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本科畢業(yè)設計
題 目：內充種氣吸玉米免耕播種機的設計—鎮(zhèn)壓部分的設計
摘 要
針對一年兩熟地區(qū)夏玉米整稈覆蓋下免耕直播冬玉米易產(chǎn)生堵塞這一難題，提出了對行播種思路，研制了玉米對行免耕施肥播種機。根據(jù)玉米免耕播種的特定農(nóng)藝要求，闡述了氣吸式玉米免耕播種機的設計原則和思想，介紹了其結構特點和技術參數(shù)，并對切茬開溝器部件和鎮(zhèn)壓部分提出了合理的工作參數(shù)及設計。該機能在留茬地上一次完成破茬開溝、施肥、播種以及覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序。作業(yè)時，土壤擾動少，并可滿足高速精量播種質量要求。；對播種機構進行了改進，設計了單圓盤和雙圓盤兩種播種鎮(zhèn)壓單體，采用單體仿行，田間防堵性能試驗表明雙圓盤播種單體結構簡單，防堵性能好，播深一致性好，有效解決了原樣機相鄰兩組種管之間的壅堵問題。
樣機試制成功后進行了整機播種性能試驗，試驗表明改進后的機具在玉米整稈覆蓋下對行免耕播種玉米防堵效果顯著，種、肥播深變異系數(shù)較改進前明顯變小，整機結構設計合理，為一年兩熟地區(qū)冬玉米免耕播種提供了技術支持。
關鍵詞： 保護性耕作； 一年兩熟；內氣吸玉米免耕播種機；防堵；設計
目錄
第一章 緒論……………………………………………………………1
1.1 國內外耕播種機的研究概況…………………………………………1
1.2 精密播種的發(fā)展趨勢…………………………………………………4
1.3 課題研究的意義與內容………………………………………………5
1.4 課題研究內容與技術路線……………………………………………6
第二章 內氣吸玉米免耕播種機單體的設計…………………………8
2.1 開溝器性能分析及設計……………………………………………………8
2.2 播種單體整體結構分析……………………………………………………12
2.3 鎮(zhèn)壓機構的總體設計………………………………………………………13
參考文獻………………………………………………………………17
大學畢業(yè)設計 第一章 緒論
第一章 緒論
1.1 國內外播種機的研究概況
1．1．1 保護性耕作技術的基本概念
保護性耕作是相對傳統(tǒng)耕翻、裸露休閑的一種新型耕作技術，它的前身叫“免耕法”，隨著研究的深入和推廣的擴大，發(fā)現(xiàn)免耕只能適應部分土壤和自然條件，1980年以后逐步改為保護性耕作法[1]。國外定義為：“用大量秸稈殘茬覆蓋地表，將耕作減少到只要能保證種子發(fā)芽即可，主要用農(nóng)藥來控制雜草和病蟲害的耕作技術”。我國學者在多年科學研究的基礎上，把保護性耕作定義為“以水土保持為中心，保持適量的地表覆蓋物，盡量少翻動土層，而又能保證作物正常生長的耕作方法” [3]。2002年農(nóng)業(yè)部為了使廣大農(nóng)民容易理解，按照保護性耕作的內涵和目標，將其定義為“對農(nóng)田實行免耕、少耕，并用作物秸稈覆蓋地表，以減少風蝕、水蝕，提高土壤肥力和抗旱能力的先進農(nóng)業(yè)耕作技術” [1] 。
保護性耕作的基本技術包括四項內容：一是免耕播種施肥。與傳統(tǒng)耕作不同，保護性耕作的種子和肥料要播到有秸稈覆蓋的土壤里，有些還是免耕地，所以需要特殊的免耕施肥播種機；二是秸稈殘茬管理。收獲后秸稈和殘茬留在地表做覆蓋物，是減少水土流失、抑制揚沙的關鍵；三是雜草及病蟲害防治。能否成功的控制雜草和病蟲害是保護性耕作能否成功的關鍵；四是深松與表土作業(yè)。深松即疏松深層土壤，基本上不破壞土壤結構和地面植被，打破硬底層，可提高天然降雨入滲率，增加土壤含水量 [1] [4]。
美國、加拿大、澳大利亞等旱地農(nóng)業(yè)大國相繼開展了保護性耕作的研究，經(jīng)過長期試驗證明保護性耕作有以下優(yōu)點：①減少地表徑流，減輕土壤風蝕、水蝕，改善環(huán)境，增加水分入滲[5] [6]；②增加土壤有機質含量，改善土壤結構[7]；③提高水、土、光等資源的利用率[8]；④作物根系發(fā)達，干物質積累多，產(chǎn)量提高[9]；⑤生產(chǎn)成本下降，收入增加，經(jīng)濟效益改善[10]。根據(jù)中國農(nóng)業(yè)大學等單位在山西10余年的系統(tǒng)試驗，保護性耕作與傳統(tǒng)翻耕相比較，具有顯著的效益：①社會效益。減少徑流60％、水蝕80％、減少風蝕60％。抑制沙塵暴。不燒秸稈、減少大氣污染。②生態(tài)效益。休閑期土壤貯水量增加14％～17％，水分利用率提高15％～19％；提高土壤肥力，土壤有機質年提高0.03％～0.05％，速效氮和速效鉀提高。③經(jīng)濟效益。提高玉米、玉米產(chǎn)量13％～17％；減少作業(yè)工序，降低作業(yè)成本10％～20％；增加農(nóng)民收入20％～30％ [1] 。
1．1．2 國內外播種機的發(fā)展現(xiàn)狀[11]
我國的播種機以傳統(tǒng)的谷物條播機為主，與小型拖拉機配套的播種機及畜力播種機目前仍占主導地位。全國有500家左右的企業(yè)生產(chǎn)播種機，其中只有10家生產(chǎn)與大中型拖拉機配套的播種機，與小拖配套的播種機和畜力播種機的產(chǎn)量已占到全國播種機產(chǎn)量的90%以上。近幾年，我國的聯(lián)合作業(yè)播種機發(fā)展也較快，其機具主要有播種一拖肥聯(lián)合作業(yè)機、耕作—播種聯(lián)合作業(yè)機、松土—施肥—覆膜—穴播聯(lián)合作業(yè)機和施水—播種聯(lián)合作業(yè)機等，目前又發(fā)展了鋪膜播種聯(lián)合作業(yè)機。另外，精少量播種機具推廣勢頭強勁，玉米精少量播種機和中耕作物精密播種機推廣應用迅速。
目前國外精密播種機已達到相當完善的程度，在精密播種機上除了設有完善的整地、覆土、鎮(zhèn)壓及施肥、灑農(nóng)藥裝置外，其排種裝置多采用新的工作原理，包括各種氣力式排種原理與機械式排種原理，以保證單粒精密播種。另外，液壓技術及電子技術也在播種機上得以應用。20世紀80年代，美國、澳大利亞、加拿大、法國等西方國家開始研制并廣泛使用氣力式精密播種機械，其中氣流一階分配式集排排種系統(tǒng)大量應用在谷物條播機上。
1．1．3 氣吸式播種機的特點[12]
粘玉米粒小，普通槽輪播種機的下?？拙惋@得大，一個輪孔里有時就容納兩粒，播下去，了后期不好間苗，又浪費種子資源增加了費用；甜玉米粒雖大，但薄得很，不耐機械磨損，不適宜用普通播種機播種。以上兩種玉米播種時需催芽的，催芽后的種子是無法用槽輪播種機播種的，只能改用機械播種為半機械播種或手工播種。氣吸式播種機就能解決了這些問題。這種播種機是目前國產(chǎn)的可用于播種甜、粘玉米等小粒作物的最理想機械，是被實踐證明了的。其好處是：
1、快，保證作業(yè)進度，一次播兩壟，一天可播5公頃。
2、省，省種子。單粒下粒，粒粒之間距離自行設定，每粒之間可3寸、4寸，也可
6寸等近十多種距離體現(xiàn)形式。
3、勻，株距設定是人為的，要多遠有多遠，均勻一致。
4、安，播種質量高，利于出苗，十分安全；催過芽的種子到保護，新生根不受破
壞，沒有傷口，安全有效。
5、廉，價格低。每次播兩壟的，每臺造價3800－4000元多，四壟的、六壟的，
而且壟距可調?。???
1．1．4 國內免耕播種機的現(xiàn)狀
我國地塊比較小，免耕播種機一般都設計為懸掛式的，且不能設計得太重，否則國內目
前拖拉機的液壓機構將舉不起來播種機；但是免耕地表有殘茬覆蓋，土壤容重一般較高，故要求播種機單體又必須有一定的重量才能達到入土開溝的目的。同時，在我國拖拉機功率有限，播行不能太多，否則由于播種機工作阻力太大拖拉機將拉不動。由于以上制約因素，國外的免耕播種機從結構和工作性能等方面均不能在我國目前條件下使用，這就要求我們在我國現(xiàn)有的條件下，選擇或設計合適的免耕播種機。[13]
我國免耕播種機的研究起步比較晚，20世紀90年代以前，我國科研工作者對免耕播種機的研究主要集中在玉米免耕播種機的土壤工作部件研究。如原北京農(nóng)業(yè)大學施森寶等人（1990年）設計的2BQM-6和它的改進型2BQM-6D（圖1-7），大連農(nóng)牧機械制造廠生產(chǎn)的2BQM-6A型免耕播種機（圖1-8）是目前較為成熟的一種[14]。該機主要是采用了鑿形刀式破茬松土裝置，其工作原理為推力分茬[15]，鑿形刀因其入土性能好，工作時不需增加配重，因此整機重量小，可采用懸掛式。石家莊農(nóng)機廠生產(chǎn)的2BFY－3型，山西省新絳機械廠生產(chǎn)的2BGM－3等。
圖1-7 2BQM-6D型免耕精量播種機
圖1-8 2BQM-6A型玉米免耕播種機
20世紀90年代以后，為設計出適合我國國情、結構合理的優(yōu)良免耕播種機，以中國農(nóng)業(yè)大學保護性耕作研究中心為代表，在玉米、玉米免耕播種機方面研究較多。
我國玉米免耕播種機在產(chǎn)業(yè)規(guī)模上、品種上、質量上，遠遠不能滿足推廣保護性耕作技術的生產(chǎn)實際需要，另外不同地區(qū)、不同條件下實施免耕播種作業(yè)對機具的要求也相差很大，所有的免耕播種機都有其適宜作業(yè)的條件，因而結合不同地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際條件及要求開發(fā)研制適宜的免耕播種機，才能滿足在不同地區(qū)推廣保護性耕作技術的需要。
1．1．5 國內播種機存在的問題
（1）效率低。①工作速度低。目前國外谷物播種機的工作速度已達到15km/h，個別機型甚至達到20 km/h，由于受整地質量、土壤各方面條件的限制，工作速度大多采用8~12 km/h。目前我國的谷物播種機的速度大約為4~7 km/h，常在5~6 km/h范圍內使用。②播種機工作幅寬小。目前西歐谷物播種機的工作幅寬一般為5~6m，而美國、加拿大、前蘇聯(lián)等國家，不少機型可達10~15m，現(xiàn)在我國生產(chǎn)和使用的谷物播種機工作幅寬較大的達到3.6m。③排種器的排種效率低。因為傳統(tǒng)的排種器都是“一器一行”，即一個排種器播一行種子。
?。?）外槽輪排種器工作效果不理想。目前國內谷物播種機大多是以外槽輪式排種器為核心工作的部件，型號雖然很多，但由于外槽輪排種器的結構所限，排種脈動性和種子溝內分布不均勻性，是半精密播種難以實現(xiàn)的主要因素。為了克服傳統(tǒng)的外槽輪排種器的缺點，采用新的排種器，其種類很多，有水平圓盤式排種器、離心式排種器、擺桿式排種器、錐盤式排種器、氣力式排種器和氣壓式精密排種器等。
1．1．6 播種機的發(fā)展趨勢
（1）發(fā)展聯(lián)合作業(yè)的直接播種。播種聯(lián)合作業(yè)是指在播種的同時，完成耕整地、施肥、噴灑液等作業(yè)，其優(yōu)點是一次可以完成多項作業(yè)，作業(yè)效率高，保證及時播種，提高產(chǎn)量，可以充分利用配套動力，節(jié)省能源，降低作業(yè)成本，與傳統(tǒng)播種方法相比，聯(lián)合播種的勞動消耗的作業(yè)費用約降低30%。同時，可以減少機組進地次數(shù)，使土壤免受機具的過度壓實。直接播種是指將作物種子直接播在留茬地里，用于直接播種的機具稱為免耕法或少耕法播種機。直接播種機與一般播種機相比，其結構特點主要是在開溝裝置上，通常在播種機組前面加裝一個種床式開溝器，用以切斷地表的殘茬和硬稈或耕出窄帶作為種床，然后再由裝在后面的種溝開溝器在其上開出種溝。
?。?）進一步推廣精密播種。目前在歐美國家，播種已基本實現(xiàn)了精密化。我國自20世紀70年代初開始研究精密播種，目前全國精播的面積還很少，迄今精密播種的作物基本局限于中耕作物。谷物精播的難度較大，至今國內尚無成熟的機型。氣力式播種機由于對種子尺寸要求不嚴，不需精選分級，傷種少，易達到單粒點播，通用性較好，同時它也具備高速作業(yè)的性能，滿足了對大功率拖拉機的配套和寬幅作業(yè)的要求，作業(yè)速度可達10~12 km/h，工作幅寬也可加大到8~12m以上。因此，氣力式播種機應用越來越廣泛。可以說，氣力式精密播種機是21世紀播種機械的發(fā)展方向。
（3）廣泛采用新原理新技術。目前國外正在發(fā)展一些新的播種技術，如日本提出適合蔬菜的靜電播種，英國提出適合于蔬菜的液體播種、適合于牧草的超音速播種，還有目前廣泛應用的種子帶播種等。例如液壓等新技術在國外播種機的應用也日益廣泛。美國塞科爾5000型氣壓式播種機用液壓馬達驅動風機；東德A—697型精密播種機裝有供驅動排種錐體的液壓馬達，當?shù)剌喕瑒訒r，液壓馬達啟動，以保證排種錐體的轉速與機器前進速度相協(xié)調，現(xiàn)時也用以操作開溝器的升降，在大寬幅的播種機上還用液壓折疊機架，以便安全運輸。[11]
1．2 精密播種的發(fā)展趨勢[16]
1．2．1 精密播種的發(fā)展現(xiàn)狀
近年來，精密播種已成為播種作業(yè)中一個最具研究潛力的熱門話題。精密播種是提高糧食單產(chǎn)的一項現(xiàn)代化綜合性技術措施，涉及到育種、種子加工、精密播種機具、土壤精細耕作、植保、施肥和灌溉等一系列技術。精密播種技術的實施,可節(jié)省大量優(yōu)良種子，可節(jié)省田間間苗、定苗用工，種子分布合理，減少肥料和光能損失，可增加作物產(chǎn)量，經(jīng)濟效益顯著，已成為國家“九五”計劃和2010年遠景目標綱要內容之一。隨著育種、種子加工處理技術、農(nóng)藥、除草劑和水利灌溉技術的不斷發(fā)展與完善,使種子的發(fā)芽率和保苗率有了一定的保證，從而使精密播種技術有了更可靠的保證,所以,精密播種機已成為現(xiàn)代播種技術的主要特征和主要發(fā)展方向[5]。精密播種機是決定播種精度的關鍵性設備，精密排種器是精密播種機的核心部件，它的作用是將種箱或儲種室內的種子分成單粒并定時排出。精密排種器按排種原理可分為機械式和氣力式兩大類[6]，機械式精密排種器的特點是結構相對簡單，成本低，但對種子尺寸要求嚴格，排種機構在充種和刮種時容易傷種，且單粒排種效果差，受排種器性能的限制，不適于高速作業(yè)，作業(yè)速度一般不超過6km.h-1。而氣力式精密排種器，能克服上述機械式播種裝置的缺點，而且對種子尺寸要求不嚴，不需要精選分級，傷種少，易實現(xiàn)單粒點播，作業(yè)速度提高潛力大，作業(yè)速度可達10km.h-1以上，但結構相對復雜，成本較高，如何提高精密排種器工作性能一直是國內外科研攻關的重點和難點。近年來國內氣力式精密播種機發(fā)展迅速，但其播種質量及工作速度一直是制約氣力式精密播種機械發(fā)展的障礙。因此，為了實現(xiàn)高質量、高效率的精密播種，必須認真研究氣力式排種器的工作機理并正確選擇排種器形式。目前大豆、玉米等中耕作物播種多采用機械式精密播種，易傷種、工作效率低，部分采用氣力式精密播種機的工作效率也不高，多在6km.h-1左右。因此，研究性能優(yōu)良、價格合理、操作方便的氣力式排種器在我國有著廣闊的發(fā)展前景。
1．2．2 目前精密播種技術中需要解決的關鍵問題
(1) 農(nóng)機與農(nóng)藝相結合。為了真正實現(xiàn)精密播種的經(jīng)濟效益, 要求農(nóng)機必須和農(nóng)藝相結合。根據(jù)農(nóng)藝要求, 設計的播種機要保證作物的播種量、種子在田間分布均勻合理, 保證行距株距符合要求, 種子播在濕土層中且用濕土覆蓋, 播深一致, 種子損傷率低, 施肥時要求肥料施于種子的下方或側下方。
(2) 提高精密播種機的作業(yè)速度。當前, 精密播種機的作業(yè)速度普遍偏低, 最佳作業(yè)速度大都不超過8km?h, 如中國農(nóng)機院等單位聯(lián)合設計的2BJ—6 型氣吹式播種機、黑龍江省友誼農(nóng)場研制的2BJQ —12 型氣吹式播種機、黑龍江省農(nóng)機所研制的勺輪式播種機, 均為5～ 7km? h。提高精密播種機的作業(yè)速度, 可以使精密播種具有高效、節(jié)能、提高單機利用率、保證不誤農(nóng)時的作用。從原理與結構上開發(fā)設計新型精密排種器和播種機, 考慮實際生產(chǎn)作業(yè)需要, 在滿足精播要求的前提下降低成本, 提高精播機作業(yè)速度, 已迫在眉睫。
(3) 降低排種器的投種高度。精密播種技術的3 個指標中, 粒距的均勻性與播種深度是影響精密播種的兩個關鍵因素, 而排種器的投種高度恰是影響粒距均勻性的重要因素, 其原因之一是投種高度過高, 種子落入溝底時, 易發(fā)生彈跳, 影響了粒距的均勻性與播種深度。原因之二是為了減少彈跳的發(fā)生, 加裝排種管, 種子在管內運動時由于與管壁相碰撞, 使在輸送的過程中相鄰兩子粒間的距離發(fā)生變化, 從而影響了種子在溝底內粒距分布的均勻性。所以, 降低排種器的投種高度是精密播種得以實現(xiàn)的一個關鍵因素。[17]
1.3 課題的目的和意義
免耕播種的意義重大，并且在我國得到一定的推廣一，但是播種機仍存在不成熟的地方，不適應生產(chǎn)需要。國外免耕播種機雖比較成熟，卻與我國的實際情況不適應，具體表現(xiàn)為:
①價格昂貴，與我國的生產(chǎn)水平不適應;②工作幅寬較寬，與我國地塊小，以家庭為基礎的
小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，地形復雜等情況不適應;③一般體型大，質量大，多采用牽引式，需要大功率拖拉機配套，與我國以小中功率拖拉機為主不相適應;④大都不能種肥分施，只能種肥混施，與我國施肥量大不適應。目前國外的圓盤開溝器在玉米和玉米免耕播種機上均能采用，有很好的通過性，但它需要較大的正壓力才能保證入土。若配重太大，播種機則不能被懸掛起來，從而播種機必須設計成牽引式的，這勢必增加機具的復雜性，增加成本。許多圓盤開溝器外側有一輪子，如圖l一12所示JohnDeere免耕播種機上的開溝器。該輪不僅對圓盤開溝器起限深作用，而且起著圓盤的刮 土作用，因此其作用非常重要。該輪與圓盤安裝相對位置雖然可調的(根據(jù)播深要求調整)，由于地表秸稈分布不均勻時，當遇到秸稈厚度大時，種子就會播在秸稈上。因此在我國高產(chǎn)量、秸稈量大的地區(qū)，無法使用。由上面分析可知，無論整機還是國外使用較好的圓盤開溝器都難以在我國使用，因此要借鑒國外經(jīng)驗研制中國實用的免耕播種機。
分析我國現(xiàn)有的播種機的使用情況，結合我國地塊小、以小功率拖拉機為主及我國的經(jīng)濟狀況等現(xiàn)狀，可知懸掛式小型整體仿形免耕播種對我國
比較實用。①懸掛式的播種機在作業(yè)時，無播種機回轉半徑，容易播種到地邊，充分土地資源，提高畝產(chǎn)量，這對解決我國人多地少，土地資源缺乏等現(xiàn)實問題有著重大意義;②大型機器雖勞均生產(chǎn)率高，但機器單位功率生產(chǎn)率并不一定高，相反，當?shù)貕K小時，由于大型機器轉彎半徑大，直行距離(工作形成)短，機器生產(chǎn)率降低。同時，當?shù)乇聿黄蕉容^大時，特別是北方高原丘陵地帶，地表起伏較大，使用大型播種機播種，若是單體仿形式的，機具結構較復雜，成本較高，若是整體仿形式的，則種子的播深較難保持一致。但當機型較小，其幅寬較窄，則同時播種的區(qū)域橫行地表相對較平坦，簡單的整體仿形也能達到不同行的播深一致;③與我國農(nóng)村以小功率拖拉機較多較適應，可充分利用農(nóng)民現(xiàn)有資源，減少農(nóng)民開支;④整體仿形結構簡單、成本低。
綜合上述分析，為解決秸稈量大、大根茬等給播種帶來不便的實際問題，滿足我國實際生產(chǎn)的需要，小型整體仿形免耕播種機的研制是十分必要的。
1.4 課題研究內容與技術路線
1.4.1 圓盤播種鎮(zhèn)壓單體結構的改進設計
針對播種過程中發(fā)現(xiàn)在相鄰兩種管間易產(chǎn)生壅堵，采用圓盤播種鎮(zhèn)壓單體，增強防堵性能。分析圓盤開溝器播種原理，設計單圓盤播種機構、雙圓盤播種機機構。圓盤播種鎮(zhèn)壓單體為單體仿形，包括圓盤開溝器、限深鎮(zhèn)壓輪。由鎮(zhèn)壓輪控制圓盤開溝器的播種深度，保證單體仿形。
1.4.2 其它關鍵部件及整機結構的改進設計
根據(jù)玉米行距窄、玉米覆蓋量大等特點，對開溝器鏟柄受力分析，合理設計開溝器鏟柄；設計合理的仿形地輪，減少其打滑率，提高播種質量；對整機結構的優(yōu)化設計，機器作業(yè)故障率降低50%以上。其它裝置如機架、傳動系統(tǒng)等等，這些大都己比較成熟，只需根據(jù)實際情況改變它們零部件的尺寸即可。
1.4.3 技術路線
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對原機具進行田間試驗，提出問題
文獻調研 理論分析
確定解決這些問題的方案
確定最佳改進的方案，設計出要改進部分的圖紙
設計樣機并進行加工
對改進后的機具進行實地試驗
分析試驗數(shù)據(jù)，得出結論
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大學畢業(yè)設計 第二章內氣吸玉玉米免耕播播種機單體的設計
第二章 內氣吸玉米免耕播種機單體的設計
2.1開溝器性能分析及設計
免耕播種機在工作過程中，粉碎刀軸能將秸稈、雜草打碎，刀片的回轉半徑能將短翼尖角開溝器鏟柄完全包住，因此鏟柄上不會纏繞秸稈，肥管和鏟柄焊接在一起，也不會掛秸稈，但要保證種肥分施，種肥管不能焊接在一起，前后要有一定的距離。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)在相鄰兩組種管之間會發(fā)生壅堵，導致堵塞，因此需要對播種部分進行改進，這也是玉米對行免耕播種機改進的關鍵部分。
目前在免耕播種機中最常用的開溝器主要是圓盤式開溝器和尖角型開溝器。圓盤式開溝器屬于鈍角開溝器，包括單圓盤開溝器、雙圓盤開溝器和三圓盤開溝器，目前雙圓盤開溝器是美國、巴西、歐洲最為常用的一種開溝器，被廣泛用于免耕播種機中。尖角開溝器屬于銳角開溝器，包括標槍式、鴨腳式、矛尖式開溝器等[18]，這些開溝器在中國、澳大利亞被廣泛用于免耕播種機中。
從國內使用情況來看，由于圓盤開溝器入土困難，需要較大的配重，特別是在免耕播種地區(qū)，由于秸稈、根茬、雜草的存在，進一步增加了圓盤開溝器入土的難度。我國拖拉機動力小，機具以懸掛式為主，現(xiàn)有拖拉機可懸掛重量一般不能滿足圓盤開溝器入土要求，加上圓盤結構復雜，因此國內在免耕播種中很少使用圓盤開溝器。目前我國用于示范區(qū)主要使用的玉米免耕播種機開溝器均為尖角開溝器。尖角開溝器屬于銳角開溝器，其入土角為銳角，工作時土壤垂直反力的方向向下，其入土能力強。尖角鏟式開溝器開出的種溝是“U”形種溝，能夠實現(xiàn)種肥分施。相比圓盤開溝器，尖角鏟式開溝器動土量大，土壤擾動性大，消耗的功耗大，工作效率低。
國外免耕播種機以大型牽引式為主，由于圓盤開溝器防堵性好，破茬能力強，適應性廣，所以國外免耕播種機采用圓盤開溝器的較多。圓盤開溝器屬于鈍角開溝器，開出“V”形種溝，采用種肥混施，播種深度比較均勻，土壤擾動小，水分流失少。工作過程中圓盤為滾動前進，能有效切斷秸稈、雜草，防堵效果好，工作效率高。但圓盤開溝器入土角為鈍角，入土阻力大，工作時的土壤垂直反力向上，這就要求作用在圓盤開溝器上的重力足夠大，才能保證其入土。尤其是在免耕地，由于秸稈根茬雜草的存在，更增加圓盤開溝器的入土困難性[28]。
目前從圓盤開溝器工作情況來看，無論國外還是國內的大都只能播種或只用來施肥，或種肥混施，一般不能實現(xiàn)種肥分施。綜合圓盤開溝器與尖角開溝器的優(yōu)缺點，玉米對行免耕播種機采用短翼尖角開溝器破茬、開溝同時施肥，在松散的土壤中開溝播種，需要的正壓力小。
2.1.1 短翼型尖角開溝器的設計
2.1.1.1開溝鏟尖的選擇
免耕地表較傳統(tǒng)翻耕整地后的地表堅實，且有大量的秸稈覆蓋，開溝器入土困難，阻力大，要求開溝器有良好的破茬入土性能。開溝鏟是直接與土壤接觸發(fā)生作用的部件，它為施肥播種創(chuàng)造適宜的溝帶。其結構不僅決定種肥溝的形狀，而且影響開溝器的入土性能和整個播種機工作阻力。
分析了目前生產(chǎn)中使用的各種開溝器，結合國際旱作農(nóng)業(yè)技術先進國家的經(jīng)驗，在我國免耕播種機上選用了從澳大利亞引進的尖角型開溝器。共有寬翼型、窄翼型、平底型和短翼型四種類型。通過對這四種尖角開溝器的工作性能進行了測試，分析了開溝器的工作性能和對種行土壤物理特性的影響[19]，試驗證明，除寬翼型開溝器不適合免耕播種要求以外，其它三種均可基本滿足要求[20] [21]。
h1-壟高； h2-溝深； l-種行寬度； S1–松土面積（實線所圍面積）； S2–動土面積（虛線所圍面積）
圖 2-1 種溝剖面示意圖
圖2-2 尖角式短翼型開溝器結構示意圖
對于免耕播種來講短翼型是最佳開溝器。它不僅開溝窄，入土深，動土量小，回土好，而且所需牽引力、垂直壓力較小。從其整體結構來看（見圖2-1，2-2 ），“前窄中寬后窄”＋“上窄中寬下窄”，這種形狀不僅易入土，而且起土方便、回土性能好、不易攪混土層。同時由于后窄，使它在鏟柄上固定時，減小固定部件與土壤的接觸面積，從而減小刮土、掛草。這些優(yōu)點在最近幾年的實踐中也已得到證實[21]。
綜合幾種尖角開溝器的優(yōu)缺點，玉米對行免耕播種機采用短翼型尖角式開溝器破茬開溝。
圖2-3 鏟柄結構示意圖
2.1.1.2鏟柄基本參數(shù)優(yōu)化
短翼型尖角開溝器的鏟柄由厚度為25mm的45＃鋼板，調質HRC35～40加工而成。結構見圖2-3
① 鏟柄傾角β角 在工作過程中，鏟柄上面的秸稈隨傾角β的減小而越容易滑動。但是，在k值不變的情況下，β越小，s值越大，從而使整機縱向尺寸增大，重心后移，影響播種機的懸掛性能。為了使秸稈在鏟尖與鏟柄有一合理過渡，免除秸稈在此連接處卡住，結合開溝鏟入土角α（見圖2-2）為45o，將β角設計為45o。
② 相鄰固定孔間距z 在種子播深最佳值時，z越小越容易根據(jù)施肥量將種肥調節(jié)為最有利于作物生長的距離，但太小在調整開溝深度時容易將各開溝器固定在不同深度的緊固孔上，導致各開溝器入土深度不一致，這樣不僅影響各行播深的一致性，而且會使整機受力不平衡。開溝深度雖不是播深，但它對播深有直接的影響，因此根據(jù)農(nóng)藝要求播深h等于或大于3cm（北方旱地玉米播深要求4cm）時，實際播深是h±1.5cm為合格[22]這一條件，將h上下偏差作為間距，即z＝1.5cm。
③ S與K的確定 粉碎刀軸上直刀的回轉半徑為260mm，短翼型尖角開溝器m1＝103mm，s1＝73mm，k1＝73mm，粉碎刀軸工作過程中，刀尖離地50cm，鏟柄尖在粉碎刀軸的正下方。工作過程中刀片與鏟柄有100mm重疊，以打掉纏繞在鏟柄上的秸稈、雜草。因此S=160mm，K＝160mm。
④ 其它參數(shù) 鏟柄厚x=25mm，寬y=80mm，長l=650mm。
其中：x－鏟柄的厚度，mm；
y－鏟柄的寬度，mm；
l－鏟柄的長度，mm；
2.1.1.3鏟柄強度校核
不同的土壤、不同的秸稈覆蓋量導致免耕地地理環(huán)境差異大。分別?、佗谔杻傻赝寥雷霾シN試驗。①號土壤質地為壤土；0～10cm土壤含水率為15.23%，土壤堅實度平均為222.5×104Pa；②號播種土壤質地為粘土，0～10cm土壤含水率為15.059%；土壤堅實度平均為439.3×104 Pa。在這兩種不同土壤播種過程中發(fā)現(xiàn)，在①號土壤試驗時開溝器鏟柄沒有發(fā)生變形，但在②號土壤試驗時開溝器鏟柄橫向、縱向均發(fā)現(xiàn)有微小變形，即已經(jīng)達到或者超過材料的許用切應力。
圖 2-4鏟柄受力分析示意圖圖
圖2-5鏟柄截面示意圖
圖2-4為尖角開溝器受力情況，在播種過程中，鏟尖受到平均阻力、平均垂直反力和側向力。理論上鏟尖受到兩側土壤的側向力相等，即鏟柄不會發(fā)生側向彎曲，但實際播種過程中，當尖角開溝器鏟尖碰到玉米根茬或者石塊，瞬間必然會導致鏟柄兩側受力不均，引起鏟柄彎曲。根據(jù)短翼型所受平均垂直反力與平均阻力之比14.18/182.97[27]，即 為13倍的 ，由于垂直反力相對牽引阻力很小。所以在進行各項校核時可忽略不計，只需安全系數(shù)加大一些即可。
圖2-6鏟柄彎矩示意圖
如圖2-4，鏟柄的懸臂點為固接器的最下端，即O點。由鏟柄的受力圖畫出彎矩圖（圖2-6）。從鏟柄受力圖和彎矩圖可以看出，在前進阻力和側向力的作用下，最大值在原點O處，即鏟柄的危險點在固接器最下端。
對懸臂點O分析：
O點剪切應力為：
（2-1）
O點的彎曲應力為：
（2-2）
其中 －前進平均阻力，N；
－鏟尖受到土壤的側向力，N；
－懸臂點到鏟尖的距離，mm；
、－抗彎截面系數(shù)；
（2-3）
（2-4）
其中 b－鏟柄橫截面的寬度，mm；
h－鏟柄橫截面的長度，mm；
由上面分析可得，在鏟柄的前進阻力和側向力一定的情況下，危險點處的影響因素有：懸臂點O到鏟尖的距離L,鏟柄的橫截面的b和h。
改進前鏟柄的參數(shù)為：材料Q235，L＝520mm，b＝16mm，h＝60mm，Q235的＝185～235MPa，
在試驗過程中發(fā)現(xiàn)鏟柄有微小變形，因此認為鏟柄受到的力達到或者超過材料的許用應力，
即，
（2-5）
（2-6）
取＝185MPa，將參數(shù)L＝520mm，b＝16mm，h＝60mm代入式（2-3）、（2-4）、（2-5）、（2-6）中，得
3415.28N
910N
由上式可知，鏟柄發(fā)生變形時受到的側向力要遠遠小于前進阻力，在工作過程中，當鏟尖碰到玉米根茬時，瞬間受到的側向力為前進阻力，即= ，因此鏟柄易發(fā)生側向彎曲。同時因在上面計算時，力及截面都采用近似值，為有足夠強度安全性，將算出的擴大一倍，?。?對改進后的鏟柄進行校核。
改進后鏟柄的參數(shù)為：材料45號鋼，L＝480mm，b＝25mm，h＝80mm，45號鋼的＝355MPa，調質HRC35～40后，能增加到500～800Mpa。
將＝2＝6830.56N以及L、b、h的值代入式（2-2）得：
＝393.44Mpa <＝500～800Mpa
即當鏟柄瞬間受到的側向力提高到原來前進阻力的2倍，對鏟柄校核后，鏟柄的強度能夠滿足要求，在播種過程中，鏟柄碰到玉米根茬時，瞬間受到的側向力不會使鏟柄發(fā)生彎曲，因而就鏟柄本身結構來講，能夠保證較高的可靠性。
2.2 播種單體整體結構
玉米對行免耕播種機采用短翼尖角開溝器破茬開溝并施肥，單圓盤開溝器在肥溝上開溝播種，實行種肥同溝垂直分施。為保證播種機的平衡，播種單圓盤為左右對稱排列。單體結構如圖2-2。整個播種單體由肥管、短翼尖角開溝器、固接器 、彈簧 單圓盤開溝器、鎮(zhèn)壓輪 、播深調節(jié)裝置 、排種裝置等組成。
單圓盤在肥溝上開溝播種，土壤比較松軟，開溝阻力小，同時需要的下壓力也小。短翼尖角開溝器開溝時將少量的土翻在肥溝的兩側，播種單圓盤在前進過程中與前進方向有一定的夾角，開出“V”形溝進行播種的同時將肥溝一側的土切回溝內；而鎮(zhèn)壓輪與地面有一定的傾角，鎮(zhèn)壓時可以擠壓肥溝另一側的土。鎮(zhèn)壓原理如圖2-7，鎮(zhèn)壓輪有覆土、鎮(zhèn)壓、限深等作用。
1 肥管 2 短翼尖角開溝器 3 前固接器 4 后固接器 5彈簧 6單圓盤開溝
器 7鎮(zhèn)壓輪 8播深調節(jié)裝置 9排種裝置
圖2-7 單圓盤播種單體結構示意圖
1 鎮(zhèn)壓輪 2 單圓盤
圖 2-8播種鎮(zhèn)壓單體的原理示意圖
短翼尖角開溝器開出的肥溝深約8～10cm，保證肥的覆土深度在7～9cm。單圓盤開溝器開出深約4～6cm、寬約3～4cm的“V”形溝，保證種子的覆土深度在4～5cm。如圖2-8所示，種肥間距h1為4～5cm，避免燒苗現(xiàn)象。
2.3 鎮(zhèn)壓裝置的總體設計
2.3.1 鎮(zhèn)壓裝置分析
播種同時鎮(zhèn)壓可減少土壤中的空隙，減少水分蒸發(fā)，以使土壤保墑;可加強土壤毛細管作用，使水分沿毛細管上升，起著“調水”和“保墑”的作用:可使種子與土壤緊密接觸，有利于種子發(fā)芽和生長;春播鎮(zhèn)壓還可適當提高地溫[23]。特別是免(少)耕法開的溝窄，土層的顆粒較大，不能保證土壤與種子的貼合及其所需緊度。因此播種鎮(zhèn)壓是非常有必要的。
鎮(zhèn)壓輪是免耕播種機的一個重要部件，合適的鎮(zhèn)壓，可減少土壤中的大空隙，減少水分蒸發(fā)，使土壤保墑，加強土壤毛細管作用，起到“調水”和“保墑”的作用。普通玉米對行免耕播種機在工作過程中由于短翼尖角開溝器的回土效果一般，可能在肥溝內會出現(xiàn)大的土塊，單圓盤播種后，種溝一側的土也需要擠壓到種溝，將種子覆蓋、壓實。
2.3.2 設計要求
①轉動靈活，不奎土;
②仿形性好，鎮(zhèn)壓力可調;
③粘土少，鎮(zhèn)壓后地表不產(chǎn)生鱗狀裂紋。
2.3.3 總體設計
總體結構包括固定機構、連接機構、鎮(zhèn)壓輪和壓力調節(jié)機構四部分(如圖2一25)。這種結構不僅壓力充足、可調，而且整體重量較輕，壓力調節(jié)只需改變機構上部的開口銷限位即可，無需另加限位裝置。
2.3.4 鎮(zhèn)壓輪設計
①形式確定
鎮(zhèn)壓輪的形式較多，經(jīng)對比研究后，決定采用零壓輪胎式鎮(zhèn)壓輪(如圖2一26)。其優(yōu)點:
(l)具有凸面鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓特點，即對種子上方土壤的壓密作用強，使種子與土壤密接，適用于干旱地區(qū)及單子葉作物;
(2)材料為橡膠的，從而鎮(zhèn)壓輪不易粘土;
(3)結構類似沒內胎的輪胎，橡膠胎氣室與大氣相通，在滾動過程中變形與復原交替作用，使?jié)裢岭y以粘結在輪胎表面上。即使有小部分土壤粘上，由于振動及濕土與膠圈的附著力小，也很容易將粘土脫落。
因此，這種形式的鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓質量好，壓后地表產(chǎn)生鱗狀裂紋較少，是最佳設計形式。
②直徑確定
鎮(zhèn)壓輪正常轉動的條件:
R≥ωr∕Q·f (m)
式中:
f —土壤對鎮(zhèn)壓輪的摩擦系數(shù);
ωr —軸套中的摩擦力矩(N.m);
R — 鎮(zhèn)壓輪半徑(m);
Q —鎮(zhèn)壓輪重力及其附加載荷(N)。
本設計采用了滾動軸承，件較小，所以算出的值較小，但實際工作條件較惡劣，有較大土壤顆粒，為了使它有較大翻越性，增大土壤的壓碎率，減少土壤的移動，使播種后種行較平整，覆土一致，將鎮(zhèn)壓輪直徑設計為367mm。為將土壤有效擠壓到種溝，將種子覆蓋、壓實，鎮(zhèn)壓輪必須與前進方向有一定的夾角，同時與垂直方向有一定的傾角。設置初始夾角為14°，傾角為15°，可以根據(jù)不同的土壤進行調節(jié)。
2.3.5 壓力調節(jié)機構設計
設計要求:
①鎮(zhèn)壓力調節(jié)合理，滿足需要;
②轉動靈活，無卡死現(xiàn)象。
根據(jù)理論分析彈簧的彈簧剛度k，越小，鎮(zhèn)壓力越容易達到最佳值，彈簧壓力F的力臂d2與地面支撐力N的力臂試d1之比為1/4(圖2一25)(當然此比例可以增大，但結果不僅使整個結構龐大，而且剛度不是太好。)，即只有小部分彈簧力產(chǎn)生壓力，因此壓力彈簧需要有大的彈簧剛度Kp。
由彈簧剛度公式:
Kp= Gd/8 C3n
G—彈簧材料的切變模量
d—彈簧絲直徑;
C—彈簧指數(shù);
n—彈簧的有效工作圈數(shù)。
由上式可知，其中c對Kp，影響最大。由于整體尺寸有限，以及為了使變形時彈簧有一好的導向，根據(jù)彈簧桿直徑確定彈簧內徑20mm(彈簧桿直徑為17mm)，選用Φ4mm的碳素彈簧鋼絲，即c=24/4=6所以，Kp可達(其中G=79000MPa，n設計為20圈。)9.I N/mm，以及適當調節(jié)預緊力，可滿足播種鎮(zhèn)壓的需要(壓強要求為3一8 N/cm2，壓緊后的土壤容重一般為0.8一1.2g/cm3[24])。
該結構的轉動靈活性如同連接機構一樣重要。其卡死與連接機構卡死一樣均導致地輪不能上升或下降，從而不能得到合理鎮(zhèn)壓力。因此，將固定機構上面的鎮(zhèn)壓輪彈簧座，由一般的焊接得到改為由圓棒車削得到(見圖2一27)，使它具有較好的同軸度，表面光滑，從而保證有好的轉動靈活性。
中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 參考文獻
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