劉曙光，王家勝，張梅，尹寶全，馬云飛，潘仕梅

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，山東煙臺(tái)，264670； 2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島，266109)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外胡蘿卜播種機(jī)多采用機(jī)械式條播或者氣吸式精播直接將種子埋入土中[1-2]，作業(yè)效率高，但直接播種入土無法直接監(jiān)測(cè)播種質(zhì)量，而且受田間因素影響較大，普遍應(yīng)用于規(guī)?；筇锓N植，目前研究成果較多[3-6]?；诜N繩模式的胡蘿卜播種技術(shù)實(shí)現(xiàn)分段播種[7-10]，前段在室內(nèi)編織種繩，即通過種繩編織機(jī)將胡蘿卜種子播到種子帶上，通過線纏繞形成種繩，并將種繩纏繞至種繩纏繞輥上，工作條件穩(wěn)定，而且可以直接監(jiān)測(cè)種繩內(nèi)種子的間距并可及時(shí)調(diào)整糾正；后段在田間利用基于種繩模式的專用播種機(jī)將種繩埋入土中，種繩對(duì)田間環(huán)境突變不敏感，保證了埋設(shè)深度精準(zhǔn)度，該技術(shù)可應(yīng)用于中小規(guī)模或要求精準(zhǔn)播種的地塊或者溫室內(nèi)，目前研究成果很少，王家勝等[11]研發(fā)種繩模式的小區(qū)育種播種機(jī)，并進(jìn)行了種子帶編織過程理論分析與性能試驗(yàn)。

由于種子帶為可降解的纖維材料，承拉能力相對(duì)較弱，播種工作過程中產(chǎn)生的拉力過大與突變嚴(yán)重都將影響種繩埋設(shè)質(zhì)量，主體框架直接連接種繩裝設(shè)、鋪設(shè)、覆埋、鎮(zhèn)壓的所有執(zhí)行部件，容易受發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)影響，其工作狀態(tài)將直接影響播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量與效率。本文結(jié)合胡蘿卜播種農(nóng)藝要求，種繩模式播種技術(shù)特點(diǎn)，基于Ansys Workbench 19.2進(jìn)行基于種繩模式胡蘿卜播種機(jī)主體框架的6處關(guān)鍵部位的工作狀態(tài)研究，確定作業(yè)時(shí)，主體框架對(duì)種繩埋設(shè)過程的綜合影響，為更好地保護(hù)種繩，保證作業(yè)質(zhì)量與穩(wěn)定性，獲得主體框架的工作條件，進(jìn)一步優(yōu)化主體框架工作環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

該種繩模式胡蘿卜播種機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，主要包括動(dòng)力、機(jī)架、行走結(jié)構(gòu)、種繩與滴灌帶的裝設(shè)與鋪設(shè)結(jié)構(gòu)、壟型整理結(jié)構(gòu)、覆土鎮(zhèn)壓結(jié)構(gòu)等。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Whole structure1.壟型整理結(jié)構(gòu) 2.單缸機(jī) 3.滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu) 4.種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu) 5.覆土鎮(zhèn)壓結(jié)構(gòu) 6.種繩鋪設(shè)結(jié)構(gòu) 7.滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu) 8.機(jī)架 9.行走結(jié)構(gòu)

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters

為分析主體框架的設(shè)計(jì)合理性及對(duì)種繩埋設(shè)過程的影響，除機(jī)架結(jié)構(gòu)外，分析還包括與機(jī)架固連的各執(zhí)行部件，如覆土鎮(zhèn)壓結(jié)構(gòu)的覆土鎮(zhèn)壓輥支撐架、種繩鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)種繩滑刀、滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的支撐桿與開溝器、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)的裝設(shè)支撐桿與支撐軸、壟型整理結(jié)構(gòu)的連接架，共同形成要分析的主體框架，如圖2所示。工作中，人隨播種機(jī)行進(jìn)，在行進(jìn)的過程中，壟型整理結(jié)構(gòu)平整壟面，提供好的種繩埋設(shè)條件；種繩從種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)上抽拉下來經(jīng)種繩鋪設(shè)結(jié)構(gòu)鋪設(shè)在導(dǎo)種繩滑刀劃出的溝內(nèi)，通過覆土鎮(zhèn)壓結(jié)構(gòu)將鋪設(shè)在溝內(nèi)的種繩覆土鎮(zhèn)壓埋入土中；滴灌帶從滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)上抽拉下來通過滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)鋪設(shè)在開溝器開設(shè)的溝內(nèi)。

圖2 主體框架及加載位置、對(duì)應(yīng)分析響應(yīng)部位Fig. 2 Main frame structure, loading position and response parts1.與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置 2.二階往復(fù)慣性力作用平面 3.與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置及作用力加載位置 4.作用力加載位置 5.種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置 6.扶手位置 7.導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置 8.滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置 9.支撐點(diǎn) 10.傾覆荷載作用位置

2 模態(tài)分析

由于主體框架復(fù)雜，通過Solidworks建模，導(dǎo)入Ansys Workbench 19.2中，根據(jù)工作實(shí)際情況，通過Static Structural加載單缸機(jī)重力210 N，滴灌帶纏繞輥重力100 N，為Modal、Harmonic Response分析的前置預(yù)應(yīng)力影響條件，加載位置如圖3所示。

(a) 第1階模態(tài)振型

(b) 第2階模態(tài)振型

(c) 第3階模態(tài)振型

(d) 第4階模態(tài)振型

(e) 第5階模態(tài)振型e

(f) 第6階模態(tài)振型圖3 主體框架前6階模態(tài)振型Fig. 3 First 6 modes vibration shape of main frame

材料設(shè)定為Structural Steel，其密度7 850 kg/m3，泊松比0.3，彈性模量200 GPa；以四面體劃分網(wǎng)格，共42 477個(gè)單元，84 808個(gè)節(jié)點(diǎn)；設(shè)定接觸類型為Bonded。

主體框架前6階模態(tài)響應(yīng)分析如圖3所示，前6階主體框架固有頻率及振型情況如表2所示。從模態(tài)分析可知，主體框架第1～6階固有頻率分別為14.9 Hz、30.881 Hz、31.516 Hz、35.568 Hz、37.852 Hz、46.887 Hz，當(dāng)主體框架振動(dòng)頻率接近其各階固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生共振反應(yīng)，當(dāng)振動(dòng)頻率靠近各階固有頻率時(shí)均對(duì)種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)有明顯影響，當(dāng)振動(dòng)頻率靠近第1、4階固有頻率時(shí)對(duì)種繩鋪設(shè)結(jié)構(gòu)有明顯影響。

表2 前6階固有頻率及振型情況Tab. 2 Natural frequencies and vibration modes of the first 6 modes

3 諧響應(yīng)分析

該模式播種機(jī)適合一壟兩行種植模式，配套單缸機(jī)可以滿足作業(yè)動(dòng)力要求，本文分析單缸機(jī)對(duì)主體框架的諧響應(yīng)。二階往復(fù)慣性力引起的簡(jiǎn)諧振動(dòng)力的作用根據(jù)單缸機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別施加于主體框架固定單缸機(jī)區(qū)域的垂直方向及整機(jī)前進(jìn)方向上，簡(jiǎn)諧振動(dòng)力表達(dá)式153.03sin(523.33t+π/2)。因單缸機(jī)對(duì)外輸出動(dòng)力矩曲線不規(guī)則，根據(jù)單缸機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min時(shí)對(duì)其輸出力矩測(cè)試，得出傾覆力矩簡(jiǎn)諧振動(dòng)的力偶矩，近似以8次傅里葉級(jí)數(shù)擬合[12]，8組簡(jiǎn)諧振動(dòng)的力偶矩表達(dá)式分別為9.79sin(130.9t+0.23π)、17.22sin(261.8t+0.07π)、13.5sin(392.7t-0.02π)、3.66sin(523.6t-0.15π)、10.55sin(654.5t-0.07π)、5.11sin(785.4t-0.14π)、7.19sin(916.3t-0.1π)、5.28sin(1 047.2t-0.11π)。根據(jù)固定點(diǎn)距離，轉(zhuǎn)化成8組簡(jiǎn)諧振動(dòng)力作用，分別單獨(dú)施加于主體框架固定單缸機(jī)位置各兩個(gè)固定點(diǎn)處，前后荷載作用方向相反。

通過Harmonic Response分析每一簡(jiǎn)諧振動(dòng)作用對(duì)主體框架上6個(gè)可能影響工作性能的關(guān)鍵部位(與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置、滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置、導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置、扶手位置、與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置)在x軸、y軸、z軸方向諧響應(yīng)振幅變化情況。根據(jù)振型位移疊加法，確定各位置在各個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)作用過程中的綜合影響，如圖4～圖9所示。主體框架上6個(gè)部位的x軸、y軸、z軸3個(gè)方向諧響應(yīng)振幅受諧振頻率影響大致分為3個(gè)區(qū)間。

1) 諧振頻率小于21 Hz時(shí)，主體框架工作很穩(wěn)定，當(dāng)諧振頻率為15 Hz時(shí)，主體框架5個(gè)位置(與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置、滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置、導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置、扶手位置)的諧響應(yīng)振幅最大，3個(gè)方向振幅分別為0.008 mm，0.013 mm，0.102 mm；0.018 mm，0.082 mm，0.062 mm；0.004 mm，0.031 mm，0.033 mm；0.006 mm，0.07 mm，0.045 mm；0.016 mm，0.17 mm，0.096 mm，當(dāng)諧振頻率為21 Hz時(shí)，主體框架與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置的諧響應(yīng)振幅最大，3個(gè)方向振幅分別為0.003 mm，0.107 mm，0.036 4 mm。

(a) x軸方向振幅

(b) y軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖4 與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置諧響應(yīng)Fig. 4 Harmonic response of position contacting with installation structure of drop irrigation belt

(a) x軸方向振幅

(b) y軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖5 種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置諧響應(yīng)Fig. 5 Harmonic response of support shaft of installation structure of seed tape

(a) x軸方向振幅

(b) y軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖6 滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置諧響應(yīng)Fig. 6 Harmonic response of surface above the trench opener of laying structure of drop irrigation belt

(a) x軸方向振幅

(b) y軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖7 導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置諧響應(yīng)Fig. 7 Harmonic response of exit position of seed tape

2) 諧振頻率在21～43 Hz時(shí)，因主體框架的第2階至第5階固有頻率均在該范圍內(nèi)，對(duì)主體框架6個(gè)關(guān)鍵部位的3個(gè)方向均有不同程度的振幅，但振幅不大，工作較穩(wěn)定，當(dāng)諧振頻率為23 Hz時(shí)，主體框架與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置的諧響應(yīng)振幅最大，3個(gè)方向振幅分別為0.708 mm，0.068 mm，0.249 mm；0.128 mm，0.045 mm，0.514 mm，當(dāng)諧振頻率為35 Hz時(shí)，導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置、扶手位置、與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置的諧響應(yīng)振幅最大，3個(gè)方向振幅分別為0.149 mm，0.111 mm，0.653 mm；0.195 mm，0.479 mm，0.237 mm；0.014 mm，0.441 mm，0.15 mm，當(dāng)諧振頻率為37 Hz時(shí)，滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置的諧響應(yīng)振幅最大，3個(gè)方向振幅分別為0.922 mm，0.108 mm，0.104 mm。

3) 諧振頻率在43～50 Hz時(shí)，當(dāng)諧振頻率為46 Hz時(shí)，6個(gè)位置的諧響應(yīng)振幅均最大，共振效果很明顯，3個(gè)方向振幅分別為1.694 mm，0.071 mm，2.431 mm；1.315 mm，0.621 mm，1.881 mm；0.453 mm，0.211 mm，1.019 mm；0.594 mm，0.415 mm，1.861 mm；1.56 mm，0.165 mm，0.325 mm；0.015 mm，2.345 mm，0.853 mm。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率

(1)

式中：f——發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率，Hz；

n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

N——發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)，個(gè)；

τ——發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)，個(gè)。

單缸機(jī)2 500 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)，工作頻率為20.83 Hz，主體框架該頻率下處于非共振穩(wěn)定工作區(qū)間，6個(gè)可能影響工作性能的關(guān)鍵部位的x軸、y軸、z軸方向諧響應(yīng)振幅分別為0.006 mm，0.002 mm，0.013 mm；0.008 mm，0.01 mm，0.012 mm；0.004 mm，0.003 mm，0.003 mm；0.004 mm，0.005 mm，0.017 mm；0.007 mm，0.017 mm，0.008 mm；0.003 mm，0.107 mm，0.036 mm，對(duì)種繩埋設(shè)過程無影響，工作狀態(tài)穩(wěn)定，種繩抽拉不會(huì)出現(xiàn)因主體框架振幅過大引起突然的拉伸幅度忽大忽小導(dǎo)致種繩斷裂或松動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)為其他執(zhí)行部件提供穩(wěn)定的固定連接工作平臺(tái)。

(a) x軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖8 扶手位置諧響應(yīng)Fig. 8 Harmonic response of handrail

(a) x軸方向振幅

(b) y軸方向振幅

(c) z軸方向振幅圖9 與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置諧響應(yīng)Fig. 9 Harmonic response of position contacting with pin roll of structure of tidying up the ridge

4 結(jié)論

基于Ansys Workbench 19.2進(jìn)行基于種繩模式胡蘿卜播種機(jī)主體框架的6處關(guān)鍵部位(與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置、滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置、導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置、扶手位置、與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置)的工作狀態(tài)研究。通過模態(tài)分析，得出主體框架第1～6階固有頻率分別為14.9 Hz、30.881 Hz、31.516 Hz、35.568 Hz、37.852 Hz、46.887 Hz，當(dāng)主體框架諧振頻率接近其固有頻率時(shí)，將產(chǎn)生共振反應(yīng)，當(dāng)主體框架諧振頻率靠近6階固有頻率均對(duì)種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)有影響，當(dāng)諧振頻率靠近第1、4階固有頻率對(duì)種繩鋪設(shè)結(jié)構(gòu)有影響。

在此基礎(chǔ)上，通過諧響應(yīng)分析得出不同諧振頻率對(duì)主體框架6處可能影響工作性能的關(guān)鍵部位的諧響應(yīng)振幅變化，仿真結(jié)果表明，當(dāng)諧振頻率小于21 Hz時(shí)，主體框架處于最穩(wěn)定工作狀態(tài)；當(dāng)諧振頻率在21～43 Hz時(shí)，諧振頻率在靠近固有頻率時(shí)主體框架局部有共振反應(yīng)，但振幅不大，影響較?。划?dāng)諧振頻率在43～50 Hz時(shí)，尤其工作頻率在46 Hz附近，振幅較大，共振效果很明顯，不利于播種機(jī)作業(yè)。單缸機(jī)工作轉(zhuǎn)速2 500 r/min時(shí)主體框架的6處可能影響工作性能的關(guān)鍵部位(與滴灌帶裝設(shè)結(jié)構(gòu)接觸位置、種繩裝設(shè)結(jié)構(gòu)支撐軸位置、滴灌帶鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的開溝器上方位置、導(dǎo)種繩滑刀種繩出口位置、扶手位置、與壟型整理結(jié)構(gòu)銷軸接觸位置)的x軸、y軸、z軸方向諧響應(yīng)振幅分別為0.006 mm，0.002 mm，0.013 mm；0.008 mm，0.01 mm，0.012 mm；0.004 mm，0.003 mm，0.003 mm；0.004 mm，0.005 mm，0.017 mm；0.007 mm，0.017 mm，0.008 mm；0.003 mm，0.107 mm，0.036 mm，對(duì)種繩埋設(shè)過程無影響，工作狀態(tài)穩(wěn)定，滿足胡蘿卜播種要求。