馬鈴薯大壟三行鋪膜播種機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計與靜力學(xué)分析

摘要：結(jié)合遼西地區(qū)對馬鈴薯栽培的農(nóng)藝要求，研究設(shè)計一種馬鈴薯大壟三行播種機(jī)，在探討關(guān)鍵零部件設(shè)計思路的基礎(chǔ)上，基于Solidworks 2015對關(guān)鍵零件進(jìn)行建模和有限元分析，對工作過程中所受應(yīng)力較大的零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，為優(yōu)化機(jī)具作業(yè)質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：播種機(jī);馬鈴薯;設(shè)計;靜力學(xué)分析;強(qiáng)度校核

中圖分類號：S223.2+4; S532? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2021）06-0030-04

遼西屬于典型的丘陵山區(qū)，每年降水量變化幅度不大但存在分配不均的情況，表現(xiàn)為夏季降雨量多、春季少雨、冬季以降雪為主，積雪覆蓋地表的時間較長。這里的土地相對肥沃，有較大面積的黑土地種植馬鈴薯。結(jié)合遼西地區(qū)對馬鈴薯栽培的農(nóng)藝要求，研究設(shè)計一種馬鈴薯大壟三行鋪膜播種機(jī)，在探討關(guān)鍵零部件設(shè)計思路的基礎(chǔ)上，基于Solidworks 2015對關(guān)鍵零件進(jìn)行建模和有限元分析，對工作過程中所受應(yīng)力較大的零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，為優(yōu)化機(jī)具作業(yè)質(zhì)量提供數(shù)據(jù)支持。

1 機(jī)架設(shè)計與靜力學(xué)分析

1.1 機(jī)架設(shè)計

機(jī)架是馬鈴薯大壟三行鋪膜播種機(jī)最重要的承載部件，其作用是固定和連接各工作部件，如開溝器、種箱、肥箱、輔助部件等，且在機(jī)具工作過程中傳遞牽引力。所以，機(jī)架強(qiáng)度和質(zhì)量對整機(jī)裝配和播種質(zhì)量具有重要影響。在滿足工況的條件下，機(jī)架結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，以減少機(jī)具質(zhì)量和制造成本。

設(shè)計機(jī)架時應(yīng)綜合考慮機(jī)架工作時所處的環(huán)境，使其與各部件的連接有一定的可靠性、緊實性、難變形性，且在一定范圍內(nèi)有可調(diào)性，以滿足不同的作業(yè)要求。基于種薯的特殊性，在機(jī)架上設(shè)計人工補(bǔ)種座椅。從改進(jìn)提高方面考慮，留出足夠的空間用于設(shè)計改進(jìn)。從外形美觀考慮，在保障完成工作的前提下，縮小機(jī)具的總體尺寸。

參考當(dāng)前普遍使用的成型產(chǎn)品，機(jī)架采用由50 mm×50 mm×5 mm方形管和50 mm×30 mm×5 mm矩形管共同組成的框架結(jié)構(gòu)，中間增設(shè)兩縱梁。采用焊接連接方式，減小播種機(jī)作業(yè)和懸掛時的變形。機(jī)架三維模型如圖1所示。

1.2 機(jī)架靜力學(xué)分析

在運輸過程中，拖拉機(jī)上的液壓機(jī)構(gòu)通過三點掛接機(jī)構(gòu)提升整機(jī)，故其牢固穩(wěn)定性至關(guān)重要。三點掛接機(jī)構(gòu)由50 mm×30 mm的方管通過焊接、螺栓等方式連接為直角三角形。在馬鈴薯播種機(jī)被提升時，三角形斜邊承受的彎曲應(yīng)力最大，為此，對三點掛接機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過建模仿真找出易受損部位。將三角機(jī)構(gòu)的下邊作為固定面，對上方做出一定量壓力，其靜力學(xué)分析如圖2所示。

由圖2可知，三角形斜邊中部所受彎曲應(yīng)力最大。若三角部位受損，其斜邊中部將出現(xiàn)破壞點，應(yīng)通過加厚斜邊方管來延長機(jī)架使用年限。

2 開溝器設(shè)計與靜力學(xué)分析

2.1 開溝器設(shè)計

在保證種肥播深一致的前提下，開溝器的作業(yè)性能影響種質(zhì)量。開溝器設(shè)計要求：1） 具有較好的入土性能，不易發(fā)生纏雜草和堵塞現(xiàn)象;結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)整。2） 開溝深度可在特定區(qū)間調(diào)節(jié)，溝槽溝形整齊平直。3） 開溝時不擾亂土層，且有一定的回土效果。工作時，將肥料和種子引導(dǎo)至濕土部分，使?jié)裢粮采w種子和化肥。

開溝器的種類繁多，按入土角度可分成兩大類，即鈍角開溝器和銳角開溝器。銳角開溝器所受阻力小，入土性能好;鈍角開溝器入土性能較差，但開出的溝槽底面平坦整齊。為滿足開溝器入土性能良好、開溝深度一致、溝形整齊平直、溝底平整、溝寬適度等要求，采用如圖3所示的滾動式圓盤開溝鏟。

2.2 開溝圓盤的靜力學(xué)分析

工作過程中，圓盤滾動式開溝器刀片在自重和機(jī)架的作用下切開土壤，并與播種機(jī)前進(jìn)方向呈一定角度，形成種溝或肥溝。在此過程中，開溝器的刀片切割土壤，對刀片產(chǎn)生很大的反作用力。刀片的主要受力面在刀鋒和對外側(cè)面。若圓盤滾動式開溝器受損，其破壞點主要出現(xiàn)在這兩個部位。通過對圓盤滾動式開溝器刀片建模并進(jìn)行靜力學(xué)分析，找出刀片的易受損部位。

在靜力學(xué)分析中，固定面選在刀片中間的軸孔，對刀片刀鋒處施加一定壓力，并施加與刀面呈30 °的壓力，其靜力學(xué)分析如圖4和5所示。刀片的刀鋒與側(cè)面所受應(yīng)力最大，若出現(xiàn)破壞點，則可能出現(xiàn)刀片斷裂或刀鋒遲鈍等現(xiàn)象。為保證開溝器的使用壽命和工作效率，應(yīng)對刀片進(jìn)行加厚并選擇強(qiáng)度較大的材料。

3 排種器設(shè)計

目前，馬鈴薯排種器有帶勺式、鏈勺式、勺盤式、叉夾式、針刺式等。鏈勺式排種器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，使用可靠，排種穩(wěn)定性好，不傷薯種，易于維修，因此應(yīng)用最為廣泛。為保證勺碗在上升過程中穩(wěn)定，將主動軸設(shè)置在導(dǎo)種管上方，取種一邊為鏈條緊邊，使勺碗始終保持水平狀態(tài)。圖6為排種器模型和示意圖，圖7為排種勺鏈工程圖。

在等距分布勺碗的排種勺鏈和鏈條傳動驅(qū)動下，驅(qū)動輪做環(huán)形運動。排種勺鏈自下而上穿行，在勺碗的作用下把種薯帶出、升起。上升過程中勺碗中多余的種子在機(jī)具振動、鏈條抖動等外力作用下掉入種箱。當(dāng)種塊翻越種箱上方的鏈輪頂端后，被拋向前方的勺碗內(nèi)，種塊隨勺碗在排種導(dǎo)管中等距運行，最后離開導(dǎo)種管落入溝槽。

排種器參數(shù)：1） 作業(yè)速度與勺碗的速度相同或呈正比。若勺碗速度≤0.5 m/s，可達(dá)最佳播種質(zhì)量。勺碗速度隨鏈輪線速度變化，若勺碗速度>0.5 m/s，則播種質(zhì)量顯著下降，重播、漏播情況嚴(yán)重。因此，鏈輪線的最大作業(yè)速度應(yīng)≤0.5 m/s。2） 鏈工作長度L。若鏈條過長，會引起兩鏈輪間距離變大，從而使輸種距離變大，漏種率增加;若鏈條太短，則清種時間短。鏈條總長度應(yīng)根據(jù)中心距選取，確定為2 180 mm。3） 轉(zhuǎn)速直接影響排種的均勻度。若鏈輪轉(zhuǎn)速過小，會引起脈動頻率和排種均勻度下降;若鏈輪轉(zhuǎn)速太高，會使漏種率和傷種率急劇上升。按照相關(guān)播種要求，轉(zhuǎn)速應(yīng)小于50 r/min。4） 勺碗形狀影響充種效果，充種率要高、傷種率要低。勺碗由2 mm厚的材料沖壓而成。為保證薯塊有效充種，勺碗寬度應(yīng)不小于種長1/2，不大于1.5倍的種子厚度。因薯塊大小為20 mm×20 mm×20 mm，所以選用厚度17 mm、直徑50 mm的半圓形勺碗，勺碗的邊緣處外翻。每個升運鏈等距分布19個勺碗。

4 仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計

常見的仿形機(jī)構(gòu)有平行四桿仿形、單點單鉸接仿形、多桿雙自由度仿形。由于播種前需耕整土壤，故采用單點單鉸接機(jī)構(gòu)仿形。

5 起壟裝置設(shè)計與靜力學(xué)分析

5.1 起壟裝置設(shè)計

起壟高度和寬度是影響馬鈴薯播種質(zhì)量的關(guān)鍵因素。完成施肥播種后，起壟葉片在自重和液壓機(jī)構(gòu)的作用下切入地表一定深度，刀軸旋轉(zhuǎn)帶動葉片相對機(jī)組做回轉(zhuǎn)運動。刀片與機(jī)組前進(jìn)方向按一定角度成螺旋排列，葉片回轉(zhuǎn)運動將地表土壤向旋轉(zhuǎn)內(nèi)側(cè)撥動、兩側(cè)土壤向中間集中，形成壟和溝。合理的起壟高度和寬度能減少對鋪膜工作的影響，保證種薯透氣性良好，出苗整齊。起壟裝置模型如圖7所示，可通過液壓缸調(diào)節(jié)起壟寬度。

5.2 起壟葉片靜力學(xué)分析

工作過程中，起壟刀片與前進(jìn)方向呈一定角度，在自重和機(jī)架的作用下切入土壤，通過自身回轉(zhuǎn)將刀片附近的土壤向中間撥動，再由平土托板將土壤鋪平，從而形成大壟。刀片側(cè)面彎曲處所受應(yīng)力最大。在靜力學(xué)分析中，固定面為3個螺栓孔連接處，在刀片外側(cè)呈30 °夾角處施加壓力，其靜力學(xué)分析結(jié)果如圖8和9所示。

由圖8和9可知，刀片側(cè)面所受的應(yīng)力為極值，螺栓孔附近是應(yīng)力集中的地方，若出現(xiàn)破壞點，則可能出現(xiàn)刀片斷裂等現(xiàn)象。為保證起壟刀片的使用壽命和工作效率，應(yīng)增加其厚度和光滑性，并采用合理強(qiáng)度的材料。

6 鋪膜機(jī)構(gòu)設(shè)計

馬鈴薯發(fā)芽適宜溫度在5～8 ℃之間鋪膜的作用是在大環(huán)境溫度較低時為種薯提供適宜的生長環(huán)境。先播種后覆膜可使土壤的水分蒸發(fā)量減少，能夠節(jié)水、保肥、保墑和抑制雜草泛濫。長時間高溫可促使種薯發(fā)大芽，這是提高其質(zhì)量和產(chǎn)量的有效措施。鋪膜機(jī)構(gòu)主要由掛膜輥、壓膜輥、壓膜輪和覆土鏟等組成，適于寬度為120～140 cm的薄膜，零部件更換簡單。鋪膜機(jī)構(gòu)如圖10所示。

7 結(jié)論

遼西是遼寧省馬鈴薯主要種植區(qū)域，結(jié)合區(qū)域自然條件和農(nóng)藝要求，推廣應(yīng)用馬鈴薯大壟三行播種模式及機(jī)具意義深遠(yuǎn)。排種器的參數(shù)選擇是否合理和最優(yōu)，是提高馬鈴薯產(chǎn)量的重要因素。利用Solidworks軟件中的Simulation對機(jī)具受力最多的部件（機(jī)架、開溝器、起壟機(jī)構(gòu)）進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果表明：應(yīng)通過加厚斜邊方管來延長機(jī)架使用年限;開溝器刀片的刀鋒與側(cè)面應(yīng)加厚并選擇強(qiáng)度較大的材料;為保證起壟刀片的使用壽命和工作效率，應(yīng)增加其厚度和光滑性，并選用合理強(qiáng)度的材料。

參考文獻(xiàn)

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Design and Statics Analysis of the Key Components of Potato Large Ridge

Three-row Film Planter

CHEN Mengchao

（Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China）

Abstract： Combined with the agronomic requirements of potato cultivation in western Liaoning province， a large ridge three-row potato planter was designed. On the basis of discussing the design ideas of key parts， modeling and finite element analysis of key parts were carried out based on Solidworks2015， and intensity check was carried out for parts with greater stress in the working process，in order to provide data support for optimizing the operation quality of machines and tools.

Key words： planter; potato; design; statics analysis; intensity check

收稿日期：2020-11-16

作者簡介：陳孟超（1986—），女，碩士，工程師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械方面的設(shè)計與研究工作。