蔗种排种装置的进给输送机构设计与分析*

黄才贵 ， 周一鸣 ， 蒋成丰

（南宁学院，广西 南宁 530200）

0 引言

甘蔗在我国是重要的战略资源，是南方地区主要的经济作物之一，其中广西的甘蔗种植面积位列全国第一，但种植机械化仅仅占6%[1-3]。在甘蔗产业中，种植作业技术要求高，属于劳动密集型产业，其种植质量直接影响新植和宿根蔗的产量，是其中劳动强度最大环节之一，工作量繁重、条件艰苦，其机械化作业率很低[4-6]。成熟的大型甘蔗种植机体积较大，适合大规模平原种植，受到地形地貌以及技术水平的限制，广西的甘蔗种植机械化水平极低，主要还是依靠人工种植[7-9]。现有的部分排种装置在排种输送过程中容易由于碰撞、摩擦等损伤种芽，不能满足工艺要求，容易出现故障且不能进行选芽、消毒和催芽等。基于此，课题组设计了一种自调节蔗种排种装置的物料进给输送机构，该机构能根据甘蔗蔗种输送的直径大小自行调节输送进料口并保持合适的夹持力，保证蔗种的正常自动喂入，提高效率并保持工作正常。

1 结构设计

总体设计图如图1所示，该装置的结构包括传动软轴、滑块、球、喂入导向板、球铰链座、立柱A、上辊、下辊、上辊输入轴、下辊输出轴、导向座、立柱B、电机、齿轮A、齿轮B、齿轮C、齿轮D、立柱C、底板等。以图1的视图来区分左、右、前、后关系，其结构连接关系为：传动软轴的右端和上辊输入轴左端分别同轴固连于钢球上，传动软轴左端通过法兰盘固连于齿轮D的传动轴右端上。其中，为方便折弯以适应不同轴的传动，传动软轴所采用的材质是具有良好弹性的橡胶材质。齿轮D的传动轴转动安装于立柱C上部的安装孔内形成转动连接；齿轮C的传动轴固定连接着下辊输出轴的左端，穿过立柱C下部的安装孔内形成转动连接，齿轮C位于齿轮D的正下方和齿轮D形成相互啮合关系。此外在位于立柱C和立柱B之间的下辊输出轴还固定同轴安装有齿轮B，齿轮B和齿轮A相互啮合，齿轮A固定安装在驱动电机的输出轴上，驱动电机则通过螺纹固定安装在底板上。下辊输出轴上同轴固定设置有下辊，下辊输出轴的右端转动安装在立柱A的下部安装孔内，立柱A的上部分内侧面固定设置有球铰链座，上辊输入轴与球铰链座形成球铰链连接，上辊输入轴同轴固定设置有上辊，上辊材料为弹性变形良好的橡胶材质，可在受力情况下弯曲和回位。立柱B底端固定安装在底板上，其上端固定设置有导向座，滑块则滑动安装在导向座的导向槽内形成滑动连接，钢球则安装在滑块的球孔内形成球铰链连接。喂入导向板底端固定安装在底板上，喂入导向板内还设置有多个输送辊。

2 工作原理及优点

结合图1，其工作原理为：启动驱动电机，将蔗种放入喂入导向板的输送辊上，根据动力传动关系，当蔗种进入上辊和下辊之间时则进一步被带动而往前喂入。当蔗种的直径变大时，上辊则被直径变大的部位给予向上的挤压力作用而发生向上的弯曲弹性变形，此时则会带动滑块沿着上辊轴向有少量滑动收缩，进而传动软轴有一定的弯曲变形，但动力传递依然保持正常传输。

图1 总体设计图

该机构的上辊材料为弹性变形良好的橡胶材质，可在受力情况下弯曲和回位，以适应物料喂入量的大小；其传动软轴使得在上辊变形时依然能保持动力的正常传输；与上辊两端连接的轴均通过球铰链连接方式，保证上辊可多方位变形，并保持动力传输正常。

3 有限元分析

3.1 静态结构有限元分析

甘蔗种在进给输送过程中，上下辊对甘蔗具有挤压作用，同时甘蔗对上下辊也有反作用力，需要分析出上下辊在对与之连接的主体支撑结构的作用力下，其变形和应力情况是否满足设计要求。首先将模型进行三维建模之后，导入到有限元分析软件中，赋予材料为Q235A，该材料的参数为：弹性模量为2.10E+11 N/m2，泊松比0.288，质量密度为7.861E+03 kg/m3，抗剪模量8.23E+10 N/m2，屈服强度为2.35E+8 N/m2。赋予材料之后进行网格划分，网格划分的结果如图2所示。

图2 网格划分结果

在底部添加固定约束以及在与上下辊连接部位添加载荷作用后，进行求解分析，在结果后处理的需要显示结果上，选择添加Equivalent Stress 和 Total Deformation两种结果，得到结果如图3所示，即为总变形云图，图4为等效应力云图。由分析结果可知，最大变形量仅为0.000 188 9 mm，该变形量很微小，可忽略不计；最大应力仅为0.328 77 MPa，远小于材料的屈服强度，所以该结构满足设计要求。

图3 总变形云图

图4 等效应力云图

3.2 模态分析

该机构在实际工作时，安装在带有拖拉机驱动或者是以柴油机来驱动的作业机器上，工作时候主要的振动来源是发动机，发动机在不同的工作状态下转速不一样，对应的工作频率也不一样。柴油机发出的振动明显，在怠速时发动机的转速为700 r/min～780 r/min，其发出的一阶振动频率约为23 Hz～26 Hz，二阶频率约为46 Hz～52 Hz；正常工作的时候发动机转速一般为2 000 r/min左右，所以对应的发动机一阶频率约为66.7 Hz，二阶干扰频率约为133.4 Hz；空载的时候能达到最大速度，对应的发动机最高工作转速约为2 400 r/min，此时对应的频率约为160 Hz[10]。为了保证在田间工作的工况下，所设计的主体支撑结构不会发生共振等危害结构稳定性的情况，需要对该机构的主体结构进行模态分析。经过求解分析，得到前6阶模态分析变形云图如图5所示。

图5 前6阶模态分析结果

模态分析的前6阶模态的固有频率分别为47.955 Hz、56.074 Hz、72.564 Hz、101.02 Hz、106.91 Hz、139.58 Hz，均与发动机怠速运转、正常运转和最大速度运行时的激励频率没有重叠，发生共振可能性小。此外，作业机器工作过程中的频率可能来源还有行驶过程中地面给叉车传递的频率，但均产生较低的频率，约为4 Hz～6 Hz，均与该结构的固有频率相差较大。总体来说，该结构其他阶次的固有频率均无重叠或者相近的，所以发生共振现象可能性小，总体来说所设计的结构是安全合理的。

4 结语

综上所述，课题组设计了一款甘蔗种夹持输送机构，经过总体结构的设计，阐述了工作过程和原理，对所设计的结构进行静态结构力学分析和模态分析，分析结果表明所设计的结构其最大的应力远小于材料的屈服强度，最大的变形量很小，所以该设计满足强度、变形要求。经过模态分析，结果表明前6阶的固有频率均与工作时的激振频率无重叠，所以不会发生共振现象，该设计安全合理，这为今后甘蔗种植的机械化奠定基础。