马铃薯大垄三行铺膜播种机关键部件设计与静力学分析

摘要：结合辽西地区对马铃薯栽培的农艺要求，研究设计一种马铃薯大垄三行播种机，在探讨关键零部件设计思路的基础上，基于Solidworks 2015对关键零件进行建模和有限元分析，对工作过程中所受应力较大的零件进行强度校核，为优化机具作业质量提供数据支持。

关键词：播种机;马铃薯;设计;静力学分析;强度校核

中图分类号：S223.2+4; S532    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2021）06-0030-04

辽西属于典型的丘陵山区，每年降水量变化幅度不大但存在分配不均的情况，表现为夏季降雨量多、春季少雨、冬季以降雪为主，积雪覆盖地表的时间较长。这里的土地相对肥沃，有较大面积的黑土地种植马铃薯。结合辽西地区对马铃薯栽培的农艺要求，研究设计一种马铃薯大垄三行铺膜播种机，在探讨关键零部件设计思路的基础上，基于Solidworks 2015对关键零件进行建模和有限元分析，对工作过程中所受应力较大的零件进行强度校核，为优化机具作业质量提供数据支持。

1 机架设计与静力学分析

1.1 机架设计

机架是马铃薯大垄三行铺膜播种机最重要的承载部件，其作用是固定和连接各工作部件，如开沟器、种箱、肥箱、辅助部件等，且在机具工作过程中传递牵引力。所以，机架强度和质量对整机装配和播种质量具有重要影响。在满足工况的条件下，机架结构应尽可能简单，以减少机具质量和制造成本。

设计机架时应综合考虑机架工作时所处的环境，使其与各部件的连接有一定的可靠性、紧实性、难变形性，且在一定范围内有可调性，以满足不同的作业要求。基于种薯的特殊性，在机架上设计人工补种座椅。从改进提高方面考虑，留出足够的空间用于设计改进。从外形美观考虑，在保障完成工作的前提下，缩小机具的总体尺寸。

参考当前普遍使用的成型产品，机架采用由50 mm×50 mm×5 mm方形管和50 mm×30 mm×5 mm矩形管共同組成的框架结构，中间增设两纵梁。采用焊接连接方式，减小播种机作业和悬挂时的变形。机架三维模型如图1所示。

1.2 机架静力学分析

在运输过程中，拖拉机上的液压机构通过三点挂接机构提升整机，故其牢固稳定性至关重要。三点挂接机构由50 mm×30 mm的方管通过焊接、螺栓等方式连接为直角三角形。在马铃薯播种机被提升时，三角形斜边承受的弯曲应力最大，为此，对三点挂接机构进行静力学分析，通过建模仿真找出易受损部位。将三角机构的下边作为固定面，对上方做出一定量压力，其静力学分析如图2所示。

由图2可知，三角形斜边中部所受弯曲应力最大。若三角部位受损，其斜边中部将出现破坏点，应通过加厚斜边方管来延长机架使用年限。

2 开沟器设计与静力学分析

2.1 开沟器设计

在保证种肥播深一致的前提下，开沟器的作业性能影响种质量。开沟器设计要求：1） 具有较好的入土性能，不易发生缠杂草和堵塞现象;结构简单，便于调整。2） 开沟深度可在特定区间调节，沟槽沟形整齐平直。3） 开沟时不扰乱土层，且有一定的回土效果。工作时，将肥料和种子引导至湿土部分，使湿土覆盖种子和化肥。

开沟器的种类繁多，按入土角度可分成两大类，即钝角开沟器和锐角开沟器。锐角开沟器所受阻力小，入土性能好;钝角开沟器入土性能较差，但开出的沟槽底面平坦整齐。为满足开沟器入土性能良好、开沟深度一致、沟形整齐平直、沟底平整、沟宽适度等要求，采用如图3所示的滚动式圆盘开沟铲。

2.2 开沟圆盘的静力学分析

工作过程中，圆盘滚动式开沟器刀片在自重和机架的作用下切开土壤，并与播种机前进方向呈一定角度，形成种沟或肥沟。在此过程中，开沟器的刀片切割土壤，对刀片产生很大的反作用力。刀片的主要受力面在刀锋和对外侧面。若圆盘滚动式开沟器受损，其破坏点主要出现在这两个部位。通过对圆盘滚动式开沟器刀片建模并进行静力学分析，找出刀片的易受损部位。

在静力学分析中，固定面选在刀片中间的轴孔，对刀片刀锋处施加一定压力，并施加与刀面呈30 °的压力，其静力学分析如图4和5所示。刀片的刀锋与侧面所受应力最大，若出现破坏点，则可能出现刀片断裂或刀锋迟钝等现象。为保证开沟器的使用寿命和工作效率，应对刀片进行加厚并选择强度较大的材料。

3 排种器设计

目前，马铃薯排种器有带勺式、链勺式、勺盘式、叉夹式、针刺式等。链勺式排种器结构简单紧凑，使用可靠，排种稳定性好，不伤薯种，易于维修，因此应用最为广泛。为保证勺碗在上升过程中稳定，将主动轴设置在导种管上方，取种一边为链条紧边，使勺碗始终保持水平状态。图6为排种器模型和示意图，图7为排种勺链工程图。

在等距分布勺碗的排种勺链和链条传动驱动下，驱动轮做环形运动。排种勺链自下而上穿行，在勺碗的作用下把种薯带出、升起。上升过程中勺碗中多余的种子在机具振动、链条抖动等外力作用下掉入种箱。当种块翻越种箱上方的链轮顶端后，被抛向前方的勺碗内，种块随勺碗在排种导管中等距运行，最后离开导种管落入沟槽。

排种器参数：1） 作业速度与勺碗的速度相同或呈正比。若勺碗速度≤0.5 m/s，可达最佳播种质量。勺碗速度随链轮线速度变化，若勺碗速度>0.5 m/s，则播种质量显著下降，重播、漏播情况严重。因此，链轮线的最大作业速度应≤0.5 m/s。2） 链工作长度L。若链条过长，会引起两链轮间距离变大，从而使输种距离变大，漏种率增加;若链条太短，则清种时间短。链条总长度应根据中心距选取，确定为2 180 mm。3） 转速直接影响排种的均匀度。若链轮转速过小，会引起脉动频率和排种均匀度下降;若链轮转速太高，会使漏种率和伤种率急剧上升。按照相关播种要求，转速应小于50 r/min。4） 勺碗形状影响充种效果，充种率要高、伤种率要低。勺碗由2 mm厚的材料冲压而成。为保证薯块有效充种，勺碗宽度应不小于种长1/2，不大于1.5倍的种子厚度。因薯块大小为20 mm×20 mm×20 mm，所以选用厚度17 mm、直径50 mm的半圆形勺碗，勺碗的边缘处外翻。每个升运链等距分布19个勺碗。

4 仿形机构设计

常见的仿形机构有平行四杆仿形、单点单铰接仿形、多杆双自由度仿形。由于播种前需耕整土壤，故采用单点单铰接机构仿形。

5 起垄装置设计与静力学分析

5.1 起垄装置设计

起垄高度和宽度是影响马铃薯播种质量的关键因素。完成施肥播种后，起垄叶片在自重和液压机构的作用下切入地表一定深度，刀轴旋转带动叶片相对机组做回转运动。刀片与机组前进方向按一定角度成螺旋排列，叶片回转运动将地表土壤向旋转内侧拨动、两侧土壤向中间集中，形成垄和沟。合理的起垄高度和宽度能减少对铺膜工作的影响，保证种薯透气性良好，出苗整齐。起垄装置模型如图7所示，可通过液压缸调节起垄宽度。

5.2 起垄叶片静力学分析

工作过程中，起垄刀片与前进方向呈一定角度，在自重和机架的作用下切入土壤，通过自身回转将刀片附近的土壤向中间拨动，再由平土托板将土壤铺平，从而形成大垄。刀片侧面弯曲处所受应力最大。在静力学分析中，固定面为3个螺栓孔连接处，在刀片外侧呈30 °夹角处施加压力，其静力学分析结果如图8和9所示。

由图8和9可知，刀片侧面所受的应力为极值，螺栓孔附近是应力集中的地方，若出现破坏点，则可能出现刀片断裂等现象。为保证起垄刀片的使用寿命和工作效率，应增加其厚度和光滑性，并采用合理强度的材料。

6 铺膜机构设计

马铃薯发芽适宜温度在5～8 ℃之间铺膜的作用是在大环境温度较低时为种薯提供适宜的生长环境。先播种后覆膜可使土壤的水分蒸发量减少，能够节水、保肥、保墒和抑制杂草泛滥。长时间高温可促使种薯发大芽，这是提高其质量和产量的有效措施。铺膜机构主要由挂膜辊、压膜辊、压膜轮和覆土铲等组成，适于宽度为120～140 cm的薄膜，零部件更换简单。铺膜机构如图10所示。

7 结论

辽西是辽宁省马铃薯主要种植区域，结合区域自然条件和农艺要求，推广应用马铃薯大垄三行播种模式及机具意义深远。排种器的参数选择是否合理和最优，是提高马铃薯产量的重要因素。利用Solidworks软件中的Simulation对机具受力最多的部件（机架、开沟器、起垄机构）进行强度校核，结果表明：应通过加厚斜边方管来延长机架使用年限;开沟器刀片的刀锋与侧面应加厚并选择强度较大的材料;为保证起垄刀片的使用寿命和工作效率，应增加其厚度和光滑性，并选用合理强度的材料。

参考文献

[1] 吕金庆，杨颖，李紫辉，等.舀勺式马铃薯播种机排种器的设计与试验[J].农业工程学报，2016，32（16）：17-25.

[2] 崔亚超，贾立国，陈伟，等.旱作马铃薯微垄覆膜侧播机的设计与试验[J].农机化研究，2016（2）：62-66.

[3] 程亨曼，窦钰程，杜木军，等.马铃薯微型原种播种机关键部件的设计与研究[J].农机使用与维修，2015（10）：26-29.

[4] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[M].北京：中国农业科学技术出版社，2007.

Design and Statics Analysis of the Key Components of Potato Large Ridge

Three-row Film Planter

CHEN Mengchao

（Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China）

Abstract： Combined with the agronomic requirements of potato cultivation in western Liaoning province， a large ridge three-row potato planter was designed. On the basis of discussing the design ideas of key parts， modeling and finite element analysis of key parts were carried out based on Solidworks2015， and intensity check was carried out for parts with greater stress in the working process，in order to provide data support for optimizing the operation quality of machines and tools.

Key words： planter; potato; design; statics analysis; intensity check

收稿日期：2020-11-16

作者簡介：陈孟超（1986—），女，硕士，工程师，从事农业机械方面的设计与研究工作。