新型可控变胞式小麦播种机的结构设计及动态稳定性分析

秦立方 娄玉印 于 瑛

（广西科技大学鹿山学院，广西 柳州545000）

基于提高劳动效率、强化整机可控性和平顺性的原则，本文研发了一种新型可控变胞式小麦播种机，该机构具有结构简单、工作效率高、稳定高、可靠性强的特点[1-2]。

变胞机构是现代机构学研究的重要分支，是当今机构学的研究热点[3]。先介绍了新型可控变胞式小麦播种机的结构及工作原理，其次，基于小麦播种机构态发生变化时，容易产生系统冲击，以致导致整机失稳，本文以新型可控变胞式小麦播种为研究对象，运用动力学理论得出可控变胞式小麦播种机全构态动力学模型并运用matlab 分析得出小麦播种机输出点的固有频率及时域响应曲线，最后，以变胞式小麦播种机动态稳定性为度量指标，结合Newmark 法运用matlab 软件求解出变胞式小麦播种机的动态响应相图，进而验证了该新型可控小麦播种机的动态稳定性[4]。结果表明：（1）该新型可控变胞式小麦播种机构态发生变化时系统稳定。（2）该新型可控变胞式小麦播种机具有一定的可行性和可靠性，具有一定的推广价值。

1 结构分析及创新点

1.1 结构介绍

该新型可控变胞式小麦播种机，包括行走机构、提升机构、播种机构、控制机构。其机构图如图1 所示。

（a）可控变胞式小麦播种机构态一

图1 可控变胞式小麦播种机结构简图

所述的行走机构主要包括车身1 组成，选用独立柴油机提供动力，对各种播种地形均能很好适应。所述提升机构包括第一连杆3、第二连杆4、第四连杆8、第六连杆12、第七连杆13、第九连杆15。所述控制机构包括电动机一2、电动机二11 组成。电动机一2 和电动机二11 主要控制播种机的提升运动和下降运行。

电动机一2、电动机二1 控制提升机构下降至水平位置，电动机一2、电动机二1 停止转动，提升运动与车身1 固连在一起实现播种运动。电动机一2、电动机二1 停止转动后，在播种过程中，根据土壤硬度不同，播种机9 在弹簧一5 和弹簧二9 作用下上下小幅度运动，提高整机的平顺性。当播种结束后，电动机一2、电动机二1 控制提升机构上升运动，弹簧一5 和弹簧二9与提升机构固连在一起，播种机9 停止播种。

1.2 创新点

该新型可控式小麦播种机具有以下特点：（1）打破传统机构设计观念，根据工况不同其构态不同，以适应不同的工况。（2）结构简单、工作效率高、稳定高、可靠性强的特点，能适应各种地形，具有一定的推广价值。

2 小麦播种机动力学分析

2.1 运动学分析

图2 可控变胞式小麦播种机构态一结构简图

（1）该新型可控变胞式小麦播种机当处于第一构态时（如图2 所示），θ1为输入端，当l1、l2共线时，由几何关系得公式（1-2）：

（2）当该新型变胞小麦播种机当处于第二构态（如图3 所示）。

图3 可控变胞式小麦播种机构态二结构简图

根据土壤粘性系数、播种机重量G、弹簧系数K 可假设设定：

2.2 机构系统弹性动力学模型

可控变胞式小麦播种机如图4 所示。

图4 可控变胞式小麦播种机构有限元模型

纵向弹性位移-

横向弹性位移-

弹性转角-

曲率-

2.3 受力分析

当小麦播种机在构态变化时内有冲击力，假设冲击力按照三角形分布规律变化如公式（3）所示：

T1- 碰撞时间

tp- 碰撞时刻

3 动态稳定性分析

3.1 小麦播种机机构参数

l1=250mm，l2=400mm，l3=530mm，l4=370mm，各杆件截面均相同，宽度b=30mm，高度h=50mm，密度为

ρ=7.85×103kg/m3，弹性模型

E=201GPa，弹簧系数k=1.86N/m，xmin=10mm，xmax=20mm，运行时间1s，碰撞时刻0.2s。

3.2 分析方法

运用Newmark 对小麦播种机进行分析，其迭代过程如公式（4）所示：

δ、μ-Newmark 积分常数

Δt- 时间步长

3.3 仿真分析

图5 可控变胞式小麦播种输出点Q 一阶固有频率

图6 可控变胞式小麦播种输出点P 一阶固有频率

运用数学工具matlab 进行仿真分析得出可控变胞式小麦播种输出点的动态稳定性（如图5-8 所示）。由图5 和图6 可知：可控变胞式小麦播种在构态发生变化时，一阶固有频率没有发生太大突变，该系统具有一定的稳定性。

图7 可控变胞式小麦播种输出点Q 相图

图8 可控变胞式小麦播种输出点P 相图

由图7-8 可知：可控变胞式小麦播种机输出点弹性位移的相图在变胞过程中虽然受到冲击力和重力的作用没有收敛于原点，但最终收敛，验证了该新型机构具有一定的稳定性。

4 结论

4.1 本文讲述了新型变胞式小麦播种机的结构原理、变胞过程及创新点。

4.2 本文根据振动学理论得出新型小麦播种的动力学方程，并采用matlab 仿真得出小麦播种机输出点固有频率和时域响应，验证其振动特性。

4.3 本文以动态稳定性为衡量目标，采用matlab 仿真分析得出小麦播种机输出点相图，验证系统稳定性。