精密播種制缽機的機構(gòu)設(shè)計及計算機輔助分析

張麗娟

(內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院 計算機與信息工程系，呼和浩特 010070)

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精密播種制缽機的機構(gòu)設(shè)計及計算機輔助分析

張麗娟

(內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院 計算機與信息工程系，呼和浩特 010070)

目前，我國農(nóng)業(yè)育苗播種中，所采用的播種制缽機還屬于機械化范疇，不具有自動化水平，不能有效實現(xiàn)精密播種需求。為此，分析精密播種制缽機優(yōu)化設(shè)計的需求，并結(jié)合Pro/Engineer軟件輔助分析，優(yōu)化了設(shè)計參數(shù)。結(jié)果表明：設(shè)計出的精密播種制缽機的機械結(jié)構(gòu)簡單、性價比高,降低了使用中缽體的破損率(降低12.0%)，提升制缽機工作可靠性(提升20.0%)，具有較大的經(jīng)濟效益?；谟嬎銠C輔助分析方法，優(yōu)化設(shè)計精密播種制缽機的機構(gòu)，可提升精密播種制缽機應(yīng)用性能。

制缽機；計算機輔助；精密播種；機械結(jié)構(gòu)

0 引言

我國當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，多數(shù)已在播種上采用了缽體育苗；然而，在缽體制造方面，還采用機械化的單獨制缽設(shè)計，不能自動化制造缽體，以滿足流水線式缽體育苗作業(yè)，降低了工作效率[1-3]。優(yōu)化設(shè)計精密播種制缽機的機構(gòu)，有助于克服制缽機育苗的生產(chǎn)規(guī)模較小的不足，提升缽機育苗生產(chǎn)效益，可以促進我國缽機育苗種植業(yè)的有序發(fā)展。

1 我國制缽機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國當(dāng)前的精密播種中，還在應(yīng)用簡塑秧盤育苗設(shè)備進行育苗，降低了育苗質(zhì)量，阻礙了機械化、現(xiàn)代化育苗的發(fā)展步伐。同時，采用單獨制缽再播種的育苗方式，不利于滿足實際精密播種育苗的自動流水線作業(yè)需求[4]。而且，在當(dāng)前的制缽機作業(yè)中，對于整個制缽機育苗環(huán)節(jié)，還需要由人工參與完成，不利于提升制缽機機械的自動化水平[5]。同時，現(xiàn)有的制缽機結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，不可以連續(xù)作業(yè)、勞動強度大，實際的作業(yè)效率也低，無形中也增加了精密播種育苗的成本[6-9]。為此，亟待應(yīng)用計算機輔助技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計制缽機機構(gòu)(見圖1)，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)精密播種，達到自動化精密育苗的要求。

2 精密播種制缽機的機構(gòu)

本次設(shè)計的精密播種制缽機機構(gòu)，如圖2所示。

1.缽模 2.導(dǎo)柱 3.支撐腿 4.沖頭 5.機架 6.手柄

1.機架 2.開合式制缽模體 3.T形桿 4.機體 5.泥斗 6.控制桿 7.沖頭 8.短連桿 9.長連桿 10.飛輪 11.傳動系統(tǒng)

工作原理：制缽機的成型腔軸線放置在與地面平行的方向，確保在成型腔內(nèi)沖壓頭可以做有規(guī)律的直線運動，并可將成型腔中的土壤壓縮，生產(chǎn)精密播種缽體。

3 精密播種制缽機

3.1 設(shè)計需求

我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中，目前多是應(yīng)用穴盤、紙筒制缽來進行種植，并結(jié)合人工喂入式進行育苗移栽。這種作業(yè)投資大，且移栽的效率較低，難以滿足大面積作物(玉米、棉花)育苗種植需要。為適應(yīng)大面積精密種植中對于制缽機的需要，根據(jù)目前農(nóng)村勞動力水平，結(jié)合傳統(tǒng)制缽育苗的優(yōu)點，優(yōu)化設(shè)計了制缽機機構(gòu)。在精密播種制缽機設(shè)計中，應(yīng)用計算機輔助分析方法及仿真輔助軟件。Pro/Engineer可用于模具、產(chǎn)品設(shè)計，可以將看到的東西都畫出來[10-13]，可以應(yīng)用該軟件來優(yōu)化制缽機機構(gòu)設(shè)計參數(shù)，滿足自動化制缽的需求，以便可以解決短時間內(nèi)勞動力不足的情況，增加其實用性[14]。同時，設(shè)計的制缽機，應(yīng)能夠在實際工作過程中，有效避免對作物種子形成機械性的損傷，為種子的發(fā)芽創(chuàng)造良好的生態(tài)成長環(huán)境。精密播種制缽機機構(gòu)設(shè)計中，確保可按育苗位置投出缽體[15]，節(jié)省移取缽體的時間與勞力，提升缽體強度均勻性，滿足實際應(yīng)用需求。

3.2 制缽機的具體作業(yè)流程

本設(shè)計的精密播種制缽機在實際中的作業(yè)流程，如圖3所示。

圖3 制缽機的作業(yè)流程

1)將已拌好的營養(yǎng)土放在攪拌箱之內(nèi)，充分地將精密播種育苗所需的營養(yǎng)基質(zhì)拌勻；將營養(yǎng)物基質(zhì)填入到?？字校M行刮平操作。此刻，在攪拌箱中的攪拌叉將會發(fā)揮作用，應(yīng)用推桿來填料，同時它也起到破壞營養(yǎng)土的“安息狀態(tài)”的作用，其在攪拌箱內(nèi)作連續(xù)回轉(zhuǎn)運動。

2)在制缽機轉(zhuǎn)盤上，確保至少有6個?？讛?shù)[16]。轉(zhuǎn)盤和?？鬃鏖g歇的轉(zhuǎn)動。由控制系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)速度及各工序能夠自由的轉(zhuǎn)移。

3)對于沖出部分，為確保制缽機的兩沖頭能夠作直線式的往復(fù)運動，可在缽體的?？字?，把營養(yǎng)土壤擠壓成型，使其能夠沖出缽體。同時，根據(jù)缽體的尺寸、土壤的壓縮比及所選曲柄滑塊機構(gòu)的桿長關(guān)系，確定工作時序。

4)在缽體的成型和沖出過程之間要有播種和覆土機構(gòu)。該機構(gòu)由棉花播種機的播種機構(gòu)演變而來，是由同步帶帶動機構(gòu)轉(zhuǎn)動，同時取一定量的種子和土壤由導(dǎo)管導(dǎo)入缽體，完成播種和覆土。

5)兩沖頭做直線往復(fù)運動。當(dāng)轉(zhuǎn)盤靜止時，由沖頭沖模而脫離?？?，再回復(fù)到?jīng)_壓位置，完成一次沖壓，同時播種輪轉(zhuǎn)一周完成一次播種和覆土；周而復(fù)始。

3.3 參數(shù)優(yōu)化

1)輔助設(shè)計壓缽裝置。壓缽裝置是一個曲柄的滑塊機構(gòu)，在制缽機作業(yè)過程中，由飛輪的圓周運動帶動制缽機的沖頭，做水平軸向的直線運動，根據(jù)在機體內(nèi)沖頭的位置變化，實現(xiàn)缽體充土與播種壓實的作業(yè)。應(yīng)用計算機Pro/Engineer輔助分析壓缽裝置，優(yōu)化壓缽裝置的設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 壓缽

其能夠?qū)⒕懿シN所需要的營養(yǎng)土，根據(jù)一定的比例，置于缽體泥斗之內(nèi)，在開啟電機之后，可通過機器中各傳動系統(tǒng)去帶動飛輪作業(yè)；此時飛輪將會因長連桿的作用，使沖頭向后運動，營養(yǎng)土在泥斗中會由于重力作用落入到缽體之中。

2)輔助設(shè)計缽體的成型裝置。在制缽機中，優(yōu)化設(shè)計其機械結(jié)構(gòu)中的缽體成型裝置，發(fā)揮該結(jié)構(gòu)(見圖5)應(yīng)用優(yōu)勢。在該結(jié)構(gòu)中，其前方往往會有一個彈簧，在控制桿作用下頂端零件也會做向上的運動，還可以通過T形桿，打開缽體的模腔。

具體制缽作業(yè)中，隨著飛輪轉(zhuǎn)動，沖頭完成充土作業(yè)后，通過該裝置就可以將營養(yǎng)土在缽體中壓制成型。

3)輔助設(shè)計多桿控制的裝置，如制缽機機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，其多桿控制裝置結(jié)構(gòu)，如圖6所示。由于該裝置就是一個搖桿滑塊，可以確保沖頭前后運動，短連桿主要是控制桿上下擺動。

圖5 缽體成型

圖6 多桿控制

在制缽機中，由于缽體的泥斗下方與制缽開合模體之間存在一段距離，且育苗使用的營養(yǎng)土自身也具有一定粘性，為確保制缽機中制缽模體的營養(yǎng)土不漏出，可通過多桿控制裝置控制。其在彈簧力作用下使制缽模體隨控制桿回退，確保制缽模體可以提前在營養(yǎng)土到達前閉合，確保營養(yǎng)缽不漏模及營養(yǎng)缽順利脫模。

3.4 計算機虛擬分析

基于計算機技術(shù)中的Pro/Engineer軟件，仿真制成虛擬的制缽機零部件模型，在建模之后，調(diào)用Pro/Engineer中的裝配模塊，根據(jù)制缽機零件進行裝配，進行運動學(xué)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的分析，以優(yōu)化制缽機機構(gòu)的設(shè)計。

電動機功率選擇：模孔的轉(zhuǎn)盤中，均勻地分布著6個孔，根據(jù)每小時制缽機的生產(chǎn)定額，則實際?？邹D(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為

n偏=6n轉(zhuǎn)盤=50r/min

設(shè)置攪拌器功率參數(shù)：在制缽機中，由于攪拌器的轉(zhuǎn)速是較低的，因此功率消耗達到P攪拌=0.27kW。

制缽機中的沖頭功率，由式P=kzn得

沖出沖頭所消耗的功率為

當(dāng)轉(zhuǎn)動模孔轉(zhuǎn)盤時，需要去克服滑軸V和轉(zhuǎn)盤間產(chǎn)生的滑動摩擦?；谵D(zhuǎn)盤、機架摩擦所消耗功率為P轉(zhuǎn)盤=0.08kW。

總功率中，傳動系統(tǒng)總機械效率η總為0.85，則電動機的功率至少應(yīng)為

電動機主要技術(shù)參數(shù)如下：

型號：Y90S-4

額定功率/kW：1.1

滿載轉(zhuǎn)速/r·min-1：1 400

質(zhì)量/kg：22

外形尺寸L×(AB/2+AD)+HD/mm×mm×mm：310×245×190

中心高H/mm：90

安裝尺寸A×B/mm：140×100

平鍵尺寸F×G/mm×mm：8×20

1)軸轉(zhuǎn)速參數(shù)。

由《機械設(shè)計師手冊》知：η直齒=0.97，η錐齒=0.94，η軸承=0.99(均取8級精度)，則轉(zhuǎn)盤所需功率為P轉(zhuǎn)盤=0.08kW。則

軸V所需功率為

軸Ⅳ所需功率為

軸III所需功率(設(shè)偏心輪機構(gòu)效率η偏=0.9)

軸Ⅱ所需功率為

軸Ⅰ所需功率為

2)可依據(jù)制缽機的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合計算機輔助仿真，有效分析出制缽機各零部件的運動關(guān)系，并裝配出制缽機，如圖7所示。

圖7 精密播種制缽機樣機機構(gòu)

基于計算機輔助仿真分析，擬采用臥式制缽方案，可以有效減少機器的豎向尺寸；并且，在制缽機中，應(yīng)用槽鋼焊接成機架，簡化機器的結(jié)構(gòu)；對于制缽機的動力系統(tǒng)，可以應(yīng)用220V單相交流去驅(qū)動機器電機。其整機豎向尺寸小，機械結(jié)構(gòu)簡單，性價比高。

4 效益分析

在本次制缽機機構(gòu)設(shè)計中，基于計算機Pro/Engineer仿真軟件優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，經(jīng)實踐應(yīng)用分析可知：設(shè)計出的精密播種制缽機的機械結(jié)構(gòu)簡單，而且性價比高,可降低使用中缽體的破損率(降低12.0%)，提升制缽機工作可靠性(提升20.0%)，具有較好應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

綜上所述，優(yōu)化設(shè)計精密播種制缽機的機構(gòu)，經(jīng)計算機輔助優(yōu)化具體的機構(gòu)設(shè)計參數(shù)，不僅可以實現(xiàn)精量播種，也可節(jié)約育苗播種中的種子用量，滿足機械化生產(chǎn)的要求，發(fā)揮積極應(yīng)用價值，實現(xiàn)自動化，在實際中推廣應(yīng)用具有發(fā)展前景。

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Computer Aided Optimization Design of the Mechanical Structure of Precision Seeding Machine

Zhang Lijuan

(Inner Mongolia Vocational College of Chemical Engineering of Computer and Information Engineering,Hohhot 010070,China)

The purpose of this paper is to study the mechanism design and application of the computer aided analysis of precision seeding machine. For in our country when the agricultural seeding, the seeding machine for making pots also belong to the category of mechanization, automation level, can not effectively achieve precision seeding demands, this analysis precision seeding bowl making machine optimization design demand, combined with computer software Pro / Engineer, and assistant analysis and optimization of design parameters. Results confirmed, not only design the precision seeding of bowl making machine mechanical structure is simple, and the price is high, reduce use of the bowl body breakage rate, reduce 12.0%, to improve the reliability of the work bowl making machine, enhance the 20.0%, play a positive effect in application. The conclusion shows that, based on the computer aided analysis method, the optimization design of the mechanism of the precision seeding machine, exert positive influence and improve the application performance of precision seeding machine.

bowl making machine; computer assisted; precision seeding; mechanical structure

2016-04-23

內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳自籌經(jīng)費科研課題(NJZC16413)

張麗娟(1981-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，講師，碩士，(E-mail)zuzhigongzuo@163.com。

S223.1

A

1003-188X(2017)05-0171-05