2BFG-4型油菜精密直播機設計

彭峰生， 甘文輝， 梁永永

(1.陜西理工大學機械工程學院，陜西漢中 723000； 2.陜西省漢中市農業機械研究所，陜西漢中 723000；3.陜西理工大學現代農業裝備與技術研究所，陜西漢中 723000)

我國不少山地丘陵地區油菜的播種方式仍以傳統作業方式為主，傳統的手工油菜種植方式主要依靠人工播種或人工移栽完成，勞動強度大、生產效率低、勞動時間長，與我國發展現代化農業的提倡不適應。傳統的油菜種植方式為單家獨戶種植，人工種植油菜需要較多的勞動力，給油菜種植帶來了很大的困難。國內已研制出的油菜播種機多數都是大中型的，要求土地地塊面積大，大中型油菜直播機在山地丘陵地區油菜機械化種植時難以推廣應用。小型油菜精密直播機的研究設計正是為了解決這一具有現實意義的問題。

1 油菜播種裝備與技術在國內外的發展

我國油菜精量聯合直播機的研制起步時間滯后于其他先進國家，但近年來發展迅速[1-3]。由湖南農業大學研制的2BYF-6型免耕油菜直播機可以有效提高工作效率，減少勞動力，機械播種還有利于種苗后期的生長，實現增產增收[4]。由華中農業大學研制的2BYM-6/8型油麥兼用聯合直播機[3]，其中油菜小麥兼用型精量播種和油菜短程精密排種2項技術達到國際領先水平。2BFQ-6型油菜精量聯合直播機的核心技術是正、負氣壓組合式油菜精量排種器技術[5]。精密油菜播種機可實現油菜栽培中的多道作業，解決了大部分油菜栽培中常遇到的問題，適合直播油菜。正、負氣壓式精量排種器傷種率低，種子也不需要精選分級，但是它需要鼓風機吹風，需要消耗拖拉機一部分的功率。

國外一些發達國家油菜機械化種植基本普及，它們以先進的機械技術為基礎，而且在不斷變化油菜品種，培育出新品種油菜以適應機械化種植。日本提出電力播種、英國提出超音速播種，都是國外研發的新的播種技術原理。美國聯合播種機類型眾多，澳大利亞研制了KMC免耕播種機[6]。但國外大型聯合免耕播種機的機具很大，組織結構復雜，技術難度高，價格昂貴，不太適合我國的具體情況。

2 總體方案

經過分析比較，從滿足農藝要求、經濟性、制造難易程度等方面出發，最終確定總體方案為排種器采用一器多行的離心式排種器，排肥器采用絞龍式排肥器，旋耕機構采用中間傳動方式，輸種(肥)管采用橡膠材質，開溝器采用雙圓盤式，鎮壓輪采用金屬圓柱式。旋耕機的動力由拖拉機動力輸出軸提供，排肥、排種器的動力直接由仿形機構的地輪通過鏈輪提供。旋耕機的兩端各有1個開溝器，開出水溝。總體結構如圖1所示。

方案的特點與主要技術性能參數：(1)排種器采用一器多行離心式，可以減少橫向尺寸；其結構簡單，易于制造，排種器型孔采用卡篩，可以實現均勻排種；(2)排肥器采用絞龍式，可以避免片狀或粉狀肥料在排肥過程中出現“搭蓬”現象，并保證各行定量、均勻排肥；(3)采用仿形地輪傳動機構，保證開出的排種溝深度一致、不受地形和拖拉機速度影響，保證排種、排肥更加均勻；(4)采用中間齒輪式傳動，使排種器結構較為簡單緊湊，成本相對較低，利于推廣。主要技術性能參數如表1所示。

表1 小型油菜精密直播機主要性能參數

3 傳動路線與動力分配

3.1 旋耕機工作參數選擇與計算

3.1.1 旋耕深度H綜合各種農藝技術參數要求[7]，油菜的旋耕深度H應大于85 mm，最后確定耕作深度為H=14 cm。

3.1.2 旋耕幅寬B參照文獻[8]選用合適參數，得

(1)

式中：Kr為單位工作面積所需牽引力，取Kr=1.2 kg/cm2(土質為濕黏土)；η為傳動效率，η=0.85；Np為初選拖拉機功率，Np=18.00 kW；H為旋耕深度，H=14.00 cm；vm為機組行進速度，vm=0.89 m/s。所以B取 1 000 mm，采用對稱式布置較合適。

3.1.3 旋耕功率Px由參考文獻[8]得

Px=ηBKrHvm=0.85×1.00×1.20×14.00×0.89=12.71 kW。

(2)

3.1.4 總牽引功率PyPy=P1+P2+P3。

(3)

式中：P1為旋耕器牽引功率；P2為施肥開溝器牽引功率；P3為仿形地輪牽引功率。

雙圓盤式開溝器平均阻力[9]為980～1 370 N。若取旋耕牽引阻力F1=1 300 N，單個施肥開溝器牽引阻力F2=1 150 N，則

(4)

(5)

仿形地輪牽引阻力Ff=f×Q，f為土壤阻力系數，取f=1.30，Q為仿形地輪自身質量，初取Q=30.00 kg，則Ff=f×Q×G=1.30×30.00×9.80=382.20 N。

P3=2FfVm=2.00×383.00×0.89=680W=0.68 kW。

(6)

所以，由式(3)知

Py=P1+P2+P3=1.16+4.10+0.68=5.94 kW。

(7)

設總的功率需求為Pz，則

Pz=Px+Py=12.71+5.94=18.65 kW。

(8)

根據初步計算結果，綜合考慮耕作幅寬，各種技術參數及拖拉機性價比等，選擇洛陽一拖18.4 kW東方紅250 P單缸輪式拖拉機為動力源。

3.2 傳動路線的設計

旋耕部分傳動簡圖見圖2。各軸轉速及傳動比的計算：

(1)動力輸入軸轉速為所選擇的拖拉機動力輸出軸轉速n0，為540 r/min。

(2)旋耕刀軸轉速參照文獻[9]選取。采用中間齒輪傳動時，刀軸的轉速n4為200 r/min。

(3)總傳動比iz為

(9)

(5)各軸轉速。Ⅰ軸n1=n0=540 r/min；Ⅱ軸n2= 540 r/min；Ⅲ軸n3=n0/i2=200 r/min；Ⅳ軸n4=200 r/min。

3.3 排種器驅動方式的選擇

設計目標要適應小區域播種，而且要消除由于播種機移動過程中不均勻現象造成的速度變化。通過齒輪和鏈輪傳動機構連接的驅動方法，傳動關系如圖3所示。鏈輪A和鏈輪B傳動機構可以直接反映排肥軸的速度；B齒輪輪軸帶動排肥器轉動。播種速度也反映了機組前進速度，根據需要播種速度可以按比例調整，以保證播肥、播種均勻度。由于拖拉機行駛速度是一定的，因此，地輪的速度也是唯一的。為了滿足不同的播種要求，使排肥軸和排種軸的旋轉速度發生變化，在地輪與排種軸之間加入可變控制機構，當齒輪處于不同的嚙合位置時，它們之間的速比會得到相應的變化，通過此種方法來改變排種器的轉速，可以控制精密播種。

3.3.1 排肥、排種系統傳動路線 排肥、排種器的動力由仿形機構[10]的地輪提供，靠3個鏈輪傳動。地輪(直徑D=0.25 m)的轉速和機組速度一致。傳動路線簡圖如圖4所示。鏈輪1、鏈輪2、鏈輪3的齒數分別為16、13、18個。

3.3.2 排肥、排種軸轉速及傳動比計算 由傳動路線圖4可知，排肥器傳動比if為

(10)

排種器傳動比is為

(11)

根據農業機械一般的要求，排肥器轉速nf不大于 100 r/min，排種器轉速ns不大于80 r/min[11]。

由機組行進速度v=53.30 m/min，地輪直經D=0.25 m可知，地輪轉速nd為

(12)

則排肥、排種器轉速nf，ns分別為

nf=nd×if=68.03×1.23=83.68 r/min；

(13)

ns=nf×is=83.68×0.72=60.25 r/min。

(14)

經過多次試驗，消除了傷種、排種不均勻等不良問題。經過反復測試、計算，確保排肥器、排種器的轉速符合要求。

4 重要部件的設計

4.1 精密排種器

排種器的主要要求：(1)一臺播種機的排種量應該保持一致，要求排種器可以在較高的轉速下也可以轉動，抗震性能要求也比較高；(2)不易損傷種子；(3)播種量調節范圍要大；(4)排種器型孔工作可靠，不易堵塞，容易制造。

從農藝要求、技術難易程度、經濟性、結構等方面綜合考慮，選用一器多行的離心式油菜排種器，本設計為4行。

常見精密排種器的類型與特點比較見表2。

表2 部分精密排種器的性能[11-14]

一器多行離心式油菜排種器的特點[14]有：(1)結構簡單，使用可靠，主要由內外錐筒、驅動軸和卡篩組成，不需要清種裝置，大大提高了排種器的可靠性；(2)一個排種器能實現播種多行，橫向結構比較緊湊。由于卡篩的存在，可以實現精密播種，也可實現雙粒播種；(3)離心式排種器內錐筒直徑大小一般為350 mm，錐角度為45°或60°，本設計采用的錐角度為45°。

4.2 排肥器

播種機上的排肥器，主要用于排施粒狀和片狀復合肥、結晶狀化肥和農民自制顆粒肥料等。化肥的主要技術特性見表3。

表3 幾種化肥的特性參數[15]

排肥器的要求：(1)要有良好的排肥能力，施肥量應在 6.0～37.5 g/m2范圍內并且可調，不架空、不堵塞、不斷播和混疊；(2)通用性好，能排施多種肥料；(3)排肥中阻力小，排肥量可調節，工作穩定，便于清理多余的肥料。常見排肥器的種類、特點見表4。

表4 常見排肥器的種類、特點[16]

從農藝要求、技術難易程度、經濟性、結構等方面綜合考慮，選用絞龍式排肥器，施肥行數為4行。絞龍式排肥器結構簡單，工作原理通俗易懂，加工起來也比較方便，最主要的部件就是絞龍軸和絞龍齒輪。

絞龍式排肥器的特點：(1)結構簡單，主要由絞龍齒輪、絞龍和驅動軸組成，使用非常方便；(2)通過絞龍的轉動，使肥料流向排肥口，可以消除“搭蓬”現象，排肥比較均勻。絞龍結構簡圖[17]如圖5所示。

絞龍式排肥器工作原理：工作時，傳動軸帶動齒輪轉動，通過絞龍齒輪帶動絞龍旋轉，使肥料流向排肥口，實現排肥過程。當拉動調節板改變排肥口的間隙，可以定量排肥。這樣既可以消除“搭蓬”現象，又可以實現肥料順暢流動。

4.3 旋耕機的設計

旋耕機常用的傳動方式有中間傳動和側邊傳動2種形式。旋耕機構動力來源是拖拉機輸出軸，轉速為540 r/min。采用3點懸掛式，一類懸掛系統。旋耕機主要部件是由傳動系統、旋耕刀軸、旋耕刀片、中間齒輪等組成[8-9]。比較分析之后確定本設計傳動系統采用中間齒輪傳動式，動力由拖拉機經動力輸出軸傳遞給萬向節，再由萬向節傳給中間齒輪箱，再經中間齒輪箱傳遞給旋耕軸，帶動刀片旋轉，刀軸采用無縫鋼軸，滿足彎曲扭轉強度的技術要求。旋耕機刀片采用L型彎刀。油菜播種要求壟帶之間開溝，同時中間傳動式由于箱體作用有漏耕帶，故需要開溝器進行作業，既可消除漏耕帶又可分壟。

4.4 其他輔助裝置的設計

開溝器在旋耕的土地上開出整齊、深淺一致的種肥溝，開出的溝要能引導種子和肥料進入溝底，并且還要保證覆土器可以完成覆土工作。

輸種管的主要作用是將排種器排出的種子導入種溝內。如果輸種管性能不好，對排種的一致性、均勻性都有很大影響。本設計采用橡膠材質直徑為20 mm的波形排種管，長度為1 350 mm，并合理布置。

覆土器工作時不能改變種子分布間距的均勻性，要先蓋上濕土，干土要在表面，覆土要保證薄厚一致。國內播種機上常用的覆土器有刮板式和鏟式2種。鏟式覆土器覆土能力較強，角度可以調節，常和雙圓盤式開溝器配合使用。

一個良好的鎮壓輪必須轉動靈活，不易沾土，鎮壓輪可以適當調整角度來改變鎮壓的方向，鎮壓后地表不能產生裂紋。常用鎮壓輪的類型有圓柱形鎮壓輪、凹面鎮壓輪和圓錐鎮壓輪3種[17]。經過比較，采用金屬圓柱形鎮壓輪。

種子箱、肥料箱要求容量一定要足夠。箱底板的傾斜角應大于種子、肥料的自然休止角，以保證種子或肥料順利流入排種器或排肥器內。種子、肥料箱應堅固耐用、質量輕和耐腐蝕，箱內外應涂以有一定強度的耐腐油漆，加種、加肥方便，容易清理和殘留余料少。

5 設計工作總結

從傳統的油菜播種機工作過程及設計方法出發，結合新的動力傳動方式，針對丘陵地區土地及農況特點，設計出一種小型油菜精密播種機，著重對精密排種器、排肥器、開溝器和傳動路線進行設計計算。該設計以一器4行離心式油菜排種技術為核心，可實現油菜的精量播種，能夠一次性完成油菜精密播種中的多道工序。

該機主要有以下特點：(1)工作幅寬適中，地域性適應強，可以適用丘陵地區；(2)該機型是聯合型機械，能夠實現小塊田地油菜種植多道工序集一機完成，大大減少了勞動力；(3)采用一器4行離心式油菜排種器，可以減少種子的破損率，提高種子出芽率；(4)旋耕機采用三點懸掛與拖拉機連接，既可與播種機聯合作業，也可與后部分的播種機分開，成為獨立的旋耕機。

樣機試驗中出現的機械部分可靠性問題，有待于進一步提高。