多功能沙地播種機(jī)的設(shè)計(jì)

邱毅清,武建新,陳 強(qiáng),張 涵

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院,呼和浩特 010051)

0 引言

多年的科學(xué)研究和實(shí)踐證明,沙漠種植可以防風(fēng)固沙、保持水土、改善沙土結(jié)構(gòu)、提高植被覆蓋度進(jìn)而改善生態(tài)環(huán)境。目前,沙漠種植機(jī)具還不夠完善,雖然大中型播種機(jī)技術(shù)較為成熟,但受限于地理位置、體積等各方面因素的影響,不適合在沙漠中作業(yè)。在現(xiàn)實(shí)生活中,使用的種植設(shè)備由于其功能少難以在沙漠中完成作業(yè),影響了種植效率,降低了產(chǎn)量,制約了沙漠種植機(jī)可持續(xù)發(fā)展[1]。

針對(duì)以上問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一款新型多功能沙地播種機(jī),能夠?qū)崿F(xiàn)深溝施肥、沙土覆蓋、精確播種及覆土鎮(zhèn)壓等功能,解決了存在的效率低、存活率差等問(wèn)題,更有利于防風(fēng)固沙,改善了生態(tài)環(huán)境。經(jīng)過(guò)初步試驗(yàn),該播種機(jī)具有較強(qiáng)的通過(guò)性,能夠?qū)崿F(xiàn)沙漠播種,為沙漠地區(qū)提供了一種新的機(jī)具[1-4]。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)原理

該播種機(jī)能實(shí)現(xiàn)種植多種作物及在沙漠各個(gè)地區(qū)作業(yè),同時(shí)克服了沙土回流。其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便,具有較高的穩(wěn)定性,播量均勻,且具有較高的仿形及覆土能力,可確保機(jī)具作業(yè)完成之后還能維持較為良好的地形。該機(jī)具采用的配套動(dòng)力為中國(guó)一拖集團(tuán)生產(chǎn)的東方紅-LX1200拖拉機(jī),提高了通過(guò)性,降低了成本。

1.2 總體設(shè)計(jì)

沙地播種機(jī)主要由地輪、開(kāi)溝圓盤(pán)、排種器、覆土器、鎮(zhèn)壓輪、機(jī)架、種箱及肥料箱等部分組成,如圖1所示。播種機(jī)裝置采取三點(diǎn)懸掛式與拖拉機(jī)掛接,進(jìn)而形成了一個(gè)整體,在拖拉機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行作業(yè)[5-8]。

1.懸掛架 2.鏈條 3.鏈輪 4.萬(wàn)向聯(lián)軸器 5.保護(hù)罩 6.地輪

作業(yè)時(shí),拖拉機(jī)后輸出軸的動(dòng)力通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞到播種機(jī)的換向器上,進(jìn)而傳遞到播種機(jī)上;經(jīng)過(guò)換向器換向后,動(dòng)力由換向器的左右軸輸出,再由左右輸出軸上的主動(dòng)鏈輪經(jīng)過(guò)傳動(dòng)鏈條帶動(dòng)開(kāi)溝軸旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)開(kāi)溝刀盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。開(kāi)溝圓盤(pán)由機(jī)架固定,設(shè)計(jì)成倒八形狀并將由經(jīng)過(guò)開(kāi)溝刀盤(pán)開(kāi)溝后初步形成的種溝里的沙子向兩側(cè)擠壓,進(jìn)而形成滿足種子生長(zhǎng)的種溝。最重要的是種溝的結(jié)構(gòu)組成不會(huì)產(chǎn)生破壞,有利于種子吸收濕沙層的水分,保墑效果顯著,這種由刀盤(pán)和雙圓盤(pán)相互配合的方式將會(huì)很好地解決沙子特殊的回流性問(wèn)題。開(kāi)溝軸的另一端通過(guò)鏈條傳動(dòng)傳遞到施肥和播種各自所對(duì)應(yīng)的軸上,化肥箱中的肥料及種箱中的種子分別由施肥管和排種器落入到已開(kāi)好的種溝中;當(dāng)肥料和種子落入到種溝后,由覆土器進(jìn)行覆蓋,再由后面的鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行鎮(zhèn)壓,既保證作業(yè)后沙地良好的地形又能有效防止水分的流失。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

按照項(xiàng)目技術(shù)要求,播種機(jī)各主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 沙漠播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)溝器

開(kāi)溝器作為播種機(jī)重要部件之一,主要功能是開(kāi)出相應(yīng)的種溝,將種子和肥料導(dǎo)入種溝,并進(jìn)行相應(yīng)的覆土處理。其結(jié)構(gòu)及布局的合理性會(huì)影響其開(kāi)溝情況,進(jìn)而對(duì)播種質(zhì)量造成一定的影響。本播種機(jī)選擇刀盤(pán)圓盤(pán)式開(kāi)溝器,具有牽引阻力小、工作效率高且能夠適應(yīng)多種地形的優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

開(kāi)溝刀片作為圓盤(pán)式開(kāi)溝器最重要的工作部件,其性能直接影響了整機(jī)的工作效率及可靠性。刀片選用彎刀,具有較強(qiáng)的滑切能力,如圖3所示。每個(gè)刀盤(pán)上裝有12把彎刀,彎刀均勻地分布在圓盤(pán)上,作業(yè)時(shí),刀盤(pán)每轉(zhuǎn)過(guò)30°便會(huì)有一把彎刀切入沙子里,滿足開(kāi)溝施肥的農(nóng)藝要求。

1.開(kāi)溝圓盤(pán) 2.開(kāi)溝刀片

1.正切面 2.過(guò)渡面 3.側(cè)切面 4.側(cè)切刃 5.過(guò)渡刃 6.正切刃

彎刀側(cè)刃曲線采用的公式為

R=R0+Kφ

式中R—側(cè)刃上任意點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑;

R0—側(cè)刃起始半徑;

K—常數(shù);

φ—位置度。

初始時(shí),滑切角相對(duì)較小,隨著圓盤(pán)的不斷深入,滑切角逐漸增大。

彎刀的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括刀片工作的最大回轉(zhuǎn)半徑Rmax,刀片在彎折處的刃口半徑Rl,起始半徑和最大回轉(zhuǎn)半徑之間的偏移角θmax,刀片彎折后角β,刃口厚度C等。依據(jù)GB/T5669—2008《旋耕機(jī)械刀和刀座》及《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,最終確定刀片的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 開(kāi)溝刀片主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 地輪

地輪在拖拉機(jī)牽引下轉(zhuǎn)動(dòng),選取同軸固定式地輪,同一根軸上固定兩個(gè)地輪。地輪主要由抓地板、地輪圈及幅板焊接而成的鐵輪構(gòu)成,如圖4所示。這樣設(shè)計(jì)不僅使機(jī)具的結(jié)構(gòu)看起來(lái)更緊湊,且大大降低了生產(chǎn)成本。同時(shí),將抓地板焊到地輪上可以最大限度地保證地輪的通過(guò)性,防止地輪發(fā)生滑移。本文在每個(gè)地輪上焊接20個(gè)抓地板。

圖4 地輪模型

除了直徑以外,抓地板高度也會(huì)對(duì)地輪滑移產(chǎn)生重要的影響。抓地板的高度與打滑率成反比,高度越高,打滑率也越小;但隨著抓地板高度的增加它受到沙地地質(zhì)的影響也就越大,完全入沙的可能性也就越小。在其它條件不變的情況下,抓地板越高,對(duì)抓地板強(qiáng)度要求也就越大,必須增大抓地板的厚度,但隨著厚度的增加入沙難度也會(huì)相應(yīng)增大。

根據(jù)脫沙的難易程度,圖5結(jié)構(gòu)最不易在地輪抓與地輪圈之間夾沙土,且隨著夾角α的增加,脫沙也相對(duì)容易一些。主要原因是:只要α存在,那么β就為鈍角而且和α成正比例關(guān)系;但是這種結(jié)構(gòu)入沙比較困難。

本文設(shè)計(jì)參照有關(guān)機(jī)具,綜合考慮為增加其入土性能及脫土性能,將其設(shè)計(jì)為圖6形狀,其具體尺寸為l1=100mm;l2=15mm;d1=15mm;d2=30mm;S=5mm。

1.抓地板 2.地輪圈

圖6 抓地板

2.3 排種器

本文選擇夾持自鎖式排種器,相對(duì)于其他排種器而言,該排種器不僅價(jià)格實(shí)惠、消耗功率小,且加工簡(jiǎn)單、播種精度高。排種器是將存儲(chǔ)在一定空間的種子取出并按照一定規(guī)律將種子輸送到特定位置的一種裝置,一般由取種部件、轉(zhuǎn)動(dòng)推送裝置、刮種裝置及投種裝置4部分構(gòu)成,如圖7所示。

1.成穴器 2.翼板 3.彈簧 4.清種器 5.進(jìn)種口

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

播種機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)占據(jù)著舉足輕重的地位,決定其他部件性能的好壞,在對(duì)播種機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)計(jì)因素和設(shè)計(jì)要求的所有方面。

結(jié)合工作環(huán)境、農(nóng)藝要求等多方面的因素,采用鏈傳動(dòng)作為傳動(dòng)系統(tǒng)的工作方式。鏈傳動(dòng)是一種撓性傳動(dòng),鏈條和鏈輪(小鏈輪和大鏈輪)是它的主要組成部分。通過(guò)鏈輪輪齒和鏈條鏈節(jié)的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。鏈傳動(dòng)主要用在工作要求可靠性高、兩個(gè)軸距離較遠(yuǎn)、低速重載及作業(yè)環(huán)境較差的情況下。相對(duì)于帶傳動(dòng)而言,鏈傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和整體打滑的現(xiàn)象,可以保持較為準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比,傳動(dòng)效率更高,所需張力更小,且作用在軸上的徑向壓力也較小。鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊,能在較差的環(huán)境下作業(yè),如高溫和潮濕。相對(duì)于齒輪傳動(dòng)而言,鏈傳動(dòng)具有較低的制造和安裝精度及相對(duì)較低的成本,在遠(yuǎn)距離傳動(dòng)時(shí),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

機(jī)具的傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括排種系統(tǒng)及開(kāi)溝系統(tǒng),原理如圖8、圖9所示。該結(jié)構(gòu)由地輪、鏈輪、傳動(dòng)軸等組成,整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,由拖拉機(jī)牽引機(jī)具作業(yè)。工作時(shí),牽引力通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞到播種機(jī)的換向器上,動(dòng)力由換向器的左右軸輸出;然后,軸上的主動(dòng)鏈輪經(jīng)過(guò)傳動(dòng)鏈條帶動(dòng)開(kāi)溝軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動(dòng)開(kāi)溝刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng);與此同時(shí),主動(dòng)輪通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳遞到從動(dòng)輪上帶動(dòng)施肥軸和播種軸旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)施肥和播種。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠進(jìn)行,該地區(qū)沙土質(zhì)地為細(xì)沙,年均降水量約103.1mm,年均氣溫7.8℃,年均蒸發(fā)量2 261.4mm。測(cè)試過(guò)程中種植肉蓯蓉,肉蓯蓉千粒質(zhì)量42g,含水率12.5%,播種量為270kg/hm2,使用肥料是微量元素肥,施肥量為270kg/hm2。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 通過(guò)性評(píng)價(jià)

依據(jù)國(guó)家農(nóng)業(yè)部的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定,測(cè)區(qū)長(zhǎng)度為100m,往返一個(gè)行程,拖拉機(jī)以1.9km/h的速度勻速行駛。根據(jù)國(guó)家農(nóng)業(yè)部的耕作要求,設(shè)計(jì)的機(jī)具要完成10～20次的復(fù)式作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的播種機(jī)具有相對(duì)優(yōu)良的通過(guò)性,開(kāi)溝順利,性能良好。

1.萬(wàn)向聯(lián)軸器 2.換向器 3.中間傳動(dòng)軸 4.鏈傳動(dòng) 5.排種器

1.萬(wàn)向聯(lián)軸器 2.換向器 3.中間傳動(dòng)軸 4.鏈傳動(dòng) 5.開(kāi)溝盤(pán)

3.2.2 播種施肥測(cè)試

作業(yè)完成以后,從作物中隨機(jī)抽取測(cè)試點(diǎn),檢測(cè)人員通過(guò)工具來(lái)對(duì)施肥深度及播種深度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)取和分析,結(jié)果如表3所示。

表3 播種施肥主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)論

該播種機(jī)可將開(kāi)溝施肥、精量播種、覆土鎮(zhèn)壓等工作一次性完成,具有較高的可靠性和穩(wěn)定性,能夠滿足相關(guān)的農(nóng)藝要求。作為沙地專用的播種機(jī),其具有保墑節(jié)水及降低成本等優(yōu)勢(shì),發(fā)展前景十分廣闊。