腳踏式玉米播種機擺動前推機構的設計與試驗

張亞新，曹萬蒼，張立華，楊　震

(赤峰學院 建筑與機械工程學院，內蒙古 赤峰　024000)

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腳踏式玉米播種機擺動前推機構的設計與試驗

張亞新，曹萬蒼，張立華，楊震

(赤峰學院 建筑與機械工程學院，內蒙古 赤峰024000)

摘要：針對北方播種玉米的壟作區內存在一些不適合全機械化播種機工作的特殊地塊，設計了一種腳踏式播種機，核心部件是擺動前推機構。根據不同壟寬和株距，設計了由擺動前推杠桿和限位槽組成的擺動前推機構；通過分析擺動前推機構的運動特點，建立空間笛卡爾坐標系，求解擺動前推杠桿兩端點的相對坐標，確定杠桿長度和限位槽關鍵結構參數。田間試驗表明：在壟株距分別為350mm×270mm、380mm×300mm和400mm×330mm 時，壟距誤差因腳踏式播種機結構的對稱性及播種機支撐裝置與壟形狀的相似性而相互抵消，株距誤差分別為7.44%、5.13%和1.91%。腳踏式玉米播種機擺動前推機構的設計滿足了農藝要求，可為便攜式腳踏播種機的設計提供參考。

關鍵詞：玉米；播種機；擺動前推機構；腳踏式

0引言

玉米是我國重要的糧食和飼料作物[1],在我國北方旱區種植面積非常廣泛[2]。由于我國大面積的后備土地資源集中在北方干旱地區[3-4]，在此區域農民自行開墾的不規則小塊土地較多，玉米的種植分布區域有不斷增大的趨勢。同時，對于適應這種自開采、小區域、不規則土地玉米種植設備的需求也在不斷地增加。

播種機的研究屬于傳統的農業機械化研究領域[5]，目前國內外大、中型播種機械的生產、制造已經比較成熟。在我國北方的大規模玉米種植地區，主要使用的播種機都是專用大、中型播種機或農機帶動的小型播種機，簡單方便、技術成熟、安全可靠、造價經濟的微型或人工操作的超微型種植裝備和技術依然存在著有效供給的不足、農機農藝融合不夠緊密等亟待解決的問題[6-8]。

當前，市面上可見的非全自動的、有人工部分參與的微型播種機是一種人工直插式播種機。這種播種機操作簡單、可靠性好、使用無空間限制，可以實現小塊不規則土地的玉米播種；但其人機工程性較差，操作者在完成播種時所耗費的人工超過使用鎬頭等原始播種方式。為此，設計了一種雙壟交替式腳踏播種機。這種播種機操作類似踩高蹺，兩腳交替前行，帶動微型播種機前進，同時每踏一步播種機下部的排種機構在人體重力作用下進行播種，有效減輕了操作者的勞動強度。

1整機機結構及工作原理

1.1整機機構

雙壟交替式腳踏玉米播種機由支撐底座、踏板、擺動前推杠桿、杠桿鏈接支塊、杠桿斜向運動限位板、踏位導向限位柱、種箱和排種器等構成，如圖1所示。

1.支撐底座　2.踏板　3.杠桿連接支塊

主要技術參數：整機質量12kg,播種壟距350～400mm(可調)，株距270～330mm(可調)，播種深度40～60mm，作業速度0.8～1.2km/h。

1.2工作原理

雙壟交替式腳踏玉米播種機工作前，操作人員在種箱加入種子，并將播種機兩側的踩踏裝置間隔一壟左前右后放置在需要播種的壟里。如果只需要單壟播種，則將另一側的種箱和排種器拆下，使播種機一側播種，拆下種箱和排種器的一側踩踏裝置虛壓已經播種的壟或空壟，實現單壟播種。

腳踏播種機初始位置布置完成后，操作人員左腳踩踏播種機的左端，播種機踏板在人體重力作用下向下運動，推動種箱及與種箱連接的排種器向下運動，實現排種器播種。同時，在踏板下側的杠桿水平運動限位槽與杠桿斜向運動限位板上的限位槽共同作用下，兩根擺動前推杠桿的一側沿限位槽運動，另一側帶動右側踩踏裝置先向上后向前運動到排種器排種位置；右腳踩踏已運動到播種位置的踩踏裝置踏板時，左腳抬起，右側播種機實現排種，同時利用杠桿將左側播種機先向上再向前推進；操作人員采用類似行走姿勢左右踩踏播種機，使播種機前后往復運動，實現播種機在兩條平行壟上的連續播種。

2擺動前推杠桿長度設計

雙壟交替式腳踏玉米播種機實現交替前向運動的核心機構是擺動前推機構，該機構由擺動前推杠桿、杠桿連接支塊、杠桿水平運動限位槽和杠桿斜向運動限位槽組成。其中，杠桿連接支塊(見圖2)由滑塊支架、柔性密封裝置和旋轉滑塊組成。

滑塊支架固定在播種機踩踏裝置的支撐底座上，杠桿連接機構的活動物體有兩個，分別是杠桿和旋轉滑塊。杠桿和旋轉滑塊之間的連接是一個滑動副，旋轉滑塊和旋轉支架之間的連接是一個轉動副。滑動副和轉動副都是低副，分別限制物體的兩個自由度。根據自由度的計算公式可知：杠桿連接支架機構含有兩個自由度[8]，即杠桿即可以沿旋轉滑塊中心旋轉也可以沿旋轉滑塊滑動。

2.1播種位置前推杠桿兩側端點坐標的確定

擺動前推杠桿的運動具有兩個自由度，空間運動軌跡復雜，因而采用建立空間坐標的方法確定杠桿長度。將前推杠桿運動時，相對地面位置靜止的一側旋轉滑塊中心作為笛卡爾坐標系的原點。根據雙壟交替式腳踏玉米播種機運動軌跡的對稱性，擺動前推杠桿長度由播種機的一側播種，另一側處于播種位置上方時，杠桿兩側的端點位置確定。

播種機工作時壟距為d,株距為l，如圖3所示。

圖3　播種機工作時壟距與株距示意圖

腳踏玉米播種機兩側排種器間隔一壟放置，相距為2d。兩個滑塊支架位于兩個壟峰之間，距離為d。1個株距由播種機兩步運動完成，每步前進距離為l/2。在播種機運轉過程中，播種一側相對靜止，以相對靜止側旋轉滑塊中心為坐標原點，垂直地面方向向上為z軸正方向，沿壟的播種方向為y軸正方向，壟的垂直方向右為x軸正方向，建立空間直角坐標系。當一側播種機播種時，播種側擺動前推杠桿端點坐標為(x1,y1,z1)，前推杠桿另一側將踩踏裝置推到踩踏位的端點坐標為(x2,y2,z2)，如圖4所示。

圖4　擺動前推杠桿坐標系圖

根據設計尺寸，左側播種時，靜止側杠桿斜向運動限位板與靜止側旋轉滑塊中心的橫向距離為80mm,限位板上的限位槽縱向垂直移動距離為60mm,此時靜止側杠桿端點的X軸和Z軸坐標為

(1)

踩踏位杠桿端點x軸坐標為

x2=d+80

(2)

由擺動前推杠桿所在的空間直線坐標方程可知

(3)

由式(1)、式(2)、式(3)可得

(4)

(5)

由式(1)、式(2)、式(5)可知

(6)

2.2擺動前推杠桿長度的確定

根據空間直線兩點間距離公式可知杠桿長度為

(7)

式中l—播種機播種玉米的株距(mm)；

d—播種機播種玉米的壟寬(mm)。

研究表明：增加種植密度是當前生產上大力推廣的玉米增產途徑[9-10]，但玉米根部的空間分布狀態，以及出冠層和根系分布所帶來的群體內部農田小氣候狀態的改變，均可以對玉米的產量造成影響[11]，因此超過最佳密度，產量會隨著密度的增加而降低[12]。考慮到雙壟交替式腳踏玉米播種機的使用范圍是一些小面積、不平整、機械難以大規模實施播種的地塊，這種地塊空氣流通及植物的光合作用皆優于大面積種植[13-14]，所以壟距和株距比大面積土地種植時壟距和株距要小一些。農民在常年的耕種中總結出了適合山地耕種的壟距和株距：壟距約350～400mm，株距約280～330mm。考慮到腳踏式播種機的經濟性和實用性，選取3組常用的壟距和株距，根據公式(7)計算擺動前推杠桿的長度，如表1所示。

表1　常用的壟距和株距對應前推杠桿長度

3杠桿運動限位槽中心線設計

不同長度的擺動前推杠桿對應不同的前向運動限位凹槽，前推杠桿的前向運動軌跡主要由踏板上的水平限位槽和杠桿斜向運動限位板上的限位槽共同作用實現。踩踏機構斜向運動限位板上的限位槽，縱向投影尺寸為60mm, 限位板與旋轉滑塊中心的橫向距離為80mm,限位槽中心線是連續的平滑過度曲線。

擺動前推杠桿的兩端點運動軌跡具有相關性，前推杠桿擺動側運動軌跡要完成踩踏機構的前推運動和播種器的垂直運動。播種機采用微型版直插式播種裝置，其結構如圖5所示。

播種裝置因支撐底座形狀與操作者體重的原因，插入種植土壤的深度為40～60mm。為使耕種過程中不產生拖帶泥土，播種裝置需要垂直移動向上運動60mm,將種植裝置全部抬離后再進行其他方向運動。當踩踏側開始踩踏時，x1為80mm,在擺動杠桿翹起開始階段杠桿軸向運動很小，擺動前推杠桿沿軸向的運動忽略不計。根據杠桿原理可知

(8)

其中，h1為運動限位槽第一段垂直距離。

根據公式(6)、(8)可知，對應的y1和h1取值如表2所示。

表2　不同壟距、株距下對應y1和h1值

播種裝置抬離地面后，其他位置不再限制播種機的運動，因此采用最短行程原則。同時，考慮軌跡過渡的平穩性以減少摩擦，采用平滑圓弧過渡。限位槽和杠桿之間是金屬連接，形狀類似于梯形螺紋，考慮到當量摩擦因數[15]，為使限位槽與杠桿不發生自鎖現象，選擇傾斜角為45°。綜合考慮經濟性、可靠性和操作的簡易性，選取最大的垂直距離h1和最大的y1作為限位槽中軸線依據，即h1=11.2mm、y1=33mm。

擺動前推機構采用雙杠桿平行前推，在杠桿斜向運動限位板上有兩條相隔200mm、互相平行的限位槽中軸線，以一側曲線為例建立限位槽中軸線曲線方程。將斜向運動限位槽中軸線的最低點作為原點，以垂直地面方向向上為z軸正方向、沿壟的播種方向為y軸正方向，建立直角坐標系。限位槽中軸線形狀與尺寸如圖6所示。

圖6　斜向運動限位槽中軸線圖

中軸線的曲線方程為

由于踏板機構的設計與布局限制，踏板上的水平限位槽設計成踏板邊緣的平行凹槽。由于雙杠桿前推，杠桿平行運動杠桿間的距離為200mm,因此水平限位槽間隔長度為

q=200-y1

經計算，水平限位槽的間隔長度為167mm。水平限位槽中軸線的形狀與尺寸如圖7所示。

1.踏板　2.防滑凹槽　3.種箱開口

水平運動限位槽和斜向運動限位槽確定了杠桿一端的運動軌跡，腳踏式玉米播種機通過擺動杠桿3種不同長度的調整來獲得不同的壟距與株距。

4田間機構行走試驗

4.1試驗條件和試驗方法

田間試驗于2014年3月在內蒙古自治區赤峰市寧城縣一肯中鄉實驗地進行。試驗地為狹長地塊，長427m，地勢相對平坦。先使用農機將耕地犁出試驗所需要的350、380、400mm壟寬各3條427m的長壟；將播種機的播種器卸下，換裝為此專門設計的草木灰盒，在播種器每一次播種的位置會留下草木灰痕跡摻雜進土里，便于統計播種株數；分別在不同的隔壟進行播種機的播種，測量隔壟栽培的壟距及每條壟種植的株數，計算出平均株距與理論值進行對比。

4.2試驗結果及分析

垂直壟向的壟距測量結果與設計一致，未見明顯誤差。主要原因是：播種機左右播種互相抵消部分誤差；同時播種機的支撐裝置與壟的形狀相似，在重力的沖擊下，支撐底座下落過程中接觸壟坡，并沿壟坡滑落到壟谷實現播種。試驗測得的427m壟長播種的玉米株數和計算的平均株距如表3所示。

從試驗數據來看：理論壟株距為350mm×270mm、380mm×300mm和400mm×330mm時，采用667、708、737mm的擺動杠桿，其株距誤差分別為7.44%、5.13%和1.91%；壟株距為350mm×270mm和380mm×300mm時，誤差較大。主要原因是：在選定限位槽時，考慮到經濟性和簡易性，并沒有按照每一個設計的y1取值，而是按照330mm取近似值，造成實際株距較例理論株距偏大。當壟株距為400mm×330mm時，按理論的y1取值，株距精度達到98.09%。這說明，采用相對靜止點建立坐標系，通過杠桿兩側相對坐標確定杠桿長度的理論分析和計算后確定的相關結構參數是合理的，采用近似方法設計的限位槽尺寸能夠滿足玉米種植的農藝要求。

表3　試驗播種的株數、株距和誤差

5結論

1)通過以相對靜止點建立坐標系，求解杠桿兩側端點坐標，進而確定前推杠桿的長度，即在壟株距350mm×270mm、380mm×300mm和400mm×330mm 時，杠桿長度分別為667、708、737mm，能夠滿足播種機前移運動的定位要求。

2)研制的雙壟交替式腳踏播種機擺動前推機構能夠很好地完成播種機的前推工作。田間試驗表明：當壟株距350mm×270mm、380mm×300mm和400mm×330mm時，壟寬的株距誤差分別為7.44%、5.13%和1.91%，壟距誤差可以忽略不計，能夠滿足玉米種植的農藝要求。

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Design and Experiment on Swing Pushing Device of Stampede-style Maize Seeder

Zhang Yaxin, Cao Wancang, Zhang Lihua, Yang Zhen

(College of Architecture and Mechanical Engineering,Chifeng University, Chifeng 024000,China)

Abstract：To solve the problems of the North Ridge sowing maize area exists in some not suitable for mechanized sowing machine work of the special region, a stampede-style maize seeder was designed.The critical part of the seeder is the Swing pushing device, which affects the operation performance of the whole machine.The key structure parameters were conformed through analyzing its moving characters.The result of field tests showed that in row spacing and plant spacing was respectively 350mm×270mm、380mm×300mm and 400mm×330mm, and plant spacing error were 7.44%,5.13% and 1.91%,Row distance error were negligible.The design on Swing pushing device of stampede-style maize seeder satisfied the agronomic requirements.The new design and the theoretical analysis method in this research can provide a reference for design and application of seeder.

Key words：corn; seeder; swing pushing; mechanism; stampede-style

文章編號：1003-188X(2016)02-0100-06

中圖分類號：S223.2；S220.3

文獻標識碼：A

作者簡介：張亞新(1981-)，男，內蒙古赤峰人，講師，碩士， (E-mail)zhangyaxin198106@163.com。

基金項目：內蒙古自治區高等學校科學技術研究項目(NJZY242)

收稿日期：2015-01-29