基于小型电磁振动式小麦播种机的UG仿真

李 竞，樊凌风，王莎莎，郭文峰

(广西大学 机械工程学院，南宁 530004)



基于小型电磁振动式小麦播种机的UG仿真

李 竞，樊凌风，王莎莎，郭文峰

(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，设计了一种小型电磁振动式小麦播种机。该播种机具有播种质量高、速度快、安全系数大、播种成本低、适应不同田间要求，以及能有效减少能耗等特点。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和工作原理，并运用三维软件UG进行运动学分析，真实再现了小型电磁振动式小麦播种机新型开沟器的工作状况。结果表明：小型电磁振动式小麦播种机新型开沟器能够满足工作需求。经过进一步地改进和研究，此机将在播种小麦方面有较大的发展前景，同时对各种开沟器的研制也具有启迪作用。

小型电磁振动式小麦播种机； 开沟器；UG；仿真

0 引言

当前，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，增加了播种效率。但是，目前市场上广泛应用的小型小麦播种机能耗较高，播种效率不高，机器购买费用高，不利于农民抢农时、提收益、促增长及解放生产力。因此，研究出一种更节能、更高效、成本更低的小型小麦播种机就显得十分有必要了[1]。

针对传统小型小麦播种机的缺点，研制了一种播种质量高、速度快、安全系数大、播种成本低、适应不同田间要求、能有效减少能耗的采用电磁振动播种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。本文利用运动学理论结合UG软件自带运动仿真模块，真实再现了小型电磁振动式小麦播种机的工作状况，并对新型单圆盘式开沟器进行了运动学分析和三维仿真。结果表明：小型电磁振动式小麦播种机能够满足工作需求。

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。

2)行走机构：由变速箱、前轮、后轮及方向盘等组成。

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、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，分散和输送小麦种子,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。

2 工作原理

播种前，先在漏斗中放入需要播种的小麦种子，并根据农艺的要求，在排种器上安装相应分流盘；然后调节振动频率(使之接近共振频率最好)及振幅的大小(即要控制好电流大小)，再调好播种小麦的量，就可下田进行播种了。播种时，在机器前进的同时打开控制盒开关，底板下的开沟器就会开出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，部分种子在分流孔被分流，由集种器回收；而另一部分则经接种器、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、平土一次性完成。

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 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.支架图1 小型电磁振动式小麦播种机整体构造Fig.1 The whole structure of the small electromagnetic vibration type wheat seeding machine

3 开沟器的受力

3.1 开沟器的几何模型

选用了一种新的单圆盘式开沟器，主要由单圆盘和固定在圆盘一侧的护板及其输种筒等组成[4]，如图2所示。为了便于开出沟槽，工作时，使圆盘平面垂直于地面并与前进方向有夹角α。为了便于圆盘先入土，将开沟器的护板安装在后部。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，因此开沟器在滚动时会做侧向滑移(受到侧向力)，使田间形成了一个断面呈半椭圆形的沟。新的单圆盘式开沟器的护板和圆盘共同作用形成新的单圆盘式开沟器，沟底十分平整，没有凸尖。

种沟宽度为

K=B+C

其中，B为切出的沟宽。随圆盘入土深度而变化，有

式中R—圆盘的半径；

H—圆盘入土深度；

α—圆盘和前进方向夹角。

护板入土部位的外形和圆盘的外形比较相似，由它形成的沟槽宽深C基本不变，即

由此可知：单圆盘开沟器的沟槽宽与R、α有关，且随入土深度加深而加宽，但沟底的形状始终是保持不变的。

图2 单圆盘开沟器示意图Fig.2 The chart of the single-disc opener

3.2 开沟器的力学模型

开沟器圆盘工作阻力是侧移推土阻力与滚切土壤阻力之和[5]。

3.2.1 圆盘开沟器侧移推土受力分析

开沟器为钝角推土器，对于力学模型可以采用大倾角工作部件模型[6]，如图3所示。圆盘开沟器受到的阻力P为

P=(λgd2Nγ+cdNc+cadNca+γV2dNa)W

(1)

其中，P为工作部件的受力(kN)；NγNcNcaNa为无量刚系数；W为工作部件的有效宽度(m)；γ为土壤的容量(kN/m2)；c为粘着系数(kN/m2)；ca为粘附系数(kN/m2)；d为工作部件开沟的深度(m)；V为工作的速度(m/s)。

将阻力P分解为3个分力(互相垂直)，即垂直力Pn，侧向力Ps，牵引力Pd。PH为P的水平分力。则有

PH=Psin(α4+σ)

(2)

Pn=Pcos(α4+σ)

(3)

Pd=PHsinγ0=Psin(α4+σ)sinγ0

(4)

Ps=PHcosγ0=Psin(α4+σ)cosγ0

(5)

图3 大倾角土壤工作部件的受力示意图Fig.3 Stress of working components of large inclination angle

3.2.2 圆盘开沟器滚切土壤受力分析

开沟器滚切土壤时受力如图4所示。

图4 滚切作用力Fig.4 Force of disc rolling

(6)

E=

所以

Fdiscx=Fsx+Fex=(-1)(Dτ+Eq)

(7)

Fdiscz=Fsz+Fez=qE

将Fdisc分解，有牵引力Pd′,侧向力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

将圆盘开沟器的侧移推土受力和圆盘开沟器的滚切作用力进行合成，可以得到开沟器的3个垂直分力Pd、Ps和Pn，则有

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 小型电磁振动式小麦播种机运动学分析

4.1 小型电磁振动式小麦播种机的三维建模

要进行小型电磁振动式小麦播种机的运动学分析，需对播种机建立三维模型[9]。本小型电磁振动式小麦播种机由动力部分、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组成。在三维软件UG中建立三维模型如图5所示。

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 12.遮阳顶棚 13.支撑杆 14.方向盘 15.操纵杆图5 小型电磁振动式小麦播种机的三维模型Fig.5 Three dimensional model of small electromagnetic vibration type wheat seeding machine

4.2 创建驱动条件

在小型电磁振动式小麦播种机中，加入一动力源，其播种机前进的速度v=1.5m/s；其驱动条件如图6所示。

图6 驱动条件Fig.6 Driving conditions

4.3 运动仿真的解算方案

经UG基于运动学与动力学的综合分析，确定好重力常数的大小和方向，确定好解算方案,如图7所示。

4.4 开沟器刀盘运动仿真的解算结果

经UG运动学分析，小型电磁振动式小麦播种机开沟器的切割刃位置距离行程图如图8 所示，开沟器切割刃位置的速度图如图9所示。以开沟器的切割刃的某边缘一点作位置跟踪，其位移图如图10所示，速度图如图11所示。

图7 解算方案Fig.7 Solution scheme

图8 开沟器切割刃所经过的距离图Fig.8 Distance diagram of cutting edge

图9 开沟器切割刃的速度图Fig.9 Speed chart of cutting edge

图10 开沟器位移图Fig.10 Displacement map of the opener

图11 开沟器速度图Fig.11 Speed chart of the opener

由运行的结果分析可得，开沟器切割刃位置的运动为匀速直线运动，其速度约为1.08m/s。

由运行的结果分析可得，开沟器的运动为匀速转动的，其速度约为3.41r/s。

5 结论

1 )三维仿真软件UG真实再现了小型电磁振动式小麦播种机的工作状况。

2 )小型电磁振动式小麦播种机开沟器符合工作需求。

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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

广西大学国家级大学生创新创业训练计划项目(201510593025)

李 竞(1972-)，女，广西桂林人，副教授，硕士，(E-mail)2656678203@qq.com。

S223.2+5

A

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