红树林种子泥模定位制作播种机的有限元分析

覃海英，马桂香，马俊生， 王　迪，陶建梅

(广西大学 机械工程学院，南宁　530004 )



红树林种子泥模定位制作播种机的有限元分析

覃海英，马桂香，马俊生， 王迪，陶建梅

(广西大学 机械工程学院，南宁530004 )

摘要：基于环境保护的原则，针对中国红树林已遭受严重围垦砍伐破坏的现状，在红树林生长规律的基础上，研发一种播种质量高、能耗低、可以广泛应用于红树林机械化种植的红树林种子泥模定位制作播种机。同时，分析了该机的工作原理，对其关键零部件建立有限元模型，并进行了基于Inventor的有限元分析。结果表明：播种机关键零部件的刚度和强度满足工作要求。

关键词：红树林；播种机；Inventor；有限元分析

0引言

红树林的工业、药用等经济价值高，且对生态效益起着诸多重要的作用，如存淤造滩、保岸固堤、抵御海风、消减海浪，以及净化空气和海水等。红树林错综复杂的根系可以有效地滞存陆地的来沙，从而减少近岸海域的含沙量，其茂盛粗壮的枝体可以抵御风浪袭击。目前，中国的红树林已遭受严重的围垦砍伐破坏，而且还在继续遭受破坏。由于红树林目前都是自然野生、繁衍速度极慢、自然生长种子存活率极低，因此研制一种设计结构紧凑、实用牢固可靠的红树林种子播种机十分必要。为使该机结构合理、轻巧牢固，可承受较大的负载，需引进更加合理先进的设计方法，使研究设计出的红树林播种机更加合理和科学，为以后播种机的研发、制造和生产提供更为有效的设计参考。有限元分析就是针对上述目的而提出的有效先进的设计方法。为此，利用有限元分析理论，结合三维软件Inventor自带有限元分析模块对红树林种子泥模定位制作播种机的重要零件进行刚度和强度分析，验证其是否满足使用要求。此方法可降低研发成本、明确负载范围、提高加工精度和寿命及降低制造成本，具有重要的指导意义。

1整机结构及工作原理

红树林种子泥模定位制作播种机作业时，整车车体实质是一个简单的行驶系。由于红树林的生长环境特殊，生长在海滩，所以车轮采用扇叶式，提高其行走能力，由驾驶控制室来控制机器的启停。电动机作为搅拌机动力源，目的是将白泥搅拌均匀；自动剪切机构通过1对直齿轮啮合和1对锥齿轮啮合，带动偏心轮的圆周运动；偏心轮、连杆和摆杆剪切刀构成曲柄摇杆机构，实现摆杆剪切刀的剪切动作。泥模造型机构由带圆套滑块、滑槽、模具连杆和模具曲柄构成曲柄滑块机构，再通过带圆套滑块传递动力给造型模具，实现造型模具上下运动的压泥模动作。模具压块配合造型模具的压泥模动作完成自动取模；传送带歇停机构通过拨盘与槽轮啮合传动，最终实现将连续转动变成间歇运动，使传送带每移动20cm都停0.75s；造出的泥模安放种子后直接经传送带传送后播下。

1.电动机　2.送料漏斗　3.驾驶控制室　4.整车车体行驶系

2槽轮机构的分析

2.1槽轮机构的尺寸设计

取槽轮槽数z=4。为保证槽轮的运动稳定性，据其工作的工况，选定槽轮的中心距为标准值L=140mm。考虑槽轮所受的力矩比较大，为了减少应力问题，所以选取槽顶的壁厚b=6mm。

槽轮其他各项的参数为：圆销的数目取n=1，从动轮的运动角为90°，主动轮的运动角为90°，槽口到从动轮的轴心的长度为s=98.99mm，主动轮柄的长度为R=98.99mm，滚子的半径取r=20mm。其锁止弧的半径将数值圆整为r0=65mm，起始线的两边中没有锁止弧，而主动轮的锁止弧有角度。槽轮上的槽口到槽底的深度为h=(77.98+D)mm，方程式中D为预留间隙。

2.2槽轮机构的动力学分析

槽轮的阻力矩主要来源于传动带，所以载荷的阻力矩主要来源于两端的轴承摩擦力矩。滚动轴承的摩擦力矩为

m1=f1·p1·dm=8.1N·m

m0=f0·(vn)2/3·dm×107=0.325N·m

M=m1+m0=8.425N·m

其中，与润滑剂的用量、轴承的载荷大小、转速及粘度有关的摩擦力矩的分量为m0；与滑动系数、轴承的载荷大小及滚道和滚动体的接触弹性变形量有关的摩擦力矩的分量为m1；轴承载荷为p1；载荷系数为f1；轴承的结构系数为f0；轴承的平均直径为dm；润滑油的黏度为v；轴承的转速为n。

为了检验槽轮机构的运动可靠性，进行动力学分析，如图2所示。从图2中可以看出：前0.15s槽轮力矩和速度都为0。这是由于转动转臂上的圆柱销还没进入槽轮的凹槽内，当其进入凹槽内后，开始带动槽轮一起转动，速度先是增加后再减小，转动过程中没有发生运动干涉的现象，说明该槽轮的设计是符合槽轮运动学特性的。

2.3槽轮机构的静力学分析

首先确定槽轮在1 个周期中所承受最大压力P，才能对槽轮机构进行应力的分析，其结构简图如图3所示。

槽轮绕转轴的转动惯量等式为

Jβ=M-MC

其中：M为槽轮承受的转矩；MC为槽轮所承受的阻力矩；β为槽轮角加速度；ω为槽轮转速。

负载与槽轮对转动轴中心线的转动惯量J,有

其中：m1为传送带上泥模的总质量；l1为泥模离主轴中心的长度；m2为转盘的质量；a为转盘边长。

图2　槽轮机构运动学分析

图3　槽轮机构的结构简图

于是轮圆销对槽轮的压力：rx为槽轮中心孔与圆销中心的距离；λ是与槽数有关系数，则有

用近似的方法求解最大值，有

求得最终最大的压力为

3槽轮机构的有限元分析

3.1指定材料

根据其工况，槽轮机构要具有足够的耐磨性和强度，国内常采用材料为45钢。45钢的弹性模量E=2.02×105MPa屈服极限为σs= 355MPa,其密度ρ= 7．85×105kg/mm3，泊松比μ=0.3。

3.2约束

将槽轮机构的上端面设置为固定约束。

3.3载荷

根据对槽轮机构的静力学分析，其槽轮机构相互对彼此的压力为Pmax=1317N。

3.4接触

采用自动接触。

3.5网格

平均元素大小设为0.05，最小元素大小设为0.2，分级系数设为1.5，最大转角设为60deg。如图4所示。

3.6有限元模型

有限元模型建立分别如图5、图6所示。槽轮节点数目为4 129，元素数目为2 202；拨盘节点数目为7 660，元素数目为4 370。

图4　网格设置

图5　槽轮的有限元模型

图6　拨盘的有限元模型

3.7等效应力云图和位移云图

经有限元分析后，计算得槽轮的等效应力云图和位移云图，如图7和图8所示。

图7　槽轮的等效应力云图

图8　槽轮的位移应力云图

经有限元计算：槽轮的最大应力发生在中心处，最大应力为0.050 06MPa，远小于许用应力；槽轮的最大变形发生在远离中心处，最大变形量为6.628E-006mm,故满足强度和刚度的要求。

经有限元分析后，计算得拨盘的等效应力云图和位移云图，如图9和图10所示。

图9　拨盘的应力云图

图10　拨盘的位移云图

经有限元计算：拨盘的最大应力发生在中心处，最大应力为6.636MPa，远小于许用应力；拨盘的最大变形发生在靠近外圆且接近圆柱体处，最大变形量为0.001 633mm,故满足强度和刚度的要求。

4结论

1)红树林种子泥模定位制作播种机的主要零件符合强度要求。

2)红树林种子泥模定位制作播种机的主要零件符合刚度要求。

3)红树林种子泥模定位制作播种机符合工作要求。

参考文献：

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[3]陆体文,胡文.一种新型间歇式展览机械的设计与仿真分析[J]. 包装工程，2014(11):84-90.

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[5]杨良渠.包机中外槽轮机构的力分析[J].包装工程,2004,25(6):50-51.

Design of a Mangrove Seeds Clay Localization Production Machine

Qin Haiying, Ma Guixiang, Ma Junsheng, Wang Di, Tao Jianmei

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

Abstract：Based on the principle of environmental protection, in view of China's mangrove has suffered severe deforestation reclamation, and the current are natural wild, breed very slowly, the seed survival rate is extremely low. In mangrove growth rule, on the basis of developing a seeding of good quality and low energy consumption, can be widely used in the mangrove mechanization planting mangrove seed planter clay localization production.By analyzing the working principle of the machine, the key parts to establish finite element model based on finite element analysis of Inventor.The results showed that the seed drill stiffness and strength of key parts meet the job requirements.

Key words：mangrove; sowing machine; inventor; finite element analysis

文章编号：1003-188X(2016)05-0052-04

中图分类号：S223.2+5

文献标识码：A

作者简介：覃海英(1972-)，女，南宁人，讲师，硕士，(E-mail)674053259@qq.com。

基金项目：广西大学国家级大学生创新创业训练计划项目(141059301)

收稿日期：2015-04-18