水稻种绳直播机改进设计及主要工作部件的有限元分析

韩　双 ，任文涛 ，李　广

(1.沈阳农业大学 工程学院，沈阳　110161；2.营口职业技术学院，辽宁 营口　115009)



水稻种绳直播机改进设计及主要工作部件的有限元分析

韩双1,2，任文涛1，李广2

(1.沈阳农业大学 工程学院，沈阳110161；2.营口职业技术学院，辽宁 营口115009)

摘要：对水稻种绳直播机的限深轮与倒绳机构进行了改进设计，并对整机的结构做了调整。其整机长度为581.8mm，质量为21.1kg，实现单体可拆卸，携带、安装方便。同时，对水稻种绳直播机的主要工作受力部件开沟器进行了有限元分析。强度分析结果表明：开沟器在线性压力下的最大等效应力为330MPa，小于45钢的屈服强度355MPa，满足强度要求。刚度分析结果表明：开沟器沿Y方向会产生受力变形，最大变形为2.0742mm，位于开沟器尾部，满足刚度要求。

关键词：水稻种绳直播机；改进设计；有限元分析

0引言

近年来，随着农村年轻劳动力不断向第二三产业转移，导致从事农业生产的劳动力短缺。与此同时，农业生产的劳动者平均年龄也在逐渐递增，农业劳动力工价不断上涨，而省工省力、低成本高收入的农作物受到农民的欢迎，使水稻直播技术受到了人们的普便关注。为了确保水稻直播的作业质量，提高劳动生产率、节约水资源、减少农药和化肥施用量、降低生产成本、减轻劳动强度，以及增加农民的经济效益，直播机在不断的改进中提出了水稻种绳直播种植技术的全新思路。水稻种绳直播技术在适合旱直播的地区以其绳条播的优势而得到逐渐推广，而轻巧节能、运输方便、容易安装定位的水稻种绳直播机的设计与生产是必然趋势。

针对课题组近些年研制的几代直播机整机质量较大、功率消耗较大及容易断绳等缺点，本文对直播机关键部件进行了优化设计。

1水稻种绳直播机主要技术参数

整机由5.5kW汽油手扶拖拉机提供动力，采用两点悬挂式，外形尺寸为581.8mm×800mm×387.2mm，总体长度大大减小；整机质量21.4kg，作业行数为2行，单体可拆卸，单体质量大大减轻；行距为200～700mm可调，携带与安装方便；限深压沟轮截面采用平底的V型结构，材质为尼龙；开沟器后面安装倒绳轮，为了减小种绳的阻力，倒绳轮上配有轴承；种绳盘单体悬挂在手扶拖拉机的扶手上，更加容易拆卸。此款机型轻巧便携、安装方便、节约能耗、结构简单。直播机主要参数如表1所示。

表1　种绳直播机主要技术参数

2直播机结构及工作原理

2.1水稻种绳直播机的工作原理

如图1所示，种绳直播机通过牵引杆中间的2个定位孔与手扶拖拉机定位连接，机架上方的套管穿到牵引杆上，通过3个空间孔定位，实现两行单体行距可调；限深压沟轮3在开沟器的前面，将限深轮与压沟轮合二为一，既能起到限制机器下限深度，又能为开沟器压出一条种沟的作用，限深压沟轮的横截面为倒梯形；开沟器采用尖角形状，在开沟器后下方安装一个倒绳轮，在开沟器开出的沟内播放种绳；覆土器将开沟器开出的种沟覆盖，镇压轮将刚刚覆盖的土壤压实。种绳缠绕在种绳盘上，悬挂于手扶拖拉机的扶手上，倒绳轮由两个倒绳轮并排安装在一起。如图3所示，种绳通过倒绳轮之间的凹槽，绕过安装在开沟器后面的倒绳轮，被覆土器上的挡板收集到的土壤覆盖，经过镇压轮的镇压作用，使种绳轻松的播放到土壤中。种绳的播放动力来自于种绳与土壤之间的摩擦力。为了减小种绳播放过程中的的摩擦阻力，种绳盘和倒绳轮上都安装有滚动轴承。为了实现水稻种绳直播机在正常作业过程中工作的平稳性，在限深压沟轮与机架的连接处安装有压缩弹簧，既能保证限深压沟轮限深和压沟的作用，又起到了减震和仿形作用；在覆土器上方安装压缩弹簧，在镇压轮两侧安装拉伸弹簧，起到了与耕作土壤保持连续一致的仿形作用。

1.牵引杆　2.压缩弹簧　3.限深压沟轮　4.机架　5.开沟器

2.2倒绳机构设计

为了减小水稻种绳在播放过程中的摩擦阻力，采用图2所示的凹槽尼龙倒绳轮对种绳进行导向、定位和输送；倒绳轮为尼龙材质，直径为40mm，总厚度为28mm，轮边厚度为4mm，槽宽20mm，双侧配套安装6201轴承，轴承内孔12mm。尼龙材料滚轮具有噪音小、不腐蚀、质量轻及价格低等优点。

种绳通过安装在机架上的两个倒绳轮中间的凹槽向下输送(见图3)，使种绳盘上缠绕的种绳直接垂直定位，通过开沟器后面的倒绳轮直接下到开沟器开出的沟内，再由覆土器和镇压轮进行覆盖和压实。种绳在播绳过程中仅进行了一点定位和一点转向，每个倒绳轮上双侧都安装有轴承，种绳与倒绳轮之间是滚动摩擦，减小了种绳的播放阻力，使播放到沟内的种绳更加精准。

图2　凹槽尼龙倒绳轮

图3　倒绳轮的空间位置

2.3限深压沟轮的设计

设计安装限深轮的目的是控制农业机械陷入土壤的深度，对农机具起到一定的支撑和平衡的作用。而本文改进设计的水稻种绳直播机的限深轮不仅要起到限深和平衡的作用，还要在开沟器的前面预压出一条种沟，以减小开沟器的开沟阻力。本文对限深轮进行了改进设计，对限深轮的轮缘进行车削加工处理，形状如图4左视图所示。为了保证轮子依然能够起到限深的作用，轮的外边缘宽度为15mm，限深压沟轮的厚度为45mm，外边缘直径为190mm，限深压沟轮依靠直播机自身质量和手扶手柄调节下陷量，在开沟器前面预先压出一条浅沟，开沟器在后面再开出一条设定深度的种沟。限深压沟轮压出的浅沟，既增加了限深轮的限深的作用，也减小了开沟器的开沟阻力。

图4　限深压沟轮

3开沟器模型的有限元分析

开沟器开出的种沟深度会因土壤种类和土壤含水量的不同而不同。在开沟器上方设有3个定位孔，可以实现开沟深度20、35、50mm3个挡位进行调节；实际播种过程中，根据土壤的类型和土壤墒情进行调节。

开沟器是直播机工作的主要受力部件，为了分析开沟器的工作状态和所受外力及产生的变形效果，利用ANSYS软件对开沟器模型进行了强度和刚度的有限元分析。

3.1有限元模型的建立

开沟器材料为45#钢，密度为7 850kg/m3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，屈服强度是355MPa，拉伸极限为600MPa，经过UG软件测量开沟器质量为0.583 8kg。

开沟器由曲面与开沟器支架焊接而成，利用UGNX7.0软件进行实体建模，并将模型导入到ANSYS软件中进行操作。开沟器ANSYS实体模型，如图5所示。

图5　开沟器ANSYS实体模型

3.2网格划分

采用SOLID187/SOLID186单元类型对开沟器实体模型进行网格划分，生成开沟器有限元模型，共生成5 304个单元，22 907个节点。开沟器有限元参数如表2所示，生成开沟器有限元网格如图6所示。

表2　开沟器有限元参数

图6　网格划分

3.3边界条件与施加载荷

为了分析开沟器单体的受力状况，将开沟器顶部3个通孔全约束，如图8左图所示。3个通孔的圆环面为施加约束的位置。边界条件中要对开沟器进行载荷加载，开沟器工作阻力Fi为

Fi=kah

其中， k为土壤比阻，一般取k=70-120kPa，此处为检验开沟的强度，取上限120kPa；a为开沟器开沟宽度，模型设计值为34mm；h为开沟器入土深度，按照模型设计开沟曲面高度为70mm。

将各值代入到公式中，得出开沟器开沟阻力为F=285.6N。考虑在实际作业中各种因素影响，开沟器工作阻力按6倍计算，即F=1 713.6N。

开沟器曲面面积进行测定，如图7所示。曲面面积为S=3 679.2mm2。按照开沟阻力均布计算开沟器施加载荷为P=F/S=0.47MPa，取0.5MPa。

图7　开沟器曲面拾取

开沟器在土壤中工作，土壤深度不同给开沟器曲面的压力也是不同的。考虑这一点，近似认为土壤给开沟器压力从深到浅是线性分布(见图8)，即开沟器底部受力最大，承受0.5 MPa载荷的线性压力，曲面顶部压力为0。

图8　开沟器边界条件与线性载荷加载

3.4强度分析

开沟器曲面受到土壤的表面载荷作用，在ANSYS中，可以将表面载荷施加在线和面上，也可以施加在节点和单元上，既可以成均布载荷，也可以成线性载荷。选择List—Loads—On picked Nodes命令，实现线性压力的变化，选择等分的节点，列出压力载荷，如图9所示。

图9　开沟器等效应力分布云图

通过对水稻种绳直播机开沟器等效应力图的分析可知，应力主要集中在开沟器最下面的定位孔的位置。经计算，开沟器在线性压力下的最大等效应力为330MPa，标注点的位置为最大等效应力点。开沟器使用材质为45钢，屈服强度为355MPa，开沟器结构能够满足强度要求。

3.5刚度分析

据分析，开沟器沿Y方向会产生受力变形，图10为开沟器总体变形图，最大变形为2.074 2mm，位于开沟器尾部。开沟器尾部安装有倒绳轮，由于倒绳轮下边缘在开沟器底部以下，所产生的变形对种绳播放的深度影响不大，能够满足刚度要求。

图10　开沟器总体变形

4结论

1)对水稻种绳直播机的倒绳机构进行了改进设计，采用空间放置的3个凹槽尼龙轮对种绳进行导向、定位和输送，减小了种绳的播放阻力，使播放到沟内的种绳更加精准。

2)对限深轮进行了改进设计，改进后的限深轮不仅有限深和平衡的作用，还起到预压种沟及减小开沟阻力的作用。

3)对水稻种绳直播机的开沟器进行了有限元分析，结果表明：开沟器最大等效应力为330MPa，小于45钢的屈服强度355MPa，满足强度要求；开沟器沿Y方向的最大变形量为2.074 2mm，位于开沟器尾部，满足刚度要求。

参考文献：

[1]任文涛,吕小荣,张本华.水稻种绳直播机对地表不平度的动态响应[J].农业机械学报，2009,40(8):58-61.

[2]任文涛,李显生,崔红光.种绳直播技术对水稻产量性状的影响[J].沈阳农业大学学报, 2005,36(3)：256-270.

[3]任文涛,崔红光,辛明金. 乳芽直播种植技术条件下水稻生长特性的研究[J].农业工程学报, 2003,19(5):91-96.

[4]任文涛,韩双,石鹏.水稻种绳直播机作业参数对种绳覆土厚度影响的试验[J].农机化研究,2013，35(5)：167-169.

Abstract ID:1003-188X(2016)01-0062-EA

Improved Design and Finite Element Analysis of the Main Working Parts of Rice Rope Direct Sowing Machine

Han Shuang1,2, Ren Wentao1, Li Guang2

(1.Shenyang Agriculture University College of Engineering,Shenyang 110161,China; 2.Yingkou Vocational and Technical College,Yingkou 115009,China)

Abstract：This paper make the improved design on Depth wheel and Inverted rope mechanism of Rice rope direct sowing machine, adjust the mechanism of machine which the length is 581.8mm, weight is 21.1kg, Conveniently to install and assemble and the Single part is detachable. Opener is the main working parts of rice rope direct seeding machine ，the finite element analysis has been done on the furrow opener. The results showed that the maximum equivalent stress is 330MPa, Less than the Yield strength 355MPa of 45 steel; The maximum deformation of Furrow opener along the Y direction is 2.0742mm, can satisfy the intensity and the rigidity requirement.

Key words：rice rope direct seeding machine；improved design；finite element analysis

文章编号：1003-188X(2016)01-0062-04

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

作者简介：韩双(1981-)，女，辽宁辽阳人，讲师，博士研究生，(E-mail)32284736@qq.com。通讯作者：任文涛(1958-)，男，辽宁海城人，教授，博士生导师，(E-mail)rwt@syau.edu.cn。

基金项目：教育部博士点基金项目(20092103110003)

收稿日期：2015-01-06