旋轉(zhuǎn)式水稻苗床平地機設(shè)計與試驗

摘要：

針對標(biāo)準(zhǔn)化育秧大棚置床平地作業(yè)效率低，苗床平地精度差等問題，設(shè)計一種雙旋轉(zhuǎn)式葉片結(jié)構(gòu)的水稻苗床平地機工作裝置。確定工作裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，分析關(guān)鍵部件運動參數(shù)和受力情況。通過Workbench軟件分析，結(jié)果表明：關(guān)鍵部件的最大應(yīng)力處應(yīng)力為104.59 MPa；最大的總體變形僅為1.903 8 mm；前6階固有頻率在66.22～113.94 Hz之間，滿足設(shè)計要求。田間試驗結(jié)果表明：苗床床面最大高程差從15.8 cm下降至4.7 cm，地面相對高程標(biāo)準(zhǔn)偏差值從3.95 cm下降至0.98 cm，且作業(yè)后絕對差小于1.5 cm的測量點占比為92%，改善床面平整情況，滿足當(dāng)?shù)嘏锸矣硇枨蟆?/p>

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)式；水稻苗床平地機；刮土器；有限元分析

中圖分類號：S222.5+1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 04-0012-06

收稿日期：2022年10月31日" 修回日期：2023年4月4日

基金項目：全國基層農(nóng)技推廣項目（JCTG2021014）；黑龍江省省屬高等學(xué)?；究蒲袠I(yè)務(wù)費科研項目（PTJH202002）

第一作者：陸博遠，男，1998年，黑龍江寧安人，碩士研究生；研究方向為機械機構(gòu)創(chuàng)新。E-mail： 1143353503@qq.com

通訊作者：萬霖，女，1971年，山東即墨人，博士，博導(dǎo)，教授；研究方向為智能農(nóng)技裝備設(shè)計與制造。E-mail： 381995603@qq.com

Design and test of rotary rice seedbed grader

Lu Boyuan1， Wan Lin1， Che Gang1， Tian Yuqi1， Liu Wei1， He shuguo2

（1. College of Engineering Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， 163319， China；

2. Jiamusi Branch of Heilongjiang Academy of Agricultural Machinery Engineering， Jiamusi， 154004， China）

Abstract：

In view of the problems of low efficiency and poor accuracy of seedbed leveling in standardized seedling greenhouses， a working device of rice seedbed grader with double rotating blade structure was studied， the structural parameters and working parameters of the working device were determined， and the motion parameters and force of key components were analyzed. The analysis of Workbench software showed that the maximum stress of key components was 104.59 MPa; the maximum overall deformation was only 1.9038mm; and the natural frequency of the first 6th order was between 66.22-113.94Hz， which meets the design requirements. The field test results showed that the maximum elevation difference of the seedbed bed decreased from 15.8cm to 4.7cm after operation， the standard deviation value of the relative elevation of the ground decreased from 3.95cm to 0.98cm， and the absolute difference after operation accounted for 92% of the measurement points with an absolute difference of less than 1.5cm， which improved the bed surface leveling and met the needs of local shed seedlings.

Keywords：

rotary type； rice seedbed grader； scraper; finite elements

0 引言

水稻是我國三大糧食作物之首［1］。近年來，隨著我國水稻種植面積的不斷提升，水稻育秧的需求量也呈現(xiàn)大幅度增長趨勢［2， 3］。尤其是我國北方地區(qū)，作為寒地水稻的主要產(chǎn)區(qū)，多數(shù)采用水稻育秧大棚的方法改善土壤積溫不足所導(dǎo)致得水稻幼苗在寒地生長緩慢的問題。在水稻育秧的置床階段，由于標(biāo)準(zhǔn)化育秧大棚尺寸等方面的限制，使大型機械無法在棚室作業(yè)，因此采用傳統(tǒng)置床的方法進行平地工作，如人工平地作業(yè)，但其平地效果差，質(zhì)量低，長此以往大棚內(nèi)土壤肥力不均，在后續(xù)的施肥環(huán)節(jié)會產(chǎn)生藥液殘留，從而導(dǎo)致死苗現(xiàn)象的發(fā)生［4-8］，直接或間接影響水稻的產(chǎn)量。

目前激光平地領(lǐng)域美國、葡萄牙等一些發(fā)達國家研制的平地控制設(shè)備，其平地精度高，作業(yè)半徑大［9］，但價格昂貴，維修費用高，難以推廣應(yīng)用。國內(nèi)胡煉等［10］改進的傳統(tǒng)的單輪支撐改用多輪支撐，設(shè)計一種懸掛式的多輪支撐旱地激光平地機，減少機械作業(yè)對土壤壓實的影響。在GNSS平地領(lǐng)域，美國Trimble、日本Topcon等公司生產(chǎn)的GPS平地設(shè)備占領(lǐng)較大的市場份額，技術(shù)處于較高水平［11， 12］。國內(nèi)周俊等［13］設(shè)計了一款能夠同時兼具水田的旋耕和平地工作的GNSS水田旋耕平地機。

國內(nèi)外學(xué)者對平地機控制領(lǐng)域展開了深入研究，但目前平地機工作部件多數(shù)采用固定式的刮土裝置，固定式的工作裝置并不能在棚室中應(yīng)用作業(yè)，因此本文針對標(biāo)準(zhǔn)化育秧大棚置床平地作業(yè)效率低，苗床平地精度差等問題，研究設(shè)計一種水稻苗床平地機的工作裝置，其關(guān)鍵部件為雙旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)構(gòu)，利用ANSYS Workbench軟件對旋轉(zhuǎn)式平地機的關(guān)鍵部件進行有限元分析，分析在工作過程中其強度、剛度和模態(tài)特性，并生產(chǎn)樣機進行棚室試驗，改善床面平整情況，滿足當(dāng)?shù)嘏锸矣硇枨蟆?/p>

1 旋轉(zhuǎn)式苗床平地機設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

旋轉(zhuǎn)式水稻苗床平地機工作裝置如圖1所示，主要由刮土器、懸掛機架、限深板、浮板和傳動部分組成。

通過動力機車的懸掛結(jié)構(gòu)掛接苗床平地機工作裝置，利用機車自身液壓升降系統(tǒng)實現(xiàn)平地機的工作裝置浮動功能和高程運動調(diào)節(jié)。刮土器由一對雙葉片組成的平地鏟，動力由機架上方的齒輪箱傳遞，滿足行駛過程中的平地工作。為保證平地面積的完整性，每個葉片在旋轉(zhuǎn)運動時會有部分的重復(fù)作業(yè)區(qū)域，其作業(yè)總寬與前車的幅寬一致。采用雙旋轉(zhuǎn)式葉片結(jié)構(gòu)，使作業(yè)面形成一個較大平面，隨機車前進對苗床表面松土起到攤平作用，葉片在旋轉(zhuǎn)過程中持續(xù)對苗床表層土壤進行“挖高填低”實現(xiàn)苗床土平地精細化處理。機架的兩側(cè)裝有可調(diào)節(jié)高度的限深板，在平地作業(yè)中調(diào)節(jié)限深板與刮土器葉片保持相對距離，增大機架與苗床的接觸面積，分散對刮土器苗床的垂直壓力，同時起到適度均勻壓實苗床土表層的作用。

1.2 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)是由傳動軸和齒輪箱組成。通過連接前車動力輸出軸，經(jīng)過T型齒輪箱動力傳導(dǎo)，分別傳遞到左右旋轉(zhuǎn)葉片的回轉(zhuǎn)軸輸出端，達到傳動要求。齒輪箱均采用錐齒輪的嚙合結(jié)構(gòu)，錐齒輪傳動平穩(wěn)，機械效率高，傳動力矩大。傳動系統(tǒng)如圖2所示。

1.3 關(guān)鍵部件設(shè)計

1.3.1 刮土器參數(shù)設(shè)計

刮土器是旋轉(zhuǎn)葉片和回轉(zhuǎn)軸組成，為較好保證機器在棚室的通過性，考慮雙旋轉(zhuǎn)葉片結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)葉片單片設(shè)計為長450 mm，寬100 mm的矩形結(jié)構(gòu)。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》對平地鏟切土角進行參數(shù)計算，用于鏟土和運土作業(yè)切土角范圍為30°～40°［14］，本文選取切土角為35°，可較好地實現(xiàn)對苗床土的鏟土、運土等功能，且減小切削阻力，減輕葉片表面黏土現(xiàn)象。

實現(xiàn)無漏刮前提下，減少重復(fù)作業(yè)的面積，因而左右刮土器的初始安裝夾角γ較為關(guān)鍵，多數(shù)采用安裝角度為90°［15］，初始安裝角度選取不適會導(dǎo)致兩旋轉(zhuǎn)葉片之間的存在運動干涉。實現(xiàn)兩旋轉(zhuǎn)葉片不干涉的極限初始安裝夾角γ計算如式（1）所示。

1.3.2 刮土器受力分析

圖4為旋轉(zhuǎn)葉片切削土壤的受力分析圖。刮土器作為苗床平地機的關(guān)鍵部件，在工作過程中，旋轉(zhuǎn)葉片可視為做切削土壤運動，葉片切削土壤時切削阻力的一部分來源于切削作用，另一部分時來源于土壤與葉片之間摩擦應(yīng)力。以O(shè)點為原點，建立空間坐標(biāo)系如圖4所示。

考慮實際育秧大棚中的環(huán)境條件下，沒有較大的土塊和石塊等堅硬物質(zhì)，因此，不考慮旋轉(zhuǎn)葉片起邊、變鈍等情況。在垂直方向上受到的力如式（5）所示。

Fc=μN0sinα+CaA0sinα+kbsinα-N0cosα

（5）

1.3.3 刮土器運動參數(shù)分析

圖5為苗床平地機工作裝置的運動分析示意圖，左右兩側(cè)的刮土器回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動方向相反，作業(yè)時刮土器的絕對運動是繞回轉(zhuǎn)軸中心圓周運動與機具前進運動相結(jié)合。如圖5所示，以A軸回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點，Y軸為A軸與B軸回轉(zhuǎn)中心的連線，X軸為機車的前進方向，建立坐標(biāo)系，以逆時針轉(zhuǎn)動方向為正。

當(dāng)A軸旋轉(zhuǎn)葉片上的任意點m1在圖5所示位置時，該初始點的位移方程如式（6）所示。

xm1=V0t+Rsinωt

ym1=-Rcosωt

（6）

B軸旋轉(zhuǎn)葉片上點m2的位移方程如式（7）所示。

xm2=V0t-Rsin（ωt-θ1）

ym2=-L+Rcos（ωt-θ1）

（7）

式中：

V0——機車的前進速度，m/s；

θ1——葉片之間的初始安裝夾角，（°）；

ω——葉片回轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

t——時間，以Y軸負方向為起始點，s。

根據(jù)式（6）、式（7）位移方程可知，苗床平地機工作部件的運動軌跡為擺線，且擺線的形狀受機具前進速度影響，但是與臥式旋耕機不同，不會因為超過一定的旋耕速比而出現(xiàn)無法正常作業(yè)的現(xiàn)象。

旋轉(zhuǎn)刀片作業(yè)的軌跡通常為余擺線軌跡，多數(shù)采用旋刀速比來計算，旋刀速比計算如式（8）所示。

λ=δrv1

（8）

式中：

λ——旋刀速比；

δ——旋刀轉(zhuǎn)速，r/s；

r——旋刀旋轉(zhuǎn)半徑，m；

v1——機具的前進速度，m/s。

通過查閱資料和實地測試，確定刮土器轉(zhuǎn)速為150 r/min，機具前進速度為0.7 m/s。故旋刀速比為1.6。λ=1.6＞1，運動軌跡為余擺線，可較好的保證平地作業(yè)質(zhì)量。

2 刮土器有限元分析

Workbench軟件分析功能強大，但是對于復(fù)雜模型的建立與處理較為困難［16］，為實現(xiàn)高效的模型分析，將刮土器的簡化模型在UG12.0軟件中繪制，并另存為Parasolid文件格式導(dǎo)入至Workbench軟件中，簡化后的刮土器模型如圖6所示。

1.旋轉(zhuǎn)葉片 2.加強桿 3.回轉(zhuǎn)軸

2.1 定義材料屬性及網(wǎng)格劃分

旋轉(zhuǎn)式水稻苗床平地機的刮土器主要由旋轉(zhuǎn)葉片和回轉(zhuǎn)軸，且加有兩根加強桿，保證旋轉(zhuǎn)葉片工作時的穩(wěn)定性，回轉(zhuǎn)軸采用45號優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，并調(diào)質(zhì)處理；加強桿和旋轉(zhuǎn)葉片采用Q275結(jié)構(gòu)鋼。各材料的屬性如表1所示。

ANSYS有限元分析中，前處理中的網(wǎng)格劃分對后續(xù)的分析結(jié)果起著重要的影響。采用Workbench中的四面體方法進行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置單元長度為4 mm，保證網(wǎng)格分布均勻且過渡平滑，整體的網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好。網(wǎng)格劃分共計124 235節(jié)點、72 933單元。

2.2 約束和載荷分析

根據(jù)式（4）計算出切削土壤水平阻力Fs為98.6 N，根據(jù)式（5）計算出切削土壤垂直阻力Fc為43.7 N，且方向向上，減速器與機架自身重力約為1 163 N，故垂直方向的力向下約為1 119.3 N。在作業(yè)過程中旋轉(zhuǎn)葉片繞回轉(zhuǎn)軸做圓周運動，當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉片與機車前進方向呈90°時，旋轉(zhuǎn)葉片受到最大扭矩Tmax計算如式（9）所示。

Tmax=ξnFmaxR

（9）

式中：

ξn——旋轉(zhuǎn)單元的刀具布置系數(shù)；

Fmax——旋轉(zhuǎn)葉片所受到土壤阻力。

刮土器的旋轉(zhuǎn)單元的刀具布置系數(shù)為2，結(jié)合式（9）計算可得在作業(yè)時旋轉(zhuǎn)葉片受到最大扭矩Tmax為88.74 N·m。

2.3 刮土器靜態(tài)分析

在Workbench分析計算中，通常選用mises屈服條件作為結(jié)構(gòu)破壞的臨界條件，參考第四強度理論并采用von mises等效應(yīng)力進行判斷［17］，Workbench對刮土器分析求解的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖如圖7所示。

由圖7可知，刮土器在作業(yè)過程中，應(yīng)力變化主要發(fā)生在靠近回轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)葉片上，因此查閱機械設(shè)計手冊［18］可知，Q275材料安全系數(shù)取n=2.0，對應(yīng)的許用應(yīng)力則為138 MPa。而圖7（a）中最大應(yīng)力為104.59 MPa，遠小于許用應(yīng)力值。根據(jù)圖7（b）可知，最大的總體變形僅為1.903 8 mm，且位置處于旋轉(zhuǎn)葉片的最遠端，對作業(yè)影響可忽略不計。故刮土器滿足旋轉(zhuǎn)式苗床平地機工作裝置的設(shè)計要求。

2.4 刮土器模態(tài)分析

旋轉(zhuǎn)式水稻苗床平地機在平地作業(yè)過程中主要受到3個部分的激勵載荷。

1）" 棚室中的苗床不平而產(chǎn)生的隨機振動。苗床平地機以錦禾2ZG-8KZ型高速插秧機為動力機車，且將水田輪更換至適合旱地的農(nóng)用輪，在棚室中的行車速度較低，激勵頻率一般為1～5 Hz范圍內(nèi)。

2）" 發(fā)動機工作而產(chǎn)生的簡諧振動，隨著車體本身和懸掛機構(gòu)等進行傳遞，其激勵頻率范圍較大，并因發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化而不斷變化。

發(fā)動機的運轉(zhuǎn)頻率

p=2nz60c

（10）

式中：

n——發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，r/min；

z——發(fā)動機的缸數(shù)；

c——發(fā)動機的沖程數(shù)。

錦禾2ZG-8KZ型高速插秧機采用三缸四沖程柴油發(fā)動機，額定轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，因此發(fā)動機的激勵頻率不高于65 Hz。

3）" 刮土器在平地作業(yè)中，旋轉(zhuǎn)葉片的圓周運動產(chǎn)生的簡諧運動。查閱設(shè)計手冊可知，實際激勵頻率與實際工作轉(zhuǎn)速的關(guān)系式如式（11）所示。

N=60F

（11）

式中：

N——實際工作轉(zhuǎn)速，r/min；

F——實際激勵頻率，Hz。

刮土器作業(yè)時轉(zhuǎn)速為150 r/min，代入式（11）可得實際激勵頻率為2.5 Hz。

Workbench對模態(tài)分析求解后的前6階模態(tài)頻率如表2所示。

分析上述數(shù)據(jù)可知：刮土器的前6階固有頻率在66.22～113.94 Hz之間，均避開上述三種情況下的激勵頻率，因而能有效避免共振問題的產(chǎn)生。故刮土器結(jié)構(gòu)和參數(shù)滿足設(shè)計要求。

3 田間試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗條件

2021年10月進行試驗，試驗地點在佳木斯建三江管局前進農(nóng)場的育秧試驗基地。選用1號超級育秧溫室大棚作為試驗田，為提高育秧大棚的綜合利用率，一般在起盤后，繼續(xù)種植作物，該試驗田長×寬為60 m×12 m，前茬為玉米，含水率為13.94%，苗床土壤堅實度為1 231.7 kPa，機車前進速度為0.7 m/s（2.5 km/h），刮土器轉(zhuǎn)速為150 r/min，如圖8所示，選用以錦禾2ZG-8KZ型高速插秧機為苗床平地機動力，進行棚室試驗。

3.2 試驗方法

參考《激光平地機作業(yè)質(zhì)量（DB21/T 2785—2017）》作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，土壤比阻大于8×104 Pa的，需先進行旋耕作業(yè)。且為減少對人因素對苗床高程測定的影響，將棚室田塊按3 m×3 m網(wǎng)格劃分，共75個網(wǎng)格點。采用精確度較高的水準(zhǔn)儀（LM350，精度：≤±1.0 mm/km）對作業(yè)前后進行網(wǎng)格化采樣測量。在棚室入口處選擇穩(wěn)固的基準(zhǔn)點，確定出基準(zhǔn)面高度，校準(zhǔn)調(diào)平系統(tǒng)高度，將基準(zhǔn)面高度輸入平地機的調(diào)平系統(tǒng)中，適當(dāng)調(diào)整限深板高度，架設(shè)三腳架（三腳架作業(yè)前后均不可被移動）手持塔尺立于網(wǎng)格點苗床進行定點測量，平地后采用同樣方法重復(fù)測量。

機車作業(yè)路線方法采用對角平整法，平地方向與秧棚方向呈一定角度，沿對角線方向依次作業(yè)，平整至對角后順時針或逆時針返回，重復(fù)3～4次作業(yè)，最后沿秧棚四周作業(yè)一周，防止漏整四周床面。

3.3 試驗結(jié)果與分析

采用Matlab軟件處理試驗數(shù)據(jù)，如圖9所示。圖9（a）為平地前的平整度分布情況，高程分布于121.7～137.5 cm之間變化；圖9（b）為平地后的平整度分布情況，高程分布在127.4～132.1 cm之間，相對于平整前，大部分的苗床高程得到改善，實現(xiàn)苗床平地機的作業(yè)效果。

采用棚室苗床床面的相對高程標(biāo)準(zhǔn)偏差分析作業(yè)質(zhì)量，評價苗床的平整精度。

Sd=∑Mi=1（hi-h）2/e-1

（10）

式中：

Sd——平整度，cm；

hi——

田間的第i個采樣點的相對高程，cm；

h——該田間相對期望高程，cm；

M——采樣點個數(shù)；

e——田塊內(nèi)所有采樣點的數(shù)量。

采用試驗棚室中苗床所有的采樣測量點高程與期望相對高程絕對差小于1.5 cm的測量點記為合格，合格點與總測量點的比值作為評價田間地面形狀差異，統(tǒng)計的結(jié)果如表3所示。

數(shù)據(jù)表明，旋轉(zhuǎn)式水稻苗床平地機在育秧大棚中能夠穩(wěn)定完成平地作業(yè)，苗床床面最大高程差從15.8 cm下降至作業(yè)后的4.7 cm，地面相對高程標(biāo)準(zhǔn)偏差值Sd從3.95 cm下降至0.98 cm，且作業(yè)后絕對差小于1.5 cm的測量點占比為92%，明顯提高苗床平地精度，改善床面平整情況，滿足當(dāng)?shù)嘏锸矣硇枨蟆?/p>

4 結(jié)論

1）" 分析工作裝置的運動參數(shù)和受力情況。利用Workbench軟件對平地機工作部件進行靜態(tài)強度分析和模態(tài)分析。分析結(jié)果表明：工作部件的最大應(yīng)力處應(yīng)力為104.59 MPa；最大的總體變形僅為1.903 8 mm；前6階固有頻率在66.22～113.94 Hz之間，其參數(shù)和結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計使用要求。

2） 試驗數(shù)據(jù)表明：苗床床面最大高程差從15.8 cm下降至作業(yè)后的4.7 cm，地面相對高程標(biāo)準(zhǔn)偏差值Sd從3.95 cm下降至0.98 cm，且作業(yè)后絕對差小于1.5cm的測量點占比為92%，改善床面平整情況，滿足當(dāng)?shù)嘏锸矣硇枨蟆?/p>

3）" 棚室內(nèi)的結(jié)構(gòu)為圓弧形，中間高，四周低，四周作業(yè)時，對駕駛員身高有所限制，后續(xù)可添加智能無人駕駛系統(tǒng)，以解決此類問題。

參 考 文 獻

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