羅軍華 蘇玉軍 寇曉峰

摘要：青稞免耕播種技術(shù)是西北旱地作業(yè)保護(hù)耕作的新型技術(shù)，也是研究和實(shí)現(xiàn)保護(hù)目的難度最大的新型技術(shù)，主要原因是作業(yè)環(huán)境是硬茬地播種，特殊的作業(yè)環(huán)境對(duì)設(shè)備的要求比較特殊，青稞播種機(jī)工作時(shí)通過硬茬時(shí)工作的土壤性質(zhì)不容樂觀，在播種時(shí)通過減少耕地次數(shù)，對(duì)地表進(jìn)行微地形改造達(dá)到傳統(tǒng)作業(yè)的目的，從而達(dá)到減少對(duì)土地的破壞，保護(hù)我國的土地，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境多出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：播種機(jī);排肥器;青稞

中圖分類號(hào)：S776.24+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0238-03

0? 引言

本文章利用SOLIDWORKS對(duì)青稞免耕播種機(jī)的動(dòng)力源、傳動(dòng)總成系統(tǒng)、播種系統(tǒng)、排肥系統(tǒng)、開溝系統(tǒng)、覆土系統(tǒng)等進(jìn)行三維建模，使用ANSYS Workbench的結(jié)構(gòu)（structural）和流體（fluent）子模塊對(duì)其播種機(jī)分析，其中動(dòng)力源為內(nèi)燃機(jī)，本文主要闡述排肥器相關(guān)內(nèi)容。

1? 排肥器黑箱法

青稞免耕播種機(jī)排肥器的設(shè)計(jì)首先利用黑箱法對(duì)排肥器的功能進(jìn)行確定，黑箱如圖1所示。

通過黑箱法確定了排肥器工作的功能、輸入、輸出、信息、能量、從環(huán)境吸收的、對(duì)環(huán)境造成的影響等。

2? 排肥器各零件的設(shè)計(jì)

對(duì)排肥器的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)，排肥器主要包括肥箱支架、排肥器軸、肥箱蓋固定支架、肥箱蓋、排肥軸固定端蓋、排肥器鏈傳動(dòng)支撐板、排肥量顯示板等零件，排肥器這些零件在設(shè)計(jì)和繪圖過程中的主要參數(shù)如下：

排肥器軸是排肥過程的重要零部件，設(shè)計(jì)的好壞直接影響排肥的效果，還要通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，軸的設(shè)計(jì)必須滿足扭矩力學(xué)要求，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)排肥器軸長2200mm、周徑Φ14mm，毛坯制造形式選擇鍛造獲得;肥箱蓋固定支架主要作用是固定肥箱蓋，技術(shù)要求可以放低，實(shí)現(xiàn)螺栓的良好配合，保證肥箱蓋兩邊鏈接的同軸度，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為提高固定板的平面度，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)它的長55mm、寬30mm、高100mm，肥箱蓋固定支架的鋼板毛坯選擇通過熱軋獲得;排肥器鏈傳動(dòng)支撐板用于支撐排肥傳動(dòng)軸，設(shè)計(jì)時(shí)與軸的配合部分配合精度要求高，為實(shí)現(xiàn)良好的配合，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)排肥器鏈傳動(dòng)支撐板的長455mm、寬104mm、高12mm，肥箱蓋固定支架的鋼板毛坯選擇通過熱軋獲得;肥箱支架用于支撐肥箱，剛度要好，具有牢固支撐肥箱的可靠度，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)肥箱支架的長480mm、寬320mm，肥箱蓋固定支架的毛坯的通過鑄造獲得。

肥箱分為肥箱箱體、肥箱蓋和肥箱端蓋，肥箱是通過分塊制造，然后合并到一起，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)肥箱端蓋的長282mm、寬200mm、高15mm;在設(shè)計(jì)肥箱箱體的長2020mm、寬282mm、高185mm;在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)肥箱蓋的長2100mm、寬347mm、高20mm，針對(duì)肥箱提出如下技術(shù)要求，排肥器肥箱端蓋，表面不得有變形、縮痕、毛刺現(xiàn)象，更不能出現(xiàn)飛邊現(xiàn)象，排肥器肥箱蓋，未注圓角半徑R2，噴漆紅色面漆;排肥量顯示板是用于使用者觀測排肥量的部件，在設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)排肥量顯示板的長130mm、寬80mm、高60mm，此外還有部分尺寸位于CAD二維圖紙，公差允許偏差±0.5mm。

最終設(shè)計(jì)得到的裝配體如圖2中所示。

綜上所述，2BDQM青稞免耕播種機(jī)的排肥器各工件的毛坯制造形式主要如下：肥箱支架-鑄造;排肥器軸/方鋼-鍛造;肥箱蓋固定支架/鋼板-熱軋;肥箱蓋/鋼板-熱軋;排肥軸固定端蓋/尼龍-復(fù)雜工藝過程的聚合物;排肥器鏈傳動(dòng)支撐板/鋼板-熱軋;排肥量顯示板/鋼板-熱軋。

3? 鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)

為了能夠保證排肥器的負(fù)載性能和安全性能，有必要對(duì)設(shè)計(jì)的排肥器進(jìn)行鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)。（圖3）

3.1 鏈輪齒數(shù)Z1、Z2和傳動(dòng)比

查閱手冊(cè)和相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)小鏈輪齒數(shù)的多少對(duì)鏈傳動(dòng)影響較大，如圖3選擇合理對(duì)鏈傳動(dòng)的平穩(wěn)性和工作壽命的長短影響很大。在相同的鏈節(jié)距下，齒數(shù)比較少可縮小外輪廓的尺寸大小，但往往在設(shè)計(jì)中齒數(shù)不能過少，過少齒數(shù)的設(shè)計(jì)會(huì)帶來許多問題，例如：①增加鏈在工作過程中的不均勾性和動(dòng)載荷隨之增加，傳動(dòng)穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象;②鏈條傳動(dòng)過程中進(jìn)入鏈輪時(shí)和退出鏈輪時(shí)鏈節(jié)之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角也隨之增加，傳動(dòng)穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，更為嚴(yán)重的是加速鏈條與鏈輪之間的相互磨損;總之，①②兩個(gè)原因的存在會(huì)降級(jí)鏈和鏈輪的使用壽命。

此外，在鏈節(jié)距相同的情況下，齒數(shù)少的一個(gè)鏈輪直徑小于直徑大的鏈輪，在傳遞相同大小力的同時(shí)，鏈輪齒數(shù)過少會(huì)使工作時(shí)的拉力隨之增加，同樣也會(huì)造成加速鏈和鏈輪的損壞和提前結(jié)束生命周期，根據(jù)作用力和反作用力原理肯定會(huì)增加軸承和排肥器鏈傳動(dòng)支撐板的載荷。查閱資料鏈節(jié)距的增長量⊿P和嚙合圓外移量⊿d'之間相互存在如式（1）關(guān)系（鏈節(jié)距增長量和節(jié)圓外移量關(guān)系見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)鏈部分）。

根據(jù)分析和查閱資料得，小鏈輪設(shè)計(jì)過程中齒數(shù)不能選擇太少，大鏈輪設(shè)計(jì)過程中齒數(shù)不能選擇太多，設(shè)計(jì)最大值Zmax=120，最小值Zmin=17，速度特別低數(shù)據(jù)會(huì)不能滿足要求時(shí)最大最小值可以設(shè)計(jì)成：Zmin=9， Zmax=150。鏈輪齒數(shù)表如表1。

設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)成鏈論和鏈條磨損必須均勻，齒數(shù)不是任何數(shù)字，一般設(shè)計(jì)成偶數(shù)，鏈輪齒數(shù)滿足互質(zhì)原則應(yīng)設(shè)計(jì)成奇數(shù)，本鏈輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中選取Z1=17。

為縮小系統(tǒng)的尺寸，小輪應(yīng)縮小包角，同時(shí)考慮到每個(gè)齒的強(qiáng)度問題和進(jìn)入嚙合的不宜過少，傳動(dòng)比i小于7，推薦i=2～3.5。當(dāng)傳動(dòng)速度較低、載荷足夠平穩(wěn)，與尺寸之間無矛盾時(shí)i可達(dá)到10，本鏈輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中選取3。

Z2=Z1*i=17*3=51? ? ? （2）

3.2 鏈節(jié)距和排數(shù)

鏈節(jié)距的設(shè)計(jì)大小主要體現(xiàn)在鏈節(jié)和鏈輪輪廓尺寸上面。條件不變，每一節(jié)鏈的節(jié)距越大，制造出的承載能力也越大，本鏈輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)中選取單排鏈，鏈條所傳遞的功率P0。

P0≥? ? ?kW? ? ? （3）

PC=PKA? ? ? ? kW? ? ? （4）

考慮到工作時(shí)平穩(wěn)，KA選取KA=1.0，據(jù)據(jù)式（3）和式（4）求出所需傳遞的功率，再查圖得出合適的鏈節(jié)距和排數(shù)，同時(shí)也可以定出鏈傳動(dòng)的潤滑方式。

3.3 鏈節(jié)數(shù)LP和鏈輪中心距a

在尺寸不受機(jī)器的機(jī)架和結(jié)構(gòu)等條件限制外，一般可將中心距初定一個(gè)范圍，中心距初定的范圍通過機(jī)械手冊(cè)查得ao=（30～50）p，初定的范圍最大可以選取Amax=80p，當(dāng)有張緊輪等等張緊設(shè)備時(shí)，a0初定值得范圍可以取大于80p。

最小中心距amin可先按i初步選定，

當(dāng)i≤3時(shí)，amin=+（30-50）mm? ? （5）

當(dāng)i>3時(shí)，amin=*mm? （6）

式（5）和式（6）中da1、da2分別為兩輪的齒頂圓直徑。

鏈條的長度通過鏈節(jié)數(shù)Lp表示，計(jì)算公式為Lp=，L為鏈條的總長，鏈節(jié)Lp：

計(jì)算出結(jié)果后 Lp必須進(jìn)行圓整，圓整相近的整數(shù)，而且最好為偶數(shù)，良好的避免組裝時(shí)出現(xiàn)使用過渡鏈節(jié)，最后中心距：

mm（8）

求得中心距A0=350mm。

3.4 低速鏈傳動(dòng)的靜強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于鏈傳動(dòng)的速度而言，鏈速V<3m/s的鏈傳動(dòng)屬于低速鏈傳動(dòng)，失效主要是由于過載情況造成的拉斷導(dǎo)致，因此必須進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算分析，靜強(qiáng)度安全系數(shù)S應(yīng)滿足如下要求：

≥7? （9）

3.5 求作用在軸上的力

鏈速V==1m/s? ? ?（10）

V=1這同時(shí)也說明了在選Z1時(shí)，鏈速估計(jì)正確

工作拉力F=1000×=5500N? ?（11）

考慮工作平穩(wěn)，取壓軸力系數(shù)KQ=1.2。

表2如下。

綜上所述，單排鏈，124節(jié)，長1.1米，小鏈輪齒數(shù)Z1=17，大鏈輪齒數(shù)Z2=51，中心距為350mm。

4? 排肥器犁頭應(yīng)力學(xué)性能分析

針對(duì)青稞免耕播種機(jī)排肥器的設(shè)計(jì)，由于作業(yè)環(huán)境比較惡劣，例如土地的平坦成度，土壤的成分不定，酸堿Ph，操作不當(dāng)?shù)鹊挠绊?，?huì)對(duì)青稞免耕播種機(jī)造成一定程度的損害，但又是無法避免的，因此對(duì)青稞播種機(jī)的排肥器犁頭進(jìn)行如下的受力分析：

4.1 靜應(yīng)力分析

排肥器犁頭是末端執(zhí)行器，因此它的可靠程度對(duì)實(shí)現(xiàn)開溝功能的影響比較大，長遠(yuǎn)考慮將直接影響青稞的產(chǎn)量，因此對(duì)排肥器犁頭進(jìn)行受力分析是很有必要的，主要分析如下：排肥器犁頭與上一級(jí)鏈接部分是通過三個(gè)面進(jìn)行連接的，利用Simulation進(jìn)行靜力學(xué)分析，固定、施加載荷進(jìn)行分析，夾緊部分和載荷分布情況如圖4中A所示。

由于計(jì)算量比較龐大，借助分析軟件的運(yùn)算此案例功能進(jìn)行，運(yùn)行計(jì)算結(jié)束后的計(jì)算結(jié)果如圖4中的B所示。

當(dāng)給工作部分施加50000N的力時(shí)，精力學(xué)分析圖如圖4，變形比例為111.272;此時(shí)的屈服力為2.482e+08N/m2;由圖可以看出，整個(gè)零件為藍(lán)色狀態(tài)（經(jīng)查閱資料得出分析右側(cè)彩色條中，紅色部分為極限載荷區(qū)，藍(lán)色部分為安全區(qū)域），處于受力屈服的一半偏上，因此排肥器犁頭輸于較安全狀態(tài)，檢查犁頭的變形情況，整個(gè)模型的最大位移為0.000106561m=0.106561mm，變形量比較小，載荷作用于犁頭后加緊面受力最大和最小位置如圖4所示：最大3.560e+08m2、最小5.707e+05m2。

4.2 熱應(yīng)力分析

同理排肥器犁頭熱應(yīng)力分析運(yùn)行計(jì)算結(jié)束后的計(jì)算結(jié)果如圖4中的C所示。

當(dāng)給工作面施加15度的溫度時(shí)，熱應(yīng)力分析圖如圖4，變形比例為0，時(shí)間步長為1;此時(shí)無任何屈服力;由圖可以看出，整個(gè)零件始終處于安全狀態(tài)，調(diào)查和查閱資料顯示工作面的溫度變化小于15度，綜上所述此零件不會(huì)出現(xiàn)因熱應(yīng)力造成破壞。

4.3 非線性應(yīng)力分析

同理排肥器犁頭非線性應(yīng)力分析運(yùn)行計(jì)算結(jié)束后的計(jì)算結(jié)果如圖4中的D所示。

當(dāng)給工作部分施加50000N的力時(shí)，非線性力分析圖如圖4，變形比例為1;此時(shí)的屈服力為2.482e+08N/m2;由圖可以看出，整個(gè)零件為藍(lán)色狀態(tài)（經(jīng)查閱資料得出分析右側(cè)彩色條中，紅色部分為極限載荷區(qū)，藍(lán)色部分為安全區(qū)域），處于受力屈服的一半偏上，因此排肥器犁頭輸于較安全狀態(tài)，綜上所述開溝器犁鏵在非線性力狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)因非線性力造成破壞。

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