蔗種排種裝置的進給輸送機構設計與分析*

黃才貴 ， 周一鳴 ， 蔣成豐

（南寧學院，廣西 南寧 530200）

0 引言

甘蔗在我國是重要的戰略資源，是南方地區主要的經濟作物之一，其中廣西的甘蔗種植面積位列全國第一，但種植機械化僅僅占6%[1-3]。在甘蔗產業中，種植作業技術要求高，屬于勞動密集型產業，其種植質量直接影響新植和宿根蔗的產量，是其中勞動強度最大環節之一，工作量繁重、條件艱苦，其機械化作業率很低[4-6]。成熟的大型甘蔗種植機體積較大，適合大規模平原種植，受到地形地貌以及技術水平的限制，廣西的甘蔗種植機械化水平極低，主要還是依靠人工種植[7-9]。現有的部分排種裝置在排種輸送過程中容易由于碰撞、摩擦等損傷種芽，不能滿足工藝要求，容易出現故障且不能進行選芽、消毒和催芽等。基于此，課題組設計了一種自調節蔗種排種裝置的物料進給輸送機構，該機構能根據甘蔗蔗種輸送的直徑大小自行調節輸送進料口并保持合適的夾持力，保證蔗種的正常自動喂入，提高效率并保持工作正常。

1 結構設計

總體設計圖如圖1所示，該裝置的結構包括傳動軟軸、滑塊、球、喂入導向板、球鉸鏈座、立柱A、上輥、下輥、上輥輸入軸、下輥輸出軸、導向座、立柱B、電機、齒輪A、齒輪B、齒輪C、齒輪D、立柱C、底板等。以圖1的視圖來區分左、右、前、后關系，其結構連接關系為：傳動軟軸的右端和上輥輸入軸左端分別同軸固連于鋼球上，傳動軟軸左端通過法蘭盤固連于齒輪D的傳動軸右端上。其中，為方便折彎以適應不同軸的傳動，傳動軟軸所采用的材質是具有良好彈性的橡膠材質。齒輪D的傳動軸轉動安裝于立柱C上部的安裝孔內形成轉動連接；齒輪C的傳動軸固定連接著下輥輸出軸的左端，穿過立柱C下部的安裝孔內形成轉動連接，齒輪C位于齒輪D的正下方和齒輪D形成相互嚙合關系。此外在位于立柱C和立柱B之間的下輥輸出軸還固定同軸安裝有齒輪B，齒輪B和齒輪A相互嚙合，齒輪A固定安裝在驅動電機的輸出軸上，驅動電機則通過螺紋固定安裝在底板上。下輥輸出軸上同軸固定設置有下輥，下輥輸出軸的右端轉動安裝在立柱A的下部安裝孔內，立柱A的上部分內側面固定設置有球鉸鏈座，上輥輸入軸與球鉸鏈座形成球鉸鏈連接，上輥輸入軸同軸固定設置有上輥，上輥材料為彈性變形良好的橡膠材質，可在受力情況下彎曲和回位。立柱B底端固定安裝在底板上，其上端固定設置有導向座，滑塊則滑動安裝在導向座的導向槽內形成滑動連接，鋼球則安裝在滑塊的球孔內形成球鉸鏈連接。喂入導向板底端固定安裝在底板上，喂入導向板內還設置有多個輸送輥。

2 工作原理及優點

結合圖1，其工作原理為：啟動驅動電機，將蔗種放入喂入導向板的輸送輥上，根據動力傳動關系，當蔗種進入上輥和下輥之間時則進一步被帶動而往前喂入。當蔗種的直徑變大時，上輥則被直徑變大的部位給予向上的擠壓力作用而發生向上的彎曲彈性變形，此時則會帶動滑塊沿著上輥軸向有少量滑動收縮，進而傳動軟軸有一定的彎曲變形，但動力傳遞依然保持正常傳輸。

圖1 總體設計圖

該機構的上輥材料為彈性變形良好的橡膠材質，可在受力情況下彎曲和回位，以適應物料喂入量的大小；其傳動軟軸使得在上輥變形時依然能保持動力的正常傳輸；與上輥兩端連接的軸均通過球鉸鏈連接方式，保證上輥可多方位變形，并保持動力傳輸正常。

3 有限元分析

3.1 靜態結構有限元分析

甘蔗種在進給輸送過程中，上下輥對甘蔗具有擠壓作用，同時甘蔗對上下輥也有反作用力，需要分析出上下輥在對與之連接的主體支撐結構的作用力下，其變形和應力情況是否滿足設計要求。首先將模型進行三維建模之后，導入到有限元分析軟件中，賦予材料為Q235A，該材料的參數為：彈性模量為2.10E+11 N/m2，泊松比0.288，質量密度為7.861E+03 kg/m3，抗剪模量8.23E+10 N/m2，屈服強度為2.35E+8 N/m2。賦予材料之后進行網格劃分，網格劃分的結果如圖2所示。

圖2 網格劃分結果

在底部添加固定約束以及在與上下輥連接部位添加載荷作用后，進行求解分析，在結果后處理的需要顯示結果上，選擇添加Equivalent Stress 和 Total Deformation兩種結果，得到結果如圖3所示，即為總變形云圖，圖4為等效應力云圖。由分析結果可知，最大變形量僅為0.000 188 9 mm，該變形量很微小，可忽略不計；最大應力僅為0.328 77 MPa，遠小于材料的屈服強度，所以該結構滿足設計要求。

圖3 總變形云圖

圖4 等效應力云圖

3.2 模態分析

該機構在實際工作時，安裝在帶有拖拉機驅動或者是以柴油機來驅動的作業機器上，工作時候主要的振動來源是發動機，發動機在不同的工作狀態下轉速不一樣，對應的工作頻率也不一樣。柴油機發出的振動明顯，在怠速時發動機的轉速為700 r/min～780 r/min，其發出的一階振動頻率約為23 Hz～26 Hz，二階頻率約為46 Hz～52 Hz；正常工作的時候發動機轉速一般為2 000 r/min左右，所以對應的發動機一階頻率約為66.7 Hz，二階干擾頻率約為133.4 Hz；空載的時候能達到最大速度，對應的發動機最高工作轉速約為2 400 r/min，此時對應的頻率約為160 Hz[10]。為了保證在田間工作的工況下，所設計的主體支撐結構不會發生共振等危害結構穩定性的情況，需要對該機構的主體結構進行模態分析。經過求解分析，得到前6階模態分析變形云圖如圖5所示。

圖5 前6階模態分析結果

模態分析的前6階模態的固有頻率分別為47.955 Hz、56.074 Hz、72.564 Hz、101.02 Hz、106.91 Hz、139.58 Hz，均與發動機怠速運轉、正常運轉和最大速度運行時的激勵頻率沒有重疊，發生共振可能性小。此外，作業機器工作過程中的頻率可能來源還有行駛過程中地面給叉車傳遞的頻率，但均產生較低的頻率，約為4 Hz～6 Hz，均與該結構的固有頻率相差較大。總體來說，該結構其他階次的固有頻率均無重疊或者相近的，所以發生共振現象可能性小，總體來說所設計的結構是安全合理的。

4 結語

綜上所述，課題組設計了一款甘蔗種夾持輸送機構，經過總體結構的設計，闡述了工作過程和原理，對所設計的結構進行靜態結構力學分析和模態分析，分析結果表明所設計的結構其最大的應力遠小于材料的屈服強度，最大的變形量很小，所以該設計滿足強度、變形要求。經過模態分析，結果表明前6階的固有頻率均與工作時的激振頻率無重疊，所以不會發生共振現象，該設計安全合理，這為今后甘蔗種植的機械化奠定基礎。