便携式多功能花生播种装置仿真分析及优化_粟振灿.pdf

http:/2023年5月 第14卷 第9期便携式多功能花生播种装置仿真分析及优化粟振灿赵祈颀郭志中广西农业职业技术大学，广西南宁530007摘要：为提高广西壮族自治区丘陵地区花生种植的机械化程度，解决丘陵地区窄小田地无法使用大型机械设备作业的问题，研究设计并优化便携式多功能花生播种装置。该装置主要由主体部分、操纵部分、传动部分、原料供给部分组成，可同时实现开沟、播种、施肥、覆土多种功能。利用ANSYS 软件进行分析，对便携式多功能花生播种装置的结构进行优化，并结合试验对比分析其工作性能。结果表明，减轻便携式多功能花生播种装置的主体质量，对装置的开沟、播种、施肥功能影响不大，但装置的便携性、覆土功能有所优化，最大等效应力由 99.5 MPa 增加至 157.0 MPa，提高了田间作业效率。关键词：便携式；多功能；花生播种；仿真分析中图分类号：S223.2文献标志码：A文章编号：1674-7909（2023）09-154-40引言广西壮族自治区（以下简称广西）总体是山地丘陵性盆地地貌，区内多数花生种植田形状不规则且面积较小，因此，当地农户无法借鉴平原地区花生高产区域的智能化、机械化种植方法。基于此，为降低人工成本、提高生产效率，研究适用于丘陵地区的便携式多功能花生播种装置。1便携式多功能花生播种装置总体构造及工作原理1.1便携式多功能花生播种装置构造便携式多功能花生播种装置主要由主体部分、操纵部分、传动部分、原料供给部分等组成，其三维模型简图、结构示意图、操纵部分主要受力部件（脚踏总成）示意图分别如图1、图2、图3所示。主体部分是整个便携式多功能花生播种装置的装配基体，主要由竖杆、横杆、扶手及连接杆组成。操纵部分用来控制传动部分的运动，实现装置的开沟、播种、施肥、覆土及其他辅助功能，包括踏板总成和手控基金项目：2021年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“一种便携式多功能花生播种装置的设计研究”（2021KY1195）。作者简介：粟振灿（1984），女，硕士，讲师，研究方向：农业机械设备及技术。通信作者：赵祈颀（1987），男，本科，副教授，研究方向：机械工程。图1便携式多功能花生播种装置三维模型简图123456789101112131415161滚轮；2撑杆；3轮架固定支架；4连接杆；5回位弹簧；6主体；7软管；8储料罐；9扶手；10拨杆；11回位弹簧；12拉索；13连接杆；14踏板总成；15覆土爪；16封板。图2便携式多功能花生播种装置结构示意图154DOI:10.19345/ki.1674-7909.2023.09.011http:/总成两部分。传动部分主要实现动力的传递，主要包括连接杆、滚轮固定支架、滚轮及滚轮轴、撑杆、覆土爪、回位弹簧等零部件。原料供给部分主要用来储存和输送种子和肥料，包括储料罐、供料软管、控制按钮、出料封口等。整个装置的金属部分制造材料为Q235号钢材，其中主体部分和踏板总成基体件均为30 mm30 mm2 mm钢材，各金属件之间根据实际工作情况采用焊接、铆接、销连接等方式连接。1.2便携式多功能花生播种装置工作原理便携式多功能花生播种装置不仅携带方便，而且能一次完成开沟、播种、施肥、覆土等田间作业。它的主要工作原理如下。1.2.1开沟过程。将装置竖直放置在田间合适位置，双手扶好装置扶手，右脚向下施力，将脚踏总成踩入泥土，完成开沟作业；松开右脚，在回位弹簧的作用下，脚踏总成回归原位，完成复位。1.2.2播种过程。脚踏总成插入田间，完成开沟作业后，按下控制按钮并拨动拨片，储料罐中的种子沿着供料管道下落并通过打开的导槽封口直接落入土中，完成播种作业。1.2.3施肥过程。施肥作业的操作过程与播种作业基本一致。播种作业完成后，用手拨动安装于装置主体上的肥料放料罐开关，即完成施肥作业。1.2.4覆土过程。施肥作业完成后，松开右脚，脚踏总成复位，然后向前拖动装置，覆土爪沿直线方向将田沟旁的泥土刮平并覆盖在已完成播种和施肥作业的田沟上，即完成覆土作业。2便携式多功能花生播种装置的有限元静力学分析2.1材料属性定义考虑装置的制造成本及其在使用过程中的工作可靠性，整个装置金属部分的结构件主要采用Q235号钢材制作。Q235号钢材的特性参数如表1所示。表1Q235号钢材特性参数材料特性弹性模量/MPa屈服极限/MPa密度/（g/cm3）泊松比参数2.101052357.850.250.332.2模型预处理为便于分析，用 Workbench Spaceclaim 对模型进行简化处理，即将部分细小零件进行整理合并成具有特定功能的部件，如图4所示。图4模型简图用Model模块打开处理好的模型并建立接触，利用 Joints和 Contacts功能将各部分部件建立如图 5所示关系。0.00XXYYZZFHEHCCDAXX225.00450.00675.00900.00（mm）图5接触关系图2.3网格划分通过Mesh模块，设定整体网格单元尺寸3.0 mm。同时，为确保计算准确，细化接触部分的网格单元尺寸，设定脚踏总成部分的网格单元尺寸为0.5 mm，如12345671导槽；2套管；3脚踏板；4回位弹簧；5凸轮；6活叶；7承压板。图3脚踏总成示意图粟振灿，等便携式多功能花生播种装置仿真分析及优化155http:/2023年5月 第14卷 第9期图6所示。图6网格划分图2.4施加载荷及约束对滚轮和扶手等部分进行约束，并对脚踏总成部分加载500 N的集中力，如图7所示。图7载荷与约束图2.5结构分析与优化2.5.1数据分析。经 ANSYS Workbench 分析计算，提取计算结果，等效应力云图如图8所示。便携式多功能花生播种装置的最大等效应力在脚踩结构部分，为 99.5 MPa；主体部分复位弹簧连接处应力也较大，其他部分应力很小。图8结构优化前的等效应力云图2.5.2轻量化研究。由计算结果可知，该结构有很大的优化空间，尤其是主体支撑部分。通过系统查看，轻量化前该装置整体结构的质量为0.016 443 t。基于此，笔者将主体支撑结构壁厚从1.0 mm优化到0.5 mm，重新生成模型，提取结果，优化后的整体模型质量降至0.015 015 t（见图9）。同时，对优化后的模型进行结构分析，其最大等效应力增加至157.3 MPa（见图10），较优化前有所提升。图9轻量化分析图图10结构优化后的等效应力云图3功能测试与对比分析经仿真分析后，对装置的主体部分进行重新制作并组装，并将其送至广西农业职业技术大学农学八桂田园实训种植基地进行功能测试与对比分析。测试场地土壤情况与广西丘陵地区花生种植地基本相同。3.1便携功能测试该装置装有滚轮。根据作业需要，该装置可在田间便利移动，且闲置时无须外力扶持、不会倾倒。测试结果表明，主体部分的轻量化提高了装置的便携性。3.2开沟功能测试向下踩动踩片，使凸轮下压活叶，带动封板同时向156http:/下运动，直至封闭斜面空间；继续施力向下踩动踩片，脚踏总成沿着主体的导轨继续向下直到插入土中，即完成开沟工序（见图11）1。测试结果表明，开沟工序主要与脚踏总成的运动情况和受力情况有关，因此主体部分的轻量化对开沟功能影响不大。（a）现场操作示例一（b）现场操作示例二图11开沟测试3.3播种和施肥功能测试按下开关，拨动拨片，存放在储料罐内的种子与肥料顺着软管掉入导槽；同时松开踏板，在回位弹簧的作用下，封板复位，导槽出口打开，种子与肥料掉入田间对应的位置，完成播种和施肥工序2。再次检查花生播种与肥料施入情况，两者均落入土中约 5 cm深，且间隔为 10 cm 左右，满足播种要求。测试结果表明，主体部分的轻量化对此两项功能影响不大。这主要是因为播种和施肥功能主要由操纵部分实现，而在此次优化中操纵部分同主体部分间的装配关系没有变化。3.4覆土作业测试拖动整个装置沿着种植方向移动，覆土爪沿直线将田沟旁的泥土刮平并覆盖在已完成播种和施肥作业的田沟上，完成覆土工序，如图12所示。测试结果表明，主体部分的轻量化不影响覆土功能的实现，且可减轻操作者的劳动强度，提高工作效率。图12覆土测试综上所述，对装置的主体部分进行轻量化处理，不仅对其开沟、施肥、播种、覆土功能不会产生影响，而且能减小装置的整体质量，便于对装置进行搬运3，提高了装置田间作业的便携性和工作效率4，具有一定的优化效果。4结论基于广西丘陵地区生产实际，利用 ANSYS软件对便携式多功能花生播种装置的结构进行优化，并进行田间试验 5。结果表明，减轻便携式多功能花生播种装置的主体质量，可以提高该装置田间作业的便携性和工作效率，同时装置的最大等效应力由99.5 MPa增加至157.3MPa，提高了装置工作的可靠性。参考文献：1 赵祈颀，蒋瑜，谢天雄.便携式多功能花生播种装置的设计及制造 J.农业开发与装备，2021（12）：15-17.2 中国重汽集团济南动力有限公司.一种重型商用车的离合踏板机构：201911364807.2 P.2021-06-29.3 泊头市郁都机械制造有限公司.三面式镗铣中心：202220193762.8 P.2022-09-06.4 西安伟宇测控设备有限公司.一种气象监测用升降式支撑设备：202023251561.9 P.2020-12-28.5 李思敏，蔡明明.一种平面微带阵列天线的仿真与分析 J.桂林电子科技大学学报，2021（2）：87-91.粟振灿，等便携式多功能花生播种装置仿真分析及优化157