青稞免耕播种机排肥器的设计

罗军华 苏玉军 寇晓峰

摘要：青稞免耕播种技术是西北旱地作业保护耕作的新型技术，也是研究和实现保护目的难度最大的新型技术，主要原因是作业环境是硬茬地播种，特殊的作业环境对设备的要求比较特殊，青稞播种机工作时通过硬茬时工作的土壤性质不容乐观，在播种时通过减少耕地次数，对地表进行微地形改造达到传统作业的目的，从而达到减少对土地的破坏，保护我国的土地，为保护生态环境多出贡献。

关键词：播种机;排肥器;青稞

中图分类号：S776.24+3                                  文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）14-0238-03

0  引言

本文章利用SOLIDWORKS对青稞免耕播种机的动力源、传动总成系统、播种系统、排肥系统、开沟系统、覆土系统等进行三维建模，使用ANSYS Workbench的结构（structural）和流体（fluent）子模块对其播种机分析，其中动力源为内燃机，本文主要阐述排肥器相关内容。

1  排肥器黑箱法

青稞免耕播种机排肥器的设计首先利用黑箱法对排肥器的功能进行确定，黑箱如图1所示。

通过黑箱法确定了排肥器工作的功能、输入、输出、信息、能量、从环境吸收的、对环境造成的影响等。

2  排肥器各零件的设计

对排肥器的零件进行设计，排肥器主要包括肥箱支架、排肥器轴、肥箱盖固定支架、肥箱盖、排肥轴固定端盖、排肥器链传动支撑板、排肥量显示板等零件，排肥器这些零件在设计和绘图过程中的主要参数如下：

排肥器轴是排肥过程的重要零部件，设计的好坏直接影响排肥的效果，还要通过旋转实现传动，轴的设计必须满足扭矩力学要求，在设计中设计排肥器轴长2200mm、周径Φ14mm，毛坯制造形式选择锻造获得;肥箱盖固定支架主要作用是固定肥箱盖，技术要求可以放低，实现螺栓的良好配合，保证肥箱盖两边链接的同轴度，进而转化为提高固定板的平面度，在设计中设计它的长55mm、宽30mm、高100mm，肥箱盖固定支架的钢板毛坯选择通过热轧获得;排肥器链传动支撑板用于支撑排肥传动轴，设计时与轴的配合部分配合精度要求高，为实现良好的配合，在设计中设计排肥器链传动支撑板的长455mm、宽104mm、高12mm，肥箱盖固定支架的钢板毛坯选择通过热轧获得;肥箱支架用于支撑肥箱，刚度要好，具有牢固支撑肥箱的可靠度，在设计中设计肥箱支架的长480mm、宽320mm，肥箱盖固定支架的毛坯的通过铸造获得。

肥箱分为肥箱箱体、肥箱盖和肥箱端盖，肥箱是通过分块制造，然后合并到一起，在设计中设计肥箱端盖的长282mm、宽200mm、高15mm;在设计肥箱箱体的长2020mm、宽282mm、高185mm;在设计中设计肥箱盖的长2100mm、宽347mm、高20mm，针对肥箱提出如下技术要求，排肥器肥箱端盖，表面不得有变形、缩痕、毛刺现象，更不能出现飞边现象，排肥器肥箱盖，未注圆角半径R2，喷漆红色面漆;排肥量显示板是用于使用者观测排肥量的部件，在设计中设计排肥量显示板的长130mm、宽80mm、高60mm，此外还有部分尺寸位于CAD二维图纸，公差允许偏差±0.5mm。

最终设计得到的装配体如图2中所示。

综上所述，2BDQM青稞免耕播种机的排肥器各工件的毛坯制造形式主要如下：肥箱支架-铸造;排肥器轴/方钢-锻造;肥箱盖固定支架/钢板-热轧;肥箱盖/钢板-热轧;排肥轴固定端盖/尼龙-复杂工艺过程的聚合物;排肥器链传动支撑板/钢板-热轧;排肥量显示板/钢板-热轧。

3  链传动设计

为了能够保证排肥器的负载性能和安全性能，有必要对设计的排肥器进行链传动设计。（图3）

3.1 链轮齿数Z1、Z2和传动比

查阅手册和相关设计经验发现对小链轮齿数的多少对链传动影响较大，如图3选择合理对链传动的平稳性和工作寿命的长短影响很大。在相同的链节距下，齿数比较少可缩小外轮廓的尺寸大小，但往往在设计中齿数不能过少，过少齿数的设计会带来许多问题，例如：①增加链在工作过程中的不均勾性和动载荷随之增加，传动稳定性较差，导致设备出现抖动现象;②链条传动过程中进入链轮时和退出链轮时链节之间的相对转角也随之增加，传动稳定性较差，导致设备出现抖动现象，更为严重的是加速链条与链轮之间的相互磨损;总之，①②两个原因的存在会降级链和链轮的使用寿命。

此外，在链节距相同的情况下，齿数少的一个链轮直径小于直径大的链轮，在传递相同大小力的同时，链轮齿数过少会使工作时的拉力随之增加，同样也会造成加速链和链轮的损坏和提前结束生命周期，根据作用力和反作用力原理肯定会增加轴承和排肥器链传动支撑板的载荷。查阅资料链节距的增长量⊿P和啮合圆外移量⊿d'之间相互存在如式（1）关系（链节距增长量和节圆外移量关系见机械设计手册链部分）。

根据分析和查阅资料得，小链轮设计过程中齿数不能选择太少，大链轮设计过程中齿数不能选择太多，设计最大值Zmax=120，最小值Zmin=17，速度特别低数据会不能满足要求时最大最小值可以设计成：Zmin=9， Zmax=150。链轮齿数表如表1。

设计时设计成链论和链条磨损必须均匀，齿数不是任何数字，一般设计成偶数，链轮齿数满足互质原则应设计成奇数，本链轮传动设计中选取Z1=17。

为缩小系统的尺寸，小轮应缩小包角，同时考虑到每个齿的强度问题和进入啮合的不宜过少，传动比i小于7，推荐i=2～3.5。当传动速度较低、载荷足够平稳，与尺寸之间无矛盾时i可达到10，本链轮传动设计中选取3。

Z2=Z1*i=17*3=51      （2）

3.2 链节距和排数

链节距的设计大小主要体现在链节和链轮轮廓尺寸上面。条件不变，每一节链的节距越大，制造出的承载能力也越大，本链轮传动设计中选取单排链，链条所传递的功率P0。

P0≥     kW      （3）

PC=PKA        kW      （4）

考虑到工作时平稳，KA选取KA=1.0，据据式（3）和式（4）求出所需传递的功率，再查图得出合适的链节距和排数，同时也可以定出链传动的润滑方式。

3.3 链节数LP和链轮中心距a

在尺寸不受机器的机架和结构等条件限制外，一般可将中心距初定一个范围，中心距初定的范围通过机械手册查得ao=（30～50）p，初定的范围最大可以选取Amax=80p，当有张紧轮等等张紧设备时，a0初定值得范围可以取大于80p。

最小中心距amin可先按i初步选定，

当i≤3时，amin=+（30-50）mm    （5）

当i>3时，amin=*mm  （6）

式（5）和式（6）中da1、da2分别为两轮的齿顶圆直径。

链条的长度通过链节数Lp表示，计算公式为Lp=，L为链条的总长，链节Lp：

计算出结果后 Lp必须进行圆整，圆整相近的整数，而且最好为偶数，良好的避免组装时出现使用过渡链节，最后中心距：

mm（8）

求得中心距A0=350mm。

3.4 低速链传动的静强度计算

对于链传动的速度而言，链速V<3m/s的链传动属于低速链传动，失效主要是由于过载情况造成的拉断导致，因此必须进行静强度计算分析，静强度安全系数S应满足如下要求：

≥7  （9）

3.5 求作用在轴上的力

链速V==1m/s     （10）

V=1这同时也说明了在选Z1时，链速估计正确

工作拉力F=1000×=5500N   （11）

考慮工作平稳，取压轴力系数KQ=1.2。

表2如下。

综上所述，单排链，124节，长1.1米，小链轮齿数Z1=17，大链轮齿数Z2=51，中心距为350mm。

4  排肥器犁头应力学性能分析

针对青稞免耕播种机排肥器的设计，由于作业环境比较恶劣，例如土地的平坦成度，土壤的成分不定，酸碱Ph，操作不当等的影响，会对青稞免耕播种机造成一定程度的损害，但又是无法避免的，因此对青稞播种机的排肥器犁头进行如下的受力分析：

4.1 静应力分析

排肥器犁头是末端执行器，因此它的可靠程度对实现开沟功能的影响比较大，长远考虑将直接影响青稞的产量，因此对排肥器犁头进行受力分析是很有必要的，主要分析如下：排肥器犁头与上一级链接部分是通过三个面进行连接的，利用Simulation进行静力学分析，固定、施加载荷进行分析，夹紧部分和载荷分布情况如图4中A所示。

由于计算量比较庞大，借助分析软件的运算此案例功能进行，运行计算结束后的计算结果如图4中的B所示。

当给工作部分施加50000N的力时，精力学分析图如图4，变形比例为111.272;此时的屈服力为2.482e+08N/m2;由图可以看出，整个零件为蓝色状态（经查阅资料得出分析右侧彩色条中，红色部分为极限载荷区，蓝色部分为安全区域），处于受力屈服的一半偏上，因此排肥器犁头输于较安全状态，检查犁头的变形情况，整个模型的最大位移为0.000106561m=0.106561mm，变形量比较小，载荷作用于犁头后加紧面受力最大和最小位置如图4所示：最大3.560e+08m2、最小5.707e+05m2。

4.2 热应力分析

同理排肥器犁头热应力分析运行计算结束后的计算结果如图4中的C所示。

当给工作面施加15度的温度时，热应力分析图如图4，变形比例为0，时间步长为1;此时无任何屈服力;由图可以看出，整个零件始终处于安全状态，调查和查阅资料显示工作面的温度变化小于15度，综上所述此零件不会出现因热应力造成破坏。

4.3 非线性应力分析

同理排肥器犁头非线性应力分析运行计算结束后的计算结果如图4中的D所示。

当给工作部分施加50000N的力时，非线性力分析图如图4，变形比例为1;此时的屈服力为2.482e+08N/m2;由图可以看出，整个零件为蓝色状态（经查阅资料得出分析右侧彩色条中，红色部分为极限载荷区，蓝色部分为安全区域），处于受力屈服的一半偏上，因此排肥器犁头输于较安全状态，综上所述开沟器犁铧在非线性力状态下不会出现因非线性力造成破坏。

参考文献：

[1]纪超，陈学庚，等.玉米免耕精量播种机排钟质量监测系统[J].农业机械学报，2016（08）：1-6.

[2]廖庆喜，等.免耕播种机新型锯切防堵装置的试验研究[J].中国农业大学，农业机械学报，2016（6）.

[3]《机械设计手册》新版[J].机械工程学报，2014，08.