李 競(jìng)，樊凌風(fēng)，王莎莎，郭文峰

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

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基于小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的UG仿真

李 競(jìng)，樊凌風(fēng)，王莎莎，郭文峰

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

針對(duì)傳統(tǒng)小型小麥播種機(jī)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)。該播種機(jī)具有播種質(zhì)量高、速度快、安全系數(shù)大、播種成本低、適應(yīng)不同田間要求，以及能有效減少能耗等特點(diǎn)。該機(jī)田間作業(yè)時(shí)，可以將開(kāi)溝、播種、平土一次完成，大大簡(jiǎn)化了小麥播種時(shí)的生產(chǎn)流程，有利于進(jìn)一步提高播種效率，解放生產(chǎn)力。為此，介紹了小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的整體構(gòu)造和工作原理，并運(yùn)用三維軟件UG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，真實(shí)再現(xiàn)了小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)新型開(kāi)溝器的工作狀況。結(jié)果表明：小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)新型開(kāi)溝器能夠滿足工作需求。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步地改進(jìn)和研究，此機(jī)將在播種小麥方面有較大的發(fā)展前景，同時(shí)對(duì)各種開(kāi)溝器的研制也具有啟迪作用。

小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)； 開(kāi)溝器；UG；仿真

0 引言

當(dāng)前，在小麥播種機(jī)器方面，出現(xiàn)了一些不同類型的小型播種機(jī)，減輕了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加了播種效率。但是，目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的小型小麥播種機(jī)能耗較高，播種效率不高，機(jī)器購(gòu)買費(fèi)用高，不利于農(nóng)民搶農(nóng)時(shí)、提收益、促增長(zhǎng)及解放生產(chǎn)力。因此，研究出一種更節(jié)能、更高效、成本更低的小型小麥播種機(jī)就顯得十分有必要了[1]。

針對(duì)傳統(tǒng)小型小麥播種機(jī)的缺點(diǎn)，研制了一種播種質(zhì)量高、速度快、安全系數(shù)大、播種成本低、適應(yīng)不同田間要求、能有效減少能耗的采用電磁振動(dòng)播種的小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)。該機(jī)田間作業(yè)時(shí)，可以將開(kāi)溝、播種、平土一次完成，大大簡(jiǎn)化了小麥播種時(shí)的生產(chǎn)流程，有利于進(jìn)一步提高播種效率，解放生產(chǎn)力。本文利用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論結(jié)合UG軟件自帶運(yùn)動(dòng)仿真模塊，真實(shí)再現(xiàn)了小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的工作狀況，并對(duì)新型單圓盤式開(kāi)溝器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和三維仿真。結(jié)果表明：小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)能夠滿足工作需求。

1 整體構(gòu)造

小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)，包括動(dòng)力部分、行走機(jī)構(gòu)、支架、電磁控制部分、排種部分、種子回收部分和配套部分等[2]，如圖1所示。

1)動(dòng)力部分：以柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力源。

2)行走機(jī)構(gòu)：由變速箱、前輪、后輪及方向盤等組成。

3)支架：主要作用是支承排種部分和種子回收部分。支架高度應(yīng)滿足小麥種入土深度要求。

4)電磁控制部分：包括控制盒、電磁鐵等。其中控制盒具有頻率調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)功能，通過(guò)頻率調(diào)節(jié)旋扭和功率調(diào)節(jié)旋扭可以方便地調(diào)整振動(dòng)盤的振動(dòng)頻率和振幅；電磁鐵用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)變化的吸力作用于振動(dòng)盤,使其產(chǎn)生振動(dòng)。

5)排種部分：通過(guò)排種管，分散和輸送小麥種子,并將種子排到田間。

6)回收部分: 回收多余的小麥種。

7)配套部分：主要包括開(kāi)溝器和覆土器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的開(kāi)溝和平土。

2 工作原理

播種前，先在漏斗中放入需要播種的小麥種子，并根據(jù)農(nóng)藝的要求，在排種器上安裝相應(yīng)分流盤；然后調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率(使之接近共振頻率最好)及振幅的大小(即要控制好電流大小)，再調(diào)好播種小麥的量，就可下田進(jìn)行播種了。播種時(shí)，在機(jī)器前進(jìn)的同時(shí)打開(kāi)控制盒開(kāi)關(guān)，底板下的開(kāi)溝器就會(huì)開(kāi)出4條溝，小麥種子通過(guò)漏斗進(jìn)入排種盤，電磁振動(dòng)使其向前運(yùn)動(dòng)，到達(dá)分流盤，部分種子在分流孔被分流，由集種器回收；而另一部分則經(jīng)接種器、排種管播入開(kāi)好的溝中，完成開(kāi)溝和播種[3]。最后，轉(zhuǎn)盤式覆土器通過(guò)拖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)將兩側(cè)的土覆蓋到小麥種上，從而將小麥的開(kāi)溝、播種、平土一次性完成。

1.柴油機(jī) 2.控制盒 3.前輪 4.開(kāi)溝器 5.離合器 6.變速箱 7.傳動(dòng)軸 8差速器 9.覆土器 10.排種管 11.排種器外盒(內(nèi)部為排種器) 12.遮陽(yáng)頂棚 13.支撐桿 方向盤 15.操縱桿 16.后輪 17.座椅 18.離合器踏板 19.前進(jìn)踏板 20.倒退踏板 21.支架圖1 小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)整體構(gòu)造Fig.1 The whole structure of the small electromagnetic vibration type wheat seeding machine

3 開(kāi)溝器的受力

3.1 開(kāi)溝器的幾何模型

選用了一種新的單圓盤式開(kāi)溝器，主要由單圓盤和固定在圓盤一側(cè)的護(hù)板及其輸種筒等組成[4]，如圖2所示。為了便于開(kāi)出溝槽，工作時(shí)，使圓盤平面垂直于地面并與前進(jìn)方向有夾角α。為了便于圓盤先入土，將開(kāi)溝器的護(hù)板安裝在后部。因?yàn)樾碌膯螆A盤式開(kāi)溝器的前進(jìn)方向與圓盤面之間有一個(gè)夾角，因此開(kāi)溝器在滾動(dòng)時(shí)會(huì)做側(cè)向滑移(受到側(cè)向力)，使田間形成了一個(gè)斷面呈半橢圓形的溝。新的單圓盤式開(kāi)溝器的護(hù)板和圓盤共同作用形成新的單圓盤式開(kāi)溝器，溝底十分平整，沒(méi)有凸尖。

種溝寬度為

K=B+C

其中，B為切出的溝寬。隨圓盤入土深度而變化，有

式中R—圓盤的半徑；

H—圓盤入土深度；

α—圓盤和前進(jìn)方向夾角。

護(hù)板入土部位的外形和圓盤的外形比較相似，由它形成的溝槽寬深C基本不變，即

由此可知：?jiǎn)螆A盤開(kāi)溝器的溝槽寬與R、α有關(guān)，且隨入土深度加深而加寬，但溝底的形狀始終是保持不變的。

圖2 單圓盤開(kāi)溝器示意圖Fig.2 The chart of the single-disc opener

3.2 開(kāi)溝器的力學(xué)模型

開(kāi)溝器圓盤工作阻力是側(cè)移推土阻力與滾切土壤阻力之和[5]。

3.2.1 圓盤開(kāi)溝器側(cè)移推土受力分析

開(kāi)溝器為鈍角推土器，對(duì)于力學(xué)模型可以采用大傾角工作部件模型[6]，如圖3所示。圓盤開(kāi)溝器受到的阻力P為

P=(λgd2Nγ+cdNc+cadNca+γV2dNa)W

(1)

其中，P為工作部件的受力(kN)；NγNcNcaNa為無(wú)量剛系數(shù)；W為工作部件的有效寬度(m)；γ為土壤的容量(kN/m2)；c為粘著系數(shù)(kN/m2)；ca為粘附系數(shù)(kN/m2)；d為工作部件開(kāi)溝的深度(m)；V為工作的速度(m/s)。

將阻力P分解為3個(gè)分力(互相垂直)，即垂直力Pn，側(cè)向力Ps，牽引力Pd。PH為P的水平分力。則有

PH=Psin(α4+σ)

(2)

Pn=Pcos(α4+σ)

(3)

Pd=PHsinγ0=Psin(α4+σ)sinγ0

(4)

Ps=PHcosγ0=Psin(α4+σ)cosγ0

(5)

圖3 大傾角土壤工作部件的受力示意圖Fig.3 Stress of working components of large inclination angle

3.2.2 圓盤開(kāi)溝器滾切土壤受力分析

開(kāi)溝器滾切土壤時(shí)受力如圖4所示。

圖4 滾切作用力Fig.4 Force of disc rolling

(6)

E=

所以

Fdiscx=Fsx+Fex=(-1)(Dτ+Eq)

(7)

Fdiscz=Fsz+Fez=qE

將Fdisc分解，有牽引力Pd′,側(cè)向力Ps′和垂直力Pn′，于是有

Pd′=Pd1+Pd2=Fdiscxcosγ0+Fdisczcosα1sinγ0

(8)

Ps′=Ps1+Ps2=Fdiscxsinγ0+Fdisczcosα1cosγ0

(9)

Pn′=Fdisczsinα1

(10)

3.2.3 工作部件工作阻力的合成

將圓盤開(kāi)溝器的側(cè)移推土受力和圓盤開(kāi)溝器的滾切作用力進(jìn)行合成，可以得到開(kāi)溝器的3個(gè)垂直分力Pd、Ps和Pn，則有

Px=Pd+Pd′=

Psin(α4+σ)sinγ0+Fdiscxcosγ0+Fdisczcosα1sinγ0

Py=Ps+Ps′=

Psin(α4+σ)sinγ0+Fdiscxsinγ0+Fdisczcosα1cosγ0

Pz=Pn+Pn′ =Pcos(α4+σ)+Fdisczsinα1

4 小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

4.1 小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的三維建模

要進(jìn)行小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，需對(duì)播種機(jī)建立三維模型[9]。本小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)由動(dòng)力部分、行走機(jī)構(gòu)、支架、電磁控制部分、排種部分、種子回收部分和配套部分等組成。在三維軟件UG中建立三維模型如圖5所示。

1.柴油機(jī) 2.控制盒 3.前輪 4.開(kāi)溝器 5.離合器 6.變速箱 7.傳動(dòng)軸 8差速器 9.覆土器 10.排種管 11.排種器外盒 12.遮陽(yáng)頂棚 13.支撐桿 14.方向盤 15.操縱桿圖5 小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的三維模型Fig.5 Three dimensional model of small electromagnetic vibration type wheat seeding machine

4.2 創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)條件

在小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)中，加入一動(dòng)力源，其播種機(jī)前進(jìn)的速度v=1.5m/s；其驅(qū)動(dòng)條件如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)條件Fig.6 Driving conditions

4.3 運(yùn)動(dòng)仿真的解算方案

經(jīng)UG基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的綜合分析，確定好重力常數(shù)的大小和方向，確定好解算方案,如圖7所示。

4.4 開(kāi)溝器刀盤運(yùn)動(dòng)仿真的解算結(jié)果

經(jīng)UG運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)開(kāi)溝器的切割刃位置距離行程圖如圖8 所示，開(kāi)溝器切割刃位置的速度圖如圖9所示。以開(kāi)溝器的切割刃的某邊緣一點(diǎn)作位置跟蹤，其位移圖如圖10所示，速度圖如圖11所示。

圖7 解算方案Fig.7 Solution scheme

圖8 開(kāi)溝器切割刃所經(jīng)過(guò)的距離圖Fig.8 Distance diagram of cutting edge

圖9 開(kāi)溝器切割刃的速度圖Fig.9 Speed chart of cutting edge

圖10 開(kāi)溝器位移圖Fig.10 Displacement map of the opener

圖11 開(kāi)溝器速度圖Fig.11 Speed chart of the opener

由運(yùn)行的結(jié)果分析可得，開(kāi)溝器切割刃位置的運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，其速度約為1.08m/s。

由運(yùn)行的結(jié)果分析可得，開(kāi)溝器的運(yùn)動(dòng)為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的，其速度約為3.41r/s。

5 結(jié)論

1 )三維仿真軟件UG真實(shí)再現(xiàn)了小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)的工作狀況。

2 )小型電磁振動(dòng)式小麥播種機(jī)開(kāi)溝器符合工作需求。

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UG Simulation of the Small Electromagnetic Vibration Type Wheat Seeder

Li Jing, Fan Lingfeng, Wang Shasha,Guo Wenfeng

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Aimed at the shortcoming of traditional small wheat seeder, we design a high quality,high speed,safe and reliable, low cost on sowing seeds, adapting to different requirements, the electromagnetic vibration field planting, can effectively reduce the energy consumption of small electromagnetic vibrating wheat seeder.When the machine works in field ,it can finish ditching, seeding, leveling in one time, greatly simplify the production process,improving the efficiency of planting and the liberation of productive forces. This paper introduces the overall structure and working principle of the small electromagnetic vibration type wheat seeding machine.True showing the working state of the small electromagnetic vibrating wheat seeder by using UG. The results show that the small electromagnetic vibration type wheat sowing machine can meet the job’s requirements.After further improvement, this machine will have larger development prospects in sowing wheat aspect as well as the development of all kinds of opener.

a small electromagnetic vibration type wheat seeder; opener ; UG; simulation

2016-01-25

廣西大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510593025)

李 競(jìng)(1972-)，女，廣西桂林人，副教授，碩士，(E-mail)2656678203@qq.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)03-0160-05