相對地面靜止斜挖穴的單(多)排玉米播種機

孫 科,張爭艷,陳定方

(武漢理工大學物流工程學院,湖北 武漢 430063)

玉米是我國主要農作物之一,但現有的玉米播種機還不能在較低的投入之下完全實現高效率、全自動大面積播種.本文提出新型單(多)排精密玉米播種機的設計,采用相對地面靜止斜挖穴的連續自動播種技術,能最小限度擾動土壤,對墑的破壞小,有利于種子的發芽,且播種效率高,系純機械設計,有利于低成本的控制.

1 設計理念

傳統玉米播種方式主要播種行為(如開溝)對土地的擾動大,墑的破壞大,種子和挖穴異步,不能精確地保證玉米粒間距的一致性,且成本較高.針對這些問題,對傳統玉米播種機做進一步改造,使玉米播種在較少的投入下獲得較高效益.

1.1 新型勺式分種機構

玉米分種機構由動力軸、側轉盤、側蓋、內置開口勺式取種環、圓柱種倉組成(圖1).動力軸另一端與側轉盤中心孔固定連接,側轉盤內側同軸線固定著內置開口勺式取種環且與圓柱種倉端面微小間隙貼近;內置開口勺式取種環套置在圓柱種倉的外圓柱面,在圓柱種倉的外圓柱面設有護環槽,護環槽外圈底部左側設有2個相距不遠的開口,作為種子出倉口,開口勺式取種環可以在護環槽中旋轉;靠近側轉盤的圓開柱種倉內底部兩側各設有1對稱開口,對稱開口作為玉米粒從玉米種倉進入取種勺的通道;內置開口勺式取種環內圓柱面開設2個開口勺,開口勺的容積恰好容下2～3個玉米粒,開口勺開口要稍小于圓柱種倉內底部兩側的開口;側蓋中心孔與動力軸固定有側轉盤的一端連接形成轉動副,側蓋與圓柱種倉外殼固定連接;圓柱種倉內底部設有一定角度的斜坡,玉米粒在自身重力和振動下往圓柱種倉內底部開口處積聚,從而保證玉米粒比較容易進入取種勺,而且圓柱種倉內種子分種比較干凈.

圖1 新型玉米播種機構

新型勺式分種機構的工作流程:大儲倉的玉米粒通過種子進倉口進入圓柱種倉內,玉米粒一般情況下都是充滿圓柱種倉;在斜坡的作用下,玉米粒總是在圓柱種倉底部所設的開口處等候,當內置開口勺式取種環中的開口勺旋轉至圓柱種倉底部開口下方時,種子出倉口和開口勺形成通道,2～3粒玉米下落到開口勺中,當開口勺旋轉到種子出倉口時,玉米粒落出圓柱種倉,進入排中機構,完成一次分種;開口勺旋轉到下一個圓柱種倉底部所設的開口,玉米粒再次進入開口勺,當開口勺再次旋轉到下一個種子出倉口時,玉米粒再次落出圓柱種倉,完成第二次分種;由于2個圓柱種倉底部的開口很近,兩次分種的時間間隔很短,可認為同時落種,幾乎同時到達閥門式鏟頭33的閥門處,為播種做好準備.

1.2 相對靜止斜插式雙鏟頭同步挖穴播種

新型玉米播種機如圖2所示.

圖2 新型玉米播種機的正視圖

雙排同步鏈16通過鏈傳遞的方式按照一定傳遞比分別與直流減速電機39和驅動輪41連接,使雙排同步鏈的線速度和驅動輪的線速度相等,在雙排同步鏈對應的位置上固定多根推桿18,且可方便裝卸[2];兩個挖穴滑塊(滑塊I22、滑塊Ⅱ23)之間通過可調剛性連桿24連接,其距離為株距,2個挖穴滑塊套在兩根機架光滑導桿19上,機架光滑導桿安裝在雙排同步鏈輪的中間;整機以v的速度前進作業,雙排同步鏈輪的驅動鏈輪也以v的線速度轉動,使固定在連上的推桿也以v速度運動,下部分的鏈為緊邊;以整機前進的方向為正,推桿在緊邊上以-v的速度前進,其相對地面的速度為0;回位彈簧I20和減震彈簧21套在機架光滑導桿,挖穴滑塊的下部安裝齒輪25,與之嚙合的齒條26安裝在機架上,挖穴滑塊的一外側安裝曲柄圓盤28與齒輪同軸,并通過單向軸承27與軸連接,滑塊上裝有曲柄圓盤的一側安裝一回位彈簧Ⅱ與曲柄圓盤上表面正上部連接,回位彈簧Ⅱ將曲柄回位到曲柄工作初始點;曲柄固定在曲柄圓盤上,曲柄末端鉸接方扁形連桿31,方扁形連桿末端鉸接圓柱鋼管滑桿,圓柱鋼管滑桿穿過與滑塊連成一體的導孔,導孔的軸線與豎直方向成30°,圓柱鋼管滑桿可以在導孔中做往復運動,保證實現鏟頭斜向運動;2根曲柄通過水平剛性細軸鉸接,保證同步;閥門式鏟頭通過螺栓與圓柱鋼管滑桿連接,閥門活動板35通過細鋼絲繩34穿過引導孔連接到滑塊上;閥門活動板通過細軸鉸接在鏟頭上,細軸上安裝回位彈簧III50,保證閥門活動板在不受拉力的情況下及時關閉閥門.

1.3 自動閥門式鏟頭的設計

如圖3所示,閥門式鏟頭由閥門活動板、回位彈簧III、細鋼絲繩和鏟頭組成.細鋼絲繩穿過引導孔連接到滑塊上,閥門活動板通過細軸鉸接在鏟頭上,細軸上安裝回位彈簧Ⅲ50,保證閥門活動板在不受拉力的情況下及時關閉閥門.當圓柱滑桿往下運動距運動最低點還有一定距離,細鋼絲繩受力繃緊,利用杠桿原理將閥門活動板打開,玉米粒落入土中.

圖3 自動閥門式鏟頭

2 基于虛擬設計理念

基于虛擬設計的理念,產品中所有設計均在計算機虛擬的環境中實現,主要從虛擬樣機建模、運動學分析、動力學分析與強度校核四個方面進行研究設計,其過程如圖4所示[3].

圖4 虛擬設計過程

由于在虛擬的環境中完成所有的設計,其可視化分析程度較高,可在很大的程度上分析樣機的實際作業情況,節約了設計資源,提高了設計效率,縮短設計周期,節約開發成本[4].新型多(單)排玉米播種機基于 solidworks的虛擬樣機設計如圖 5所示[5].

圖5 基于solidworks的虛擬樣機設計

3 結束語

新型多(單)玉米播種機的設計針對傳統玉米播種方式的不足之處和存在的問題,在一定程度上提出了可靠的解決方案.與現有技術相比,該新型多(單)玉米播種機有以下優點.

1)采用相對地面靜止挖穴的連續自動播種技術,能最小限度擾動土壤,對墑的破壞小,有利于種子的發芽,且播種效率高;

2)采用自動閥門式鏟頭,能精確地控制挖穴和播種同步;

3)分種機構分種時,大部分種子相對種倉是靜止的,最大程度減小機械對玉米粒的擾動,且分種效率高;

4)通過修改內置開口勺式取種環中取種勺的容積和形狀,可適用于多種種子的播種.

[1]何 波.鏟式玉米精密播種機工作過程仿真[D].沈陽:沈陽農業大學圖書館,2005:1-100.

[2]彭文生,黃花梁,王均榮,等.機械設計[M].武漢:華中理工大學出版社,2000:1-291.

[3]李濤濤.基于包絡思想的汽車差速器的虛擬設計[J].湖北工業學報,2009(4):1-4.

[4]仇建平,陳立超,王新宇.基于網絡的虛擬設計[J].電腦開發與應用,2008(1):16-18.

[5]二代龍震工作室.solidworks2009高級設計(第2版)[M].清華大學出版社,2009:89-137.