作者: 杨文敏*谢方平*王林力*吴明亮*孙松林 来源: 万方数据
关键字: 水稻直播机 虚拟样机 运动仿真 有限元分析 SolidWorks

　　为了降低研制成本。缩短研制周期，采用Solidworks设计水稻芽种直播机的虚拟样机。同时，对其排种器进行仿真分析，验证运动的可行性和合理性，得出推种杆推种端的运动参数，为下一步对芽种的充种和投种过程的仿真分析取得初始参数。对主梁的有限元静强度分析表明，采用两根ф32×2．5的无缝钢管做主梁强度足够，危险部位在主梁前端下部处。分析结果可为物理样机制造提供参考。

0 引言
   
　　水稻芽种直播机省去了传统的落谷、拔秧、移栽3道环节，减少了常规栽培的育秧、拔秧和插秧等繁重工作。芽种采用精密直播，节约良种，减少或省去间苗工时。因此，水稻芽种直播是一种省工、节本、高效的栽培技术，具有广阔的应用前景。目前，传统水稻直播机不适应芽种直播，需要设计一种与农艺要求相适应的水稻芽种直播机。为了节省研制成本，缩短研发周期，通过采用虚拟样机技术，设计了一种基于偏心顶杆式排种器的水稻芽种播种机的虚拟样机，并对其关键部件进行运动仿真分析和有限元分析。
   
    1 虚拟样机及其分析技术
   
　　虚拟样机及其分析技术是指用计算机完成整个产品的开发过程。它以数字化的形式虚拟地、可视化地、并行地开发产品，并在制造物理样机之前以虚拟原型的形式对产品的结构和性能进行分析和仿真，实现设计过程的早期反馈，及早地发现和解决问题，减少产品开发时间和费用。其核心技术包括三维实体建模技术和仿真分析技术。与其相关的还有计算机辅助设计(CAD)技术、有限元分析(FEA)技术、驱动元建模技术、模型反求技术、控制系统分析技术和优化设计技术H。
   
　　实体建模的工具软件很多。笔者采用Solidworks2005建立的水稻芽种直播机实体模型，用cosmos／motion对排种器的工作过程进行仿真分析，采用cosmos／work对其主梁进行有限元分析。设计和分析过程如图l所示。
   

    2水稻芽种直播机的虚拟样机设计
   
    2．1 水稻芽种直播机的设计方案
    
　　根据工作要求，设计的水稻芽种播种机主要由柴油机、操纵装置、传动装置、播种部件、行走部件机架等部分组成(如图2所示)。柴油机的动力经带传动传给齿轮减速器，减速后动力分为两路：一路传给地轮驱动整机行走；一路经万向节联轴器、锥齿轮传动、链传动带动播种器播种。根据需要可随时结合或分离两路动力，实现整机行走、停运以及排种器的播种运动。
   

2．2水稻芽种直播机的虚拟样机设计
   
　　建立虚拟样机模型的方法有自下而上和自上而下两种方法。自下而上就是先建立各个零件的实体模型，然后在装配环境下采用配合技术将各零件组装成装配体。采用这种方法建立的零件均是独立设计的，模型及零件间的相互关系较为简单，设计时可关注于单个零件的设计，而不必建立控制零件大小和尺寸的参考关系。而自上而下的设计方法即在装配环境下根据现存零件的特征和尺寸关联建立各个构成零件。该方法在对整个装配体进行修改时，修改某个特征尺寸，其关联零件的特征尺寸相应发生改变，便于部件或整机的系列化以及方案的修改。笔者以自下而上的方法为主建立水稻芽种直播机的虚拟样机模型，在建立轴系部件和排种器的实体模型时采用了自上而下的方法。
   
    建立的虚拟样机模型如图3所示。整机由87种共793个零件组成。在各部件和整机装配好后，均通过软件自带的干涉检查功能，进行干涉检查，发现各零件间结构上的干涉，随即修改零件的结构尺寸，消除干涉。以保证结构设计的正确性和合理性。
   

    2．3虚拟样机关键部件的运动仿真
   
    排种器是水稻芽种播种机的关键部件，主要由进料斗、种量调节板、清种毛刷、承种筒、推种杆、偏心连杆、偏心轴和外壳等组成。根据文献[7]的分析得知，型孔深度入随承种筒转角θ的变化规律为

    型孔中芽种的绝对速度v为
    

    在cosmos／motion仿真环境下，先设置与仿真有关的基本参数，如力的单位(N)、时间的单位(s)、重力加速度(980N／s²)以及与动画有关的桢时间间隔及桢数，再设定承重筒为原动件，按60r／min匀速转动，选择积分器类型(GSTIFF)、最大迭代步长(25)、精度(0．01)，其它选项取默认值，运行仿真得到推种杆的运动参数的变化规律(如图4所示)。由图3分析得推种杆的运动参数的变化规律和理论分析一致：当承种筒逆时针转动到θ=159．5°时型孔中的芽种刚好全部排出，此时芽种的绝对速度为0．3 14m／s，加速度为0．451 m／s2。

 2．4关键零件的有限元分析
   
    虚拟样机采用乘坐式，操作者的体重和座椅本身质量均由两根主梁承担。两根主粱均拟用Φ32×2．5的无缝钢管折弯而成，笔者用有限元法对它进行强度分析。由于整机设计行走速度仅2m／s，动载荷不大，仅对主梁进行静强度分析。
    
    为了节省计算所用时间，按400N压力加载在一根主梁上进行分析。直接采用虚拟样机中主梁的实体模型，材料取普通碳钢，主要性能参数的取值分别为：弹性模量E=2．1×10¹¹ N／m²，泊松比A=0．28，抗剪模量G=7．9×10¹⁰ N／m²，屈服强度盯，=2．21×10⁸N／m²，抗拉强度σs=3．99×10⁸N／m2，密度P=7800kg／m³。将主梁两端添加固定约束，在中间水平位置施加垂直向下的压力400N。选用SOLDl64实体单元网格，对主梁共划分出52998个网格单元，81 137个节点。采用FFEPlus解算，可得到主梁应力、应变、变形、位移等的云图和分析报告。主梁的应力分布云图，如图5所示。由图5可见，最大工作应力发生在主梁前端得下部(65．325，-7．529，-14．118)处，最大工作应力为2．916×10⁷ N／m²，小于屈服强度，安全系数为7．6，强度足够。
    

    3结论
   
    1)采用虚拟样机技术建立了水稻芽种直播机的虚拟样机模型，并对装配体进行干涉检查，发现零部件间的干涉，及时修改零部件的结构，消除干涉，以节约研制成本，缩短研制周期。
    2)对关键部件排种器进行运动仿真，验证机构运动的可行性以及理论分析结果的正确性，为下一步对芽种的充种和排种过程的仿真分析提供了初始参数。
    3)对主梁的静强度有限元分析表明：主梁的强度足够，危险部位在主梁前端的下部。试制物理样机时可在该处用加强筋加强。

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