新型甘蔗種植機(jī)的設(shè)計(jì)與樣機(jī)試驗(yàn)

陸秋懿,李 瑞,鄭再象,洪世俊,王世楠

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

我國是世界甘蔗生產(chǎn)第三大國,但甘蔗種植機(jī)械化相對低下,幾乎為0[1]。目前,國內(nèi)外不乏有對甘蔗種植機(jī)深入研究的學(xué)者,并取得了一些成果。AGPRO在美國開發(fā)了B110型自動(dòng)甘蔗種植機(jī),國內(nèi)研發(fā)了邊切邊種、預(yù)切種等甘蔗種植機(jī)械。美國M.J.Naquinic公司將遙感遙控技術(shù)運(yùn)用到甘蔗種植機(jī)上,實(shí)現(xiàn)了高度機(jī)械化和自動(dòng)化[2-6]。本文根據(jù)某企業(yè)的實(shí)際需求,共同研制出一款突破傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)且符合我國國情的地輪驅(qū)動(dòng)甘蔗種植機(jī),并制造出初代樣機(jī),進(jìn)行了試驗(yàn),為后續(xù)的改進(jìn)和優(yōu)化提供了參考。

1 新型甘蔗種植機(jī)的總體設(shè)計(jì)

1.1 農(nóng)藝要求和設(shè)計(jì)參數(shù)要求

甘蔗種植的農(nóng)藝要求有4個(gè),即種植間距、種植密度、甘蔗種子長度和種植深度。

考慮到機(jī)械化采伐的需求,將種植間距選擇在1.1～1.4m之間,種植密度為10～12芽/m。甘蔗種子長度一般為380mm,種植深度在250～300mm之間,開溝寬度采用280mm。

甘蔗種植機(jī)理論上屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械的一種,其設(shè)計(jì)參照的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 甘蔗種植機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 甘蔗種植機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 驅(qū)動(dòng)形式

從播種機(jī)的性能、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性及后期維護(hù)成本等方面綜合考慮,播種機(jī)選取地輪驅(qū)動(dòng)。

工作時(shí),由拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng),地輪與土壤之間的摩擦產(chǎn)生的扭矩驅(qū)動(dòng)地輪旋轉(zhuǎn),動(dòng)力通過鏈輪和鏈條傳遞,并分配到甘蔗切割部件、施肥部件和施水部件上[7]。地輪驅(qū)動(dòng)種植株距均勻,成本低、后期維護(hù)方便簡單,但地輪質(zhì)量很大,使機(jī)器的重心稍高,穩(wěn)定性降低。

1.2.2 蔗種制備方式

甘蔗種子制備方法包括整桿式、預(yù)切割式和實(shí)時(shí)切割式3種。綜合考慮我國甘蔗種植業(yè)國情,采用實(shí)時(shí)切割式。與其他兩種甘蔗種子制備方式相比,其優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡易,制備成本低;結(jié)構(gòu)小,田間轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)頭、操作方便等。缺點(diǎn)是:勞動(dòng)力成本高,甘蔗種子載荷量少,種植效率會(huì)有一定程度的降低。

1.2.3 與拖拉機(jī)的連接方式

目前,甘蔗種植機(jī)與拖拉機(jī)有三點(diǎn)懸掛式和牽引式兩種連接方式。牽引式只具有牽引功能,三點(diǎn)懸掛式還有提升功能。考慮到實(shí)際生產(chǎn),甘蔗種植機(jī)應(yīng)具有4個(gè)基本工功能,即開溝、薄膜覆蓋、土壤覆蓋和鎮(zhèn)壓。這就要求播種機(jī)的各個(gè)部件具備深入和提升的功能,因此甘蔗種植機(jī)使用三點(diǎn)懸掛連接。

1.3 功能模塊功能分析及設(shè)計(jì)

1.3.1 開溝部件的功能分析及設(shè)計(jì)

目前,甘蔗種植主要運(yùn)用的有兩種開溝器,即芯鏵式開溝器和鑿形開溝器。芯鏵式開溝器的開溝寬度大、入土性能好[8-9]。考慮實(shí)際生產(chǎn),選擇芯鏵式開溝器,其犁頭主梁和主梁套分別以為50mm的間距穿孔并用螺栓固定。圖1和圖2為開溝器的三維模型和二維圖。

圖1 開溝器三維模型

圖2 開溝器二維圖

1.3.2 施水施肥部件的功能分析及設(shè)計(jì)

施水部件包括水箱、噴灑器和驅(qū)動(dòng)控制裝置。一般情況下,水箱選用壁厚的塑料水桶,頂部桶蓋需留有透氣孔,底部設(shè)計(jì)與下水管及驅(qū)動(dòng)裝置相連的下排水孔。噴灑器可選用塑料低壓扇形噴頭,結(jié)構(gòu)相對簡單,更換和維修成本低。驅(qū)動(dòng)控制由帶有調(diào)節(jié)切換閥的微型低壓電動(dòng)水泵驅(qū)動(dòng)。

從經(jīng)濟(jì)、緊湊和易操作的角度來看,施肥部件選用外槽輪式肥料卸料器。肥料箱為鐵箱式,箱體底部結(jié)構(gòu)為雙錐形。

1.3.3 切種排種部件的功能分析及設(shè)計(jì)

本機(jī)型為兩行種植,滾刀軸轉(zhuǎn)1圈進(jìn)行兩次切斷,則求得r=242mm。在用橡膠輥夾持的過程中,發(fā)生30～35mm的滑動(dòng),滾刀間保留2mm的間隙,故滾刀理論的滾切半徑為140mm,兩個(gè)滾刀軸之間的中心距離為282mm,如圖3所示。

圖3 切斷示意圖

滾刀的材料特性與普通刀具的材料特性相當(dāng),選用40Cr材料,調(diào)質(zhì)處理切削刃口,使用中空圓形橡膠輥,并由半圓形弧狀固定板用螺栓進(jìn)行固定,然后將固定板安裝于滾刀軸上,如圖4所示。

圖4 夾持橡膠輥三維模型

切蔗箱箱體的刀軸安裝孔位置精度和平行度要高,箱體空間分為兩個(gè)獨(dú)立的切蔗倉和1個(gè)傳動(dòng)齒輪倉,在入口處添加漏斗形滑道以便進(jìn)給,并在箱體底部表面設(shè)計(jì)防堵塞的下滑道,如圖5所示。

圖5 切蔗箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.3.4 覆膜覆土鎮(zhèn)壓部件的功能分析及選擇

覆膜覆土鎮(zhèn)壓部件的組成部分主要包括薄膜覆蓋、土壤覆蓋和鎮(zhèn)壓3個(gè)裝置。

薄膜覆蓋裝置是蔗種落入溝中,在施水和施肥后進(jìn)行覆膜的裝置。本機(jī)薄膜覆蓋裝置結(jié)構(gòu)較為簡單,調(diào)節(jié)寬度的限位措施選用限位插銷,三維模型如圖6所示。

土壤覆蓋裝置是在鋪好薄膜后覆蓋土壤的裝置。同時(shí),土壤覆蓋裝置還能防止薄膜被吹起,使甘蔗種植機(jī)完成自動(dòng)抽膜。本機(jī)采用雙圓盤土壤覆蓋裝置,三維模型如圖7所示。

圖7 土壤覆蓋裝置三維模型

鎮(zhèn)壓裝置的作用是為了減少土壤中空隙及土壤中水分的蒸發(fā),有助于甘蔗的發(fā)育。目前,輪式鎮(zhèn)壓裝置被普遍運(yùn)用于同行業(yè)中。本機(jī)采用鋼圈輪式,三維模型如圖8所示。

1.3.5 整機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)

根據(jù)不同功能的要求,整機(jī)架由主機(jī)架、小機(jī)架、甘蔗堆疊平臺和操作平臺組成。整機(jī)機(jī)架的三維模型圖和二維圖如圖9～圖12所示。

圖8 鎮(zhèn)壓裝置三維模型

1.小機(jī)架 2.主機(jī)架 3.甘蔗堆疊平臺 4.操作平臺

圖10 整機(jī)機(jī)架主視圖

圖11 整機(jī)機(jī)架俯視圖

圖12 整機(jī)機(jī)架側(cè)視圖

主機(jī)架要連接拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛,結(jié)合對各功能部件進(jìn)行合理化布置,使重心位置最低,以對稱方式排列。

小機(jī)架結(jié)構(gòu)選用框架式,用加裝油尼龍滑板的橫托板將小機(jī)架托起,與主機(jī)架采用螺栓固定,用絲杠手搖輪來實(shí)現(xiàn)行距調(diào)節(jié)。

甘蔗堆疊平臺設(shè)計(jì)為可折疊收攏的結(jié)構(gòu),為了防止甘蔗從側(cè)面掉落,在外側(cè)加裝了護(hù)欄。

操作平臺應(yīng)有1個(gè)座位,并在座位后面和側(cè)向位置安裝護(hù)欄。本文采用框架結(jié)構(gòu),覆蓋5mm粗的鋼網(wǎng)并用角鋼加固。

1.3.6 傳動(dòng)系統(tǒng)的功能分析及設(shè)計(jì)

本機(jī)采用基于地輪驅(qū)動(dòng)的鏈輪傳動(dòng)系統(tǒng)。滿載狀態(tài)下,預(yù)計(jì)整機(jī)負(fù)荷為1 250kg,整機(jī)各功能模塊質(zhì)量約為1 270kg,傳動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量為300kg,整機(jī)質(zhì)量為2 800kg。地輪載荷為整機(jī)質(zhì)量的70%,約為1 960kg。取載荷大的狀態(tài),每個(gè)輪胎需要承受至少980kg的載荷,通過查閱中國國標(biāo)《農(nóng)業(yè)輪胎系列》,最終選用層級為8級的9.5-24型號輪胎。

甘蔗機(jī)械化種植拖拉機(jī)的實(shí)際行駛速度約為0.6m/s,滾刀的理論滾切直徑為280mm,根據(jù)選定的地輪型號,地輪的理論速度公式為

v=π×D×n

其中,D為地輪直徑;n為地輪轉(zhuǎn)速。

由此得地輪的轉(zhuǎn)速n1=0.182r/s,刀盤的轉(zhuǎn)速n2=0.683r/s。滾刀軸與地輪軸的轉(zhuǎn)速之比為3.75,采用二級增速鏈傳動(dòng)。肥料卸料器驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速為0.934r/s,肥料卸料器的驅(qū)動(dòng)軸與地輪軸的轉(zhuǎn)速之比約為5.13,采用三級增速齒輪傳動(dòng)。表2為每個(gè)鏈輪相關(guān)參數(shù),傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖13所示。

表2 傳動(dòng)系統(tǒng)鏈輪參數(shù)

續(xù)表2

1.地輪 2.切蔗箱 3.肥料卸料器

1.3.7 整機(jī)的三維模型建立

使用三維繪圖軟件SolidWorks構(gòu)建整機(jī)的三維模型,直接從Madi標(biāo)準(zhǔn)零件庫工具箱導(dǎo)入各種標(biāo)準(zhǔn)零件模型,然后組裝所有功能模塊,完成樣機(jī)的初始設(shè)計(jì),如圖14所示。

圖14 整機(jī)三維模型

整機(jī)的基本結(jié)構(gòu)采用Q235,主軸為調(diào)制處理后的45鋼,滾刀材料為40Cr等。經(jīng)軟件計(jì)算,整機(jī)的空載質(zhì)量約為1 541kg,滿載質(zhì)量約為2 839kg,非常接近估計(jì)的空載質(zhì)量1 570kg和滿載質(zhì)量2 800kg,故可保證與地輪載荷相關(guān)的計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.4 牽引力的分析及參數(shù)計(jì)算

1.4.1 田間運(yùn)輸狀態(tài)

在田間運(yùn)輸時(shí),甘蔗種植機(jī)所受的阻力有滾動(dòng)阻力、坡道阻力和風(fēng)阻等[8]。

《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中,輪式拖拉機(jī)滾動(dòng)阻力的計(jì)算公式為

Ff=f×G

(1)

其中,G為拖拉機(jī)輪胎的附加載荷的重力。

運(yùn)輸狀態(tài)下,整機(jī)質(zhì)量略大于空載狀態(tài)時(shí),G值為

G=mg=1.764×104N

f為輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù),選取地面為已耕地,故f=0.18,得到滾動(dòng)阻力Ff=3.18×103N。

坡道阻力的計(jì)算公式為

Fα=sinα×G

(2)

其中,G為運(yùn)輸狀態(tài)下的空載質(zhì)量;α為耕地坡度,查閱資料得知蔗田坡度>15°,故選用α=15°。

由此得坡道阻力為Fα=4.56×103N。

由于整機(jī)在現(xiàn)場運(yùn)輸時(shí)速度低,風(fēng)阻接近0,即Fw=0,因此甘蔗種植機(jī)在田間運(yùn)輸?shù)目傋枇?/p>

∑F1=Ff+Fα+Fw=7.74×103N

1.4.2 種植作業(yè)狀態(tài)

種植作業(yè)時(shí),甘蔗種植機(jī)所受的阻力包括滾動(dòng)阻力、坡道阻力、風(fēng)阻、開溝阻力及作業(yè)阻力等。

種植作業(yè)狀態(tài)下,地輪載荷為70%的整機(jī)質(zhì)量,約為1 987kg。同樣選取已耕地,則f為0.18,代入公式(1)中,計(jì)算得Ff= 3.51×103N。

甘蔗種植機(jī)處于滿載,故G=2839kg×9.8m/s2,代入公式(2),計(jì)算得Fα=7.2×103N。

整機(jī)的運(yùn)行速度v為0.6m/s,風(fēng)阻接近0,即Fw=0。

開溝阻力采用耕作阻力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

FR=k×a×b

(3)

其中,a為開溝的最大深度;b為溝寬;k為土壤的耕作比阻。

種植前需要深耕,取k=2N/cm2,由開溝器尺寸得開溝的深度和溝寬為a=30cm、b=28cm,代入公式(3)得FR=3.36×103N。

本機(jī)為雙排,因此總開溝阻力為6.72×103N。

作業(yè)阻力由切種部件扭矩?fù)p耗和施肥部件扭矩消耗兩部分組成。

滾刀甘蔗切斷功率和地輪扭矩計(jì)算公式為

9950×P=T×n×η2

(4)

其中,P為切斷甘蔗的功率;T為地輪扭矩;n為地輪轉(zhuǎn)速;η為鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)效率。

地輪扭矩公式為

T=Fβ×r

(5)

其中,Fβ為驅(qū)動(dòng)地輪摩擦力;r為輪胎半徑。

最終得到驅(qū)動(dòng)地輪摩擦力Fβ=4.06×103N,因此種植作業(yè)時(shí)的總阻力為∑F1=2.16×104N。

1.5 整機(jī)功率的計(jì)算及拖拉機(jī)匹配

1.5.1 整機(jī)功率計(jì)算

在正常作業(yè)狀態(tài)下,整機(jī)的最小牽引力為2.16×104N,整機(jī)功率的計(jì)算公式為

P=F×v

(6)

其中,F為整機(jī)最小牽引力;v為整機(jī)運(yùn)行速度。

將v=0.6m/s帶入公式(6),則P=1.296×104W。

1.5.2 拖拉機(jī)匹配

在田間運(yùn)輸時(shí),空載條件下計(jì)算的質(zhì)量為1 541kg,三點(diǎn)懸掛的下懸掛中心和整機(jī)重心之間的距離為976mm,位于懸掛點(diǎn)后610mm為最大提升力,則拖拉機(jī)的提升力計(jì)算公式為

F=G×L/610

(7)

其中,G為播種機(jī)空載重力;L為三點(diǎn)懸掛的下掛點(diǎn)中心與重心的距離。

計(jì)算得F=2.42×104N。

綜上所述,甘蔗種植機(jī)需要的最小牽引力為2.16×104N,最小牽引功率1.296×104W,液壓提升裝置提升力2.42×104N。根據(jù)目前中國的拖拉機(jī)型號,選用東方紅型號“LX1204”拖拉機(jī)。

2 甘蔗種植機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

甘蔗收獲后20天左右,在廣西農(nóng)科院甘蔗研究所的隆安實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行甘蔗種植機(jī)樣機(jī)(見圖15)性能試驗(yàn),使用直徑為23～28mm、平均長度為1.5m的整根臺農(nóng)25號甘蔗。試驗(yàn)采用東方紅“LX1204”拖拉機(jī),增加前配重200kg,試驗(yàn)歷時(shí)5天。

圖15 甘蔗種植機(jī)樣機(jī)

2.2 試驗(yàn)方案

重復(fù)5次進(jìn)行試驗(yàn),記錄種植作業(yè)時(shí)間。取10個(gè)長度為1m、間隔為5m的樣品進(jìn)行一次測試,共完成50次測試。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

蔗種除去頭尾,長度在370～390mm為長度合格。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:變異系數(shù)為3.9%,穩(wěn)定性系數(shù)為96.1%,傷芽率為2.9%,切口破裂率為2.4%,平均密度為4.1根/m,漏株率為4.8%,深度合格率為97.6%,露芽率為1.5%,段長合格率為100%,作業(yè)效率為0.61hm2/h。

根據(jù)表1中各個(gè)指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)可得:該甘蔗種植機(jī)樣機(jī)各個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),且在非常良好地控制切種長度、具有高穩(wěn)定性系數(shù)的前提下,種植密度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),作業(yè)效率超過設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

3 結(jié)論

1) 整機(jī)能夠在重復(fù)的性能測試中,各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到較高的水準(zhǔn),播種質(zhì)量滿足甘蔗種植的農(nóng)藝要求。

2)整機(jī)采用分體式連接機(jī)構(gòu),由拖拉機(jī)牽引,提高了機(jī)具的通過性,可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用,雙排播種可大幅提高播種效率。

3)整機(jī)穩(wěn)定性高,可實(shí)現(xiàn)開溝、施肥、播種、覆土及鎮(zhèn)壓等聯(lián)合作業(yè),可減少投入成本和作業(yè)工序。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn):整機(jī)質(zhì)量較大,后續(xù)可對機(jī)架進(jìn)行輕量化研究,進(jìn)一步優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu),減少整機(jī)質(zhì)量。