紅樹林種子泥模定位播種機(jī)設(shè)計與仿真

李豐延，成 銘，李昊達(dá)，李海平，葉自旺

( 廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

0 引言

紅樹林是我國海岸濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要類型之一，有著巨大的生態(tài)價值：防風(fēng)護(hù)堤、吸收重金屬、凈化空氣和海水且具有工業(yè)和藥用價值[1]。目前，我國的紅樹林正遭受嚴(yán)重的污染和圍墾破壞，不合理的開發(fā)活動使我國紅樹林面積劇減。在自然生長的情況下，其種子存活率極低，紅樹林樹木繁育極慢，為解決這個問題，科研工作者正不斷進(jìn)行人工種植紅樹林的研究[2]。

本文設(shè)計的紅樹林種子泥模定位播種機(jī)的泥模塊采用白泥作為原料，優(yōu)點有：①白泥塊粒度較小，粘合性較強(qiáng)，不易破裂，能將紅樹林種子包裹在內(nèi)，從而進(jìn)行人工種植;②白泥吸附力很強(qiáng)，能吸附對種子生長有益的有機(jī)成分，從而降低種子的死亡率且能加速種子生長；③白泥呈堿性，其中有可溶性的鈣離子與陰離子污染物結(jié)合生成沉淀，有效對抗紅樹林遭遇的污染問題[3]；④白泥自重大且不易溶于水，能防止紅樹林種子在漲潮時被潮水沖走。

為應(yīng)對在播種過程中的誤差問題，該機(jī)械設(shè)計過程中做出了較好的適應(yīng)性設(shè)計，保證了機(jī)器工作的合理性。最后，進(jìn)行該機(jī)械的仿真，驗證零件的實際尺寸是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行試制與試驗，有效解決了紅樹林遭受污染和圍墾所帶來的生態(tài)破壞的問題，提高了紅樹林的存活率和生長速度[4]。

1 設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)

結(jié)合設(shè)計原理分析，運(yùn)用三維建模軟件UG進(jìn)行三維建模。

1.1 設(shè)計原理

電動機(jī)作為驅(qū)動力來源，工作時驅(qū)動后傳動軸旋轉(zhuǎn)。

1)行走功能的實現(xiàn)：后輪定位軸通過帶輪與后傳動軸連接，后傳動軸旋轉(zhuǎn)時帶動后輪旋轉(zhuǎn)，從而使整車行走。

2)播種功能的實現(xiàn)：前傳動軸通過帶輪與后傳動軸連接，后傳動軸旋轉(zhuǎn)時帶動前傳動軸與圓盤旋轉(zhuǎn)。通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)滑塊水平直線運(yùn)動，滑塊推板將泥模進(jìn)槽底端泥模塊推出。定位機(jī)構(gòu)定位釘板的釘在泥模進(jìn)槽的孔中，當(dāng)軸承與接觸桿凸臺接觸時定位釘被頂出，實現(xiàn)泥模塊的下落。由于復(fù)位彈簧，軸承離開凸臺時能被頂回與接觸桿接觸，上方的泥模塊被重新釘入，最后推桿返回，下落泥模塊不能從推桿槽返回，成為下一個被推出的對象。

3)行走與播種功能的離散與結(jié)合：阻動機(jī)構(gòu)能終止帶輪的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)兩種功能的結(jié)合或者只使用一種功能或者同時終止，增加了可操作性。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

紅樹林種子泥模定位播種機(jī)以電動機(jī)作為動力源，主要由整車車身、帶輪傳動機(jī)構(gòu)、阻動機(jī)構(gòu)、泥模定位機(jī)構(gòu)及曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

1.3 關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)

1.3.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖2所示。

1.后輪 2.電機(jī) 3.減速機(jī) 4.前傳動軸 5.曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 6.前輪 7.泥模出槽 8.泥模定位機(jī)構(gòu) 9.泥模進(jìn)槽 10.底盤 11.阻動機(jī)構(gòu) 12.后傳動軸 13.帶輪傳動機(jī)構(gòu)圖1 總設(shè)計圖Fig.1 Overall design picture

1.圓盤 2.前傳動軸 3.銷釘 4.連桿 5.滑槽 6.銷釘與螺母 7.推板 8.接觸桿凸臺 9.接觸桿 10.滑塊圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖Fig.2 Crank slider mechanism picture

軸承座固定前傳動軸，圓盤做圓周運(yùn)動，連桿長度為 16 mm，一端被銷釘定位在圓盤上，另一端被銷釘定位在滑塊上，滑塊外有滑槽，滑塊被約束為水平直線運(yùn)動。接觸桿定位在滑塊上，前后移動時與定位機(jī)構(gòu)的軸承接觸，帶動軸承旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，接觸桿凸臺在接觸桿上某一位置，用來將軸承撐開。推板在滑塊底部，用來將泥模塊推出出口。

1.3.2 泥模定位機(jī)構(gòu)

泥模定位機(jī)構(gòu)如圖3所示。

螺釘被焊在泥模進(jìn)槽的口子里。定位釘板的釘與泥模進(jìn)槽的孔配合，釘板被接觸桿的凸臺推出后，釘不再起定位左右，上方的泥模塊下落。復(fù)位彈簧起到將釘板復(fù)位、回到起始位置及并重新釘住泥模塊的作用，從而使推板槽返回時不會帶出泥模塊。

1.泥模進(jìn)槽 2.泥模出槽 3.推板槽 4.復(fù)位彈簧 5.螺釘 6.定位釘板 7.軸承圖3 泥模定位機(jī)構(gòu)Fig.3 Clay mold positioning mechanism

2 動態(tài)仿真與分析

將三維造型軟件UG完成的模型中的關(guān)鍵部位導(dǎo)入到Adams虛擬樣機(jī)中,進(jìn)行動態(tài)仿真。仿真的目的是驗證所設(shè)計的機(jī)械是否可以運(yùn)行及機(jī)械運(yùn)動過程中是否存在零件干涉問題。在仿真過程中，以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和泥模定位機(jī)構(gòu)為研究對象。關(guān)鍵部位仿真約束圖如圖 4 所示。

2.1 帶輪傳動結(jié)果

根據(jù)帶輪線速度公式，有

v=ω·r

由于帶輪的直徑都為80mm，所以兩個輪的角速度一致，前傳送軸的角速度為150(°)/s。后輪的速度v為

v=2πn·r

代入數(shù)據(jù)得v=0.52m/s。

2.2 泥模塊推出的合理性

選擇推板頂點A點作為觀測對象，泥模槽出槽位置點B點作為參考點，獲得在推板移動方向的坐標(biāo)曲線，如圖5所示。

AB距離最小值公式為

d=dmax-dmin

由曲線可得：d=1.2mm。泥模可被推板推出比例Q為

Q=1-d/L

式中d—AB距離最小值；

L—泥模槽底部長度。

由設(shè)計尺寸得L(泥模長度)為5.1mm，所以代入數(shù)據(jù)可得，泥模可被推板推出比例為Q=0.77。

依據(jù)力學(xué)模型可知，均勻物體伸出平面是否下落將由重力力矩與支持力力矩矢量和相加后決定。力矩和M為

M=(Q-1/2)·G+(1-Q)/2·FN

式中G—重力；

FN—支持力。

當(dāng)推出比例Q>0.5時，重力力矩與支持力力矩同向，物體將下落。考慮到靜摩擦力的影響，將推出比例Q進(jìn)行修正，修正后推出比例Q′為

式中n—摩擦修正系數(shù)。

根據(jù)白泥材料的摩擦情況，本文設(shè)定泥模塊修正系數(shù)n=1.2，代入相關(guān)數(shù)據(jù)求得Q′=0.64。因此，當(dāng)物體被推出平面0.64時，由于推出系數(shù)0.64>0.5，所以泥模塊一定下落，因而通過推板推出泥模是可行的。

圖 4 紅樹林種子泥模定位播種機(jī)的約束仿真圖Fig.4 Constraint simulation chart of mangrove seeds clay position sowing machine

圖5 AB兩點位置曲線Fig.5 A and B displacement curve

2.3 泥模塊下落的合理性

選擇左定位釘板的釘頂點C點作為觀測對象，泥模槽左槽內(nèi)壁點B點作為參考點，獲得B、C在釘?shù)囊苿臃较虻淖鴺?biāo)曲線，如圖6所示。

可見，在1.76～1.96的時間范圍內(nèi)釘與槽內(nèi)壁的最小距離為0，滿足泥模塊下落的條件。泥模塊下落時間t為

t=t2-t1

此時t=0.20s，由于下落時間短，可忽略空氣摩擦，視為自由落體運(yùn)動，根據(jù)自由落體模型，下落高度為

h=1/2gt2

代入數(shù)據(jù)得h=19.6mm，泥模塊的設(shè)計高度尺寸是2cm(19.6mm≈2cm)，所以每次下落高度滿足泥模塊的高度，在第一個泥模掉落，并且釘趨向重新定位時，上方的泥模塊到達(dá)定位位置，所以泥模塊下落是可行的。

圖6 CD兩點位置曲線Fig.6 C and D displacement curve

2.4 泥模塊定位的合理性

選擇左邊彈簧作為觀測對象，彈簧剛度系數(shù)設(shè)置為5N/mm，導(dǎo)出彈簧受力曲線，如圖7所示。

圖7 彈簧受力曲線Fig.7 Spring force curve

由圖7可得彈簧最大受壓時的彈力Fn=2.5N。由于釘在水平方向只受彈簧力Fn和對泥模塊擠壓力Fk的反作用力，所以軸向每個釘?shù)妮S力為Fn=Fk/2。根據(jù)力學(xué)模型[5]，釘?shù)闹睆絛為2mm，此時接觸點的應(yīng)力σ為

σ=Fn/A=Fk/2A=2F/πd2

代入數(shù)據(jù)得σ=399kPa，由于泥模塊的成分為白泥，可近似視為海相黏土，它的剪切強(qiáng)度為σ=150kPa[6]。由于399kPa>>150kPa，所以泥模塊被釘重新釘入定位是可行的。

3 實物試制與試驗

3.1 實物試制

通過上述仿真可知，紅樹林種子泥模定位播種機(jī)具有良好的工作可靠性及一定的適應(yīng)性，可以進(jìn)行試制。紅樹林種子泥模定位播種機(jī)實物樣機(jī),如圖8所示。

圖8 紅樹林種子泥模定位播種機(jī)實物拍攝圖Fig.8 Photo graph of mangrove seeds clay position sowing machine

3.2 試驗條件

在海岸邊對紅樹林種子泥模定位播種機(jī)進(jìn)行性能試驗。采用的白泥主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3。取1hm2海灘用于模擬自然生長的紅樹林生長情況，再取1hm2海灘用于紅樹林種子泥模定位播種機(jī)種植紅樹林的生長情況[7]。試驗采用木欖作為紅樹林種子，千粒質(zhì)量為520g，播種量為200kg/hm2[8]。

3.3 試驗結(jié)果

播種機(jī)性能試驗指標(biāo)如表 1 所示。

表1 紅樹林種子泥模定位播種機(jī)性能試驗指標(biāo)Table 1 The performance testTable of mangrove seeds clay position sowing machine %

由表1可知，紅樹林種子泥模定位播種機(jī)的各性能指標(biāo):漏播率、泥模破碎率、發(fā)芽率都達(dá)到了技術(shù)要求，設(shè)計合理。

4 結(jié)論

1) 本播種機(jī)針對紅樹林自然生長存活率低的問題而進(jìn)行了設(shè)計，通過機(jī)械種植的方式來取代種子的自然生長。通過白泥做成的泥模塊攜帶種子，實現(xiàn)紅樹林的機(jī)械種植。白泥粘合性強(qiáng)，不易破碎；吸附性強(qiáng)，能吸收有機(jī)成分；呈弱堿性，中和污染因子；且不易溶于水，防止種子被漲潮時的潮水所沖走，能大大提高存活率并加快種子生長速度。本機(jī)能使種子發(fā)芽率達(dá)到 97%。

2) 本播種機(jī)使用電機(jī)提供驅(qū)動力，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為傳動裝置，簡單高效，預(yù)計完成一次播種的工作時間為2.4s，符合種植機(jī)械化所要求的效率。

3) 播種機(jī)輪子采用帶輪傳動，并配有阻動機(jī)構(gòu)，在實現(xiàn)機(jī)械代替人工種植泥模塊的同時，達(dá)到行走與播種功能的離散與結(jié)合，大大提高工作效率。

4)經(jīng)過adams仿真，驗證了泥模定位的可行性，并通過實物試制與試驗，進(jìn)一步驗證了播種機(jī)使用達(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求，可實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。