孟宇 羅紅旗 李曉晴 石矛

[摘要]針對免耕種植機(jī)械化需求，進(jìn)行免耕播種機(jī)關(guān)鍵件設(shè)計，運(yùn)用SolidWorks軟件建立導(dǎo)肥管和排種器機(jī)構(gòu)的三維模型，為播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)械性能分析提供支撐。

[關(guān)鍵詞]播種機(jī);Solidworks;導(dǎo)肥管;排種器

[中圖分類號]S223.2[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

1 前言

免耕播種機(jī)能夠在未翻耙整地的條件下播種，其單體設(shè)計主要包括機(jī)架連接、開溝器、種肥箱、排種排肥器、地輪、覆土鎮(zhèn)壓器、深淺調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳動系統(tǒng)等，也可以組合多個單體結(jié)構(gòu)形成各種適應(yīng)不同農(nóng)藝條件的壟作免耕播種機(jī)。本文擬利用SolidWorks軟件對壟作免耕播種機(jī)的單體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行三維建模，組合式排種器通用性強(qiáng)，可以調(diào)整排種寬度控制排種量，有利于根據(jù)農(nóng)藝條件滿足播種數(shù)量。播種機(jī)單體功能多樣性，播種機(jī)單體能夠一次性完成開溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等各項播種工作，減少播種機(jī)器下地次數(shù)，實現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)，降低作業(yè)成本，提高生產(chǎn)效率，更好地保證播種質(zhì)量。本文以播種機(jī)單體中導(dǎo)肥管和排種器為例，進(jìn)行SolidWorks軟件構(gòu)建播種機(jī)關(guān)鍵件三維模型分析。

2 三維模型的建立

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種制圖軟件得到了有效的推廣，為工程設(shè)計與施工提供了極大的便利。SolidWorks是基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，具有功能強(qiáng)大、操作簡單和易學(xué)易用等特點。其作為專業(yè)的三維CAD建模軟件已經(jīng)在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，部分有限元分析軟件也為SolidWorks提供了應(yīng)用接口。

SolidWorks是第三代CAD建模軟件，包含零件設(shè)計、裝配體設(shè)計和工程圖生成三大基本功能，其建模的過程一般為繪制草圖——生成實體——導(dǎo)出工程圖。繪制草圖時先需要選擇基準(zhǔn)面，SolidWorks中默認(rèn)的基準(zhǔn)面分別是前后視、上下視和左右視，對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型的繪制還需要通過添加建立的參考基準(zhǔn)面來實現(xiàn)。然后通過對草圖拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除、放樣、掃描等特征操作完成對象的三維實體建模。對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要將其分解為幾部分繪制，最后通過裝配獲得模型。在使用SolidWorks建立三維模型時，盡可能在一個單獨(dú)的零件中完成，而不是通過裝配得到。雖然兩者創(chuàng)建的三維模型在外觀上沒有絲毫差別，但是裝配得到的實體往往容易產(chǎn)生冗余的線段，且塊體之間的相貫性得不到充分的表現(xiàn)，對工程圖的生成及處理帶來不便。

2.1導(dǎo)肥管三維模型建立

2.1.1 構(gòu)建直槽口。由于此直槽口底面與上視基準(zhǔn)面不平行，需要添加參考基準(zhǔn)面。具體做法是：在上視基準(zhǔn)面畫一條直線，以此直線為第一參考，關(guān)系是重合，以右視基準(zhǔn)面為第二參考，關(guān)系是旋轉(zhuǎn)68°，即可得到參考基準(zhǔn)面1。在此基準(zhǔn)面上繪制草圖，選擇中心直槽口命令，在中心繪制一個直槽口，并添加尺寸約束，然后退出草圖，點擊拉伸凸臺/基體命令，拉伸一定高度。

2.1.2 創(chuàng)建圓柱體。由于圓柱體底面既不與上視、前視、右視基準(zhǔn)面重合，也不與新建立的基準(zhǔn)面1重合，所以新建參考基準(zhǔn)面3。具體做法是：以參考基準(zhǔn)面1為參考，向上平移一定距離得到參考基準(zhǔn)面2，在參考基準(zhǔn)面2內(nèi)繪制草圖——一條直線，以此直線為參考一，關(guān)系為重合，以參考基準(zhǔn)面2為參考二，關(guān)系為選擇235度，即可得到參考基準(zhǔn)面3。在此基準(zhǔn)面上繪制草圖，選擇圓命令，在中心繪制一個圓，并添加尺寸約束，然后退出草圖，點擊拉伸凸臺/基體命令，拉伸一定高度，即可得到圓柱體。

2.1.3 創(chuàng)建不規(guī)則圓柱體。由于此圓柱體有斜面，形狀不規(guī)則，考慮在前視基準(zhǔn)面上繪制草圖，然后利用選擇命令得到一個規(guī)則的圓柱體，由于前面所作的圓柱體與參考基準(zhǔn)面2有一定的傾斜角度，而此不規(guī)則圓柱體正好與前面所做的圓柱體相接，且其底面與參考基準(zhǔn)面2平行，所以旋轉(zhuǎn)得到的圓柱體會被前一圓柱體遮擋一部分，正好得到一個所需要的帶有斜面的不規(guī)則圓柱體。

2.1.4 放樣。目前為止，直槽口離不規(guī)則圓柱體有一段距離，現(xiàn)需得到一個完整的實體，由于直槽口和圓柱體輪廓形狀不一樣，所以需要通過放樣命令補(bǔ)全實體。點擊放樣命令，在輪廓中選擇不規(guī)則圓柱體的下邊線和直槽口所形成的上底面即可。

2.1.5 完善實體與抽殼。直接在前視基準(zhǔn)面繪制草圖，通過拉伸切除多余部分得到所需的形狀，再用抽殼命令，選擇圓柱上底面和直槽口下底面，得到最終實體模型。

導(dǎo)肥管的三維模型如圖1所示。導(dǎo)種管的創(chuàng)建過程與導(dǎo)肥管相似，并分別與鏟尖、施肥開溝器鏟柄、施種開溝器鏟柄結(jié)合得到施肥開溝器和施種開溝器。施肥開溝器安裝在播種開溝器后面，實現(xiàn)種肥分施，先施肥，后播種。

2.2排種器三維模型的建立

排種器為免耕播種機(jī)中較為重要的結(jié)構(gòu)，其可以與其他零件組裝成排種器，排種器結(jié)構(gòu)如下：排種器主要由種箱、供種機(jī)構(gòu)、排種器、清種刷、刮種裝置等組成。排種器常見工作原理如下：種箱內(nèi)的種子在重力作用下以均勻速度流入定向供種機(jī)構(gòu)中，定向供種機(jī)構(gòu)通過振動使種子實現(xiàn)沿長軸方向首尾相連地均勻連續(xù)定向排序穩(wěn)態(tài)輸送。當(dāng)種子運(yùn)動至尾部輸出口時通過橫向運(yùn)動入排種器型孔中，經(jīng)刷種輪和護(hù)種裝置到達(dá)投種位置后在重力與慣性力作用下下落，沒有及時掉落的種子由刮種裝置強(qiáng)制脫落。播種裝置通過控制種子運(yùn)動姿態(tài)實現(xiàn)稻種沿長軸方向均勻連續(xù)定向排序的穩(wěn)態(tài)輸送和沿型孔輪軸向橫向分布供種，為降低每穴種子粒數(shù)、提高單粒充填率提供了可能。

2.2.1 構(gòu)建排種器主體。具體建模過程如下：選擇前視基準(zhǔn)面，并在其上做出一個直徑為60mm的圓，作為排種器的初始的外輪廓;通過“拉伸凸臺/基體”命令創(chuàng)造一個高為51mm，直徑為60mm的圓柱體，此即排種器的主體。

2.2.2 通過拉伸切除制作排種器內(nèi)部不規(guī)則形狀空腔。通過對主視圖空腔輪廓以及左視圖中排種器邊緣內(nèi)壁直徑的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以確定空腔各邊緣的位置與尺寸關(guān)系。具體建模過程如下：先選擇前視基準(zhǔn)面，并在已做好的排種器主體的中心作出一條中心線作為確定空腔位置的基準(zhǔn);作出空腔的內(nèi)邊緣與外邊緣，二者分別在直徑為25mm和55mm的圓弧上;再根據(jù)各空腔邊緣間的關(guān)系，創(chuàng)建一段和外邊緣相交，在底面與直徑為38mm的圓相切的圓弧，并通過直線閉合輪廓，之后通過裁剪工具對輪廓進(jìn)行合理修剪;至此，半邊的空腔輪廓已經(jīng)完成，將其關(guān)于中心線進(jìn)行鏡像便得到一個完整的空腔輪廓;將一個空腔輪廓以圓心為參考點進(jìn)行圓周草圖陣列，得到六個均勻分布的空腔輪廓;以空腔輪廓作為邊線進(jìn)行拉伸切除，使其在一個方向上貫穿實體，而在相反方向上與實體保有一定距離，則空腔建模完成。

空腔制作完成之后，由于空腔并非通孔，并且在之后的建模過程中也存在不關(guān)于前視基準(zhǔn)面對稱的要素，因此在之后的建模過程中應(yīng)注意不同要素與圓柱體兩個底面分別的位置關(guān)系。

2.2.3 制作排種器通孔與鍵槽。在空腔制作完成之后，則主視圖中要素基本完成，可以觀察與之方向相反的后視圖，并對其上的主要要素進(jìn)行建模。通過對后視圖觀察并分析其上數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)其主要要素包括中間的通孔與鍵槽。應(yīng)當(dāng)注意的是根據(jù)左視圖，鍵槽并不貫穿形體，而是與另一面保持一定的距離。具體建模過程如下：先做出直徑為16.5mm和23mm的圓各一個，其為鍵槽的內(nèi)外邊緣;過圓心做豎直中心線;通過豎直線將內(nèi)外兩圓弧相連并通過智能尺寸使此豎直線與中心線的距離在3mm;至此，一個鍵槽的半邊輪廓已經(jīng)完成，將其以中心線為參考進(jìn)行對稱，使得構(gòu)造出一個鍵槽的完整輪廓，對輪廓進(jìn)行適當(dāng)裁剪;將輪廓以圓心為參考進(jìn)行圓周草圖陣列使四個輪廓圍繞圓心均勻分布;以鍵槽輪廓為邊界進(jìn)行拉伸切除使其貫穿至一個底面，而與另一底面保持一定距離;以小圓輪廓為邊界對實體進(jìn)行拉伸切除貫穿整個實體。

2.2.4 對排種器型孔進(jìn)行建模。對后視圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其上關(guān)鍵要素還有排種器型孔。具體建模過程如下：做半徑為8mm的圓，并使其與底面直徑為42mm的圓相交;調(diào)整其位置，使其與底面豎直中心線保持一定角度;以底面中心為參考點對型孔輪廓進(jìn)行圓周草圖陣列，使六個型孔輪廓圍繞底面圓心均勻分布;通過“拉伸切除”指令，使型孔貫穿至一個底面，而與另一底面保持一定距離。

2.2.5 對細(xì)節(jié)進(jìn)行處理，切除實體中多余部分，并進(jìn)行倒圓角工作，使其符合實際需要，排種器的三維模型如圖2（a）、（b）、（c）所示。

3 結(jié)論

在本文中，利用SolidWorks軟件對播種機(jī)單體的導(dǎo)肥管和排種器進(jìn)行三維建模并對其過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為后續(xù)播種機(jī)單體結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能分析提供支撐。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王沖，宋建農(nóng)，李永磊，等.基于三維打印的型孔排種器制造技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（03）：108-111.

[2] 余斌，謝軍海，張濤，等.小型手推精量穴播機(jī)的設(shè)計與試驗分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2017，55（12）：1-4.

[3] 劉碧俊.基于Pro/E的排種器三維造型設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007（01）：144-145.

[4] 許尤立，黃華棟.排種器的成型部分設(shè)計研究[J].煤炭技術(shù)，2012，31（10）：225-227.

[5] 朱金權(quán).SolidWorks軟件在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用與研究[J].新技術(shù)新工藝，2009（2）：41-44.

[收稿日期]2018-11-26

[基金項目]國家質(zhì)量基礎(chǔ)的共性技術(shù)研究與應(yīng)用（2017YFF0207200），北京市大學(xué)生科研與創(chuàng)業(yè)行動計劃項目（201810011096）。

[作者簡介]孟宇（1997—），女，湖南岳陽人，在讀本科生。