新型可控變胞式小麥播種機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

秦立方 婁玉印 于 瑛

（廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院，廣西 柳州545000）

基于提高勞動(dòng)效率、強(qiáng)化整機(jī)可控性和平順性的原則，本文研發(fā)了一種新型可控變胞式小麥播種機(jī)，該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高、穩(wěn)定高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)[1-2]。

變胞機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)研究的重要分支，是當(dāng)今機(jī)構(gòu)學(xué)的研究熱點(diǎn)[3]。先介紹了新型可控變胞式小麥播種機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，其次，基于小麥播種機(jī)構(gòu)態(tài)發(fā)生變化時(shí)，容易產(chǎn)生系統(tǒng)沖擊，以致導(dǎo)致整機(jī)失穩(wěn)，本文以新型可控變胞式小麥播種為研究對(duì)象，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)理論得出可控變胞式小麥播種機(jī)全構(gòu)態(tài)動(dòng)力學(xué)模型并運(yùn)用matlab 分析得出小麥播種機(jī)輸出點(diǎn)的固有頻率及時(shí)域響應(yīng)曲線，最后，以變胞式小麥播種機(jī)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性為度量指標(biāo)，結(jié)合Newmark 法運(yùn)用matlab 軟件求解出變胞式小麥播種機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)相圖，進(jìn)而驗(yàn)證了該新型可控小麥播種機(jī)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性[4]。結(jié)果表明：（1）該新型可控變胞式小麥播種機(jī)構(gòu)態(tài)發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定。（2）該新型可控變胞式小麥播種機(jī)具有一定的可行性和可靠性，具有一定的推廣價(jià)值。

1 結(jié)構(gòu)分析及創(chuàng)新點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

該新型可控變胞式小麥播種機(jī)，包括行走機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、播種機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)。其機(jī)構(gòu)圖如圖1 所示。

（a）可控變胞式小麥播種機(jī)構(gòu)態(tài)一

圖1 可控變胞式小麥播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

所述的行走機(jī)構(gòu)主要包括車身1 組成，選用獨(dú)立柴油機(jī)提供動(dòng)力，對(duì)各種播種地形均能很好適應(yīng)。所述提升機(jī)構(gòu)包括第一連桿3、第二連桿4、第四連桿8、第六連桿12、第七連桿13、第九連桿15。所述控制機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)一2、電動(dòng)機(jī)二11 組成。電動(dòng)機(jī)一2 和電動(dòng)機(jī)二11 主要控制播種機(jī)的提升運(yùn)動(dòng)和下降運(yùn)行。

電動(dòng)機(jī)一2、電動(dòng)機(jī)二1 控制提升機(jī)構(gòu)下降至水平位置，電動(dòng)機(jī)一2、電動(dòng)機(jī)二1 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，提升運(yùn)動(dòng)與車身1 固連在一起實(shí)現(xiàn)播種運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)一2、電動(dòng)機(jī)二1 停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，在播種過(guò)程中，根據(jù)土壤硬度不同，播種機(jī)9 在彈簧一5 和彈簧二9 作用下上下小幅度運(yùn)動(dòng)，提高整機(jī)的平順性。當(dāng)播種結(jié)束后，電動(dòng)機(jī)一2、電動(dòng)機(jī)二1 控制提升機(jī)構(gòu)上升運(yùn)動(dòng)，彈簧一5 和彈簧二9與提升機(jī)構(gòu)固連在一起，播種機(jī)9 停止播種。

1.2 創(chuàng)新點(diǎn)

該新型可控式小麥播種機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）打破傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)觀念，根據(jù)工況不同其構(gòu)態(tài)不同，以適應(yīng)不同的工況。（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高、穩(wěn)定高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，能適應(yīng)各種地形，具有一定的推廣價(jià)值。

2 小麥播種機(jī)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖2 可控變胞式小麥播種機(jī)構(gòu)態(tài)一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

（1）該新型可控變胞式小麥播種機(jī)當(dāng)處于第一構(gòu)態(tài)時(shí)（如圖2 所示），θ1為輸入端，當(dāng)l1、l2共線時(shí)，由幾何關(guān)系得公式（1-2）：

（2）當(dāng)該新型變胞小麥播種機(jī)當(dāng)處于第二構(gòu)態(tài)（如圖3 所示）。

圖3 可控變胞式小麥播種機(jī)構(gòu)態(tài)二結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)土壤粘性系數(shù)、播種機(jī)重量G、彈簧系數(shù)K 可假設(shè)設(shè)定：

2.2 機(jī)構(gòu)系統(tǒng)彈性動(dòng)力學(xué)模型

可控變胞式小麥播種機(jī)如圖4 所示。

圖4 可控變胞式小麥播種機(jī)構(gòu)有限元模型

縱向彈性位移-

橫向彈性位移-

彈性轉(zhuǎn)角-

曲率-

2.3 受力分析

當(dāng)小麥播種機(jī)在構(gòu)態(tài)變化時(shí)內(nèi)有沖擊力，假設(shè)沖擊力按照三角形分布規(guī)律變化如公式（3）所示：

T1- 碰撞時(shí)間

tp- 碰撞時(shí)刻

3 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析

3.1 小麥播種機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù)

l1=250mm，l2=400mm，l3=530mm，l4=370mm，各桿件截面均相同，寬度b=30mm，高度h=50mm，密度為

ρ=7.85×103kg/m3，彈性模型

E=201GPa，彈簧系數(shù)k=1.86N/m，xmin=10mm，xmax=20mm，運(yùn)行時(shí)間1s，碰撞時(shí)刻0.2s。

3.2 分析方法

運(yùn)用Newmark 對(duì)小麥播種機(jī)進(jìn)行分析，其迭代過(guò)程如公式（4）所示：

δ、μ-Newmark 積分常數(shù)

Δt- 時(shí)間步長(zhǎng)

3.3 仿真分析

圖5 可控變胞式小麥播種輸出點(diǎn)Q 一階固有頻率

圖6 可控變胞式小麥播種輸出點(diǎn)P 一階固有頻率

運(yùn)用數(shù)學(xué)工具matlab 進(jìn)行仿真分析得出可控變胞式小麥播種輸出點(diǎn)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性（如圖5-8 所示）。由圖5 和圖6 可知：可控變胞式小麥播種在構(gòu)態(tài)發(fā)生變化時(shí)，一階固有頻率沒(méi)有發(fā)生太大突變，該系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性。

圖7 可控變胞式小麥播種輸出點(diǎn)Q 相圖

圖8 可控變胞式小麥播種輸出點(diǎn)P 相圖

由圖7-8 可知：可控變胞式小麥播種機(jī)輸出點(diǎn)彈性位移的相圖在變胞過(guò)程中雖然受到?jīng)_擊力和重力的作用沒(méi)有收斂于原點(diǎn)，但最終收斂，驗(yàn)證了該新型機(jī)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

4.1 本文講述了新型變胞式小麥播種機(jī)的結(jié)構(gòu)原理、變胞過(guò)程及創(chuàng)新點(diǎn)。

4.2 本文根據(jù)振動(dòng)學(xué)理論得出新型小麥播種的動(dòng)力學(xué)方程，并采用matlab 仿真得出小麥播種機(jī)輸出點(diǎn)固有頻率和時(shí)域響應(yīng)，驗(yàn)證其振動(dòng)特性。

4.3 本文以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性為衡量目標(biāo)，采用matlab 仿真分析得出小麥播種機(jī)輸出點(diǎn)相圖，驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性。