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黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計
摘要
針對長期以來精密播種機的研制存在生產(chǎn)周期長、成本高，而且當產(chǎn)品制出后，經(jīng)常會 出現(xiàn)部件、零部件之間相互干涉而無法裝配等缺點，介紹了應(yīng)用UG軟件進行精密播種機單 體虛擬制造和運動仿真的過程。 首先對建立的精密播種機單體零件三維模型進行約束和連接 裝配，形成精密播種機單體整機裝配，然后進行運動仿真，展示在虛擬環(huán)境下的運動特性。 最 后對仿真結(jié)果進行處理，測試精密播種機單體的運動性能和檢測干涉情況，從而對錯誤進行修 改。 結(jié)果表明：該方法提高了精密播種機設(shè)計的準確性和效率，代替了物理樣機的制造和試 驗，大大降低了成本。
關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)工程； 精密播種機單體； 虛擬制造； 運動仿真
Abstract
Facing the 1ong-standing prob1ems existing in the deve1opment of the precision p1anter such as the pro1onged production period, the high production cost and the dificu1ty in the fina1 asemb1y because of the interference betwen the interacted parts, a proces of the virtua1 manufacturing and motion simu1ation of the precision p1anter unit was introduced app1ying the ProIEngineer software.The fina1 asemb1y of the p1anter unit was formed by restricting and connecting its parts 3-D mode1s. Its motion simu1ation was performed to demonstrate the movement characteristics in the virtua1environment.The simu1ation resu1ts were procesed to check the movement characteristics of the p1anter and to corect the posib1e interferences.The resu1ts showed that the proposed proces improves the acuracy and eficiency of the precision p1anter design and deduces the deve1opment cost by using the virtua1 space instead of the physica1 space.
Keywords: Agricu1tura1engineering; Precision p1anterunit; Virtua1manufacturing; Motion simu1ation;
目錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
前言 V
1我國精密播種機發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.1精密播種機的發(fā)展前景 1
1.2新技術(shù)的應(yīng)用不斷普及 3
2運動仿真過程 4
3裝配連接 6
4 運動仿真預(yù)設(shè)置 8
4.1新建運動仿真方案 8
4.2 參數(shù)設(shè)置 8
4.3 創(chuàng)建連桿 8
4.4 創(chuàng)建運動副 8
5多功能播種機總體設(shè)計 9
5.1精播機系統(tǒng)方案設(shè)計確定 9
5.2農(nóng)業(yè)機械的一般設(shè)計要求 10
5.3總體參數(shù) 10
6機架設(shè)計 14
6.1機架設(shè)計計算的準則 14
6.2機架設(shè)計的一般要求 14
6.3精播機機架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 15
7播種系統(tǒng)設(shè)計 16
7.1排種器的選型及其材料的確定 16
7.2結(jié)構(gòu)設(shè)計 17
8開溝器 24
8.1開溝器 24
8.2開溝器比較分析及本機開溝器設(shè)計 24
9覆土、鎮(zhèn)壓裝置 26
9.1覆土器 26
9.2鎮(zhèn)壓輪 26
9.3軸承校核 27
10 常見故障與排除 28
結(jié)論 29
參考文獻 30
致謝 31
附錄 32
前言
精密播種機這類機械產(chǎn)品的設(shè)計通常采用二 維幾何繪圖,產(chǎn)品制造出來后經(jīng)常會出現(xiàn)一些設(shè) 計失誤,如零部件無法安裝以及運行時發(fā)生干涉 等。 采用三維 CAD設(shè)計產(chǎn)品,不是一個單純繪圖 的過程,而是一個虛擬制造的過程。 設(shè)計出來的 產(chǎn)品是與實物完全相同的數(shù)字產(chǎn)品,零部件之間 的間隙和干涉一目了然,可以把錯誤消滅在設(shè)計 階段。 對于運動機構(gòu)的設(shè)計,無論是于工繪圖設(shè) 計還是二維 CAD的計算機輔助設(shè)計,都沒有辦法 處理,簡單的機構(gòu)還可以模擬,稍微復(fù)雜一點的運 動機構(gòu)就束于無策了。 應(yīng)用三維設(shè)計軟件來處理 機構(gòu)的運動,可以使立體的數(shù)字產(chǎn)品在計算機中 運動,模擬真實機械的理論運動過程。 不但能測 試機構(gòu)是否能運動,還可以檢查機構(gòu)運動時是否 會產(chǎn)生干涉,計算出機構(gòu)上某個點的運動軌跡,將 機構(gòu)運動記錄下來,產(chǎn)生動態(tài)的圖片,從而實現(xiàn)機 械產(chǎn)品的虛擬制造和運動仿真。 在國外,虛擬 樣機技術(shù)已在工業(yè)產(chǎn)品的研制上得到應(yīng)用,取得 了顯著的效果。 目前國內(nèi)將三維 CAD技術(shù) 應(yīng)用在播種機械方面的研究大多是對零部件 和某一機構(gòu)進行的三維參數(shù)化設(shè)計和運動仿真, 而對于精密播種機單體整機進行虛擬制造和運動 仿真方面還未見報道。
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1我國精密播種機發(fā)展現(xiàn)狀
我國從80年代末便開始研制精密播種機械。由于種子質(zhì)量、整地條件、機械制造水平及機器價格等因素制約，我國80年代主要是推廣半精量播種。為適應(yīng)農(nóng)村生產(chǎn)責任制的要求，大量推廣了小型單體播種機。90年代以來，我國逐步推廣精密播種機，有10多個企業(yè)生產(chǎn)了20多種型號的精密播種機。精密播種機以作物種類分為玉米及大豆精密播種機、谷物（小麥）精密播種機、甜菜精密播種機；以配套動力分為小型（5.8～13.2kw）、中型（16.2～36.8kw）和大型播種機（40.4kw以上）精密播種機；以排種器形式分為機械式和氣力式兩大類精密播種機；機械式中又可分為垂直圓盤式、垂直窩眼式、錐盤式、紋盤式、水平圓盤式、帶夾式等形式精密播種機。
1.1精密播種機的發(fā)展前景
1.1.1單粒精密播種機迅速發(fā)展
在國外，中耕作物如甜菜、玉米、棉花和某些蔬菜、豆類的播種都已大量采用精密播種，主要采用機械式和氣力式兩種精密播種機。由于氣力式播種機對種子尺寸要求不嚴，不需精選分級，容易達到單粒精播，而且通用性較好，又能適合較高速播種，因此使用氣力式播種機越來越多。
為了達到單粒精播，提高株距均勻性，大多采用可精調(diào)的刮種器，將多余的種子清除掉；為了降低投種高度，減小種子下拋速度與前進速度之間的相對速差，而設(shè)置導(dǎo)種輪或?qū)ХN管。但是，精密播種受高速作業(yè)的影響很大?，F(xiàn)有的精密播種機試驗結(jié)果表明，一般作業(yè)速度在4～8 km／h時，其株距合格率達80％以上；而作業(yè)速度提高到11～12 km／h時，株距合格率下降到60％以下?？梢姼咚倬懿シN機還有待進一步發(fā)展、完善。
1.1.2 播種機的通用性和適應(yīng)性不斷提高
大多數(shù)精密播種機都可以播多種作物，通過更換不同孔徑的排種盤(輪)或排種滾筒，使排種器能適應(yīng)多種作物種子的播種要求。改變型孔大小或增加成穴機構(gòu)，使之能達到穴播的要求；改變排種器工作轉(zhuǎn)速以達到不同株距的要求。所有這些均提高了播種機的通用性。為了適應(yīng)不同地區(qū)、不同土壤、不同整地條件的要求，大多數(shù)播種機上配有多種類型的開溝器(雙圓盤式、滑刀式等)和鎮(zhèn)壓輪(橡膠輪、鋼板沖壓輪、鑄鐵輪、寬輪、窄輪等)，供選用。同一型號的精密播種機又成系列，有多種行距和行數(shù)的變型。如美國CYCLO氣壓式播種機有牽引式和懸掛式，有4、6、8、12、16行等共16種機型，可為多種功率的拖拉機配套。
1.1.3 精密播種機向高速寬幅發(fā)展
為了在最適宦的農(nóng)業(yè)技術(shù)條件下、用最短的時間做到適時播種，以及隨著拖拉機功率不斷增大，為了充分利用其功率，因此要求提高播種機作業(yè)的生產(chǎn)率。
影響提高播種機組生產(chǎn)率的因素很多。除了提高機組的工作可靠性、減少故障、簡化操作以減少輔助作業(yè)時間、提高純工作時間的利用率外，提高生產(chǎn)率的最主要途徑是增大播種機的工作幅寬和提高作業(yè)速度。增大播種機工作幅寬雖能直接有效地提高生產(chǎn)率，但加大工作幅寬使機體龐大，消耗金屬多，成本高。同時，龐大的機體將受到田塊大小、地頭轉(zhuǎn)彎以及道路運輸?shù)南拗?，使用不方便。因此，國外很重視提高作業(yè)速度的研究。
70年代，中耕作物播種機作業(yè)速度一般從4～6km／h提高到8～10km／h。如西德AermoatⅡ型氣力式播種機、法國Pneumasem氣吸式播種機和美國7000型指夾式播種機的作業(yè)速度為8～10 km／h，作業(yè)質(zhì)量仍能符合要求。
但是，播種機高速作業(yè)帶來一些問題，如排種性能下降，開溝深度變淺，種子在溝里彈跳、滾動加劇，以及駕駛條件惡化等等。因此，目前作業(yè)速度不能太高。
中耕作物播種機的工作幅寬，一般單機都由3～4 m增大到5～6 m有的工作幅寬更大，如美國CYCLO氣壓式播種機系列中的16行播種機，其幅寬達11.68 m。加大幅寬使播種機結(jié)構(gòu)龐大笨重，使懸掛式播種機組縱向穩(wěn)定性變壞，還受到地塊大小、道路運輸?shù)南拗啤?
1.1.4 廣泛采用聯(lián)合作業(yè)
播種同時進行聯(lián)合作業(yè)的方式發(fā)展很快，形式也比較多，主要有兩種：一是在大多數(shù)中耕作物精密播種機上都配置排肥器、施肥開溝器以及施撒農(nóng)藥和除莠劑的裝置。如西德、法國和美國的幾種精密播種機都可以在播種同時施化肥、撒農(nóng)藥和除莠劑。二是播前整地和播種聯(lián)合作業(yè)，如旋耕播種機、犁播機以及有的在開溝器前方加波形圓盤或鋤鏟進行滅茬播種或少耕法播種，以減少耕作次數(shù)，提高生產(chǎn)率，降低作業(yè)成本，還可以減少土壤風蝕和起到保墑的作用。
1.2新技術(shù)的應(yīng)用不斷普及
為了提高播種機作業(yè)性能和工作可靠性，簡化操作、減輕勞動強度、減少輔助作業(yè)時間、提高生產(chǎn)率，播種機上越來越多地采用新技術(shù)。如用液壓油缸來升降和調(diào)節(jié)開溝器、劃行器、折疊機架；采用液壓馬達驅(qū)動風機或裝肥攪龍；采用信號裝置、電子監(jiān)視裝置或監(jiān)控裝置來及時報警故障的發(fā)生，顯示播量或自控凋節(jié)排種量大??；開溝器裝備一次潤滑的滾動軸承；行走輪采用無內(nèi)胎充氣輪；快速掛接裝置；寬幅播種機加裝橫向運輸輪等。
在工藝材料方面，播種機上采用塑料或尼龍的零件更多了，如排種盤、排肥盤、軸套、輸種管等；采用鋁金壓鑄排種輪、排種器體殼，提高了零件精度，減輕了重量；播種機機架和各種桿件采用薄鋼板冷壓成異形斷面以代替扁鋼、角鋼和槽鋼，增加了剛度和強度，又減輕了重量。
2運動仿真過程
精密播種機單體由仿形機構(gòu)、機架、開溝器、 排種器、地輪及傳動系統(tǒng)、覆土機構(gòu)組成。 其工作過程是地輪轉(zhuǎn)動, 帶動排種盤排 種,同時,開溝器在仿形機構(gòu)控制下在田間地表開 出播種所需的深溝,種子落入溝內(nèi),由覆土機構(gòu)完 成覆土。 可以看出,精密播種機的工作是由仿形、 開溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等多種工作部件完成 的復(fù)雜動態(tài)過程,其田間作業(yè)指標要求高,設(shè)計難 度大,試制及試驗的費用相當昂貴。對精密播種機單體進行虛擬制造和運動仿真 的步驟包括零件三維設(shè)計、機構(gòu)裝配連接、運動仿 真、運動結(jié)果處理和分析等,其工作流程見圖
圖 2-1播種機單體簡單結(jié)構(gòu)圖
圖 2-2工作流程圖
零件設(shè)計是三維設(shè)計的基礎(chǔ),用軟件 的建 立零件 既快 捷又準 確, 通過 拉伸 （ Extrude)、 旋 轉(zhuǎn) （ Revo1ve)、 掃掠 （ Swep)、 混 成（ B1end) 、抽殼（ She1) 等方法可生成零件實體,并 建立合適的約束條件和特征間父子關(guān)系,在設(shè)計 過程中可從不同角度觀察零件,以便對錯誤進行 修改。 如排種盤的三維設(shè)計過程為：旋轉(zhuǎn)生成基本實體→拉伸切除形成中心軸孔→建立孔特征→數(shù)組復(fù)制孔特征,完成設(shè)計。
根據(jù)精密播種機單體零件的不同結(jié)構(gòu)特點, 采用不同的設(shè)計方法依次對所有零件進行設(shè)計, 并建立精密播種機零件庫。 可通過模型樹（ Mode1Tre) 了解 零件的設(shè)計過程, 靈活 地對 其 進 行 修 改。圖為精密播種機單體部分零件的三維圖
圖 2-3部分零件三維圖
3裝配連接
零件設(shè)計完成后,就可以利用UG軟件的模塊進行裝配連接,UG軟件提供的 零件裝配方式有放置和連接兩種類型,放置類型 包括匹配（ Mate)、對齊（ A1ign) 、插入（ Insert)、坐 標系（ Cord Sys)、相切（ Tangent)、線上的點（ Pnt on Line)、 曲面上的點 （ Pnton Srf)、 曲面邊（EdgeonSrf)以及自動（Automatic)等約束類型。連接類 型 包 括固定 （ Rigid) 、 銷釘 （ Pin) 、 滑塊 （S1ide)、圓柱 （ Cy1inder)、 平面 （ P1anar) 等方 式。根據(jù)精密播種機單體各部件的實際裝配關(guān)系和部 件的運動功能選擇相應(yīng)的放置類型和連接類型, 能夠使裝配件實現(xiàn)運動功能,如開溝器柄與仿形機構(gòu)后支座之間、仿形機構(gòu)后支座與機架之間、種 箱與機架之間、軸承座與機架之間、排種器殼與機 架之間采用匹配、對齊等約束類型進行放置裝配,而仿形機構(gòu)前后支座與連桿之間、軸與軸承之間、 覆土機構(gòu)與機架之間等處采用連接裝配,先用銷釘連接,再用一個軸對齊和一個平面匹配來限制 連接元件沿軸線的平移,裝配后連接元件可以繞著元件轉(zhuǎn)動但不能相對于附著元件移動。
圖 3-1裝配圖
運動仿真過程為了減少運動副數(shù)量，將各個部件之間的運動關(guān)系表示清楚，提高機構(gòu)運動分析的效率。在對花生播種機進行運動仿真之前，首先要根據(jù)運動副對花生播種機結(jié)構(gòu)進行簡化，建立運動仿真模型。本文運動仿真的目的在于根據(jù)運動仿真的結(jié)果來研究開溝器的運動軌跡、分析仿形機構(gòu)設(shè)計的合理性及影響仿形誤差的因素，并以此為原則，去掉與運動仿真過程無關(guān)的部件，進行模型簡化。將剛性連接在將懸掛裝置簡化為一個連桿，去掉起壟裝置、排種裝置、施肥裝置、噴藥裝置和覆膜裝置，簡化后的運動仿真模型中只包含拖拉機模型、仿形機構(gòu)、播種機機架、施肥鏟、雙圓盤開溝器和限深輪等部件。由于在運動仿真過程中不考慮土壤阻力及土壤的松軟性，所以為了提高機構(gòu)運動仿真分析的效率，在運動仿真模型中將仿形機構(gòu)上的壓力彈簧去掉。
4 運動仿真預(yù)設(shè)置
4.1新建運動仿真方案
在 UG 的應(yīng)用中，選擇“開始→運動仿真”命令，進入運動仿真分析模塊。在運動仿真導(dǎo)航器中新建一個運動仿真模型，在環(huán)境對話框中接受默認的“動態(tài)”分析。
4.2 參數(shù)設(shè)置
選擇“首選項→運動”命令，彈出運動仿真預(yù)設(shè)置對話框，選擇重力常數(shù)為默認值，證角度單位為度。
4.3 創(chuàng)建連桿
本模型創(chuàng)建了 11 個連桿，標號為 L001 ～ L011。其中，L001 是驅(qū)動連桿;L002為拖拉機; L003 是懸掛架及仿形機構(gòu)前拉桿; L004 是仿形機構(gòu)上拉桿; L005是仿形機構(gòu)下拉桿; L006 包括仿形機構(gòu)后拉桿、播種機機架、限深輪、施肥鏟和雙圓盤開溝器; L007 ～ L009為施肥鏟位置上的輔助連桿; L010 和 L011 為雙圓開溝器位置上的輔助連桿。
4.4 創(chuàng)建運動副
選擇“解算方案”命令，設(shè)定解算方案類型為“常規(guī)驅(qū)動”，分析類型為“運動學(xué)/動力學(xué)”，時間為200s，步數(shù)為 300 步。在“解算方案”對話框中，單擊“確定”按鈕進行解算。解算完成后，“動畫控制”對話框自動彈出，單擊“動畫控制”對話框中的“播放”按鈕，通過運動仿真動畫來表現(xiàn)花生播種機的運動過程，觀察仿形機構(gòu)和開溝器在上下坡過程中的運動狀態(tài)，如圖 5 所示。運動仿真的結(jié)果以圖表和電子表格的形式繪出，選擇“生成圖表”命令，生成運動副 J015 ～ J017 和J018 ～ J020 的 Y 方向的位移曲線與位移曲線數(shù)據(jù)點電子表格
5多功能播種機總體設(shè)計
5.1精播機系統(tǒng)方案設(shè)計確定
5.1.1 主要技術(shù)參數(shù)：
1)配套動力：12～20馬力四輪拖拉機
2)機具質(zhì)量：350kg（含水箱）
3)作業(yè)行數(shù)：兩行
4)行距：450～550mm （可調(diào)）
5)穴距：260-330mm（可調(diào)）
6)穴粒數(shù)：1～3粒
7)播深：40～60mm
8)鋪膜寬度：600～1000（mm）
9)水箱容積：300升/只
10)施肥箱容積：16升/只
11)作業(yè)速度：2～3km/h
12)作業(yè)生產(chǎn)率：1.5-3畝/小時
13)播水量根據(jù)農(nóng)藝要求自行控制
5.1.2 機具構(gòu)造
該機構(gòu)主要由機架,主軸總成,刮土板,施肥機構(gòu),水箱,植保機構(gòu),開溝器,穴灌水機構(gòu),鎮(zhèn)壓機構(gòu),鋪膜機構(gòu)及間隔填土壓膜機構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)圖如下所示
5.1.3主要經(jīng)濟指標
1)種子破損率<1%
2)穴粒數(shù)和穴距合格率>90%
3)漏播率<1%
4)地膜有效利用率>95%
5)地膜漏覆土程度<1%
與其他農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品相同，精播機具有工作條件惡劣多變，使用分散，保管條件差，工作部件易磨損等特點。因此要求精播機做到堅固耐用，安全可靠，使用維護方便。在滿足農(nóng)業(yè)技術(shù)要求的前提下，盡可能提高產(chǎn)品和零部件的標準化、系列化和通用化程度。
5.2農(nóng)業(yè)機械的一般設(shè)計要求：
5.3總體參數(shù)
1)工作速度 V
播種和中耕的工作速度,主要取決于工作部件和行走裝置對速度快慢的適應(yīng)性,目前國內(nèi)一般為5~7km/h,可采用鋼輪和常見的排種開溝部件。高速作業(yè)有12km/h以上的，這是必須采用膠輪，排種器必須適應(yīng)高速作業(yè)對排種頻率的要求。
2)工作幅度B m （5-1）
式中 n——行數(shù)，功用機中耕時，行數(shù)常取奇數(shù)，播種比中耕少一行。Te——拖拉機的額定牽引力，kgf ;——拖拉機牽引力利用系數(shù),取0.8~0.95,P——谷播機（通用機）單行工作部件阻力kgf; b——行距,m
對于懸掛式機組，工作副主要取決于拖拉機懸掛系統(tǒng)的提升能力和運輸時餓縱向穩(wěn)定性。工作副大小還受仿行性能、道路運輸及其他結(jié)構(gòu)要素的限制。一般單機最大工作副為3.6～5m,要求更大工作副時可以采用折疊式機架或多臺連接作業(yè)。
3)種、肥箱容積
種、肥箱容積應(yīng)使其所盛種、肥量，能供播種機工作較長地段（如1000m），其容積：
Qmax——最大播量，斤/畝。L——要求的地段長度，m。 ——種、肥容量 kgf/l,B——工作副，m，單位種箱（在通用機上一般每行有一個種、肥箱）時為行距。精播機每米工作副種箱容易常為45-70L,肥箱約為45L；單體種箱容積為10-18L，播兩行的單體肥箱容積為16-35L。
4)工作部件的配置
播種機的行走輪多配置在種箱兩側(cè)。開溝器接地點的縱向位置盡量配置在兩行輪接地點連線附近，以適應(yīng)地變化，保證開溝深度一致。窄行距谷播種機的開溝器配置成前后兩列。中耕鏟的配置除了考慮不堵塞和有利仿行之外還應(yīng)該考慮護苗帶和重疊量。整體式種、肥箱一般配置在開溝器上方的一定高度上，以便于加裝種子肥料和減小種肥管的傾角。單體式種箱一般直接安裝在開溝器上方，以盡量降低投種高度。
液壓提升臂具有的額定提升力：
在滿足輪式拖拉機操作要求的“懸掛農(nóng)具后，前輪對地面的壓力不得小于拖拉機自重20%”的前提下，下懸掛臂端所具有的額定提升力可按下式計算
F （5-2）
式中：F——提升臂額定提升力(kgf)
G——拖拉機最小使用重量(kg)，豐收-180拖拉機為1150kg
——拖拉機重心到后驅(qū)動輪軸心的水平距離（mm）
豐收-180型拖拉機為685mm
L——拖拉機前后輪距離(mm)，豐收-180型拖拉機為1500mm
——無量綱系數(shù)，旱地用拖拉機取為0.08
——運輸狀態(tài)下懸掛桿外端至拖拉機驅(qū)動輪軸心的水平
距離(mm),經(jīng)測定本機l2=618mm
代入有關(guān)數(shù)值后，得F為：
F=
=1161(kgf)
相對于下懸掛端的額定提升力F，液壓提升力F在鉛錘方向分力F
由圖2計算可得出為：
F ==≈2403 (kg)
圖5-1液壓提升壁運輸狀態(tài)受力圖
2)機具處于運輸狀態(tài)，實際需要的液壓提升力F大小
圖3為機具升起處于運輸狀態(tài)時，提升懸掛裝置以及機具重心的狀態(tài)圖，由圖提供的位置關(guān)系可列出下式：
cos30°=G
代入有關(guān)數(shù)值即得F為
F=
=
=1280（kgf）
圖 5-2機具提升狀態(tài)圖
3)由（1）、（2）兩部分計算結(jié)果的對比分析可知：液壓提升臂的額定提升力遠大于使機具提升至運輸狀態(tài)所需要的提升力，故播種機提升能力完全可以得到保證。
6機架設(shè)計
在機器中支承容納零、部件的零件稱為機架。如支承貯罐的塔架、固定發(fā)動機的機架、容納傳動齒輪的減速器殼體、機床的床身等統(tǒng)稱為機架。
6.1機架設(shè)計計算的準則
1)工況要求
任何機架的設(shè)計首先必須保證機器的特定工作要求。例如，保證機架上安裝的零部件能順利運轉(zhuǎn)，機架的外形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致與阻礙運動件通過的突起；設(shè)計執(zhí)行某一工況所必須的平臺；保證上下料的要求、人工操作的方便及安全等。
2)剛度要求
在必須保證特定外形條件下，對機架的主要要求是剛度。例如機床的零部件中，床身的剛度則決定了機床的生產(chǎn)率和加工產(chǎn)品的精度；在齒輪減速器中，箱殼的剛度決定了齒輪的嚙合性及運轉(zhuǎn)性能。
3)強度要求
對于一般設(shè)備的機架，剛度達到要求同時也能滿足強度的要求，但對于重載設(shè)備的強度要求必須引起足夠的重視。其準則是在機器運轉(zhuǎn)中可能發(fā)生的最大載荷情況下，機架上任何點的應(yīng)力都不得大于允許應(yīng)力，此外還要滿足疲勞強度的要求，對某些機器的機架尚需滿足震動或抗震的要求。例如，震動機械的機架、受沖擊的機架等。
4)穩(wěn)定性要求
對于細長的或薄壁的受壓結(jié)構(gòu)及受彎壓結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)問題，某些板殼結(jié)也存在失穩(wěn)問題或局部失穩(wěn)問題。失穩(wěn)對結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生很大的破壞，設(shè)計時必須校核。
6)其他
例如散熱的要求、防腐蝕及特定環(huán)境的要求。對于精密機械、儀表等熱變形小的要求。
6.2機架設(shè)計的一般要求
在滿足機架設(shè)計準則的前提下，必須根據(jù)機架的不同用途和所處環(huán)境考慮下列各項要求并有所偏重。
1)機架的重量輕，材料選擇合適，成本低。
2)結(jié)構(gòu)合理，便于制造。
3)結(jié)構(gòu)應(yīng)使機架上的零部件安裝、調(diào)整、修理和更換都方便。
4)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工藝性好。還應(yīng)使機架本身的內(nèi)應(yīng)力小，由溫度變化引起的變形應(yīng)力小。
5)抗震性能好。
6)耐腐蝕，使機架結(jié)構(gòu)在服務(wù)期限內(nèi)少修理。
7)有導(dǎo)軌的機架要求導(dǎo)軌面受力合理，耐磨性好。
6.3精播機機架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案
由于焊接機架與鑄造機架相比具有強度高、剛度好、重量輕、周期短及施工簡便等優(yōu)點，因此本次設(shè)計選用機架為封閉式矩形框架焊接結(jié)構(gòu)，選用材料為A3鋼。焊接機架設(shè)計時應(yīng)該注意以下幾點：1、擺脫鑄件結(jié)構(gòu)的束縛，按焊接工藝特點設(shè)計焊接機架。2、盡量減輕焊縫的載荷。3、盡量避免焊縫密集，避免焊縫應(yīng)力集中。4、大型機架可分段焊接組裝.
7播種系統(tǒng)設(shè)計
7.1排種器的選型及其材料的確定
7.1.1選型
排種器是播種機的主要工作部件。為提高播種機的通用性，要求排種器的播量調(diào)節(jié)方便，能適應(yīng)多種作物的播種需要。排種器是由種箱中定量分離種子，直接或通過投種機構(gòu)、輸種管向種溝提供種子流的裝置。要求排種器排種均勻、穩(wěn)定，播量能適應(yīng)多種作物的播種需要。排種器分條播和精密排種兩大類。條播排種器主要有外槽輪式、內(nèi)槽輪式、釘輪式、離心式、磨紋式、彈性滾輪式和擺桿式等，穴播和單粒精播排種器有水平圓盤式、指夾式、氣吹式、氣吸式、氣壓是式和氣力輪式、垂直圓盤式等。
7.1.2常見排種器及其結(jié)構(gòu)特點：
1)外槽輪式：
外槽輪旋轉(zhuǎn)，從種箱落入其凹槽內(nèi)的種子及周圍的部分種子被帶到排種舌末端而排出。從排種盒下方排出種子的為下排式，改變槽輪旋轉(zhuǎn)方向，使種子從上方排出的為上排式。其特點是槽輪每轉(zhuǎn)播量穩(wěn)定，主要靠改變槽輪工作長度調(diào)節(jié)播量，也可以改變速比以調(diào)節(jié)播量。結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，性能指標主要決定于制造質(zhì)量。結(jié)構(gòu)參數(shù)已標準化。廣泛應(yīng)用于條播機，也可用作排肥器。外槽輪式排種器雖然具有結(jié)構(gòu)簡單, 工作比較可靠, 播量調(diào)整方便等優(yōu)點, 但這種排種器在排種過程中, 排量有脈動現(xiàn)象, 排種均勻性差。此外, 它的排種均勻性受機器振動的影響較大。
2)水平圓盤式：
工作時，種子落到旋轉(zhuǎn)著的排種盤的槽（孔）中，由刮種器刮掉槽外多余的種子，當排種盤的孔正好和投種口對中時，種子靠重力或在擊種器作用下排出。其特點是對每孔一粒的精播，孔形及尺寸要和種子相適應(yīng)。每孔多粒時采用大孔，不能保證準確粒數(shù)。播種機上配有帶不同孔形和孔數(shù)的多種排種器，使用時根據(jù)種子尺寸和播量進行更換。廣泛應(yīng)用于單粒點播和多粒穴播玉米、大豆等大粒種子。水平圓盤排種器的排種盤線速度的許用值較低, 從而對高速播種的適用性較差。實驗表明, 當播種速度超過6～ 7km / h 后, 空穴率增加, 播種質(zhì)量明顯下降。在單粒精密播種時, 對尺寸要求嚴格, 種子必須按尺寸分級, 增加了播種作業(yè)工序。并且這種排種器要按照各種種子的不同尺寸級配備相應(yīng)的排種盤, 增加了備用件制造、選配、使用及保管的復(fù)雜性。
3)氣吹式：
密閉種箱，風機向清種嘴供氣使種箱形成正壓，水平軸排種輪周邊有錐形通孔，種子在重力和氣壓作用下落入行孔。氣嘴吹去多余種子，使每孔只留一粒，種子隨錐孔轉(zhuǎn)入護種區(qū)，正壓消失，在推種器作用下投出。這種排種器投種的精度比氣吸式高，常用氣壓為3～15kp，排種輪直徑為200～250mm。播玉米等大粒距作物，適用10km/h以上機速，播大豆等小粒距作物可在6km/h以內(nèi)，用于玉米甜菜等播種機，地頭起步時氣壓低，易產(chǎn)生重播。
4)垂直圓盤式：
種子在排種器筒內(nèi)滾動，筒內(nèi)的舀勺舀種，舀勺轉(zhuǎn)至97度舀種結(jié)束，活舌打開，開通舀勺內(nèi)種子至種倉內(nèi)通道，隨后橫向U形通槽篩除多余種子，種子繼續(xù)向過度槽運行至完畢，開始向種箱運動，至210度全部運行至種倉，轉(zhuǎn)至255度活舌關(guān)閉，轉(zhuǎn)至340度活閥靠配重自動打開排種至360度排種結(jié)束。該排種器結(jié)構(gòu)簡單，布局合理，和地輪相連一起工作，去除了傳動機構(gòu)，提高了精確度和準確度，適合精密播種的要求。
經(jīng)過比較分析和實地考察，本次設(shè)計認為采用垂直圓盤式排種器較適合，能夠滿足設(shè)計要求。
7.2結(jié)構(gòu)設(shè)計
7.2.1垂直圓盤式排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計
內(nèi)側(cè)充種垂直圓盤排種器的排種元件是復(fù)式型孔, 其結(jié)構(gòu)融合了“六面體容腔”和“勺”, 應(yīng)用“填補空間”和“舀取”兩種基本原理。工作時, 復(fù)式型孔在種子群中作周期性旋轉(zhuǎn)運動, 靠容腔的容積控制排種量, 強制排種, 不存在帶動層排種。該排種器已成功地用于中耕作物精播機,單粒精播玉米、大豆, 定粒穴播玉米、大豆、棉花、花生。
排種器工作過程：行走盤連同排種器一起逆時針轉(zhuǎn)動，種子在排種器筒內(nèi)滾動，筒內(nèi)的舀勺舀種，其排種過程是：舀勺自圓周最底端0°起舀種，隨著排種器的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，舀勺轉(zhuǎn)至97°舀種結(jié)束，活舌打開，開通舀勺內(nèi)種子至種倉通道，繼續(xù)轉(zhuǎn)動舀勺過渡槽側(cè)邊的橫向U型通槽篩除種子中的雜質(zhì)及多余種子。舀勺中的種子繼續(xù)向過渡槽運行。轉(zhuǎn)至最上端180°位置時，種子全部運行至過渡槽，并開始向種倉運動，轉(zhuǎn)至210°過渡槽中的種子全部運行至種倉。轉(zhuǎn)至225°活舌關(guān)閉，以保護種倉內(nèi)的種子在排種筒中繼續(xù)安全旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)至340°，活閥靠配重自動打開排種，至360°排種結(jié)束。
本次設(shè)計播種器材料為尼龍，排種口6個。其播種株距對照表如表1。
表7-1地輪直徑理論對應(yīng)株距表
地輪直徑
6排種口
12排種口
460
24
12
470
24.6
12.3
480
25.1
12.5
490
25.6
12.8
500
26.1
13
510
26.7
13.3
520
27.2
13.6
530
27.7
13.8
540
28.2
14.1
550
28.7
14.4
560
29.3
14.6
570
29.8
14.9
580
30.3
15.1
1)技術(shù)要求
垂直排種器應(yīng)符合本標準的要求，并按經(jīng)規(guī)定程序批準的圖樣及技術(shù)文件制造。
2)排種器零件和裝配要求
各零件表面應(yīng)光潔，無缺肉、無結(jié)渣，不得有縮孔、裂紋等缺陷。塑料排種器應(yīng)無明顯的溶合紋、縮痕等缺陷。排種舌弧面和長度應(yīng)使用專用量具檢查，排種舌弧面部分與量具局部間隙不大于1.0 mm；長度與量具誤差不超過±1.0 mm。
排種舌在排種盒內(nèi)應(yīng)能上下調(diào)節(jié)，緊靠一側(cè)后，另一側(cè)與排種盒壁的間隙不大于1.0 mm。排種舌端部邊緣與排種輪外徑棱邊的間隙（在排種輪擋圈一側(cè)處）：排種舌在最高位置時（播小粒種子）為7~9 mm，排種舌在中間位置時（播中粒種子）為12~14 mm，排種舌在最下位置時（播大粒種子）為19~21 mm。阻塞套在排種盒內(nèi)及排種輪在其擋圈內(nèi)軸向移動應(yīng)無卡阻，上凸棱與排種盒后壁的間隙不大于1.0 mm。排種輪擋圈在其盒壁凹臺內(nèi)應(yīng)能用手靈活轉(zhuǎn)動。阻塞套與排種盒壁，排種輪與擋圈的配合間隙，沿徑向緊靠一邊后，其余各處均不得大于1.0 mm。金屬排種盒鉚合后應(yīng)牢固，不得松動，將其與箱底配合面放在平板上檢查，四角與平板局部間隙不得大于0.5 mm；塑料和鋁合金壓鑄的排種盒，工作表面和配合表面應(yīng)光潔，不得有裂紋，缺肉和凸起。將其與箱底配合面放在平板上檢查，局部間隙不得大于1.0 mm。排種器總裝后，在卡箍夾緊靠實的情況下，排種輪與阻塞套相互接觸的端面局部間隙不大于0.5 mm。排種器組合應(yīng)有足夠的強度和剛度，將其與種箱底板的接合面放在平板上，其上部應(yīng)能承受不低于6 000 N的垂直靜壓力，卸壓后不得產(chǎn)生塑性變形。塑料外槽輪排種器使用壽命應(yīng)不低于500 h，金屬排種器使用壽命應(yīng)不低于800 h，排種器磨損程度經(jīng)復(fù)檢后應(yīng)不低于表1規(guī)定的技術(shù)性能要求。
3)垂直式排種器技術(shù)性能應(yīng)符合表7-2要求。
表 7-2 垂直式排種器技術(shù)性能
項 目 排量穩(wěn)定性變異系數(shù)% 種子破損率%
小 麥 ≤1.8 ≤0.5
4)試驗方法
5)垂直式排種器性能試驗
6)性能試驗在試驗臺架上進行，亦可安裝在質(zhì)量合格的播種機上進行，試驗時排種軸應(yīng)勻速轉(zhuǎn)動。
垂直式排種器排種盒組合強度試驗應(yīng)在液壓萬能試驗機上進行，也可在能夠滿足試驗要求的其它測試設(shè)備上進行。
1)垂直式排種器排種性能指標計算公式
平均排量 （7-1）
排量標準差 （7-2）
排量變異系數(shù) （7-3）
式中：
——排種器5次排出量的平均值，g；
Xi——排種器第i次排出量，g；
n——測定次數(shù)。
2)種子破損率
平均破損量 （7-4）
破損率 （7-5）
式（7-4）和式（7-5）中：
Si——第i次破損量，g；
P0——原始破損率，%。
3)排量/轉(zhuǎn)動圈數(shù)計算公式
排量
式中：
Q1——50 m播種長度內(nèi)一個排種器的排量，g；
b——計算行距，m；
Q——排種量，kg/hm2。
轉(zhuǎn)動圈數(shù) （7-6）
式（7-6）中：
N——排種軸轉(zhuǎn)動圈數(shù)，取整數(shù)；
Q1——排量，取上限，g；
q——在規(guī)定排種輪工作長度下，排種軸轉(zhuǎn)動一圈排種器的排量g。
主軸是精播機結(jié)構(gòu)中比較重要的部分，分析其受力情況并且進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
用轉(zhuǎn)矩法估算軸的直徑，經(jīng)過分析知軸傳遞的功率為2.1kw，轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/分，材料選用45鋼，由公式dC×=106×=34.2mm?？紤]到軸上有鍵槽，軸徑需要適當增大3%～5%，所以裝槽輪和地輪處軸徑選36mm.
計算齒輪受的力：
軸傳遞的轉(zhuǎn)矩： (7-7)
齒輪上的圓周力：
齒輪上的徑向力：
軸向力：
3)計算支承反力：
水平面反力：
(7-8)
垂直面反力：
(7-9)
許用應(yīng)力
許用應(yīng)力值，用插入法查得
應(yīng)力校正系數(shù)
當量轉(zhuǎn)矩
當量彎矩最大處在平均分度圓處，
軸徑校核：
所以選的軸是安全的
鍵選擇與校核
鍵主要是為了實現(xiàn)軸上零件的周向定位來傳遞轉(zhuǎn)距，鍵的形式用多種，根據(jù)傳動的要求，鍵的選擇根據(jù)軸的直徑的不同，應(yīng)該選擇不同型號的鍵，軸的直徑D=40mm選擇GB/T1096鍵6×6×50,軸的材料是45號鋼，且屬于靜聯(lián)接,由機械設(shè)計查得許用擠壓應(yīng)力為=120-150MPa,取其平均值=135MPa。鍵的工作長度為，鍵與輪轂的鍵槽的接觸高度為。參考機械設(shè)計可得
(7-10)
T—傳遞的轉(zhuǎn)矩（N.M），
d—軸的直徑（mm），
l—鍵的工作長度（mm）；A型，l=L-b，
k—鍵與輪轂的接觸高度（mm）；k=h-t，h為鍵的高度，
b—鍵的寬度（mm），
t—切向鍵工作面寬度（mm），
—鍵的許用切應(yīng)力（MPa），
—鍵連接的許用擠壓應(yīng)力（MPa），
可見聯(lián)接的擠壓強度滿足，即該鍵可以正常工作。
8開溝器
8.1開溝器
開溝器的作用是開出種溝，引導(dǎo)種子和肥料入土并能覆蓋種子和肥料，要求入土能力好，溝底平整，開溝深度能在2～10cm調(diào)節(jié)，覆蓋良好，干濕土不混。
8.2開溝器比較分析及本機開溝器設(shè)計
8.2.1雙圓盤式開溝器
雙圓盤式開溝器的圓盤通過球軸承安裝在開溝器體上，兩盤間有一定夾角，且在一點相聚，控制聚點高度及夾角可改變溝寬和溝形。多數(shù)在圓盤周遍相聚，少數(shù)交錯相聚，后者有更強的切削力。圓盤直徑D已經(jīng)標準化，常取350mm，也有用300mm的。開溝寬度b （mm） ,式中 β——聚點位置角，通常取β=55°-65°，也有β=90°，聚點m的高度應(yīng)與最大開溝深度相等；φ——兩圓盤間夾角，通常取φ=10°-16°，也有φ=23°-25°。圓盤多用2～2.5mm厚的65Mn鋼板制造，刃口熱處理硬度為40～50HRC。圓盤平面度公差不得大于2mm。開溝器安裝后，要求轉(zhuǎn)動靈活，圓盤聚點的間隙為0～2mm,切向力不大于60N。
8.2.2芯鏵式開溝器
芯鏵式開溝器前部的芯鏵是尖頭雙凹曲面，兩翼后部與側(cè)板圓滑過渡，側(cè)板后部有切口以利濕土分層覆蓋。芯鏵寬度B要與農(nóng)業(yè)技術(shù)要求的苗眼寬度相適應(yīng)，最窄應(yīng)能容納輸種管，并在田間落地入土?xí)r不致被濕土堵塞。最寬應(yīng)保證寬 苗幅開溝要求。隨著機速的提高，開溝器的寬度在縮小，因為越寬拋土越嚴重。常見B=40～120mm，最大B=180mm。開溝器上口b，在可容納輸種管的前提下應(yīng)盡量窄，以減少拋土和有利于濕土覆蓋。開溝器高度H應(yīng)與開溝器深度相適應(yīng)，通常H=60～120mm。碎土角а小，使開溝器尖而長，入土好，強度差，不耐磨損；а大則入土差且易翻土。一般取а=18°～25°。入土隙角ε=5°。翼張角2γ=60°～70°，保證殘茬、土壤后滑，不掛草。芯鏵中心脊線由圓弧連接而成，其下部為入土和減小翻土，曲率較小，為縮短芯鏵長度上部曲率較大。其曲率半徑R為250～350mm.芯鏵常用兩片翼板焊接脊線而成，材料為3～4mm厚的鋼板。鏵尖和刃部要進行熱處理，硬度為37-42HRC。開溝器后部側(cè)板由2mm鋼板焊接到鏵翼上。開溝器焊裝后要進行拋光。
9覆土、鎮(zhèn)壓裝置
9.1覆土器
是為播種后覆蓋種子的部件。要求覆土均勻，先覆細濕土。精播時，不影響種子分布均勻性。
谷物條播機上常用的覆土器有拖環(huán)式、拖桿式以及彈簧鋼絲式和旋轉(zhuǎn)輪爪式等。
中耕作物播種機上常用的覆土器有板式和鏟式，其主要參數(shù)見表2，經(jīng)過比較分析本次設(shè)計采用圓盤式覆土器，材料為65Mn。
9.2鎮(zhèn)壓輪
播種后鎮(zhèn)壓可以保墑，防風蝕，并使種子與土壤緊密接觸，有利于種子發(fā)芽。鎮(zhèn)壓的壓強要求為0.3～0.5Kgf/cm2.播種機上鎮(zhèn)壓輪重量不能太大，故常用輔助彈簧增加鎮(zhèn)壓輪壓力。要求鎮(zhèn)壓輪轉(zhuǎn)動靈活，不粘土，不擁土，壓后土壤不產(chǎn)生裂紋。以圓柱輪和圓錐復(fù)合輪用的較多。鎮(zhèn)壓輪寬應(yīng)稍大于苗覆寬，直徑不可過小，否則轉(zhuǎn)動不靈活，土壤容易產(chǎn)生裂紋。常取300～400mm。當用以驅(qū)動排種器時，可以適當加大直徑。
表9-1 板式鏟式覆土器主要參數(shù)
名 稱
板式
鏟式
選擇依據(jù)
覆土板長 L
300～380
100～120
板寬 a
a1=80～100
a2=（1/3-1/2）a1
60～80
按行距、苗幅寬和覆土量決定
兩板間夾角 а
50度～60度
60度左右
夾角小覆土能力小，過大易擁土堵塞
與地面夾角 θ
65度-75度
23.5度左右
過小覆土能力低
后開口寬 B
120～180
60～80
按開溝寬、工作速度和整地條件決定
通過高度 H
120～180
開式
要求通過土塊、根茬時不
在粘重土壤常采用膠圈鎮(zhèn)壓輪工作時，膠圈受壓變形，加之活動環(huán)的沖撞，不容易粘土，鎮(zhèn)壓質(zhì)量好。
本次設(shè)計采用凸面輪式鎮(zhèn)壓輪，材料為橡膠。
9.3軸承校核
前開溝器軸軸頸直徑d=17mm,軸承所受徑向載荷FR1=1000N，軸向載荷FR2=100N。
1)初選軸承型號
由題意選取軸承型號為6203，查GB/T276得6203軸承的性能參數(shù)為，C=17000N，C0=11700N，n=30轉(zhuǎn)/分。
2)壽命計算
(1) 求當量動載荷 由式FP=fp(XFR+YFA)=0.56×1750+1.7×740=2260N
查得D=40,B=14,Cr=9.58,C0r=4.78
計算Fa/Fr=740/1750=0.42
查表得：e=0.26, Fa/Fr>e,X=0.56,Y=1.73 （9-1）
查表得：Pr=XFr+YFa==9052N
軸承6203的Cr=9580N,故選取軸承合適。
(2）校核軸承的額定靜載荷Por=4250N
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