的設(shè)計參考。有限元分析就是針對上述目的而提出的有效先進(jìn)的設(shè)計方法。為此，利用有限元分析理論，結(jié)合三維軟件Inventor自帶有限元分析模塊對紅樹林種子泥模定位制作播種機(jī)的重要零件進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析，驗證其是否滿足使用要求。此方法可降低研發(fā)成本、明確負(fù)載范圍、提高加工精度和壽命及降低制造成本，具有重要的指導(dǎo)意義。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

紅樹林種子泥模定位制作播種機(jī)作業(yè)時，整車車體實質(zhì)是一個簡單的行駛系。由于紅樹林的生長環(huán)境特殊，生長在海灘，所以車輪采用扇葉式，提高其行走能力，由駕駛控制室來控制機(jī)器的啟停。電動機(jī)作為攪拌機(jī)動力源，目的是將白泥攪拌均勻；自動剪切機(jī)構(gòu)通過1對直齒輪嚙合和1對錐齒輪嚙合，帶動偏心輪的圓周運(yùn)動；偏心輪、連桿和擺桿剪切刀構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)擺桿剪切刀的剪切動作。泥模造型機(jī)構(gòu)由帶圓套滑塊、滑槽、模具連桿和模具曲柄構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，再通過帶圓套滑塊傳遞動力給造型模具，實現(xiàn)造型模具上下運(yùn)動的壓泥模動作。模具壓塊配合造型模具的壓泥模動作完成自動取模；傳送帶歇停機(jī)構(gòu)通過撥盤與槽輪嚙合傳動，最終實現(xiàn)將連續(xù)轉(zhuǎn)動變成間歇運(yùn)動，使傳送帶每移動20cm都停0.75s；造出的泥模安放種子后直接經(jīng)傳送帶傳送后播下。

1.電動機(jī)　2.送料漏斗　3.駕駛控制室　4.整車車體行駛系

2槽輪機(jī)構(gòu)的分析

2.1槽輪機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計

取槽輪槽數(shù)z=4。為保證槽輪的運(yùn)動穩(wěn)定性，據(jù)其工作的工況，選定槽輪的中心距為標(biāo)準(zhǔn)值L=140mm?？紤]槽輪所受的力矩比較大，為了減少應(yīng)力問題，所以選取槽頂?shù)谋诤馼=6mm。

槽輪其他各項的參數(shù)為：圓銷的數(shù)目取n=1，從動輪的運(yùn)動角為90°，主動輪的運(yùn)動角為90°，槽口到從動輪的軸心的長度為s=98.99mm，主動輪柄的長度為R=98.99mm，滾子的半徑取r=20mm。其鎖止弧的半徑將數(shù)值圓整為r0=65mm，起始線的兩邊中沒有鎖止弧，而主動輪的鎖止弧有角度。槽輪上的槽口到槽底的深度為h=(77.98+D)mm，方程式中D為預(yù)留間隙。

2.2槽輪機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析

槽輪的阻力矩主要來源于傳動帶，所以載荷的阻力矩主要來源于兩端的軸承摩擦力矩。滾動軸承的摩擦力矩為

m1=f1·p1·dm=8.1N·m

m0=f0·(vn)2/3·dm×107=0.325N·m

M=m1+m0=8.425N·m

其中，與潤滑劑的用量、軸承的載荷大小、轉(zhuǎn)速及粘度有關(guān)的摩擦力矩的分量為m0；與滑動系數(shù)、軸承的載荷大小及滾道和滾動體的接觸彈性變形量有關(guān)的摩擦力矩的分量為m1；軸承載荷為p1；載荷系數(shù)為f1；軸承的結(jié)構(gòu)系數(shù)為f0；軸承的平均直徑為dm；潤滑油的黏度為v；軸承的轉(zhuǎn)速為n。

為了檢驗槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動可靠性，進(jìn)行動力學(xué)分析，如圖2所示。從圖2中可以看出：前0.15s槽輪力矩和速度都為0。這是由于轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臂上的圓柱銷還沒進(jìn)入槽輪的凹槽內(nèi)，當(dāng)其進(jìn)入凹槽內(nèi)后，開始帶動槽輪一起轉(zhuǎn)動，速度先是增加后再減小，轉(zhuǎn)動過程中沒有發(fā)生運(yùn)動干涉的現(xiàn)象，說明該槽輪的設(shè)計是符合槽輪運(yùn)動學(xué)特性的。

2.3槽輪機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析

首先確定槽輪在1 個周期中所承受最大壓力P，才能對槽輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力的分析，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

槽輪繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量等式為

Jβ=M-MC

其中：M為槽輪承受的轉(zhuǎn)矩；MC為槽輪所承受的阻力矩；β為槽輪角加速度；ω為槽輪轉(zhuǎn)速。

負(fù)載與槽輪對轉(zhuǎn)動軸中心線的轉(zhuǎn)動慣量J,有

其中：m1為傳送帶上泥模的總質(zhì)量；l1為泥模離主軸中心的長度；m2為轉(zhuǎn)盤的質(zhì)量；a為轉(zhuǎn)盤邊長。

圖2　槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析

圖3　槽輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖

于是輪圓銷對槽輪的壓力：rx為槽輪中心孔與圓銷中心的距離；λ是與槽數(shù)有關(guān)系數(shù)，則有

用近似的方法求解最大值，有

求得最終最大的壓力為

3槽輪機(jī)構(gòu)的有限元分析

3.1指定材料

根據(jù)其工況，槽輪機(jī)構(gòu)要具有足夠的耐磨性和強(qiáng)度，國內(nèi)常采用材料為45鋼。45鋼的彈性模量E=2.02×105MPa屈服極限為σs= 355MPa,其密度ρ= 7．85×105kg/mm3，泊松比μ=0.3。

3.2約束

將槽輪機(jī)構(gòu)的上端面設(shè)置為固定約束。

3.3載荷

根據(jù)對槽輪機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析，其槽輪機(jī)構(gòu)相互對彼此的壓力為Pmax=1317N。

3.4接觸

采用自動接觸。

3.5網(wǎng)格

平均元素大小設(shè)為0.05，最小元素大小設(shè)為0.2，分級系數(shù)設(shè)為1.5，最大轉(zhuǎn)角設(shè)為60deg。如圖4所示。

3.6有限元模型

有限元模型建立分別如圖5、圖6所示。槽輪節(jié)點數(shù)目為4 129，元素數(shù)目為2 202；撥盤節(jié)點數(shù)目為7 660，元素數(shù)目為4 370。

圖4　網(wǎng)格設(shè)置

圖5　槽輪的有限元模型

圖6　撥盤的有限元模型

3.7等效應(yīng)力云圖和位移云圖

經(jīng)有限元分析后，計算得槽輪的等效應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖7和圖8所示。

圖7　槽輪的等效應(yīng)力云圖

圖8　槽輪的位移應(yīng)力云圖

經(jīng)有限元計算：槽輪的最大應(yīng)力發(fā)生在中心處，最大應(yīng)力為0.050 06MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力；槽輪的最大變形發(fā)生在遠(yuǎn)離中心處，最大變形量為6.628E-006mm,故滿足強(qiáng)度和剛度的要求。

經(jīng)有限元分析后，計算得撥盤的等效應(yīng)力云圖和位移云圖，如圖9和圖10所示。

圖9　撥盤的應(yīng)力云圖

圖10　撥盤的位移云圖

經(jīng)有限元計算：撥盤的最大應(yīng)力發(fā)生在中心處，最大應(yīng)力為6.636MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力；撥盤的最大變形發(fā)生在靠近外圓且接近圓柱體處，最大變形量為0.001 633mm,故滿足強(qiáng)度和剛度的要求。

4結(jié)論

1)紅樹林種子泥模定位制作播種機(jī)的主要零件符合強(qiáng)度要求。

2)紅樹林種子泥模定位制作播種機(jī)的主要零件符合剛度要求。

3)紅樹林種子泥模定位制作播種機(jī)符合工作要求。

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Design of a Mangrove Seeds Clay Localization Production Machine

Qin Haiying, Ma Guixiang, Ma Junsheng, Wang Di, Tao Jianmei

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：Based on the principle of environmental protection, in view of China's mangrove has suffered severe deforestation reclamation, and the current are natural wild, breed very slowly, the seed survival rate is extremely low. In mangrove growth rule, on the basis of developing a seeding of good quality and low energy consumption, can be widely used in the mangrove mechanization planting mangrove seed planter clay localization production.By analyzing the working principle of the machine, the key parts to establish finite element model based on finite element analysis of Inventor.The results showed that the seed drill stiffness and strength of key parts meet the job requirements.

Key words：mangrove; sowing machine; inventor; finite element analysis

文章編號：1003-188X(2016)05-0052-04

中圖分類號：S223.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：覃海英(1972-)，女，南寧人，講師，碩士，(E-mail)674053259@qq.com。

基金項目：廣西大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(141059301)

收稿日期：2015-04-18