小型电磁振动式小麦播种机的工作原理与结构分析

黎毓鹏，樊凌风 ，郭文峰，王莎莎

(广西大学 机械工程学院，南宁 530004)



小型电磁振动式小麦播种机的工作原理与结构分析

黎毓鹏，樊凌风 ，郭文峰，王莎莎

(广西大学 机械工程学院，南宁 530004)

针对传统小型小麦播种机的缺点，设计了一种播种质量高、速度快、安全可靠、播种成本低、适应不同田间要求、采用电磁振动播种并能有效减少能耗的小型电磁振动式小麦播种机。该机田间作业时，可以将开沟、播种、平土一次完成，大大简化了小麦播种时的生产流程，有利于进一步提高播种效率，解放生产力。为此，介绍了小型电磁振动式小麦播种机的整体构造，分析了小型电磁振动式小麦播种机的工作原理，对配套部分及重要零件利用inventor自带应力分析模块建立了有限元模型。有限元分析的结果表明：小型电磁振动式小麦播种机能够满足工作要求，且各零件满足刚度和强度的要求。经过进一步的改进和研究，此机将在播种小麦方面有较大的发展前景，同时对各种低能耗播种机的研制也具有一定的参考作用。

小麦播种机；电磁振动式；有限元分析

0 引言

当今社会，农业生产已向机械化和智能化方面发展。特别是近10余年，我国农业机械化程度越来越高。在小麦播种机器方面，出现了一些不同类型的小型播种机，减轻了农民的劳动强度，提高了播种效率。目前，市场上广泛应用的小型小麦播种机能耗大、播种效率低、价格高，不利于农民抢农时、提收益、促增长、解放生产力。因此，研究出一种更节能、高效、成本低的小型小麦播种机就显得十分必要[1]。

针对传统小型小麦播种机的缺点，设计了一种播种质量高、速度快、安全可靠、成本低、适应不同田间要求、采用电磁振动播种且能有效减少能耗的小型电磁振动式小麦播种机。该机田间作业时，可以将开沟、播种、平土一次完成，大大简化了小麦播种时的生产流程，有利于进一步提高播种效率，解放生产力。本文介绍了小型电磁振动式小麦播种机的整体构造，分析了小型电磁振动式小麦播种机的工作原理。同时，通过Inventor软件对此播种机关键部位进行了有限元分析，验证了本机器能够满足开沟、播种、平土等生产流程的工作要求，并且各零件满足刚度和强度的要求。

1 整体构造

小型电磁振动式小麦播种机包括动力部分、行走机构、支架、电磁控制部分、排种部分、种子回收部分和配套部分等[2]，如图1所示。

1)动力部分：以柴油机和发电机作为动力源。(柴油机选用功率为3～5kW，发电机选用输出电压14V、输出功率500W无刷式小型硅整流发电机。

2)行走机构：由变速箱、前轮、后轮及方向盘等组成。其中，前轮和后轮可以根据地表情况进行更换不同类型的轮胎。

3)支架：主要作用是支承排种部分和种子回收部分，支架高度应满足小麦种入土深度要求。

4)电磁控制部分：包括控制盒及电磁铁等。其中，控制盒具有频率调节和功率调节功能，通过频率调节旋扭和功率调节旋扭可以方便地调整振动盘的振动频率和振幅；电磁铁用来产生一个变化的吸力作用于振动盘,使其产生振动。

5)排种部分：通过排种管分散和输送小麦种,并将种子排到田间。

6)回收部分：回收多余的小麦种。

7)配套部分：主要包括开沟器和覆土器，用来实现播种机的开沟和平土。

主要技术参数如下:

外形尺寸/mm：2 000×1 100×1 500

播种幅宽/mm：1 000

开沟深度/mm：95～105

开沟宽度/mm：48～55

作业速度/km·h-1：1.69～2.54

1.柴油机 2.控制盒 3.前轮 4.开沟器 5.离合器 6.变速箱 7.传动轴 8.差速器 9.覆土器 10.排种管 11.排种器外盒(内部为排种器) 12.遮阳顶棚 13.支撑杆 14.方向盘 15.操纵杆 16.后轮 17.座椅 18.离合器踏板 19.前进踏板 20.倒退踏板 21.支架

2 工作原理

2.1 排种器的工作原理

排种器通过电磁振动来进行排种，如图2所示。

当电磁铁产生变化的电磁力作于排种盘后，由于排种盘由弹簧片支撑，从而产生振动，排种盘通过振动把来自种子箱的种子向前推送；当种子到达分流盘分流孔时，盘的振动使架空的种子振落、分流，落入集种器回收；剩下的种子继续向前移动，种子到达分流盘出口时，落入接器种，经排种管播到田里。

2.2 整机的工作原理

播种前，先在漏斗里放入需要播种的小麦种；然后，根据农艺对小麦播种量的要求，在排种器上安装相应的分流盘；最后，调节振动频率(接近共振频率为最佳)及振幅大小(电流大小)，调好播种量，即可下田播种。播种时，播种机前进的同时打开控制盒开关，在底板下方的4个开沟器开出4条沟，小麦种子通过漏斗进入排种盘，电磁振动使其向前运动，到达分流盘；部分种子在分流孔分流，由集种器回收；另一部分种子经接种器、排种管播入开好的沟中，完成开沟和播种[3]。最后，转盘式覆土器通过拖动、旋转将两侧的土覆盖到小麦种上，从而将小麦的开沟、播种、平土工作一次性完成。

1.漏斗 2.接种盘 3.分流盘 4.接种器 5.拍种管 6.集种器7.电磁铁 8.弹簧

3 配套部分的静强度分析

根据经验，小型电磁振动式小麦播种机的主要受力部位为配套部分、车轮和传动轴，只要得出这几个部件的刚度和强度都符合要求，就可以基本确定该小型电磁振动式小麦播种机是符合工作要求的。

3.1 配套部分的组成

小型电磁振动式小麦播种机能将开沟、播种、平土一次完成。其中，开沟和平土的任务是通过配套部分实现的，如图3所示。配套部分主要包括开沟器和覆土器，能方便地从开沟器安装柱和覆土器安装柱上装上和取下，便于损坏后的更换和维修[4]。

3.2 开沟器的数学模型

对于开沟器，一般有滚动式和移动式两大类。为了方便开沟、减少阻力，选用滚动式开沟器；为了减轻开沟器质量，增强入土能力，简化结构，选用单圆盘式开沟器[5]。传统的单圆盘式开沟器一般都存在所开的沟底不平、覆土时干湿相混及侧压力过大等问题，所以选用一种新的单圆盘式开沟器，它基本上解决了上述问题。单圆盘开沟器主要由圆盘和固定在一侧的护板及其输种筒等组成[6]，如图4所示。工作时，圆盘平面垂直地面并与前进方向有一个夹角α，α的角度一般为3°～8°，这样做的目的是便于开出沟槽。单圆盘式开沟器的护板安装在圆盘的后部，目的是便于圆盘先入土。因为新的单圆盘式开沟器的前进方向与圆盘面之间有一个夹角，所以开沟器在滚动的同时会做侧向滑移，使地面形成一个断面为半椭圆形的沟。新的单圆盘式开沟器的护板与靴子式开沟器相似，它和圆盘共同作用形成新的单圆盘式开沟器，开出的沟底十分平整，没有凸尖。

1.覆土器安装柱 2.覆土器 3.开沟器 4.开沟器安装柱 5.排种管

图4 单圆盘开沟器

种沟的宽度为

K=B+C

其中，B为单圆盘切出的沟宽。随圆盘入土深度而变化，其值为

式中 H—圆盘入土深度；

R—圆盘半径；

α—圆盘与前进方向的夹角。

护板入土部位的外形与圆盘的外形相似，由其形成的沟槽宽C在不同入土深度基本不变，即

由此可知：单圆盘开沟器的沟槽宽与圆盘半径R及牵引偏角α有关，且随着入土深度的加深而加宽，但沟底形状不变。

3.3 配套部分有限元分析

3.3.1 指定材料

根据工作环境，单圆盘开沟器和覆土器的材料指定为65Mn钢。其抗拉强度为751MPa，屈服强度为437MPa[7]，泊松比为0.3，弹性模量为214MPa[8]。

3.3.2 施加约束

将开沟器刀盘中间设为固定约束，覆土器的上端面设为固定约束。

3.3.3 选择接触

采用自动接触。

3.3.4 划分网格

平均元素大小设为0.08，最小元素大小设为0.2，分级系数设为1.5，最大转角设为60°。

3.3.5 施加载荷

在工作中，圆盘刀和覆土器在各点的力随圆盘刀转角的变化而有所不同，但静强度的分析主要考虑的是强度校核，所以只在载荷最大的工况下进行计算。最大切土阻力是在切割深度达到最大的位置产生的[9]，最大覆土阻力是在转盘埋在土层中深度达到最大位置产生的。根据理论分析计算得出：切割阻力为280N，切土阻力为2 028N，最大覆土阻力3 246N。

3.3.6 有限元模型

有限元模型建立如图5所示。节点数目为12 532，元素数目为7 329。

3.3.7 等效应力云图和位移云图

经有限元分析后，计算得开沟器和覆土器的等效应力云图和位移云图[10]，如图6～图9所示。

经有限元计算可知：开沟器的最大应力在刀盘切削土壤的刀尖处，最大应力为94.26MPa，小于许用应力；最大变形发生在刀盘切削土壤的远离刀尖处，最大变形量为0.010 72mm。覆土器的最大应力在拐角处，最大应力为88.72MPa，小于许用应力；最大变形发生在覆土器的爪端，最大变形量为0.672mm。因此，开沟器和覆土器都满足强度和刚度的要求。

图5 单圆盘开沟器的有限元分析模型

图6 单圆盘开沟器的等效应力云图

图7 单圆盘开沟器的位移云图

图8 转盘式覆土器的等效应力云图

图9 转盘式覆土器的位移云图

4 车轮的有限元分析

经有限元分析计算，车轮的最大应力发生在车轮和车轮轴连接处，最大应力为50.14MPa，如图10所示。

图10 车轮的应力云图

经有限元分析计算，车轮的最大变形发生在车轮滚动的边缘，最大变形为0.013 86mm，如图11所示。

图11 车轮的位移云图

5 传动轴的有限元分析

经有限元分析计算，传动轴的最大应力发生在轴两端处，最大应力为116.7MPa，如图12所示。

图12 传动轴的应力云图

经有限元计算，传动轴的最大变形发生在中间位置，最大变形为0.024 65mm，如图13所示。

图13 传动轴的位移云图

6 结论

1 )小型电磁振动式小麦播种机的主要零件符合强度要求。

2 )小型电磁振动式小麦播种机的主要零件符合刚度要求。

3 )小型电磁振动式小麦播种机符合工作要求。

[1] 董艳，杨坚，杨晓丽，等.电磁振动排种器仿真研究[J].农机化研究,2005(6):97-99,103.

[2] 王高峰，杨坚，黄亦其,等.电磁振动式水稻芽种播种机的试验研究[J].农机化研究, 2012,34(2):122-126.

[3] 董海涛.基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计[D].南宁：广西大学,2011.

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Working Principle and Structure Analysis of Small Electromagnetic Vibration Type Wheat Seeding Machine

Li Yupeng, Fan Lingfeng， Guo Wenfeng， Wang Shasha

(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 of small electromagnetic vibration type wheat seeding machine.Analysing the small electromagnetic vibration type wheat seeding machine’s working principle.The finite element model is established by using inventor for the matching part and important parts. The results of finite element analysis show that the small electromagnetic vibration type wheat sowing machine can meet the job requirements and each part of the machine meets the requirements of stiffness and strength. After further improvement, this machine will have larger development prospects in sowing wheat aspect as well as the development of low energy consumption seeder.

wheat seeder; electromagnetic vibration type; finite element analysis

2016-01-05

广西大学国家级大学生创新创业训练计划项目(141059301)

黎毓鹏(1971-)，男，广西桂平人，工程师，硕士。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)02-0057-05