雪艇 馬科 仝傳祥 許彬

摘要：設(shè)計(jì)一款能集成耕地、施肥、播種等功能的一體化播種機(jī)，設(shè)計(jì)思路為以臥式旋耕機(jī)為本體，在其上添加施肥、播種、覆土等聯(lián)合作業(yè)功能部件，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵為旋耕刀的建模、旋耕機(jī)的輸出軸與施肥機(jī)的排肥軸二級傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)，播種機(jī)的播種器的設(shè)計(jì)，并按照農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的步驟，合理的布置各個(gè)作業(yè)機(jī)構(gòu)。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)在Proe軟件建立整機(jī)的裝配模型，在虛擬環(huán)境中模擬系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，對各部件干涉檢驗(yàn)；分析旋耕刀的運(yùn)動(dòng)過程并建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，在simulink軟件中仿真得到旋耕刀端點(diǎn)在水平方向和豎直方向的運(yùn)動(dòng)速度和位移，預(yù)知產(chǎn)品的工作性能，這對于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)精度具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：多功能一體機(jī)；聯(lián)合作業(yè)；Proe；虛擬樣機(jī)；simulink

1引言

在我國的廣大農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)往往采用的是傳統(tǒng)的勞作方式，這占用大量的人力和物力，且在某些使用農(nóng)機(jī)具的區(qū)域其集約化程度不太高，農(nóng)機(jī)具未得到廣泛的使用，而在歐美等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家，農(nóng)業(yè)機(jī)械已向?qū)挿?、?lián)合和高速方向發(fā)展，單一功能作業(yè)機(jī)具日趨減少。虛擬樣機(jī)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上搭建產(chǎn)品的整體模型，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種技術(shù)，它能將我們的設(shè)計(jì)靈感轉(zhuǎn)化成為虛擬產(chǎn)品，本文利用該技術(shù)設(shè)計(jì)一款能實(shí)現(xiàn)整地、施肥、播種等功能的聯(lián)合作業(yè)一體化機(jī)。

2整機(jī)構(gòu)造原理

2.1旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)

該旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括機(jī)架、旋耕刀軸、旋耕刀、蝸桿蝸輪+齒輪減速器，主動(dòng)鏈輪等，其懸掛于拖拉機(jī)后方，減速器的輸入軸與拖拉機(jī)的輸出軸通過萬向節(jié)連接，輸入軸通過蝸桿蝸輪+齒輪減速器給旋耕刀軸提供動(dòng)力，旋耕刀軸上面均勻分布有旋耕刀，旋耕機(jī)的機(jī)架以旋耕刀主軸為基本構(gòu)架，機(jī)身上方設(shè)計(jì)出放置施肥機(jī)的預(yù)留空間。

旋耕刀的建模：旋耕刀采用彎刀結(jié)構(gòu)，彎刀刃口由側(cè)切刃和正切刃兩部分組成，設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)半徑R=400mm，計(jì)算出旋耕刀曲線、曲面的坐標(biāo)，然后擬合出側(cè)切刃曲線、正切刃曲線等各部分方程，將其導(dǎo)入軟件并運(yùn)用拉伸切除等操作，完成旋耕刀的建模。

2.2施肥機(jī)結(jié)構(gòu)

施肥機(jī)對稱固定放置于旋耕機(jī)的上方，且施肥的動(dòng)力由旋耕機(jī)提供，該施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括肥料箱、支撐架、從動(dòng)鏈輪、排肥軸及其排肥齒輪等，考慮耕作的工況比較復(fù)雜，機(jī)器受到的動(dòng)載荷較大，因而采用二級鏈傳動(dòng)的方式傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，旋耕刀軸上的主動(dòng)鏈輪與旋耕機(jī)機(jī)架上的鏈輪組成第一級鏈傳動(dòng)，排肥軸上的從動(dòng)鏈輪和旋耕機(jī)機(jī)架上鏈輪組成第二級鏈傳動(dòng)。

二級傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)：為減少零件的設(shè)計(jì)和布置，考慮將旋耕機(jī)機(jī)架上的鏈輪設(shè)計(jì)為帶有2個(gè)相同鏈輪的鏈輪軸，鏈輪的基圓直徑D=160mm，齒數(shù)z=23，齒厚w=19.5mm，模數(shù)m=2.5，壓力角20度，利用漸開線直齒圓柱齒輪參數(shù)化設(shè)計(jì)過程即可以建立鏈輪軸的模型。然而用鏈條分別將鏈輪軸與旋耕刀主軸上的主動(dòng)鏈輪和排肥軸上的從動(dòng)鏈輪連接起來。種管道、放種漏嘴、覆土欄桿、播種機(jī)機(jī)架等組成，播種機(jī)的機(jī)架與旋耕機(jī)的機(jī)架通過插銷螺栓連接，播種機(jī)的前進(jìn)輪在旋耕機(jī)的牽引下運(yùn)動(dòng)，且在運(yùn)動(dòng)過程中前進(jìn)輪為排種槽輪提供動(dòng)力，種子在重力的作用下在種箱內(nèi)落入進(jìn)種槽道，后在槽輪的驅(qū)動(dòng)下流入排種管道，且種子流入的速度和數(shù)量由槽輪旋轉(zhuǎn)的速度和進(jìn)種槽道的寬度來決定，當(dāng)排種管道的種子依次進(jìn)入放種漏嘴時(shí)，放種漏嘴有節(jié)奏的將其一個(gè)個(gè)地放入到土壤中。

3關(guān)鍵部件運(yùn)動(dòng)仿真

3.1旋耕刀運(yùn)動(dòng)分析

旋耕機(jī)工作時(shí)，旋耕刀一邊繞旋耕刀軸旋轉(zhuǎn)，一邊隨機(jī)組前進(jìn)，因此旋耕刀的絕對運(yùn)動(dòng)是旋耕刀軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)組前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的合成，其運(yùn)動(dòng)軌跡是擺線。對于臥式旋耕機(jī)，設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)為刀軸的旋轉(zhuǎn)中心，x軸正向與旋耕機(jī)的前進(jìn)方向一致，y軸正向垂直于地面向下，刀片端點(diǎn)位于前方水平位置與x軸正向重合，旋耕刀運(yùn)動(dòng)速度如圖4所示：

3.2旋耕刀仿真分析

將式（1）.（2）旋耕刀的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，導(dǎo)入到數(shù)值處理軟件MATLAB中的SIMULINK，利用其模塊庫功能搭建運(yùn)動(dòng)方程的仿真模型，參數(shù)取值見表1，仿真結(jié)果如圖5、6所示。

4總結(jié)

本文設(shè)計(jì)一款多功能一體化播種機(jī)，運(yùn)用三維建模技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析技術(shù)、Simulink仿真技術(shù)等，得到旋耕刀端點(diǎn)沿水平方向的位移隨著旋耕機(jī)的前進(jìn)逐漸增大，沿豎直方向的位移隨著刀軸的旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；旋耕刀端點(diǎn)沿水平方向和豎直方向的速度分別以某一值為基礎(chǔ)呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化。