自行式牛蒡播種機的設計

盧煜海，葉才福，張　健，劉　碩，王獻澤

(廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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自行式牛蒡播種機的設計

盧煜海，葉才福，張健，劉碩，王獻澤

(廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：針對現有牛蒡播種機不能實現自動行走、播種效果不理想等問題，設計開發了自行式牛蒡播種機。該機由工作臺、動力傳動部分、雙離合控制裝置及播種機構組成。動力傳動部分通過直流電機調速器實現行走速度可調，雙離合控制裝置可方便地實現行走車輪與播種機構動力的接入斷開，播種裝置拆卸方便。試驗結果表明：該機播種合格率可達85%以上，作業質量符合農藝要求；機具結構設計合理，為推動牛蒡機械化種植的發展提供了技術支持。

關鍵詞：牛蒡播種機;自行式；雙離合

0引言

牛蒡為藥菜兼用植物，營養豐富，具有較高的藥用價值，是我國出口創匯的主要農作物之一[1]。牛蒡子，一種中藥，長5～7mm、寬2～3mm，表面灰褐色，帶紫黑色斑點，有數條縱棱，通常中間1～2條縱棱較明顯，分布于我國臺灣、山東、江蘇、陜西、河南、湖北、安徽及浙江等地[2]。牛蒡在5月和9月中下旬播種，播種方式分穴播和條播。穴播是按株行距30cm×60cm開穴播種，每穴播4~6粒；條播按行距60cm成條播種，播深2cm，株距5～6cm[3]。目前，國內外對牛蒡相關的機具研究主要集中在牛蒡收獲機、打溝機上[4-5]，對牛蒡播種機的研究較少。市場上的牛蒡播種機需要人工推動前進，且每次掉落的牛蒡子種子數目不止1粒，容易造成重播和漏播。因此，現有的牛蒡播種機械所需的人工勞動強度大，經濟成本較高，播種效果不理想。

針對現有的牛蒡播種機的不足，設計了一款可以實現行走速度可調、精確播種的自行式牛蒡播種機，可較好地實現牛蒡子均勻成條播種，播種合格率達85%以上。

1整體結構及工作原理

自行式牛蒡播種機主要由工作臺、動力傳動部分、雙離合控制裝置及播種機構組成，如圖1所示。該設備外形尺寸(L×W×H)為1 050mm×620mm×620mm，總質量約60kg，設計播種效率為0.12hm2/h。

1.車輪　2.減速機　3.轉速手柄　4.播種機構　5.萬向輪

整機由蓄電池提供動力，電機和蓄電池通過導線連接在一起，電機與減速機直接連接在一起，減速機通過聯軸器將動力輸送到雙離合控制裝置上。播種時,合上雙離合控制裝置的右側操縱桿，主傳動軸上的離合大齒輪與行走鏈輪連接，動力輸送到車輪上從而帶動整機行走；合上雙離合控制裝置的左側操縱桿，主傳動軸上的離合小齒輪與播種鏈輪連接，動力輸送到播種機構上從而實現播種。轉動轉速把手，控制直流電機調速器調整電機轉速，進而調整行走速度和播種速度，行走速度可控范圍為0.2～0.6m/s。

2主要部件的設計

2.1　工作臺

工作臺由車架、車輪、萬向輪和轉速把手組成，如圖1所示。車架為動力傳動部分、雙離合控制裝置及播種機構提供支撐，車架采用截面為∠40×40×4的角鋼和∠30×30×4的角鋼焊接而成，角鋼材料為Q235。角鋼能很好地滿足播種機剛度和強度的要求，減小整機工作中產生的振動和變形。扭轉轉速把手可以控制行走速度和播種速度，萬向輪可以360°旋轉，方便轉向及提供輔助支撐。

2.2　動力傳動部分

自行式牛蒡播種機傳動機構簡圖，如圖2所示。動力傳動部分的作用是為整個播種機提供行走動力和播種的動力，從減小整機振動和經濟性的角度考慮，整個動力裝置選擇電機驅動。為了增大電機輸出的扭矩，將電機通過電機聯軸器與減速器連接，減速機將動力輸入到主傳動軸上。

1.行走大鏈輪　2.行走鏈條　3.行走小鏈輪　4.主傳動軸

2.2.1電機的選擇

電機為整機行走、播種裝置播種作業提供動力，因此電機的功率和類型的選擇至關重要。根據工作需要及工作條件應選用直流電機，自走式牛蒡播種機的設計參數為：整車質量m=60kg，爬坡角度α=25°，工作時最高行走速度V=0.6m/s。

1)播種機所受的牽引力為

Fk=Ff+Fα+Fx=Gfcosα+Gsinα+Fx

2)電機至行走車輪的傳動總效率為

η=η12·η25·η33·η4·η5

其中，η1、η2、η3、η4、η5分別是聯軸器、軸承、齒輪傳動、鏈輪傳動和車輪傳動效率。

3)電機輸出功率為

式中Fk—切線牽引力；

Fα—坡度阻力；

Fx—工作阻力；

f—滾動阻力系數。

由于播種機行走速度較低，播種機構質量較輕，因此播種裝置的工作阻力遠小于滾動阻力和坡度阻力，計算時可將工作阻力忽略不計。查設計手冊[6],分別取η1=0.99、η2=0.99、η3=0.97、η4=0.95、η5=0.95、f=0.08。

計算得出：電機輸出功率P=231.5W。經過對比現有市場上的直流電機種類，最終選取的電機型號為MY1020ZXD,額定轉速3 100 r/min，額定功率450W，額定電壓36V。

2.2.2減速器的選擇

本設計選用的電機額定功率只有450W，但額定轉速較高，因此在減速器的選擇上，對其承載能力要求較低，應選用較高傳動比的減速器，以達到降低轉速提高輸出扭矩的目的。為了節省制造成本，選用兩級圓錐—圓錐齒輪減速器，傳動比i=30。

2.2.3行走車輪滾子鏈傳動設計

1)傳動比初算。主傳動軸轉速為

n1=n/i

行走車輪軸轉速為

主傳動軸到行走車輪軸通過滾子鏈傳動的傳動比為

其中，n為電機轉速；D為行走車輪直徑，D=400mm。

計算結果：n1=103r/min, n2=29r/min, i1=3.55。

2)鏈輪齒數。行走小鏈輪齒數為

z1=25

行走大鏈輪齒數為

z2=i1·z1=88.75,取z2=88

3)實際傳動比為

4)修正功率。主傳動軸功率為

P1=P·η12·η25·η33=196.9W

查設計手冊[7],得工況系數f1=1.4，行走小鏈輪齒輪系數f2=0.76。

修正功率為

Pc=P1·f1·f2=209.5W

5)鏈條節距。由修正功率和行走小鏈輪轉速，選得節距p的型號為08A，即12.70mm。

6)初定中心距。因結構上未限定，初取

a0p=35p

7)鏈長節數為

8)鏈條長度為

9)鏈速為

10)作用于軸上的拉力為

FQ=1.2KA·P/v=457N

根據設計計算結果，采用單排08A滾子鏈，節距為12.70mm，節數為227節，標記為：08A-1×227 GB/T1243-2006。

2.3　雙離合控制裝置

雙離合控制裝置由右側操縱桿、左側操縱桿、離合大齒輪、離合小齒輪、行走小鏈輪、播種大鏈輪組成，如圖3所示。其中，行走小鏈輪、播種大鏈輪均是齒輪和鏈輪的組合件。雙離合控制裝置的作用是實現動力與行走車輪、播種裝置的接觸分離，從而達到控制行走和播種的目的。雙離合控制裝置中右側操縱桿控制自行式牛蒡播種機的行走。右側操縱桿向外側扳動時使得離合大齒輪與行走小鏈輪齒輪端嚙合在一起，動力傳遞到行走小鏈輪上。通過行走鏈條將動力最后傳遞到行走車輪軸上，帶動自行式牛蒡播種機的行走。右側操縱桿向外側扳動時使得離合大齒輪與行走小鏈輪齒輪端分開，動力無法傳遞到行走車輪軸上，自行式牛蒡播種機無法自動行走。

雙離合控制裝置左側操縱桿向外扳動時使得離合小齒輪與播種大鏈輪齒輪端嚙合在一起。播種大鏈輪通過播種鏈條與播種傳動軸連接在一起，動力經過播種傳動軸傳遞到播種裝置上。將左側操縱桿向內扳動時使得離合小齒輪與播種大鏈輪齒輪端分開，動力無法傳遞到播種裝置，此時自行式牛蒡播種機無法進行播種工作。雙離合控制裝置操作簡單，操作員只需要俯身操作右側操縱桿和左側操縱桿，就可以控制行走和播種。

1.右側操縱桿　2.離合大齒輪　3.行走小鏈輪　4.播種大鏈輪

2.4　播種裝置

播種裝置是自行式牛蒡播種機的重要部件，其設計是否合理關系到整機的作業效果。牛蒡子質量小、經濟價值高，因此播種裝置的設計需要滿足精確播種、方便拆裝的設計要求，如圖4所示。

1.定位螺栓孔　2.定位銷軸　3.旋轉銷軸　4.播種盒子下半部

播種裝置由定位螺栓孔、定位銷軸、旋轉銷軸、播種盒子下半部、連接軸、播種滾子和播種盒子上半部構成。播種盒子底座固定在工作臺上，下半部通過定位銷軸安裝在播種盒子底座上，上半部與播種盒子下半部通過旋轉銷軸鉸連，播種盒子上半部與播種盒子底座通過定位螺栓孔固定連接。播種盒子每次最多可裝填1kg牛蒡子，播種裝置發生堵塞時，只需要向外扳動左側操縱桿，斷開播種動力，擰開定位螺栓孔上的定位螺栓，即可依次拆卸下播種盒子上半部、播種滾子及播種盒子下半部，整個拆裝清理過程簡單方便。播種時，播種滾子在傳動軸的帶動下旋轉，播種盒子上半部中的牛蒡子可以順利流入播種滾子凹槽內，進而掉入到播種盒子下半部中，牛蒡子掉入種植穴中完成播種。通過控制播種滾子的轉速與整車的行走速度，達到精確播種的要求。

3結論

該自行式牛蒡播種機構思新穎、結構緊湊、操作簡便，可以實現自動行走、精確播種，行走速度可控范圍為0.2～0.6m/s。實地試驗表明：該機播種合格率可達85%以上，作業質量符合農藝要求，工作性能可靠。該機的設計開發能夠極大地降低牛蒡播種的勞動強度和提高經濟效益，對推動牛蒡機械化種植的發展有積極作用。

參考文獻：

[1]竇興霞,魏東.牛蒡的特性及高產優質栽培技術[J].農技服務,2009(10):82-83.

[2]隋珍,常禹,李月輝,等.牛蒡群落分布,物種組成與生態環境因子的關系[J].生態學雜志,2010,29(2):215-220.

[3]許亮,王冰,康廷國.牛蒡種質資源與規范化栽培[J].現代中藥研究與實踐,2008,21(6):6-8.

[4]呂宏靖,邱立春.牛蒡收獲機設計與試驗[J].農機化研究,2015,37(12):21.

[5]林道.一機三行打溝機[J].農業機械化與電氣化,2003(3):33.

[6]聞幫椿. 機械設計手冊[K].北京：機械工業出版社，2010.

[7]郁明山,吳關昌,陶燕光.現代機械傳動手冊[K]. 北京：機械工業出版社，1995.

The Design of the Self-propelled Burdock Seeder

Lu Yuhai, Ye Caifu, Zhang Jian, Liu Shuo, Wang Xianze

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：A new design of the burdock seeder has been accomplished aimed to solve the extremely important problem of the burdock seeder cannot achieve automatic walking and low efficiency in recent research. The machine composed of the working table, power transmission part, dual clutch control device and seeding mechanism.Power transmission part through the DC motor speed regulator can adjust the speed.Double clutch control device can realize the access and power off for dynamic walking wheel and seeding convenient.Seeding mechanism can be easily filling seed and disassemble. Field test shows that the qualified rate reaches up to over 85% and work quality satisfies the requirement of agronomy and the design of structure is completely in reason, which provides technology support for promote the development of burdock planting mechanization.

Key words：burdock seeder;self-propelled; dual clutch

中圖分類號：S223.2+6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0104-04

作者簡介：盧煜海(1970-)，女，廣西桂平人，講師，(E-mail)lyhai@163.com。通訊作者：葉才福(1990-)，男，江西贛州人，碩士研究生，(E-mail)yecaifu77@163.com。

基金項目：國家級大學生創新訓練計劃項目(141059304)

收稿日期：2015-10-27