摘要：為合理優(yōu)化玉米精量播種機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)機(jī)具使用壽命，降低維修成本，以排種器中關(guān)鍵部件支撐盤(pán)為研究對(duì)象，對(duì)其尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元法分析其靜力學(xué)特性、固有頻率及振型特征。以支撐盤(pán)前兩階模態(tài)固有頻率為指標(biāo)，以支撐盤(pán)外邊緣直徑、支撐盤(pán)整體厚度、外邊緣厚度為因素進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。最終分析得到優(yōu)化后的最低固有頻率為52.456 Hz，大于外界激勵(lì)頻率范圍1～33 Hz，優(yōu)化后的最大振幅由5.847 3 mm降為3.685 9 mm，有效避免共振干擾；試制樣機(jī)進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，最終得到支撐盤(pán)的平均使用壽命為213 h，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。為播種機(jī)的關(guān)鍵部件延壽降本優(yōu)化提供理論參考。

關(guān)鍵詞：玉米精量播種機(jī)；排種器；有限元分析；固有頻率；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：S223.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 09?0008?07

Study on optimization of life extension and cost reduction of key components of

seed discharger of corn precision planter

Wusiman Wumuer Rushanguli Wusiman Alafate Maerdan Satar Simayi

（1. Institute of Rural Development， Xinjiang Academy of Social Sciences， Urumqi， 830011， China; 2. Economic Research Institute， Xinjiang Academy of Social Sciences， Urumqi， 830011， China; 3. School of Mechanical and

Electrical Engineering， Xinjiang Vocational amp; Technical College of Communications， Urumqi， 831401， China;

4. Huimin Agricultural Research and Advisory Service Station of Shanshan， Xinjiang， Turpan， 838011， China）

Abstract： In order to reasonably optimize the structure of key components of corn precision seeder， prolong the service life of the machine and reduce the maintenance cost， the key component of the support disc in the seed releaser was designed with its parameters and dimensions， and its static characteristics， inherent frequency and vibration characteristics were analyzed by the finite element method. With the natural frequencies of the first two modes" of the support disc as the index， the three?factor and three?level orthogonal tests were carried out with" the diameter of the outer edge of the support disc， the overall thickness of the support disc and the thickness of the outer edge as the factors. The final analysis shows that the optimized minimum inherent frequency is 52.456 Hz， which is greater than the external excitation frequency range of 1-33 Hz， and the optimized maximum amplitude is reduced from 5.847 3 mm to 3.685 9 mm， which reasonably avoids the resonance interference， the trial prototype is subjected to bench fatigue test， and the average service life of the support disk is 213 h， which meets the standard requirements. It provides theoretical reference for the optimization of life extension and cost reduction of key components of the seeding machine.

Keywords： corn precision planter; seed?metering device; finite element analysis; fixed frequency; structural optimization

0 引言

玉米作為經(jīng)濟(jì)、糧食、飼料兼用的作物，在我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)體系中占據(jù)重要地位，其種植面積占我國(guó)糧食總播種面積的37%[1]。精量播種技術(shù)因其節(jié)本增效、合理利用資源等優(yōu)點(diǎn)，在玉米種植過(guò)程中得到廣泛使用，玉米精量播種機(jī)作為實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的重要農(nóng)用機(jī)械，經(jīng)過(guò)多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，已延伸發(fā)展形成多種機(jī)型，如指夾式、舀勺式、夾持式等[2?5]?，F(xiàn)有機(jī)型雖然已基本滿足玉米播種農(nóng)藝使用需求，但仍存在結(jié)構(gòu)可靠性差、部件易損、壽命較低以及更換成本相對(duì)較高的缺點(diǎn)[6?9]，因此結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境針對(duì)播種機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是提高精量播種機(jī)排種器壽命、降低成本的重要途徑。

為優(yōu)化播種機(jī)的整體作業(yè)性能，近年來(lái)相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。謝善亮等[10]通過(guò)對(duì)玉米播種機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元分析，得到了機(jī)架的載荷分布規(guī)律及屈服強(qiáng)度，為播種機(jī)機(jī)架的優(yōu)化提供了依據(jù)；張印[11]針對(duì)玉米播種機(jī)受地面激勵(lì)的振動(dòng)特性展開(kāi)研究，提出一種降低播種機(jī)振動(dòng)的有效措施；劉澤松等[12]采用有限元法對(duì)播種機(jī)機(jī)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，使機(jī)架的重量有效減少27.4%。由此可見(jiàn)，目前對(duì)于播種機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化已初見(jiàn)成效，但仍多以播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)及支架為對(duì)象進(jìn)行的研究，而對(duì)于排種器的相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究鮮有報(bào)道，排種器作為播種機(jī)的關(guān)鍵部件，作業(yè)過(guò)程中直接與地面接觸，同時(shí)受地面及播種機(jī)其他接觸部件的共同作用，其可靠性及穩(wěn)定性直接決定了播種機(jī)的使用性能。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文以玉米精量播種機(jī)排種器內(nèi)部關(guān)鍵部件支撐盤(pán)為研究對(duì)象展開(kāi)研究，采用有限元法對(duì)其載荷分布規(guī)律及共振階級(jí)進(jìn)行分析，以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[13?15]，并通過(guò)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的合理性及可行性。

1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

玉米精量排種器主要由擋盤(pán)、支撐盤(pán)、壓盤(pán)、取投種模塊、軸等組成，如圖1所示。其中龍骨條裝于支撐盤(pán)內(nèi)側(cè)，支撐盤(pán)通過(guò)卡槽與取投種模塊配合安裝，左右壓盤(pán)通過(guò)螺栓對(duì)排種器進(jìn)行壓裝固定，各部件相互配合安裝，組成排種器整體。

1.2 排種器工作原理

如圖2所示，支撐盤(pán)在排種器內(nèi)部起到支撐作用的同時(shí)將排種器分為左右A、B兩室，播種作業(yè)時(shí)，播種機(jī)定速前進(jìn)，排種器在播種機(jī)的牽引下隨地形滾動(dòng)，此時(shí)玉米種在導(dǎo)種管的導(dǎo)向作用下進(jìn)入A室，形成自轉(zhuǎn)種群，此時(shí)位于B室中的驅(qū)動(dòng)桿在龍骨條的作用下發(fā)生不同角度偏轉(zhuǎn)，帶動(dòng)A室中的取種勺在固定位置開(kāi)啟和關(guān)閉，從而完成取種和投種的過(guò)程。

1.3 支撐盤(pán)參數(shù)設(shè)計(jì)

由農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)[16?18]及上述工作原理可知，支撐盤(pán)是排種器內(nèi)部的重要支撐部件，其參數(shù)與排種器整體尺寸有關(guān)，為減小支撐盤(pán)對(duì)種子的損傷，將其設(shè)計(jì)為圓臺(tái)狀，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中，支撐盤(pán)外徑Da是支撐盤(pán)的基礎(chǔ)尺寸參數(shù)，其大小影響了排種器整體尺寸及單次排種作業(yè)時(shí)間，當(dāng)排種器前進(jìn)速度一定時(shí)，適當(dāng)增加排種器直徑可有效延長(zhǎng)單次作業(yè)時(shí)間，提高充種效果；但當(dāng)排種器穴數(shù)一定時(shí)，直徑越大，株距越長(zhǎng)，無(wú)法滿足密植要求。為研究排種器直徑對(duì)于一次作業(yè)時(shí)間的影響，建立充種作業(yè)時(shí)長(zhǎng)t0關(guān)于排種器尺寸的方程為

由式（4）可知，當(dāng)排種器前進(jìn)速度一定時(shí)，排種器充種時(shí)長(zhǎng)與排種器穴數(shù)和直徑有關(guān)，當(dāng)穴數(shù)一定時(shí)，排種器直徑越大，充種時(shí)間越長(zhǎng)，但過(guò)大的直徑不易于播種機(jī)機(jī)架的適配性以及不同類型排種器之間通用件的互換性，結(jié)合市場(chǎng)上現(xiàn)有機(jī)械式排種器外形尺寸，設(shè)定支撐盤(pán)外徑Da為230 mm，中徑Db為155 mm，內(nèi)徑Dc為110 mm，厚度L為50 mm。

2 支撐盤(pán)有限元分析

在播種過(guò)程中，排種器直接與地面接觸滾動(dòng)，受自身機(jī)械結(jié)構(gòu)及地面平整度的共同影響，會(huì)產(chǎn)生大量載荷及振動(dòng)，支撐盤(pán)是排種器內(nèi)部重要支撐部件，其自身穩(wěn)定性對(duì)于取投種模塊的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性具有重要作用，通過(guò)有限元法對(duì)支撐盤(pán)的靜力學(xué)和模態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)而得到支撐盤(pán)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，以及其載荷分布規(guī)律、固有頻率和振型特征，通過(guò)分析最大形變狀態(tài)進(jìn)而判斷支撐盤(pán)強(qiáng)度是否滿足玉米種植需求。

2.1 靜力學(xué)分析

2.1.1 分析前處理

通過(guò)三維建模軟件SolidWorks對(duì)支撐盤(pán)進(jìn)行建模并保存為中間格式.x_t導(dǎo)入到ANSYS WorkBench軟件，設(shè)置支撐盤(pán)材料為Q235，對(duì)應(yīng)輸入其材料特性如表1所示。

2.1.2 施加載荷

通過(guò)對(duì)支撐盤(pán)的安裝位置及安裝方式進(jìn)行分析可知，支撐盤(pán)主要受排種器軸的徑向約束及擋盤(pán)的軸向約束，因此在支撐盤(pán)內(nèi)壁及卡槽處添加固定約束；在播種過(guò)程中支撐盤(pán)主要受取投種模塊單體對(duì)其產(chǎn)生的壓力載荷，因此在支撐盤(pán)外源加載0.015 MPa的均布載荷邊界，模擬實(shí)際工況，如圖5所示。

2.1.3 后處理分析及結(jié)論

經(jīng)過(guò)計(jì)算處理后得到支撐盤(pán)總變形云圖及應(yīng)力云圖如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知，排種器支撐盤(pán)的載荷分布較為規(guī)律且形變均勻，最大形變量發(fā)生于支撐盤(pán)外邊緣，其值為0.852 71 mm，最大應(yīng)力位于龍骨條安裝孔處，其值為8.237 3 MPa，小于支撐盤(pán)所選用材料Q235的屈服強(qiáng)度，故排種器支撐盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度使用需求。

2.2 模態(tài)分析

因排種器直接與地面接觸滾動(dòng)，受其工作方式及地面平整度影響，在作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量振動(dòng)，為探明支撐盤(pán)的振動(dòng)特性，取其前6階模態(tài)中的固有頻率及最大形變進(jìn)行分析，如表2所示，形變?cè)茍D如圖8所示。

在播種作業(yè)過(guò)程中，排種器轉(zhuǎn)速通常為10～60 r/min，其對(duì)應(yīng)最大頻率為1 Hz；播種作業(yè)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500～2 000 r/min，對(duì)應(yīng)最大頻率為33 Hz；地面的激勵(lì)頻率約為3 Hz。因此外界對(duì)于排種器的激勵(lì)頻率為1～33 Hz，由表2可知，支撐盤(pán)的前兩階固有頻率位于此范圍之內(nèi)，因此為避免發(fā)生共振，需對(duì)支撐盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3 支撐盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1） 正交試驗(yàn)。由前文分析可知，排種器支撐盤(pán)的一、二階固有頻率處于外界激勵(lì)頻率范圍之內(nèi)，因此需通過(guò)對(duì)支撐盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以提高其一、二階對(duì)應(yīng)頻率，使其滿足使用需求，避免共振。因此根據(jù)理論分析，取排種器支撐盤(pán)一、二階固有頻率為試驗(yàn)指標(biāo)，取支撐盤(pán)外邊緣直徑、支撐盤(pán)整體厚度、外邊緣厚度為因素進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，選取較優(yōu)參數(shù)組合值，各因素對(duì)應(yīng)水平值如表3所示。

根據(jù)試驗(yàn)方案開(kāi)展正交試驗(yàn)[19]，每次進(jìn)行9組試驗(yàn)，通過(guò)Ansys Workbench軟件分別計(jì)算各組對(duì)應(yīng)的一、二階固有頻率，在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表中加入一空白列，建立L9（34）正交試驗(yàn)表，結(jié)果如表4所示，其中A、B、C為因素編碼值。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析見(jiàn)表5。

由表4和表5可知，排種器支撐盤(pán)一、二階固有頻率正交試驗(yàn)結(jié)果顯著，其中一階固有頻率范圍為42.391～50.818 Hz，二階固有頻率范圍為44.405～53.005 Hz，各因素對(duì)于一、二階固有頻率的最優(yōu)參數(shù)組合為A2B2C1，即支撐盤(pán)外邊緣直徑230 mm，整體厚度50 mm，外邊緣厚度3 mm。

2） 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證。為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的合理性，現(xiàn)對(duì)調(diào)整后的三維模型重新進(jìn)行有限元分析，其中靜力學(xué)分析如圖9、圖10所示。優(yōu)化后的支撐盤(pán)最大形變量仍位于外邊緣處，其值為0.839 28 mm，最大應(yīng)力同樣位于龍骨條安裝孔處，其值為7.304 1 MPa，滿足材料許用強(qiáng)度。

對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，優(yōu)化后的排種器支撐盤(pán)前兩階固有頻率分別為52.456 Hz、57.347 Hz，避免了1～33 Hz的外界激勵(lì)頻率范圍，防止共振現(xiàn)象產(chǎn)生，且最大振幅由5.847 3 mm降為3.685 9 mm，工作過(guò)程更為穩(wěn)定。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果的合理性，對(duì)支撐盤(pán)進(jìn)行安裝并進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)為模擬田間真實(shí)作業(yè)環(huán)境、縮短試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，在排種器內(nèi)部種群中混入粒徑為0.25～0.35 mm細(xì)沙，試驗(yàn)過(guò)程如圖12所示。

試驗(yàn)分3組同時(shí)進(jìn)行，在排種器轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、未出現(xiàn)明顯異響的前提下，每間隔4 h進(jìn)行停機(jī)觀察，當(dāng)支撐盤(pán)出現(xiàn)明顯磨損、變形時(shí)停止試驗(yàn)，并記錄此次運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)，最終試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，玉米精量排種器支撐盤(pán)的平均耐磨壽命為213 h，通過(guò)參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 9783—2013《播種機(jī)外槽輪排種器》[20]，驗(yàn)證此排種器的零部件強(qiáng)度可滿足實(shí)際作業(yè)使用要求。

5 結(jié)論

為合理優(yōu)化播種機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)，有效延長(zhǎng)播種機(jī)使用壽命，提升播種機(jī)作業(yè)性能，本文以排種器中關(guān)鍵部件支撐盤(pán)為研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS Workbench軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的合理性。

1） 以玉米精量排種器整體尺寸為基礎(chǔ)對(duì)排種器關(guān)鍵部件支撐盤(pán)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到支撐盤(pán)外徑為230 mm、中徑155 mm、內(nèi)徑110 mm、厚度50 mm，對(duì)支撐盤(pán)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，最終得到支撐盤(pán)靜力學(xué)強(qiáng)度滿足要求，但位于共振范圍內(nèi)。

2） 為避免共振現(xiàn)象出現(xiàn)，以支撐盤(pán)前兩階模態(tài)固有頻率為指標(biāo)，以支撐盤(pán)外邊緣直徑、支撐盤(pán)整體厚度、外邊緣厚度為因素進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，選取較優(yōu)參數(shù)組合值，最終分析得到優(yōu)化后的最低固有頻率為52.456 Hz，大于外界激勵(lì)頻率范圍，有效避免共振現(xiàn)象發(fā)生。

3） 對(duì)參數(shù)優(yōu)化后的支撐盤(pán)裝配后進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)，最終得到支撐盤(pán)的平均使用壽命為213 h，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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