2BQ-27型三七精密播種機仿形開溝器的改進設計

楊文彩，杜一帆，宋志鵬，仲廣遠，朱景林，李超群

(1.云南農業大學 機電工程學院，昆明 650201，2.楚雄州農業機械推廣站，云南 楚雄 675000)

0 引言

三七是馳名中外的名貴藥材，近年來市場的需求量逐年增大[1]。云南三七的栽培歷經野生馴化種植、傳統三七種植、優質無公害三七種植、三七GAP種植到如今的有機三七種植發展階段[2]。隨著農業規模化經營、專業化生產、機械化和自動化程度的不斷提高，工廠化育苗已成為先進農業技術之一[3]。三七由于其播種的季節性強，必須在較短的時間內，根據農藝要求將種子播種到育苗基質中，播種質量直接影響到種子的出苗率、出苗質量，以及三七的質量和產量[4]。

課題組前期開發的2BQ-27型三七精密播種機在昆明尋甸大河橋生產基地已完成了5.3hm2余的播種實驗，整體播種效果良好，但仍然存在以下問題：①仿形開溝器作業過程中靈活性不夠，在基質高度變化時，仿形開溝裝置不能很好地隨基質高低的變化迅速上下移動。②育苗槽內基質表面存在前后左右高低不平時，仿形裝置只能實現基質較高處的仿形，基質較低處則不能實現仿形功能。③育苗槽內基質濕度對仿形開溝輪的開溝效果有較大影響，育苗槽內基質濕度太大時，基質容易粘結在開溝輪上，增加播種機的前進阻力；基質濕度太小時，開出的種溝兩側的基質回落，降低了開溝的深度。

針對上述問題，做出以下改進：①將仿形開溝器與機架的連接方式由滑動式連接改進為鉸鏈式連接，以提高其仿形靈活性；②將仿形開溝器整體式安裝結構改進為分段，以提高仿形開溝裝置對基質高度變化的適應性；③設計計算開溝輪的物理參數，并在仿形開溝裝置的結構上增加彈性裝置，以提高仿形開溝器對于育苗槽基質濕度變化的適應性。

1 開溝輪的設計

結合《農業機械學》的相關知識，三七精密播種機前進過程中，開溝輪承受垂直載荷并產生摩擦力從而滾動；當開溝輪在土壤表面勻速運轉時，開溝輪將在垂直載荷作用下，在松軟土壤中下陷，開溝輪運轉時將在土壤表面留下輪轍。此時，輪子與土壤的接觸點，不僅有土壤對輪子的支撐反力法向合力N、切向的摩擦力的合力T，還有輪軸中的內摩擦力Mm、土壤工作部件所受阻力通過機架傳到地輪上的力矩Mk，如圖 1所示。

當開溝輪處于平衡狀態時，有

∑Fx=0，P-Rx=0

(1)

∑Fy=0，Q-Ry=0

(2)

∑MA=0，Prd-Qd-Mm-Mk=0

(3)

根據受力分析，得出從動輪的幾種不同運動狀態：

1)輪子處于純滾動狀態，有

Rx>P;Prd>Qd+Mm+Mk

2)輪子既滾動又滑動狀態，有

P>Rx;Prd>Qd+Mm+Mk

3)輪子處于純滑動狀態，有

Rx>P;Prd

其中，P為牽引力(N)；Q為輪軸所受垂直載荷(N)；Rx為摩擦力(N)；Ry為垂直反力( N)；d為A點與輪心之間的水平距離(m)；rd為A點與輪心之間的垂直距離(m)；Mm為輪軸與軸承間摩擦力矩(N·m)；Mk為土壤給部件在輪上的阻力矩(N·m)。

圖1 壓輪式開溝裝置受力分析圖

開溝輪做純滾動轉動時是播種的最佳狀態，如果開溝輪同時存在滾動和滑動，滑移率較大勢必造成播種質量低下，因此開溝輪應盡量減少在開溝過程中產生滑動現象。

為減少開溝輪在基質中開溝時的滑動現象，選擇V緣環形開溝輪。該開溝輪工作時，在地面土壤上的運動情況是：以開溝輪外緣為頂點，以近似 45°角向兩側上方延伸的形狀，大塊基質也會被鎮壓下去，防止大塊基質夾雜在開溝器之間，可以使開溝器順利通行。其結構形式如圖2所示。

圖2 開溝輪結構示意圖

1.1 開溝輪的直徑

開溝鎮壓輪直徑的大小直接影響開溝效果及開溝輪的滑移率，開溝輪的直徑越小，土壤壓實效果越不理想，還會增大作業過程中的滑移率，出現拖土壅土現象[5]；相反，開溝輪的直徑越大，開溝輪越容易轉動，并能減小作業過程中的滑移率，但是開溝輪的直徑過大又會增加仿形裝置的尺寸，影響播種機整體的結構及整機質量。因此，選擇合適的開溝輪直徑是其它結構參數確定的前提條件。

開溝輪直徑的確定應滿足[6]

(4)

式中R輪—開溝輪的半徑(m)；

f—土壤對開溝輪的摩擦因數；

F—開溝輪的重力及其附加載荷(N)；

Wr—軸套中的摩擦力矩(N·m)。

根據農藝要求，育苗槽內基質表面距槽肩的標準距離為10cm， 2BQ-27型三七精密播種機落種口距基質表面距離為280mm，結合播種機的整機尺寸及安裝位置約束，開溝鎮壓輪的直徑選擇為150mm，符合上述約束條件。

1.2 開溝輪的寬度

開溝輪的任務除開溝之外，還對土壤有一定的壓實作用。若開溝輪的寬度小于導種管直徑，播種時種子易落在種溝外，影響播種質量；若大于導種管直徑，則兩相鄰開溝輪之間間隙減小，影響播種過程中土壤的流動性，增加作業阻力。因此，開溝鎮壓輪的寬度，可根據開溝寬度、開溝后土壤分布情況確定。為了配合三七精量播種，課題組連續3年對包衣三七種子的長度、寬度、厚度三軸尺寸進行了測量，種子尺寸的集中分布如圖3所示[7]。

圖3 軸向尺寸范圍統計分布

由圖3中可以看出：三七種子的尺寸基本在4.0～8.0mm之間。為使三七種子在導種管內能夠無阻力落種，結合三七精密播種對行株距的要求及包衣三七種子的三軸尺寸，導種管直徑確定為20mm。開溝輪開出的種溝應滿足導種管內落種均能落在種溝內，故開溝輪厚度至少為20mm。

三七播種的行株距農藝要求為5cm×5cm，兩開溝輪之間留30mm的空隙，以保證土壤的流通性，如圖4所示。其中，i為兩開溝輪之間的中心距、d為開溝輪厚度、l為兩開溝輪之間的間隙。根據圖4可得到如下幾何關系，即

d=i-l

(5)

將已知數據帶入式(5)得：d=i-l=20，開溝輪寬度為20mm。

圖4 開溝輪厚度計算示意圖

1.3 開溝輪的連接方式

2BQ-27型三七精密播種機的開溝裝置為一體式連接，且開溝器與機架為滑動式連接。生產實踐證明：滑動式連接易導致仿形運動中阻力過大；一體式連接會使仿形開溝輪對基質表面前后左右高度不一致時適應性變差。為此，將開溝輪與機架的連接方式改為鉸接，增加其仿形過程中的靈活性；將一體式連接改為分段式連接，以提高仿形裝置對基質表面高低不平的適應性。

設計后的仿形開溝器結構如圖5 所示。工作時，通過調節螺母來控制彈簧的預拉力，從而調節開溝器作用于基質的單位壓力q，使開溝器處于最佳開溝狀態。仿形開溝輪鉸接在與機架固定的連接軸上，前進時在重力和彈簧力的綜合作用下能夠靈活地完成仿形工作。育苗槽寬度為1.44m，三七精密播種要求行株距均為5cm，結合落種位置不能距育苗槽壁過近，故仿形裝置上總開溝輪個數為28個。每一組仿形裝置上開溝輪數目增加時，工作阻力會隨之增加，不利于彈簧的調節且影響整機工作的精度；開溝輪數目減少時，又使仿形裝置結構復雜，調節更為繁瑣，故選取每一組仿形裝置仿形開溝輪的數目為4個V緣環形開溝輪。

1.預緊力調節螺母 2.彈簧 3.壓輪開溝輪 圖5 V緣環形壓輪式開溝器示意圖

2 彈性裝置的設計

2.1 仿形彈簧的剛度系數確定

安裝拉力彈簧有利于開溝深度穩定，通過合理選擇彈簧的剛度系數和預拉力，在保證開溝深度穩定的同時，還可以降低播種整機質量[8]。三七育苗的行距和株距均需控制在5cm左右，播種深度需控制在1.0～1.5cm左右，屬于超精密播種[9]。經過深入調研，在生產實際中，槽內基質表面距槽肩的高度基本處于7～13cm之間，且結合農藝要求，考慮到開溝后會出現基質回落現象，確定播種機開出的種溝深度范圍為1.5～2.0cm，仿形裝置可適應的最大基質高度差為6cm，設計示意如圖6所示。

圖6 彈簧設計示意圖

根據彈簧設計示意圖，經簡化后得到彈簧設計計算圖，如圖7所示。考慮三七播種機整機布局的情況，選擇開溝輪連接臂長度為30cm，開溝輪在育苗槽內基質較低的區間段工作時與基質角度為30°，即∠DAC=30°。其中，AD和CE分別對應開溝器所在三七基質高度變化后，開溝輪連接臂的位置變化關系。

根據圖7的幾何關系，可得

(6)

又α+β+∠ABC=180°，根據AC=5.5mm，AD=CE=30cm，解得DE=77.8mm，即可求出基質最高時壓輪連接臂與水平方向夾角為5.3°。

圖7 彈簧設計計算圖

將改進后的壓輪仿形開溝器制造并進行田間試驗。課題組在播種時節連續兩年對育苗槽內基質濕度進行了測量，其濕度范圍在15%～30%之間。由于基質濕度越大對播種效果影響越大，故選擇基質濕度30%、開溝深度從1.5cm增加到2cm時，測量彈簧在拉伸方向所需增加的外壓力。通過3次試驗，得到仿形開溝器平均彈簧所在方向載荷為12N時，仿形裝置的運動形式與前述一致。則在忽略彈簧彈力方向改變的情況下求得彈簧拉力F為

F=12/sin30°=24N

(7)

由胡克定律

F=-kx

(8)

式中F—彈簧拉力(N)；

k—剛度系數(N/mm)；

x—彈簧伸長量(mm)。

得當F=24N時，將彈簧伸長量DE=77.8mm帶入，得k=0.31N/mm。

2.2 彈簧最低可伸長量確定

彈簧的最低伸長量l應大于等于彈簧預拉力伸長量l1和基質升高時彈簧自調節伸長量l2之和，即

L=L1+L2

(9)

其中，L1是開溝器在育苗槽內基質較低的區間段即圖6中a1-a2段運行時開溝深度為1.5cm時的彈簧預調節量，因此育苗基質濕度為15%時L1最大。通過試驗知：在育苗基質濕度為15%時，需要在彈簧拉伸方向增加壓力為8N，此時由式(8)可求得x為25.8mm。

當壓輪開溝器在育苗基質最高區間工作時L2最大，為前面求得的77.8mm。因此，彈簧最低可伸長量L=103.6mm。

查閱國家標準：GB2088-80普通圓柱螺旋拉伸彈簧(圓鉤環壓中心型)尺寸，選用B3.5×25×85.3-2GB2088-80·IIa型號的拉力彈簧，即可滿足以上需求。

3 單因素試驗

三七精密播種過程中，播種機仿形開溝器彈簧預拉力、育苗基質濕度是影響播種質量的重要因素，為進一步了解這兩個因素對播種質量的影響程度，進行了單因素試驗。

播種質量一般用合格率、漏播率和重播率3個排種性能指標來衡量。參照GB6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，按以下公式計算排種性能指標[10]：

合格率為

(10)

重播率為

(11)

漏播率為

(12)

其中，N為實驗測定的種子總數；n1為合格播種數；n2為重合播種數；n3為漏種數。

3.1 彈簧預拉力對播種質量影響的單因素實驗

1)試驗設計。本試驗中，播種機速度固定為10m/min，育苗基質濕度固定為25%，在彈簧預拉力為0和使開溝深度到達1.5cm的預拉力之間選擇6組數據值，設計方案如表1所示。

表1 彈簧預拉力單因素試驗設計方案

彈簧預拉力為5.04N時，開溝深度達到1.5cm。

試驗過程中，播種機每次行走距離為3m，重復3次，測量并記錄每兩粒種子間的距離。

2)試驗結果與分析.對試驗數據進行統計，計算出合格率、重播率和漏播率，統計結果如表2所示。

表2 彈簧預拉力對排種性能的影響

其影響曲線如圖8所示。由圖8可以得出：隨著彈簧預拉力的增加，播種合格率逐步上升，同時播種過程中的重播率和漏播率逐漸下降；在彈簧預拉力達到5.04N時，播種機的播種質量最好。

圖8 彈簧預拉力對排種性能的影響曲線

3.2 土壤濕度對播種質量影響的單因素實驗

1)基質濕度測定。選擇TDR100土壤水分測量儀測量基質的濕度，該儀器是基于TDR原理的土壤水分探測器，被廣泛用于田間、溫室及實驗室。測定方法：按圖9所示的位置在每個試驗基質塊(1.44m×4m)上標記6個點，以每個點為中心，半徑為0.2m的圓內任取3處進行濕度測量。

圖9 定點示意圖

2)試驗設計。本試驗中播種機速度固定為10m/min，開溝器彈簧預拉力為5.04N，開溝深度為1.5cm。育苗槽基質經過消毒后，到播種之前，其濕度主要存在15%～30%范圍之內，結合農藝要求，在試驗過程中仍有部分基質濕度達到40%，故試驗濕度范圍為15%～40%。在該范圍內設置6個試驗水平，如表3所示。試驗過程中，播種機每次行走距離為3m，重復3次，測量每兩粒種子之間的距離。

表3 基質濕度單因素試驗設計方案

2)試驗結果與分析。統計試驗結果，計算不同基質濕度下播種機播種的合格率、重播率和漏播率，計算結果如表4所示。

表4 基質濕度對排種性能的影響 %

其影響曲線如圖10所示。從圖10中可以得出：育苗基質的濕度在過低或過高時，都會降低播種質量合格率，增加重播率和漏播率；基質濕度在25%～30%時，合格率較高，重播率和漏播率較低。

圖10 基質濕度對排種性能的影響曲線

4 結論

仿形開溝器的改進設計中，將壓輪式仿形開溝器與播種機機架的連接方式確定為鉸鏈連接，提高仿形開溝器的靈活性；將仿形開溝器進行分段式設計，提高仿形開溝器對槽內基質高低不平的適應性；設計了彈性裝置彈，確定了仿形開溝裝置彈簧的剛度系數k=0.314N/mm，彈簧最低可伸長量為103.6mm，根據這兩個參數選定了彈簧標準件，提高了仿形開溝裝置對育苗基質濕度的適應性。

根據設計結果，分別進行單因素試驗，結果顯示：彈簧預拉力為5.04N。基質濕度為25%～30%時，排種器性能較好，播種合格率較高，重播率和漏播率較低。

[1] 楊文彩，杜遷，楊航，等．三七穴盤精密排種過程力學分析[J]．機械設計與研究2015,30(1)：151-154.

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[10] GB/T 6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法[S]．北京：中華人民共和國國家標準，2005．