2BMF-6機械式免耕精量播種機的設(shè)計

袁昌富，李景斌，李樹峰，王衛(wèi)兵，趙宏政

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832003)

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2BMF-6機械式免耕精量播種機的設(shè)計

袁昌富，李景斌，李樹峰，王衛(wèi)兵，趙宏政

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832003)

摘要：基于新疆農(nóng)作物及農(nóng)藝，將精量播種技術(shù)與旋耕技術(shù)結(jié)合，設(shè)計出一種適合新疆地區(qū)使用的機械式免耕精量播種機。該機采用6組安裝在刀軸上的寬幅旋耕刀，以帶狀旋耕方式完成破茬、開溝、平地及覆土等工序，兼具防堵功能，達到少耕、免耕的目的，且行走輪的設(shè)計保證了設(shè)備的通過性能和仿形能力。試驗表明：其破茬開溝能力強，防堵效果好，旋耕作業(yè)質(zhì)量穩(wěn)定，且能夠滿足本地作物的播種要求。

關(guān)鍵詞：免耕播種機；旋耕刀；有限元分析

0引言

茬地免耕播種技術(shù)是保護性耕作[1]的關(guān)鍵技術(shù)之一，其特點是收獲后不翻耕，在留茬地上直接使用帶有破茬、播種、覆土等機構(gòu)的免耕播種機播種。該技術(shù)不僅具有蓄水保墑、培肥地力、控制沙塵暴等方面的優(yōu)勢，而且減少了耕作成本，提高了農(nóng)民收入，具備經(jīng)濟效益。

新疆地區(qū)干燥少雨，土壤土壤貧瘠(以灰鈣土、白板土為主)，保水、保肥能力差，單產(chǎn)較低且不穩(wěn)定。近年來，新疆兵團實行了“減棉、增糧、增畜”的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的舉措[2]。考慮到新疆兵團大面積使用膜下滴管技術(shù)[3]，研制適合新疆兵團地區(qū)使用的免耕機必須使農(nóng)機與農(nóng)藝相結(jié)合，同時又要考慮免耕機的成本和能耗。

1結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　總體設(shè)計

2BMF-6機械式免耕精量播種機由機架、變速箱傳動軸、變速箱、滴灌帶鋪設(shè)裝置、種箱、鎮(zhèn)壓輪、排種器、限深板、旋耕刀及傳動軸等組成，如圖1所示。

該機配套動力為60kW以上，動力輸出軸轉(zhuǎn)速720r/min，經(jīng)減速器轉(zhuǎn)速減為400r/min。新疆兵團精量播種機作業(yè)速度一般為3.5～4.0km/h, 本設(shè)計取免耕機行走速度3.8km/h，約1m/s。

1.機架　2.擋土板　3.行走輪　4.變速箱　5.種箱

主要技術(shù)參數(shù)如下:

外形尺寸/mm：4 118×2 120×1 330

播種幅寬/mm：4 110

播種行距/mm：400～600

排種器形式：穴播器

播種株距/mm：選用相應(yīng)穴播器

開溝深度/mm：60～80

作業(yè)速度/km·h-1：1.88～2.32

刀軸轉(zhuǎn)速/r·min-1：400

配套動力/kW·h-1：60W以上的拖拉機

開溝器形式：旋耕

地輪形式：膠輪

1.2　工作原理

該免耕精量播種機與拖拉機三點懸掛，工作時動力輸出軸經(jīng)過變速箱將動力傳到旋耕刀軸，刀軸帶動旋耕刀完成破茬、旋耕；位于旋耕刀后面的擋土板具有平地的作用，最后在茬地上開出一條用于播種的種子帶。由于采用了寬幅的旋耕刀，其具有較強的開溝能力和適應(yīng)不同土質(zhì)及墑情的能力。精量排種器在種子帶上直接播種，并且播種的深度、株距和行距可以調(diào)整。播種深度靠地輪來調(diào)節(jié),株距可通過采用不同規(guī)格的精量排種器來實現(xiàn)，行距通過調(diào)整刀盤間距來實現(xiàn)。 行走輪的設(shè)置可以減小整機的工作阻力，同時對于不平整的土地具有仿形作用，可提高作業(yè)速度和預(yù)防雜草及殘茬的擁堵。

2關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1　精量排種器

目前，機械式精量排種器已經(jīng)比較成熟，產(chǎn)品已經(jīng)系列化。本設(shè)計選用強制夾持式精量排種器進行播種,該排種器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新疆地區(qū)的棉花播種。根據(jù)作物及農(nóng)藝要求，可以選取不同穴距(株距)的排種器。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團玉米株距為18cm，行距為40～60cm,播種深度要求為5～6cm；油葵株距為18～20cm，行距為50～70cm,播種深度要求5～7cm[4]。

本機械式精量排種器形式采用強制夾持式，由主軸、主盤、鴨嘴總成、腰帶、內(nèi)定盤、取種帶、取種器、外定盤、下種管、導(dǎo)軌及擋種板組成，如圖2所示[5]。

1.主軸　2.主盤　3.鴨嘴總成

工作原理：排種器在旋耕帶上滾動時，種子室的種子主要集中于下部集種區(qū)。取種器(見圖3)經(jīng)過集種區(qū)時，其滾輪沿導(dǎo)軌進入推程運動，通過彈簧拉開動夾，使得取種器張開一定角度，進入取種區(qū)，種子喂入到夾持取種器；當(dāng)離開取種區(qū)后，滾輪沿導(dǎo)軌進入回程運動，種子被夾住，取種結(jié)束。當(dāng)取種器夾持種子運行到上方清種區(qū)時，周圍沒有被夾住的多余種子在重力作用下從夾持取種器上落下，完成清種過程。取種器的滾輪運行到導(dǎo)軌的凸起處，取種器張開，種子在重力的作用下落入接種盒內(nèi)，通過下種口，隨鴨嘴張開，完成投種。

1.定夾　2.接種盒　3.動夾　4.滾輪　5.彈簧

該產(chǎn)品用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，可減少種子用量，提高作物生產(chǎn)率，適合玉米、油葵等顆粒作物的精量播種。

2.2　破茬、開溝裝置(旋耕刀的布置與校核)

旋耕刀是旋耕機的重要工作部件[6]，主要實現(xiàn)破茬、開溝，并把土和雜草殘茬外翻，以達到播種要求的深度。旋耕刀的形狀和布置直接影響旋耕機的功耗和作業(yè)質(zhì)量[7]。

2.2.1旋耕刀的選型

旋耕刀按照結(jié)構(gòu)型式可分為鑿形刀(適用于較松軟的土壤)、直刀(適用于旱田耕作)和彎刀(有利于切斷雜草)[8]，本設(shè)計中采用比較常用的彎刀。彎刀又分為窄刀和寬刀(單刀幅寬大于60mm)，寬刀多用于旱地，且對土壤的沖擊和撕裂作用較好，能夠獲得較好的旋耕質(zhì)量[9]。新疆兵團地區(qū)大部分地區(qū)干旱少雨，所以本設(shè)計采用寬幅彎刀。

作為農(nóng)業(yè)中常用的標(biāo)準(zhǔn)件，彎刀早已批量生產(chǎn)，目前市場供應(yīng)有不同的型號。旋耕彎刀的選用與耕深有關(guān)，根據(jù)新疆農(nóng)藝要求，玉米只需要6～8cm的播種深度即可，油葵需要4～5cm的播種深度。據(jù)此，本設(shè)計選用T245的寬刀，刀寬80mm，刀厚8mm,回轉(zhuǎn)半徑150mm。

2.2.2旋耕刀的安裝及布置

因為刀座制作工藝復(fù)雜，直接固定焊接在刀軸上不便于調(diào)整，而且刀座式安裝容易出現(xiàn)應(yīng)力集中而損壞刀片和刀座[10-12]。因此，采用刀盤式安裝旋耕刀，采取螺栓連接固定，如圖4所示。采取加大刀盤間距的方式，可以避免殘茬的擁堵。

旋耕刀的布置直接影響著旋耕機的作業(yè)效果，本產(chǎn)品設(shè)計為6行免耕精量播種，安裝6個刀盤，每個刀盤安裝6把旋耕刀，共計36把旋耕刀；采取內(nèi)彎和外彎交替布置，如圖4所示。考慮到滴灌毛管間距為60cm，刀盤布置間距為60cm，這樣旋耕刀作業(yè)時不僅可以避開毛管不至于將毛管打碎，且利于毛管下茬作物的重復(fù)利用和回收，還達到了在兩行作物之間的茬地少耕或免耕的目的。

圖4　刀鈷及布置簡圖

2.2.3旋耕刀的校核

1)旋耕刀的三維實體建模。根據(jù)旋耕刀的幾何參數(shù)，在SolidWorks 軟件中運用放樣、拉伸切除等命令，完成旋耕刀的實體建模(為了簡化模型，忽略了圓角、倒角等特征)，如圖5～圖7所示。

2)荷載的確定。影響旋耕刀荷載的因素很多，主要有刀軸轉(zhuǎn)速、免耕機前進速度、耕深、土壤含水率、土質(zhì)及土壤密實度等。旋耕刀受力比阻其實可以近似旋耕機的比阻，因為旋耕機前進方向所受荷載的部件主要為旋耕刀[13-15]。

圖5　旋耕刀的三維模型

圖6　荷載施加

圖7　網(wǎng)格化

(1)

Wα=Wε*η

(2)

其中，Kr為旋耕機比阻( kPa) ,一般取100~160kPa；Wε為動力輸出功率(kW)；B為耕作幅寬(m)；H為耕深(m)；Vz為機器前進速度。取Kr=100kPa，得Wε=10.75kW，Wα=8.6kW，Wα為作用于旋耕刀的功率。本設(shè)計根據(jù)變速箱要求總傳動效率η=0.8 ，則旋耕刀所受的轉(zhuǎn)矩為

(3)

代入相關(guān)性數(shù)據(jù)，T=203.33N·m，則刀刃面所受的力為

(4)

3)旋耕刀的靜態(tài)分析。利用SolidWorks的插件Simulation進行旋耕刀的有限元分析，目的是分析旋耕刀在工作時的變形和應(yīng)力大小，校核旋耕刀的強度。

定義旋耕刀的材料為合金鋼，其基本參數(shù)如8所示，應(yīng)變分析結(jié)果如圖9所示。

旋耕刀受力最大值發(fā)生在刀柄與刀盤固定連接的部位，最大荷載為 48.5MPa，低于材料的應(yīng)力值220.594MPa，應(yīng)力最大值發(fā)生在刀柄安裝孔附近。

圖10、圖11應(yīng)變及位移分析結(jié)果表明：該荷載導(dǎo)致的旋耕刀最大應(yīng)變?yōu)?.56×10-4，發(fā)生在旋耕刀刀軸安裝孔；最大位移為0.242 1mm，發(fā)生在旋耕刀正切刃的刀尖處。以上變形比例為75.321 8。

圖8　旋耕刀的材料參數(shù)

圖9　節(jié)點等效應(yīng)力等值線圖

圖10　節(jié)點等效應(yīng)變等值線圖

圖11　節(jié)點等效位移等值線圖

2.3　覆土鎮(zhèn)壓

在鎮(zhèn)壓之前，通過擋土板進行土壤的覆土和找平。 鎮(zhèn)壓則采用了結(jié)構(gòu)簡單通過性強的寬幅橡膠輪，地輪直徑為400mm，地輪鎮(zhèn)壓幅寬120mm。

3試驗結(jié)果與分析

2015年7月，在新疆石河子大學(xué)農(nóng)試場三連，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)機檢驗測試中心對 2BMF-6機械式免耕精量播種機進行了性能測試,對麥茬地進行玉米免耕播種。試驗條件如表1所示。

表1　試驗條件匯總表

該產(chǎn)品按照《GB/T 20865-2007 免耕施肥精量播種機》檢測5項，結(jié)果如下：穴數(shù)數(shù)合格率88%，空穴率0，種子破損率0%，播種深度合格率90%，作業(yè)效率1.6hm2/h。

4結(jié)語

2BMF-6機械式免耕精量播種機結(jié)構(gòu)簡單，破茬開溝能力強且防堵性能好，作業(yè)效果及穩(wěn)定性良好，作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性強，適用于玉米、油葵等新疆兵團常見作物的茬地免耕播種。本研究結(jié)合新疆農(nóng)藝，較好地把茬地免耕技術(shù)與精量播種技術(shù)結(jié)合起來，達到了免耕、少耕的效果。

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The Design of 2BMF-6 Type No-tillage Precision Seeder

Yuan Changfu, Li Jingbin, Li Shufeng, Wang Weibing， Zhao Hongzheng

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University, Shihezi 832003，China)

Abstract：Combined with the precision seeding technology and the technology of rotary tillage, designed a suitable for the use of the Xinjiang region mechanical type no tillage sowing machine. It adopts six groups wide rotary blades arranged on the shaft. to strip rotary tillage stubble, ditching, flat ground, overburden process, both anti blocking function, achieve minimum tillage and no tillage;walking wheel design to ensure the equipment through performance and ability of copying.The test proved that the ability of stubble breaking ditching, good anti logging effect, The rotary tillage quality is stable and can meet the requirements of the local crop ,it is suitable for Xinjiang area.

Key words：no-tillage sowing； rotary balde； finite element analysis

中圖分類號：S223.2+6

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0118-05

作者簡介：袁昌富(1980-)，男，河南商丘人，講師，碩士，(E-mail)ycf2008@shzu.edu.cn。通訊作者：李景彬(1980-)，男，河南淮陽人，副教授，博士，(E-mail)ljb8095@163.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD42B03)；石河子大學(xué)優(yōu)秀青年基金項目(2013ZRKXYQ06)

收稿日期：2015-10-06