免耕播種機關鍵件建模研究

2022-01-01 11:31:08彭立新羅紅旗劉澤豪

農業技術與裝備 2022年11期

彭立新，羅紅旗，王碩，劉澤豪，楊彪

（北京工商大學人工智能學院，北京 102488）

保護性耕作是防止耕地水土及養分流失、土地沙漠化的有效耕作方式，免耕播種機是實現與推廣保護性耕作的主要農機具之一。免耕播種機是在未經翻耕及預施肥的條件下一次性完成深松、破茬、開溝施肥與播種、覆土鎮壓等作業，最大程度減少對土地的翻動及破壞。多年實行免耕播種之后，可能導致犁底層土壤板結厲害，最終影響農作物產量。為了解決土壤板結問題，通過深松裝置對土壤進行深松，松動耕層土壤，打破犁底層，達到增強土壤的透水性以及提高土壤抗旱抗災能力的作用，隨后將肥料施入合適的深度，再進行播種。

1 深松裝置

1.1 深松鏟分類及工作條件

深松鏟按鏟柄形狀可分為直立深松鏟、折線式深松鏟、弧狀深松鏟等，按鏟頭形狀可分為箭形深松鏟、雙翼形深松鏟、鑿形深松鏟等。直線式深松鏟結構簡單，水平方向阻力大，容易刮附雜草造成堵塞，深松效果不好，消耗比較大；折線式深松鏟深松效果較好，但拐點位置容易出現應力集中現象，磨損較嚴重，而且耕作阻力及土壤擾動量都較大；弧狀深松鏟深松效果較好，圓弧過渡使鏟柄阻力減小，不易造成堵塞[1]。

鏟尖的主要作用是破開犁底層堅硬的土壤，深松鏟設計的主要目標是在滿足耕作深度和耕作質量的情況下，盡可能降低工作阻力。鏟柄部位需要設計合適的強度、尺寸、結構，最大限度地減少損耗，需要與機架有效連接。本設計中選取弧狀深松鏟柄和箭形深松鏟頭[2]。

1.2 深松鏟的建模

1.2.1 深松鏟鏟柄的建模

鏟柄的作用主要是連接整個深松鏟部件與播種機機架，為深松鏟的工作過程提供牽引力，滿足支撐鏟尖工作載荷的要求[3]。

（1）首先對鏟柄的基本體進行建模，根據農藝條件以及參考農機設計手冊確定鏟柄的厚度為34 mm，草圖的具體細節見圖1。

圖1 深松鏟草Fig.1 Deep loose shovel grass

（2）根據厚度為34 mm的條件進行拉伸凸臺操作生成鏟柄的基本體，見圖2。

圖2 深松鏟鏟柄圖Fig.2 Deep looseshovel handle picture

（3）考慮到鏟柄前段需有60°分土刃，故選擇采用掃描的方法生成。先畫出輪廓線，見圖3，再畫出輪廓線并利用掃描功能生成分土刃，見圖4。

圖3 分土刃輪廓線Fig.3 The outline of the soil dividing edge

圖4 分土刃Fig.4 Earth dividing blade

（4）慮到與深松鏟鏟頭的配合問題，故在鏟柄基本體的底部打2個φ11 mm的螺紋孔，見圖5。

圖5 鏟柄螺紋孔Fig.5 Thread holefor shovel handle

（5）考慮到和機架的配合問題且滿足深松鏟入土高度可調節的需求，故在深松鏟柄上頂端打4個φ11 mm的螺紋孔用于螺栓連接，見圖6。

圖6 高度調節螺紋孔Fig.6 Height adjustment thread hole

1.2.2 深松鏟鏟頭的建模

（1）根據深松鏟頭的主要尺寸先粗略構建出地面形狀拉伸出毛坯，見圖7。

圖7 鏟頭毛坯Fig.7 Rough shovel head

（2）以底面左頂點為基準，13°夾角構建基準面1并切出鏟頭的頂面，見圖8。

圖8 鏟頭頂面圖Fig.8 Picture of the top of theshovel

（3）在基準面1上畫草圖并通過拉伸切除完成頂面的基本形狀，見圖9。

圖9 鏟頭頂面形狀Fig.9 Shape of the top of theshovel

（4）側邊與底面夾角為30°，故先構建30°的基準面2并進行切除見圖10，再建立基準面3通過拉伸切除的成形到下一平面將剩余部分切除干凈，見如圖11。

圖10 鏟頭基準面2Fig.10 Shovel head datum level 2

圖11 基準面2Fig.11 Datum level 2

（5）因為本深松鏟頭為對稱體，故通過鏡像操作將另一半補齊，見圖12。

圖12 鏟頭頂面Fig.12 Top of shovel

（6）根據農藝要求倒圓角，見圖13。

圖13 鏟頭倒圓角Fig.13 Fillet the spatulahead

（7）考慮到中間打螺紋孔處的平板厚度為10 mm，故建立與基準面1平行且間隔為10 mm的基準面4，并畫草圖以及拉伸切除操作，見圖14。

圖14 鏟頭基準面4 Fig.14 Shovel head datum level 4

（8）最終打2個φ11 mm的螺紋孔用于與深松鏟鏟柄固定，見圖15。

圖15 鏟頭螺紋孔Fig.15 Shovel head thread hole

（9）通過螺栓連接將深松鏟頭與深松鏟柄固定，見圖16。

圖16 鏟頭與鏟柄固定Fig.16 The shovel head is fixed to the handle

2 開溝器裝置設計與建模

2.1 播種傳動系統設計

計算排種排肥輪軸的參數前需要確定種肥箱鏈輪的齒數，按照工作要求和工況條件，選用齒數Z=38的鏈輪。查機械設計手冊，選用標準鏈號為05B的鏈條，其基本參數為：節距p=8 mm，排距pt=5.64 mm，齒寬b1=3 mm，排距p1=5.64 mm，滾子外徑d1=5 mm，內鏈板高度h2=7.11 mm。

（1）分度圓直徑：

（2）齒頂圓直徑：齒頂圓直徑最大值為：damax=d+1.25p-d1=96.88+1.28×8-5=102 mm，齒頂圓直徑最小值為：d amin=d+綜上取齒頂圓直徑為100 mm。

（3）齒根圓直徑：df=d-d1=96.88-5=91.88mm。

（4）分度圓弦齒高:分度圓弦齒高ha最大值為：hamax=2.67 mm，分度圓弦齒高最小值為：hamin=0.5*（p-d1）=0.5×（8-5）=1.5mm，取分度圓弦齒高為2 mm。

（5）最大齒根距離:最大齒根距離Lx為（偶數齒）：Lx=dd1=91.88 mm。

2.2 開溝器裝置設計

常見的開溝器一般包括鏟式、芯鏵式、圓盤式[4]。鏟式開溝器主要有鋤鏟式、翼鏟式和船型鏟式等形式，工作時能夠將底層土壤翻到上層，并對兩側和前方土壤產生擠壓形成壟溝；圓盤式開溝器有單圓盤式和雙圓盤式，單圓盤式開溝時切出橢圓形的溝底，排種器配合圓盤運動將種子播入溝中，雙圓盤式開溝器中2個圓盤的刃口在運動方向上交于一點，工作時依靠自身重力和彈簧壓力入土形成種溝；芯鏵式開溝器入土性能好，通過前棱和兩側之間的曲面處理耕地中的殘茬，向兩側拋出。

由于免耕播種機是在未經翻耕的土地上進行作業，開溝器容易受到殘留根茬的影響，造成堵塞，影響播種質量，因此選用破土效果相對較好的芯鏵式結構。

2.2.1 芯鏵式開溝器主體建模

（1）已知開溝器的幅寬為12 cm，斜切角為60°，故先于上視基準面繪制出底面草圖見圖17。