韓　雙 ，任文濤 ，李　廣

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽　110161；2.營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口　115009)

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水稻種繩直播機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)及主要工作部件的有限元分析

韓雙1,2，任文濤1，李廣2

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽110161；2.營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口115009)

摘要：對(duì)水稻種繩直播機(jī)的限深輪與倒繩機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)做了調(diào)整。其整機(jī)長度為581.8mm，質(zhì)量為21.1kg，實(shí)現(xiàn)單體可拆卸，攜帶、安裝方便。同時(shí)，對(duì)水稻種繩直播機(jī)的主要工作受力部件開溝器進(jìn)行了有限元分析。強(qiáng)度分析結(jié)果表明：開溝器在線性壓力下的最大等效應(yīng)力為330MPa，小于45鋼的屈服強(qiáng)度355MPa，滿足強(qiáng)度要求。剛度分析結(jié)果表明：開溝器沿Y方向會(huì)產(chǎn)生受力變形，最大變形為2.0742mm，位于開溝器尾部，滿足剛度要求。

關(guān)鍵詞：水稻種繩直播機(jī)；改進(jìn)設(shè)計(jì)；有限元分析

0引言

近年來，隨著農(nóng)村年輕勞動(dòng)力不斷向第二三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)力短缺。與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)者平均年齡也在逐漸遞增，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力工價(jià)不斷上漲，而省工省力、低成本高收入的農(nóng)作物受到農(nóng)民的歡迎，使水稻直播技術(shù)受到了人們的普便關(guān)注。為了確保水稻直播的作業(yè)質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約水資源、減少農(nóng)藥和化肥施用量、降低生產(chǎn)成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，以及增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益，直播機(jī)在不斷的改進(jìn)中提出了水稻種繩直播種植技術(shù)的全新思路。水稻種繩直播技術(shù)在適合旱直播的地區(qū)以其繩條播的優(yōu)勢而得到逐漸推廣，而輕巧節(jié)能、運(yùn)輸方便、容易安裝定位的水稻種繩直播機(jī)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)是必然趨勢。

針對(duì)課題組近些年研制的幾代直播機(jī)整機(jī)質(zhì)量較大、功率消耗較大及容易斷繩等缺點(diǎn)，本文對(duì)直播機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1水稻種繩直播機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)由5.5kW汽油手扶拖拉機(jī)提供動(dòng)力，采用兩點(diǎn)懸掛式，外形尺寸為581.8mm×800mm×387.2mm，總體長度大大減小；整機(jī)質(zhì)量21.4kg，作業(yè)行數(shù)為2行，單體可拆卸，單體質(zhì)量大大減輕；行距為200～700mm可調(diào)，攜帶與安裝方便；限深壓溝輪截面采用平底的V型結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為尼龍；開溝器后面安裝倒繩輪，為了減小種繩的阻力，倒繩輪上配有軸承；種繩盤單體懸掛在手扶拖拉機(jī)的扶手上，更加容易拆卸。此款機(jī)型輕巧便攜、安裝方便、節(jié)約能耗、結(jié)構(gòu)簡單。直播機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1　種繩直播機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2直播機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1水稻種繩直播機(jī)的工作原理

如圖1所示，種繩直播機(jī)通過牽引桿中間的2個(gè)定位孔與手扶拖拉機(jī)定位連接，機(jī)架上方的套管穿到牽引桿上，通過3個(gè)空間孔定位，實(shí)現(xiàn)兩行單體行距可調(diào)；限深壓溝輪3在開溝器的前面，將限深輪與壓溝輪合二為一，既能起到限制機(jī)器下限深度，又能為開溝器壓出一條種溝的作用，限深壓溝輪的橫截面為倒梯形；開溝器采用尖角形狀，在開溝器后下方安裝一個(gè)倒繩輪，在開溝器開出的溝內(nèi)播放種繩；覆土器將開溝器開出的種溝覆蓋，鎮(zhèn)壓輪將剛剛覆蓋的土壤壓實(shí)。種繩纏繞在種繩盤上，懸掛于手扶拖拉機(jī)的扶手上，倒繩輪由兩個(gè)倒繩輪并排安裝在一起。如圖3所示，種繩通過倒繩輪之間的凹槽，繞過安裝在開溝器后面的倒繩輪，被覆土器上的擋板收集到的土壤覆蓋，經(jīng)過鎮(zhèn)壓輪的鎮(zhèn)壓作用，使種繩輕松的播放到土壤中。種繩的播放動(dòng)力來自于種繩與土壤之間的摩擦力。為了減小種繩播放過程中的的摩擦阻力，種繩盤和倒繩輪上都安裝有滾動(dòng)軸承。為了實(shí)現(xiàn)水稻種繩直播機(jī)在正常作業(yè)過程中工作的平穩(wěn)性，在限深壓溝輪與機(jī)架的連接處安裝有壓縮彈簧，既能保證限深壓溝輪限深和壓溝的作用，又起到了減震和仿形作用；在覆土器上方安裝壓縮彈簧，在鎮(zhèn)壓輪兩側(cè)安裝拉伸彈簧，起到了與耕作土壤保持連續(xù)一致的仿形作用。

1.牽引桿　2.壓縮彈簧　3.限深壓溝輪　4.機(jī)架　5.開溝器

2.2倒繩機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減小水稻種繩在播放過程中的摩擦阻力，采用圖2所示的凹槽尼龍倒繩輪對(duì)種繩進(jìn)行導(dǎo)向、定位和輸送；倒繩輪為尼龍材質(zhì)，直徑為40mm，總厚度為28mm，輪邊厚度為4mm，槽寬20mm，雙側(cè)配套安裝6201軸承，軸承內(nèi)孔12mm。尼龍材料滾輪具有噪音小、不腐蝕、質(zhì)量輕及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

種繩通過安裝在機(jī)架上的兩個(gè)倒繩輪中間的凹槽向下輸送(見圖3)，使種繩盤上纏繞的種繩直接垂直定位，通過開溝器后面的倒繩輪直接下到開溝器開出的溝內(nèi)，再由覆土器和鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行覆蓋和壓實(shí)。種繩在播繩過程中僅進(jìn)行了一點(diǎn)定位和一點(diǎn)轉(zhuǎn)向，每個(gè)倒繩輪上雙側(cè)都安裝有軸承，種繩與倒繩輪之間是滾動(dòng)摩擦，減小了種繩的播放阻力，使播放到溝內(nèi)的種繩更加精準(zhǔn)。

圖2　凹槽尼龍倒繩輪

圖3　倒繩輪的空間位置

2.3限深壓溝輪的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)安裝限深輪的目的是控制農(nóng)業(yè)機(jī)械陷入土壤的深度，對(duì)農(nóng)機(jī)具起到一定的支撐和平衡的作用。而本文改進(jìn)設(shè)計(jì)的水稻種繩直播機(jī)的限深輪不僅要起到限深和平衡的作用，還要在開溝器的前面預(yù)壓出一條種溝，以減小開溝器的開溝阻力。本文對(duì)限深輪進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)限深輪的輪緣進(jìn)行車削加工處理，形狀如圖4左視圖所示。為了保證輪子依然能夠起到限深的作用，輪的外邊緣寬度為15mm，限深壓溝輪的厚度為45mm，外邊緣直徑為190mm，限深壓溝輪依靠直播機(jī)自身質(zhì)量和手扶手柄調(diào)節(jié)下陷量，在開溝器前面預(yù)先壓出一條淺溝，開溝器在后面再開出一條設(shè)定深度的種溝。限深壓溝輪壓出的淺溝，既增加了限深輪的限深的作用，也減小了開溝器的開溝阻力。

圖4　限深壓溝輪

3開溝器模型的有限元分析

開溝器開出的種溝深度會(huì)因土壤種類和土壤含水量的不同而不同。在開溝器上方設(shè)有3個(gè)定位孔，可以實(shí)現(xiàn)開溝深度20、35、50mm3個(gè)擋位進(jìn)行調(diào)節(jié)；實(shí)際播種過程中，根據(jù)土壤的類型和土壤墑情進(jìn)行調(diào)節(jié)。

開溝器是直播機(jī)工作的主要受力部件，為了分析開溝器的工作狀態(tài)和所受外力及產(chǎn)生的變形效果，利用ANSYS軟件對(duì)開溝器模型進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度的有限元分析。

3.1有限元模型的建立

開溝器材料為45#鋼，密度為7 850kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度是355MPa，拉伸極限為600MPa，經(jīng)過UG軟件測量開溝器質(zhì)量為0.583 8kg。

開溝器由曲面與開溝器支架焊接而成，利用UGNX7.0軟件進(jìn)行實(shí)體建模，并將模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行操作。開溝器ANSYS實(shí)體模型，如圖5所示。

圖5　開溝器ANSYS實(shí)體模型

3.2網(wǎng)格劃分

采用SOLID187/SOLID186單元類型對(duì)開溝器實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成開溝器有限元模型，共生成5 304個(gè)單元，22 907個(gè)節(jié)點(diǎn)。開溝器有限元參數(shù)如表2所示，生成開溝器有限元網(wǎng)格如圖6所示。

表2　開溝器有限元參數(shù)

圖6　網(wǎng)格劃分

3.3邊界條件與施加載荷

為了分析開溝器單體的受力狀況，將開溝器頂部3個(gè)通孔全約束，如圖8左圖所示。3個(gè)通孔的圓環(huán)面為施加約束的位置。邊界條件中要對(duì)開溝器進(jìn)行載荷加載，開溝器工作阻力Fi為

Fi=kah

其中， k為土壤比阻，一般取k=70-120kPa，此處為檢驗(yàn)開溝的強(qiáng)度，取上限120kPa；a為開溝器開溝寬度，模型設(shè)計(jì)值為34mm；h為開溝器入土深度，按照模型設(shè)計(jì)開溝曲面高度為70mm。

將各值代入到公式中，得出開溝器開溝阻力為F=285.6N?？紤]在實(shí)際作業(yè)中各種因素影響，開溝器工作阻力按6倍計(jì)算，即F=1 713.6N。

開溝器曲面面積進(jìn)行測定，如圖7所示。曲面面積為S=3 679.2mm2。按照開溝阻力均布計(jì)算開溝器施加載荷為P=F/S=0.47MPa，取0.5MPa。

圖7　開溝器曲面拾取

開溝器在土壤中工作，土壤深度不同給開溝器曲面的壓力也是不同的?？紤]這一點(diǎn)，近似認(rèn)為土壤給開溝器壓力從深到淺是線性分布(見圖8)，即開溝器底部受力最大，承受0.5 MPa載荷的線性壓力，曲面頂部壓力為0。

圖8　開溝器邊界條件與線性載荷加載

3.4強(qiáng)度分析

開溝器曲面受到土壤的表面載荷作用，在ANSYS中，可以將表面載荷施加在線和面上，也可以施加在節(jié)點(diǎn)和單元上，既可以成均布載荷，也可以成線性載荷。選擇List—Loads—On picked Nodes命令，實(shí)現(xiàn)線性壓力的變化，選擇等分的節(jié)點(diǎn)，列出壓力載荷，如圖9所示。

圖9　開溝器等效應(yīng)力分布云圖

通過對(duì)水稻種繩直播機(jī)開溝器等效應(yīng)力圖的分析可知，應(yīng)力主要集中在開溝器最下面的定位孔的位置。經(jīng)計(jì)算，開溝器在線性壓力下的最大等效應(yīng)力為330MPa，標(biāo)注點(diǎn)的位置為最大等效應(yīng)力點(diǎn)。開溝器使用材質(zhì)為45鋼，屈服強(qiáng)度為355MPa，開溝器結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度要求。

3.5剛度分析

據(jù)分析，開溝器沿Y方向會(huì)產(chǎn)生受力變形，圖10為開溝器總體變形圖，最大變形為2.074 2mm，位于開溝器尾部。開溝器尾部安裝有倒繩輪，由于倒繩輪下邊緣在開溝器底部以下，所產(chǎn)生的變形對(duì)種繩播放的深度影響不大，能夠滿足剛度要求。

圖10　開溝器總體變形

4結(jié)論

1)對(duì)水稻種繩直播機(jī)的倒繩機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用空間放置的3個(gè)凹槽尼龍輪對(duì)種繩進(jìn)行導(dǎo)向、定位和輸送，減小了種繩的播放阻力，使播放到溝內(nèi)的種繩更加精準(zhǔn)。

2)對(duì)限深輪進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的限深輪不僅有限深和平衡的作用，還起到預(yù)壓種溝及減小開溝阻力的作用。

3)對(duì)水稻種繩直播機(jī)的開溝器進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明：開溝器最大等效應(yīng)力為330MPa，小于45鋼的屈服強(qiáng)度355MPa，滿足強(qiáng)度要求；開溝器沿Y方向的最大變形量為2.074 2mm，位于開溝器尾部，滿足剛度要求。

參考文獻(xiàn)：

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Abstract ID:1003-188X(2016)01-0062-EA

Improved Design and Finite Element Analysis of the Main Working Parts of Rice Rope Direct Sowing Machine

Han Shuang1,2, Ren Wentao1, Li Guang2

(1.Shenyang Agriculture University College of Engineering,Shenyang 110161,China; 2.Yingkou Vocational and Technical College,Yingkou 115009,China)

Abstract：This paper make the improved design on Depth wheel and Inverted rope mechanism of Rice rope direct sowing machine, adjust the mechanism of machine which the length is 581.8mm, weight is 21.1kg, Conveniently to install and assemble and the Single part is detachable. Opener is the main working parts of rice rope direct seeding machine ，the finite element analysis has been done on the furrow opener. The results showed that the maximum equivalent stress is 330MPa, Less than the Yield strength 355MPa of 45 steel; The maximum deformation of Furrow opener along the Y direction is 2.0742mm, can satisfy the intensity and the rigidity requirement.

Key words：rice rope direct seeding machine；improved design；finite element analysis

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0062-04

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：韓雙(1981-)，女，遼寧遼陽人，講師，博士研究生，(E-mail)32284736@qq.com。通訊作者：任文濤(1958-)，男，遼寧海城人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)rwt@syau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20092103110003)

收稿日期：2015-01-06