精密播種制缽機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助分析

張麗娟

(內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程系，呼和浩特 010070)

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精密播種制缽機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助分析

張麗娟

(內(nèi)蒙古化工職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程系，呼和浩特 010070)

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)育苗播種中，所采用的播種制缽機(jī)還屬于機(jī)械化范疇，不具有自動(dòng)化水平，不能有效實(shí)現(xiàn)精密播種需求。為此，分析精密播種制缽機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的需求，并結(jié)合Pro/Engineer軟件輔助分析，優(yōu)化了設(shè)計(jì)參數(shù)。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)出的精密播種制缽機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高,降低了使用中缽體的破損率(降低12.0%)，提升制缽機(jī)工作可靠性(提升20.0%)，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。基于計(jì)算機(jī)輔助分析方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)精密播種制缽機(jī)的機(jī)構(gòu)，可提升精密播種制缽機(jī)應(yīng)用性能。

制缽機(jī)；計(jì)算機(jī)輔助；精密播種；機(jī)械結(jié)構(gòu)

0 引言

我國(guó)當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，多數(shù)已在播種上采用了缽體育苗；然而，在缽體制造方面，還采用機(jī)械化的單獨(dú)制缽設(shè)計(jì)，不能自動(dòng)化制造缽體，以滿足流水線式缽體育苗作業(yè)，降低了工作效率[1-3]。優(yōu)化設(shè)計(jì)精密播種制缽機(jī)的機(jī)構(gòu)，有助于克服制缽機(jī)育苗的生產(chǎn)規(guī)模較小的不足，提升缽機(jī)育苗生產(chǎn)效益，可以促進(jìn)我國(guó)缽機(jī)育苗種植業(yè)的有序發(fā)展。

1 我國(guó)制缽機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)當(dāng)前的精密播種中，還在應(yīng)用簡(jiǎn)塑秧盤育苗設(shè)備進(jìn)行育苗，降低了育苗質(zhì)量，阻礙了機(jī)械化、現(xiàn)代化育苗的發(fā)展步伐。同時(shí)，采用單獨(dú)制缽再播種的育苗方式，不利于滿足實(shí)際精密播種育苗的自動(dòng)流水線作業(yè)需求[4]。而且，在當(dāng)前的制缽機(jī)作業(yè)中，對(duì)于整個(gè)制缽機(jī)育苗環(huán)節(jié)，還需要由人工參與完成，不利于提升制缽機(jī)機(jī)械的自動(dòng)化水平[5]。同時(shí)，現(xiàn)有的制缽機(jī)結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，不可以連續(xù)作業(yè)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，實(shí)際的作業(yè)效率也低，無(wú)形中也增加了精密播種育苗的成本[6-9]。為此，亟待應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)制缽機(jī)機(jī)構(gòu)(見圖1)，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)精密播種，達(dá)到自動(dòng)化精密育苗的要求。

2 精密播種制缽機(jī)的機(jī)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的精密播種制缽機(jī)機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

1.缽模 2.導(dǎo)柱 3.支撐腿 4.沖頭 5.機(jī)架 6.手柄

1.機(jī)架 2.開合式制缽模體 3.T形桿 4.機(jī)體 5.泥斗 6.控制桿 7.沖頭 8.短連桿 9.長(zhǎng)連桿 10.飛輪 11.傳動(dòng)系統(tǒng)

工作原理：制缽機(jī)的成型腔軸線放置在與地面平行的方向，確保在成型腔內(nèi)沖壓頭可以做有規(guī)律的直線運(yùn)動(dòng)，并可將成型腔中的土壤壓縮，生產(chǎn)精密播種缽體。

3 精密播種制缽機(jī)

3.1 設(shè)計(jì)需求

我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中，目前多是應(yīng)用穴盤、紙筒制缽來(lái)進(jìn)行種植，并結(jié)合人工喂入式進(jìn)行育苗移栽。這種作業(yè)投資大，且移栽的效率較低，難以滿足大面積作物(玉米、棉花)育苗種植需要。為適應(yīng)大面積精密種植中對(duì)于制缽機(jī)的需要，根據(jù)目前農(nóng)村勞動(dòng)力水平，結(jié)合傳統(tǒng)制缽育苗的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了制缽機(jī)機(jī)構(gòu)。在精密播種制缽機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助分析方法及仿真輔助軟件。Pro/Engineer可用于模具、產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以將看到的東西都畫出來(lái)[10-13]，可以應(yīng)用該軟件來(lái)優(yōu)化制缽機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，滿足自動(dòng)化制缽的需求，以便可以解決短時(shí)間內(nèi)勞動(dòng)力不足的情況，增加其實(shí)用性[14]。同時(shí)，設(shè)計(jì)的制缽機(jī)，應(yīng)能夠在實(shí)際工作過程中，有效避免對(duì)作物種子形成機(jī)械性的損傷，為種子的發(fā)芽創(chuàng)造良好的生態(tài)成長(zhǎng)環(huán)境。精密播種制缽機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，確保可按育苗位置投出缽體[15]，節(jié)省移取缽體的時(shí)間與勞力，提升缽體強(qiáng)度均勻性，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3.2 制缽機(jī)的具體作業(yè)流程

本設(shè)計(jì)的精密播種制缽機(jī)在實(shí)際中的作業(yè)流程，如圖3所示。

圖3 制缽機(jī)的作業(yè)流程

1)將已拌好的營(yíng)養(yǎng)土放在攪拌箱之內(nèi)，充分地將精密播種育苗所需的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)拌勻；將營(yíng)養(yǎng)物基質(zhì)填入到模孔中，進(jìn)行刮平操作。此刻，在攪拌箱中的攪拌叉將會(huì)發(fā)揮作用，應(yīng)用推桿來(lái)填料，同時(shí)它也起到破壞營(yíng)養(yǎng)土的“安息狀態(tài)”的作用，其在攪拌箱內(nèi)作連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2)在制缽機(jī)轉(zhuǎn)盤上，確保至少有6個(gè)模孔數(shù)[16]。轉(zhuǎn)盤和模孔作間歇的轉(zhuǎn)動(dòng)。由控制系統(tǒng)控制回轉(zhuǎn)速度及各工序能夠自由的轉(zhuǎn)移。

3)對(duì)于沖出部分，為確保制缽機(jī)的兩沖頭能夠作直線式的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可在缽體的模孔中，把營(yíng)養(yǎng)土壤擠壓成型，使其能夠沖出缽體。同時(shí)，根據(jù)缽體的尺寸、土壤的壓縮比及所選曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)關(guān)系，確定工作時(shí)序。

4)在缽體的成型和沖出過程之間要有播種和覆土機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由棉花播種機(jī)的播種機(jī)構(gòu)演變而來(lái)，是由同步帶帶動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)取一定量的種子和土壤由導(dǎo)管導(dǎo)入缽體，完成播種和覆土。

5)兩沖頭做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)盤靜止時(shí)，由沖頭沖模而脫離模孔，再回復(fù)到?jīng)_壓位置，完成一次沖壓，同時(shí)播種輪轉(zhuǎn)一周完成一次播種和覆土；周而復(fù)始。

3.3 參數(shù)優(yōu)化

1)輔助設(shè)計(jì)壓缽裝置。壓缽裝置是一個(gè)曲柄的滑塊機(jī)構(gòu)，在制缽機(jī)作業(yè)過程中，由飛輪的圓周運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)制缽機(jī)的沖頭，做水平軸向的直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)在機(jī)體內(nèi)沖頭的位置變化，實(shí)現(xiàn)缽體充土與播種壓實(shí)的作業(yè)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)Pro/Engineer輔助分析壓缽裝置，優(yōu)化壓缽裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 壓缽

其能夠?qū)⒕懿シN所需要的營(yíng)養(yǎng)土，根據(jù)一定的比例，置于缽體泥斗之內(nèi)，在開啟電機(jī)之后，可通過機(jī)器中各傳動(dòng)系統(tǒng)去帶動(dòng)飛輪作業(yè)；此時(shí)飛輪將會(huì)因長(zhǎng)連桿的作用，使沖頭向后運(yùn)動(dòng)，營(yíng)養(yǎng)土在泥斗中會(huì)由于重力作用落入到缽體之中。

2)輔助設(shè)計(jì)缽體的成型裝置。在制缽機(jī)中，優(yōu)化設(shè)計(jì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)中的缽體成型裝置，發(fā)揮該結(jié)構(gòu)(見圖5)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在該結(jié)構(gòu)中，其前方往往會(huì)有一個(gè)彈簧，在控制桿作用下頂端零件也會(huì)做向上的運(yùn)動(dòng)，還可以通過T形桿，打開缽體的模腔。

具體制缽作業(yè)中，隨著飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，沖頭完成充土作業(yè)后，通過該裝置就可以將營(yíng)養(yǎng)土在缽體中壓制成型。

3)輔助設(shè)計(jì)多桿控制的裝置，如制缽機(jī)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，其多桿控制裝置結(jié)構(gòu)，如圖6所示。由于該裝置就是一個(gè)搖桿滑塊，可以確保沖頭前后運(yùn)動(dòng)，短連桿主要是控制桿上下擺動(dòng)。

圖5 缽體成型

圖6 多桿控制

在制缽機(jī)中，由于缽體的泥斗下方與制缽開合模體之間存在一段距離，且育苗使用的營(yíng)養(yǎng)土自身也具有一定粘性，為確保制缽機(jī)中制缽模體的營(yíng)養(yǎng)土不漏出，可通過多桿控制裝置控制。其在彈簧力作用下使制缽模體隨控制桿回退，確保制缽模體可以提前在營(yíng)養(yǎng)土到達(dá)前閉合，確保營(yíng)養(yǎng)缽不漏模及營(yíng)養(yǎng)缽順利脫模。

3.4 計(jì)算機(jī)虛擬分析

基于計(jì)算機(jī)技術(shù)中的Pro/Engineer軟件，仿真制成虛擬的制缽機(jī)零部件模型，在建模之后，調(diào)用Pro/Engineer中的裝配模塊，根據(jù)制缽機(jī)零件進(jìn)行裝配，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的分析，以優(yōu)化制缽機(jī)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

電動(dòng)機(jī)功率選擇：模孔的轉(zhuǎn)盤中，均勻地分布著6個(gè)孔，根據(jù)每小時(shí)制缽機(jī)的生產(chǎn)定額，則實(shí)際模孔轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為

n偏=6n轉(zhuǎn)盤=50r/min

設(shè)置攪拌器功率參數(shù)：在制缽機(jī)中，由于攪拌器的轉(zhuǎn)速是較低的，因此功率消耗達(dá)到P攪拌=0.27kW。

制缽機(jī)中的沖頭功率，由式P=kzn得

沖出沖頭所消耗的功率為

當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)模孔轉(zhuǎn)盤時(shí)，需要去克服滑軸V和轉(zhuǎn)盤間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦。基于轉(zhuǎn)盤、機(jī)架摩擦所消耗功率為P轉(zhuǎn)盤=0.08kW。

總功率中，傳動(dòng)系統(tǒng)總機(jī)械效率η總為0.85，則電動(dòng)機(jī)的功率至少應(yīng)為

電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：

型號(hào)：Y90S-4

額定功率/kW：1.1

滿載轉(zhuǎn)速/r·min-1：1 400

質(zhì)量/kg：22

外形尺寸L×(AB/2+AD)+HD/mm×mm×mm：310×245×190

中心高H/mm：90

安裝尺寸A×B/mm：140×100

平鍵尺寸F×G/mm×mm：8×20

1)軸轉(zhuǎn)速參數(shù)。

由《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》知：η直齒=0.97，η錐齒=0.94，η軸承=0.99(均取8級(jí)精度)，則轉(zhuǎn)盤所需功率為P轉(zhuǎn)盤=0.08kW。則

軸V所需功率為

軸Ⅳ所需功率為

軸III所需功率(設(shè)偏心輪機(jī)構(gòu)效率η偏=0.9)

軸Ⅱ所需功率為

軸Ⅰ所需功率為

2)可依據(jù)制缽機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助仿真，有效分析出制缽機(jī)各零部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并裝配出制缽機(jī)，如圖7所示。

圖7 精密播種制缽機(jī)樣機(jī)機(jī)構(gòu)

基于計(jì)算機(jī)輔助仿真分析，擬采用臥式制缽方案，可以有效減少機(jī)器的豎向尺寸；并且，在制缽機(jī)中，應(yīng)用槽鋼焊接成機(jī)架，簡(jiǎn)化機(jī)器的結(jié)構(gòu)；對(duì)于制缽機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，可以應(yīng)用220V單相交流去驅(qū)動(dòng)機(jī)器電機(jī)。其整機(jī)豎向尺寸小，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高。

4 效益分析

在本次制缽機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基于計(jì)算機(jī)Pro/Engineer仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用分析可知：設(shè)計(jì)出的精密播種制缽機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且性價(jià)比高,可降低使用中缽體的破損率(降低12.0%)，提升制缽機(jī)工作可靠性(提升20.0%)，具有較好應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

綜上所述，優(yōu)化設(shè)計(jì)精密播種制缽機(jī)的機(jī)構(gòu)，經(jīng)計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化具體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)精量播種，也可節(jié)約育苗播種中的種子用量，滿足機(jī)械化生產(chǎn)的要求，發(fā)揮積極應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在實(shí)際中推廣應(yīng)用具有發(fā)展前景。

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Computer Aided Optimization Design of the Mechanical Structure of Precision Seeding Machine

Zhang Lijuan

(Inner Mongolia Vocational College of Chemical Engineering of Computer and Information Engineering,Hohhot 010070,China)

The purpose of this paper is to study the mechanism design and application of the computer aided analysis of precision seeding machine. For in our country when the agricultural seeding, the seeding machine for making pots also belong to the category of mechanization, automation level, can not effectively achieve precision seeding demands, this analysis precision seeding bowl making machine optimization design demand, combined with computer software Pro / Engineer, and assistant analysis and optimization of design parameters. Results confirmed, not only design the precision seeding of bowl making machine mechanical structure is simple, and the price is high, reduce use of the bowl body breakage rate, reduce 12.0%, to improve the reliability of the work bowl making machine, enhance the 20.0%, play a positive effect in application. The conclusion shows that, based on the computer aided analysis method, the optimization design of the mechanism of the precision seeding machine, exert positive influence and improve the application performance of precision seeding machine.

bowl making machine; computer assisted; precision seeding; mechanical structure

2016-04-23

內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳自籌經(jīng)費(fèi)科研課題(NJZC16413)

張麗娟(1981-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，講師，碩士，(E-mail)zuzhigongzuo@163.com。

S223.1

A

1003-188X(2017)05-0171-05