快速覆膜插秧機地膜開口裝置設計與分析

焦海坤　周凌宇　李京虎

[中圖分類號] S23 [文獻標識碼] A [文章編號] 1003-1650 （2015）11-0224-02

針對快速插秧機用覆膜裝置由秧爪直接對地膜開口插秧、從而導致插秧質(zhì)量較差等問題。本文基于曲柄搖桿機構(gòu)運動原理設計地膜開口機構(gòu)，并利用ADMAS軟件建立插秧機工作過程中開口機構(gòu)的運動仿真，以滿足地膜開口要求，并優(yōu)化桿長結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時利用ANSYS軟件對開口刀進行強度分析和模態(tài)分析，為其結(jié)構(gòu)的定型設計提供了理論依據(jù)。

前言

水稻覆膜栽培技術(shù)是將地膜鋪在稻田表面新興的一項高效、節(jié)水栽培技術(shù)，此種技術(shù)具有保溫、節(jié)水、除草、環(huán)保等優(yōu)點[1]。采用高效率、高質(zhì)量機械化覆膜代替勞動強度大人工作業(yè)，是實現(xiàn)此技術(shù)推廣應用的一個重要趨勢[2]。當前，國內(nèi)快速插秧機用水稻覆膜裝置研制較少，主要設計難點在于如何準確在地膜上開口；本文基于曲柄搖桿機構(gòu)運動原理，利用快速插秧機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行改裝，設計一款地膜開口裝置；并對其進行運動仿真，研究開口刀尖點的運動軌跡的位置參數(shù)，以滿足地膜開口要求，并優(yōu)化桿長結(jié)構(gòu)參數(shù)；根據(jù)該裝置實際工作情況，對薄片式開口刀進行強度和模態(tài)方面分析，為其結(jié)構(gòu)的定型設計提供了理論依據(jù)。

1 研究背景

所設計的水稻覆膜裝置安裝在日本生產(chǎn)的洋馬VP6乘坐式快速水稻插秧機上，結(jié)構(gòu)如圖1所示。此水稻覆膜裝置集整地、放膜、展膜、壓膜、開口、地膜收邊、扶泥等功能于一體的結(jié)構(gòu)總成。作業(yè)時，整地器1平整泥面；卷筒狀地膜從覆膜輥2順時針旋轉(zhuǎn)中持續(xù)拉出，繞過展膜輥4，壓在分段布置的壓膜輥15之下。地膜開口機構(gòu)中開口刀布置在壓膜輥15分段處，在地膜上橫、縱等株距開口；兩側(cè)壓邊輪11將地膜邊緣壓入稻田泥土中，在通過覆泥板12進行扶泥以完善壓邊效果。同時，插秧機分插機構(gòu)在地膜的開孔處進行插秧作業(yè)。

2 同步聯(lián)動式地膜開口裝置結(jié)構(gòu)設計

此裝置基于曲柄搖桿機構(gòu)的運動原理，并結(jié)合前插偏心齒輪旋轉(zhuǎn)式分插機構(gòu)[3-4]的傳動和運動特性設計而成。由偏心輪8、連桿7和開口刀6構(gòu)成曲柄搖桿機構(gòu)，且各個桿長均可調(diào)整，以適應不同株距秧苗插植，偏心輪6動力輸入由插秧機上插植傳動軸9提供；插植傳動軸對分插機構(gòu)傳動采用傳動比為1：2的鏈傳動，保證插植軸9傳動旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，地膜打孔一次，分插機構(gòu)插秧一次，實現(xiàn)其運動同步。運動簡圖如圖2所示。

3 地膜開口裝置運動分析

根據(jù)上面的機構(gòu)運動學模型，利用ADMAS軟件對其進行運動學仿真，初始條件設定為：作業(yè)速度為800mm/s、角速度180°/s、仿真終止時間為20、工作步數(shù)（Steps）為200 對裝置進行動態(tài)軌跡仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。當曲柄和連桿和共線時，此時搖桿處于豎直向下，刀尖軌跡點處低谷點。此時進行地膜開口工作；當曲柄和連桿差共線時，刀尖軌跡點處峰值點。即軌跡上相鄰兩個周期低谷點距離即為兩個地膜開口的距離；由此可以方便得到四桿長參數(shù)的改變對刀尖軌跡的影響。lAB 、lBC 、lCD 和lDA 的變化影響兩個地膜孔的距離；曲柄lAB和連桿lBC長度比值影響刀尖軌跡弧長；即比值越大，弧長越長，峰值點越高，反之越短。初始安裝角度α影響與分插機構(gòu)的同步性。為優(yōu)化出合適的刀尖軌跡提供數(shù)據(jù)。

通過模擬實際的開口作業(yè)過程，開口刀在地膜表面預先開口，分插機構(gòu)將秧苗插入所開穴孔，應該滿足夠大的地膜開口尺寸，由仿真結(jié)果可知，秧爪所開穴口長度為30.3mm，由此確定曲柄搖桿機構(gòu)主要參數(shù)lAB=7mm，lBC=200mm，lCD=15mm，lDA =225mm，lCE =180mm，滿足地膜開口要求。

4 開口刀有限元靜力學分析

開口刀是地膜開口裝置在地膜上打孔的末端執(zhí)行件，也是主要承載部件。開口刀采用矩形薄板結(jié)構(gòu)，其個數(shù)和軸向間距根據(jù)插秧機作業(yè)行數(shù)確定，并通過螺栓連與轉(zhuǎn)軸連接而成。在插秧機作業(yè)狀態(tài)下，開口刀易造成其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)折斷、彎曲、扭曲甚至破壞。因此，利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對開口刀進行了應力和應變分析[5-6]。

受力分析

根據(jù)裝置實際作業(yè)條件可知，開口刀在其豎直方向地膜開口時，所受載荷最大，兩側(cè)開口刀為動力輸入端。開口刀材料選用Q235，其密度為7.85×103kg/m3、彈性模量為210×103MPa，泊松比為0.27，屈服強度為235MPa，抗拉強度為460MPa。

通過ANSYS Workbench求解器對開口刀模型進行求解，得到開口刀的應力和應變云圖，如圖4和圖5所示。

由圖4可知，開口刀應力發(fā)生在兩端刀板的鉸鏈連接上部，最大值為28MPa，遠小

于開口刀所用材料Q235的許用應力值（[σ] =196MPa），其他應力云圖分布較為連續(xù)，表明結(jié)構(gòu)設計較為合理，各處應力均處在安全狀態(tài)。由圖5可知，開口刀應變云圖的分布規(guī)律與應力云圖分布規(guī)律相類似， 變形量從上到下方向呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，變形最大變形域發(fā)生在與地面開口處，最大值為7.86×10-4mm， 變形較小，不會影響裝置正常作業(yè)，故開口刀設計能夠滿足剛度要求。

5 開口刀有限元模態(tài)分析

開口刀若要穩(wěn)定作業(yè)，其固有頻率要遠離激勵振源的頻率，防止共振現(xiàn)象的發(fā)生，避免振動加劇、變形和破壞。在設計時對裝置進行深入的模態(tài)分析利用ANSYS Workbench的模態(tài)分析如圖6所示，可以看出模態(tài)主要分布30-34Hz和80-90Hz范圍內(nèi)，開口刀的模態(tài)頻率較密集，影響其振動的兩個主要區(qū)域。從圖6可以看出，開口刀的振幅最大值可達到90.866mm。因此，結(jié)構(gòu)設計時應避開這些頻率，保證結(jié)構(gòu)的可靠性。開口刀受到的激勵振源主要有插秧機的發(fā)動機產(chǎn)生的振動和分插機構(gòu)插秧時撞擊地面產(chǎn)生的振動。插秧機的發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)為3600r/min，則轉(zhuǎn)動頻率為60Hz，介于3階和4階固有頻率之間，不會產(chǎn)生共振。本設計中采用的高速插秧機分插機構(gòu)頻率為180r/min，每個分插機構(gòu)有2個栽植臂，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)一周，撞擊地面2次，則其激振頻率為5Hz，小于最小的1階模態(tài)振動的固有頻率，不會產(chǎn)生共振。

6 結(jié)論

綜上所述，所設計的地膜開口裝置合理，且設計制造方便、可靠；強度和剛度都能夠滿足實際工作的要求；且不會與激勵頻率發(fā)生共振而出現(xiàn)不良狀況。

參考文獻

[1] 劉洋，張玉燭，王學華等，水稻覆膜栽培研究現(xiàn)狀與展望[J].湖南農(nóng)業(yè)科學，2009（2）：63～66.

[2]于瀟澤，車莊，劉金波.水稻覆膜栽培機械化工藝分析與研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011（6）：76-78.

[3]范素香，侯書林，趙勻.偏心變位齒輪在分插機構(gòu)中的設計及應用[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2013， 37（1）：105-108.

[4]趙偉康，高陽，薛永風，等.前插式直齒雙控制分插機構(gòu)設計與運動分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2010，48（8）：48 -50.

[5]劉相新，孟憲頤.ANSYS基礎與應用教程[M].北京：科學出版社，2006.

[6]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設計、仿真與優(yōu)化[M].北京：清華大學出版社，2011.