粟振燦 趙祈頎 郭志中

廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學，廣西 南寧 530007

0 引言

廣西壯族自治區(qū)（以下簡稱廣西）總體是山地丘陵性盆地地貌，區(qū)內(nèi)多數(shù)花生種植田形狀不規(guī)則且面積較小，因此，當?shù)剞r(nóng)戶無法借鑒平原地區(qū)花生高產(chǎn)區(qū)域的智能化、機械化種植方法?；诖?，為降低人工成本、提高生產(chǎn)效率，研究適用于丘陵地區(qū)的便攜式多功能花生播種裝置。

1 便攜式多功能花生播種裝置總體構(gòu)造及工作原理

1.1 便攜式多功能花生播種裝置構(gòu)造

便攜式多功能花生播種裝置主要由主體部分、操縱部分、傳動部分、原料供給部分等組成，其三維模型簡圖、結(jié)構(gòu)示意圖、操縱部分主要受力部件（腳踏總成）示意圖分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 便攜式多功能花生播種裝置三維模型簡圖

圖2 便攜式多功能花生播種裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 腳踏總成示意圖

主體部分是整個便攜式多功能花生播種裝置的裝配基體，主要由豎桿、橫桿、扶手及連接桿組成。操縱部分用來控制傳動部分的運動，實現(xiàn)裝置的開溝、播種、施肥、覆土及其他輔助功能，包括踏板總成和手控總成兩部分。傳動部分主要實現(xiàn)動力的傳遞，主要包括連接桿、滾輪固定支架、滾輪及滾輪軸、撐桿、覆土爪、回位彈簧等零部件。原料供給部分主要用來儲存和輸送種子和肥料，包括儲料罐、供料軟管、控制按鈕、出料封口等。整個裝置的金屬部分制造材料為Q235號鋼材，其中主體部分和踏板總成基體件均為30 mm×30 mm×2 mm 鋼材，各金屬件之間根據(jù)實際工作情況采用焊接、鉚接、銷連接等方式連接。

1.2 便攜式多功能花生播種裝置工作原理

便攜式多功能花生播種裝置不僅攜帶方便，而且能一次完成開溝、播種、施肥、覆土等田間作業(yè)。它的主要工作原理如下。

1.2.1 開溝過程。將裝置豎直放置在田間合適位置，雙手扶好裝置扶手，右腳向下施力，將腳踏總成踩入泥土，完成開溝作業(yè)；松開右腳，在回位彈簧的作用下，腳踏總成回歸原位，完成復(fù)位。

1.2.2 播種過程。腳踏總成插入田間，完成開溝作業(yè)后，按下控制按鈕并撥動撥片，儲料罐中的種子沿著供料管道下落并通過打開的導(dǎo)槽封口直接落入土中，完成播種作業(yè)。

1.2.3 施肥過程。施肥作業(yè)的操作過程與播種作業(yè)基本一致。播種作業(yè)完成后，用手撥動安裝于裝置主體上的肥料放料罐開關(guān)，即完成施肥作業(yè)。

1.2.4 覆土過程。施肥作業(yè)完成后，松開右腳，腳踏總成復(fù)位，然后向前拖動裝置，覆土爪沿直線方向?qū)⑻餃吓缘哪嗤凉纹讲⒏采w在已完成播種和施肥作業(yè)的田溝上，即完成覆土作業(yè)。

2 便攜式多功能花生播種裝置的有限元靜力學分析

2.1 材料屬性定義

考慮裝置的制造成本及其在使用過程中的工作可靠性，整個裝置金屬部分的結(jié)構(gòu)件主要采用Q235號鋼材制作。Q235號鋼材的特性參數(shù)如表1所示。

表1 Q235號鋼材特性參數(shù)

2.2 模型預(yù)處理

為便于分析，用Workbench Spaceclaim 對模型進行簡化處理，即將部分細小零件進行整理合并成具有特定功能的部件，如圖4所示。

圖4 模型簡圖

用Model 模塊打開處理好的模型并建立接觸，利用Joints 和Contacts 功能將各部分部件建立如圖5 所示關(guān)系。

2.3 網(wǎng)格劃分

通過Mesh 模塊，設(shè)定整體網(wǎng)格單元尺寸3.0 mm。同時，為確保計算準確，細化接觸部分的網(wǎng)格單元尺寸，設(shè)定腳踏總成部分的網(wǎng)格單元尺寸為0.5 mm，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分圖

2.4 施加載荷及約束

對滾輪和扶手等部分進行約束，并對腳踏總成部分加載500 N的集中力，如圖7所示。

圖7 載荷與約束圖

2.5 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

2.5.1 數(shù)據(jù)分析。經(jīng)ANSYS Workbench 分析計算，提取計算結(jié)果，等效應(yīng)力云圖如圖8 所示。便攜式多功能花生播種裝置的最大等效應(yīng)力在腳踩結(jié)構(gòu)部分，為99.5 MPa；主體部分復(fù)位彈簧連接處應(yīng)力也較大，其他部分應(yīng)力很小。

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的等效應(yīng)力云圖

2.5.2 輕量化研究。由計算結(jié)果可知，該結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)化空間，尤其是主體支撐部分。通過系統(tǒng)查看，輕量化前該裝置整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為0.016 443 t。基于此，筆者將主體支撐結(jié)構(gòu)壁厚從1.0 mm優(yōu)化到0.5 mm，重新生成模型，提取結(jié)果，優(yōu)化后的整體模型質(zhì)量降至0.015 015 （t見圖9）。同時，對優(yōu)化后的模型進行結(jié)構(gòu)分析，其最大等效應(yīng)力增加至157.3 MPa（見圖10），較優(yōu)化前有所提升。

圖9 輕量化分析圖

圖10 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的等效應(yīng)力云圖

3 功能測試與對比分析

經(jīng)仿真分析后，對裝置的主體部分進行重新制作并組裝，并將其送至廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學農(nóng)學八桂田園實訓(xùn)種植基地進行功能測試與對比分析。測試場地土壤情況與廣西丘陵地區(qū)花生種植地基本相同。

3.1 便攜功能測試

該裝置裝有滾輪。根據(jù)作業(yè)需要，該裝置可在田間便利移動，且閑置時無須外力扶持、不會傾倒。測試結(jié)果表明，主體部分的輕量化提高了裝置的便攜性。

3.2 開溝功能測試

向下踩動踩片，使凸輪下壓活葉，帶動封板同時向下運動，直至封閉斜面空間；繼續(xù)施力向下踩動踩片，腳踏總成沿著主體的導(dǎo)軌繼續(xù)向下直到插入土中，即完成開溝工序（見圖11）［1］。測試結(jié)果表明，開溝工序主要與腳踏總成的運動情況和受力情況有關(guān)，因此主體部分的輕量化對開溝功能影響不大。

圖11 開溝測試

3.3 播種和施肥功能測試

按下開關(guān)，撥動撥片，存放在儲料罐內(nèi)的種子與肥料順著軟管掉入導(dǎo)槽；同時松開踏板，在回位彈簧的作用下，封板復(fù)位，導(dǎo)槽出口打開，種子與肥料掉入田間對應(yīng)的位置，完成播種和施肥工序［2］。再次檢查花生播種與肥料施入情況，兩者均落入土中約5 cm深，且間隔為10 cm 左右，滿足播種要求。測試結(jié)果表明，主體部分的輕量化對此兩項功能影響不大。這主要是因為播種和施肥功能主要由操縱部分實現(xiàn)，而在此次優(yōu)化中操縱部分同主體部分間的裝配關(guān)系沒有變化。

3.4 覆土作業(yè)測試

拖動整個裝置沿著種植方向移動，覆土爪沿直線將田溝旁的泥土刮平并覆蓋在已完成播種和施肥作業(yè)的田溝上，完成覆土工序，如圖12 所示。測試結(jié)果表明，主體部分的輕量化不影響覆土功能的實現(xiàn)，且可減輕操作者的勞動強度，提高工作效率。

圖12 覆土測試

綜上所述，對裝置的主體部分進行輕量化處理，不僅對其開溝、施肥、播種、覆土功能不會產(chǎn)生影響，而且能減小裝置的整體質(zhì)量，便于對裝置進行搬運［3］，提高了裝置田間作業(yè)的便攜性和工作效率［4］，具有一定的優(yōu)化效果。

4 結(jié)論

基于廣西丘陵地區(qū)生產(chǎn)實際，利用ANSYS 軟件對便攜式多功能花生播種裝置的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并進行田間試驗［5］。結(jié)果表明，減輕便攜式多功能花生播種裝置的主體質(zhì)量，可以提高該裝置田間作業(yè)的便攜性和工作效率，同時裝置的最大等效應(yīng)力由99.5 MPa增加至157.3MPa，提高了裝置工作的可靠性。