馬俊生，王一羽，季文靜，韋尚頂，黃世堅(jiān)

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

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基于牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的UG仿真

馬俊生，王一羽，季文靜，韋尚頂，黃世堅(jiān)

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

摘要：針對(duì)我國(guó)主要人工播種牛蒡存在的問題，在現(xiàn)有牛蒡種植方法的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種播種質(zhì)量高、能耗低、可以廣泛應(yīng)用于牛蒡機(jī)械化種植的牛蒡自動(dòng)播種機(jī)。為此，介紹了牛蒡播種機(jī)的工作原理，并運(yùn)用三維軟件UG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，真實(shí)再現(xiàn)了牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的工作狀況。結(jié)果表明：牛蒡自動(dòng)播種機(jī)能夠滿足實(shí)際工作要求。

關(guān)鍵詞：牛蒡；自動(dòng)播種機(jī)；三維軟件；仿真

0引言

我國(guó)在 20 世紀(jì) 80 年代從日本引進(jìn)牛蒡，現(xiàn)已在山東、江蘇、安徽、黑龍江等地大面積種植。牛蒡根、莖葉、果實(shí)(牛蒡子)均可供藥用。牛蒡子是一種傳統(tǒng)中藥,味辛、苦、寒,歸肺、胃二經(jīng),具疏散風(fēng)熱、宣肺透疹、消腫解毒之功效;用于風(fēng)熱感冒、咳嗽痰多、咽喉腫痛、斑疹不透、風(fēng)疹作癢及癰腫瘡毒等癥。牛蒡葉多作外用,有明顯的消炎、解毒、鎮(zhèn)痛作用。目前，牛蒡根在日本和歐洲作為蔬菜上市。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有較為成熟的種植技術(shù)，但在實(shí)際生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度較低。為此，在現(xiàn)有牛蒡種植方法的基礎(chǔ)之上，提出了一種牛蒡自動(dòng)播種機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)播種不同長(zhǎng)度、不同品種的牛蒡種子，且可自動(dòng)篩選出一顆種并自動(dòng)播種，播種成功率達(dá)90%以上。因此，牛蒡自動(dòng)播種機(jī)具有極大的推廣價(jià)值。

若對(duì)牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的研究是通過類比或經(jīng)驗(yàn)得出，則這種傳統(tǒng)方法具有一定的盲目性和局限性。因此，需要采用更為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法，并為牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的生產(chǎn)和制造提供更加有效的參數(shù)。本文通過三維軟件UG建立牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的三維模型，真實(shí)再現(xiàn)了牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的工作狀況，并對(duì)播種機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和三維仿真。此方法可對(duì)提高牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的壽命、加工精度和降低制造成本提供參考。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

牛蒡自動(dòng)播種機(jī)主要由鉛蓄電池、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)部分、行走機(jī)構(gòu)、篩種機(jī)構(gòu)和播種機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

1.皮帶輪1　2.皮帶　3.皮帶輪2　4.主動(dòng)輪　5.分土犁

傳動(dòng)部分由皮帶輪1、皮帶、皮帶輪2將電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力傳遞至傳動(dòng)軸1。如圖2所示，傳動(dòng)軸1一方面帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的行走；另一方面帶動(dòng)皮帶輪3，通過傳動(dòng)帶、皮帶輪4、傳動(dòng)軸2、齒輪組將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)軸3；傳動(dòng)軸3帶動(dòng)篩種器轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)篩選牛蒡種子并播種。

2土壤質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1土壤質(zhì)點(diǎn)速度

分土犁(見圖3)的工作過程是松動(dòng)土壤，并在土壤中形成一道溝壑，便于牛蒡種子的播種?，F(xiàn)以位于分土犁刀尖處的土壤質(zhì)點(diǎn)A為研究對(duì)象，分土犁以前進(jìn)速度v前進(jìn)行向前運(yùn)動(dòng)，泥土分別以速度v排1、v排2沿分土犁兩側(cè)排出。質(zhì)點(diǎn)速度如圖4所示。

1.皮帶輪4　2.齒輪組　3.傳動(dòng)軸3　4.傳動(dòng)帶　5.皮帶輪3

圖3　分土犁的結(jié)構(gòu)圖

圖4　土壤質(zhì)點(diǎn)的速度圖

式中v前—分土犁向前運(yùn)動(dòng)速度(m/s)；

v排1、v排2—泥土排除速度(m/s)；

δ—v排1、v排2與水平線的夾角(°)。

2.2土壤質(zhì)點(diǎn)的加速度

土壤質(zhì)點(diǎn)在松土過程中位于勻速向前的分土犁的兩側(cè)，且相對(duì)于分土犁兩側(cè)相對(duì)滑動(dòng)，加速度如圖5所示。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，絕對(duì)加速度等于牽連加速度與相對(duì)加速度的矢量和，則

式中aa—絕對(duì)加速度；

ae—牽連加速度；

ar—相對(duì)加速度。

圖5　土壤質(zhì)點(diǎn)的加速度圖

2.3土壤質(zhì)點(diǎn)的力學(xué)分析

以分土犁葉片上任意質(zhì)點(diǎn)作為研究對(duì)象，其受力如圖6所示。

圖6　受力圖

圖6中：G為土壤質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量；N為分土犁上的法向壓力；F為土壤質(zhì)點(diǎn)受到的慣性力。

3牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的三維模型

要進(jìn)行播種機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，需對(duì)播種機(jī)建立三維模型。牛蒡自動(dòng)播種機(jī)主要由鉛蓄電池、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)部分、行走機(jī)構(gòu)、篩種機(jī)構(gòu)和播種機(jī)構(gòu)等組成。在三維軟件Inventor中建立播種機(jī)的模型如圖7所示。

3.2創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)條件

在牛蒡自動(dòng)播種機(jī)中，只有一個(gè)動(dòng)力源。其傳動(dòng)軸的動(dòng)力角加速度為ω1 = 270°/s;驅(qū)動(dòng)條件如圖8所示。

圖7　牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的三維模型

圖8　牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的驅(qū)動(dòng)條

3.3運(yùn)動(dòng)仿真的解算方案

經(jīng)UG基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的綜合分析，確定好重力常數(shù)的大小和方向，確定好解算方案，如圖9所示。

3.4分土犁運(yùn)動(dòng)仿真的解算結(jié)果

經(jīng)UG運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，分土犁刀尖位置位移圖如圖10 所示，分土犁刀尖位置的速度圖如圖11所示。

由運(yùn)行的結(jié)果分析可得：分土犁刀尖位置的運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，其速度為896mm/s。

3.5播種器運(yùn)動(dòng)仿真的解算結(jié)果

經(jīng)UG運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以播種器的某一凹坑作位置跟蹤，其位移圖如圖12 所示； 播種器的角速度如圖13所示。

圖9　牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的解算方案

圖10　分土犁刀尖位置的位移圖

圖11　分土犁刀尖位置的速度圖

圖12　播種器的某一凹坑位移圖

圖13　播種器的角速度圖

由運(yùn)行的結(jié)果分析可得，播種器的運(yùn)動(dòng)為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，其速度是172(°)/s。

4結(jié)論

1)三維仿真軟件UG 真實(shí)再現(xiàn)了牛蒡自動(dòng)播種機(jī)的工作工況。

2)牛蒡自動(dòng)播種機(jī)能夠滿足工作要求。

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UG Simulation Based on Burdock Automatic Seeder

Ma Junsheng， Wang Yiyu， Ji Wenjing， Wei Shangding， Huang Shijian

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

Abstract：In view of our country mainly adopts artificial planting burdock, on the basis of the existing burdock planting methods,developing a planting high quality,low energy,consumption can be widely applied to burdock burdock mechanization planting automatic seeder.This paper introduces the working principle of the burdock seeder and kinematics analysis was carried out on using 3 d software UG,burdock automatic seeder real work condition.The results show that the burdock automatic machine can satisfy the working requirements.

Key words：burdock automatic seeder; three-dimensional software; simulation

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0048-04

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：馬俊生(1994-)，男(壯族)，南寧人，碩士研究生，(E-mail)460399160@qq.com。

基金項(xiàng)目：廣西大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(141059301)

收稿日期：2015-04-28