小型多功能農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)施肥播種模塊的設(shè)計

黃瑾媛

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，貴州貴陽550008)

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小型多功能農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)施肥播種模塊的設(shè)計

黃瑾媛

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，貴州貴陽550008)

摘要：對小型多功能農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)中的施肥播種機(jī)模塊進(jìn)行了設(shè)計，使用農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊，確定了排肥軸、排種軸的轉(zhuǎn)速和尺寸等各項參數(shù)，并確定了外槽輪排種器的每轉(zhuǎn)排種量、排肥星輪每轉(zhuǎn)的排肥量，最后借助三維軟件SolidWorks的建模方法，對小型多功能農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)中的施肥播種模塊進(jìn)行三維建模，為設(shè)計制造小型多功能農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)樣機(jī)提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:小型多功能農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)設(shè)計施肥播種模塊三維建模

0引言

本文所設(shè)計的施肥播種機(jī)主要是針對山地丘陵地區(qū)、田塊小、交通不便利、生產(chǎn)規(guī)模小的情況下進(jìn)行作業(yè)的施肥播種機(jī)。根據(jù)功率的計算得出，這里選用5.7 kW的行走方式為自走式，選擇發(fā)動機(jī)的型號為YK186F型柴油機(jī)：標(biāo)定轉(zhuǎn)速3 000 r/min；額定功率為5.7 kW；最大的功率為6.3 kW；凈重：48 kg；外型尺寸：0.441 m×0.417 m×0.494 m，動力底盤驅(qū)動，整機(jī)重量大概為150 kg左右。

1行走裝置的選擇

行走裝置的選擇原則是能讓機(jī)器行走穩(wěn)定和靈活。機(jī)器在地面上放置或行駛時要保持穩(wěn)定，必須有三個以上不在同一直線上的支撐點，同時機(jī)器的重心在地面上的投影要在支撐點連線的幾何多邊形之內(nèi)。本課題設(shè)計的小型施肥播種機(jī)的行走裝置選擇四個輪子分別為四個支點，這樣就可以避免鎮(zhèn)壓輪成為一個支點。這樣鎮(zhèn)壓輪、開溝器、覆土器就可以在同一直線上。四個輪子與動力相連，這種布置結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，重量小。

2施肥播種模塊的設(shè)計

圖1　傳動系統(tǒng)示意

多功能小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)的施肥播種模塊的布置，如圖1所示。其傳動特點是它的傳動部件與地面有一個夾角，它的傳動裝置是在施肥播種機(jī)的兩側(cè),采用的是當(dāng)動力源推動機(jī)器向前行走時，使鎮(zhèn)壓輪轉(zhuǎn)動，然后通過鏈傳動使排種槽輪和排肥星輪轉(zhuǎn)動，達(dá)到排肥和排種的目的。

3開溝裝置的選擇[1]

根據(jù)各個地方的播種要求，氣候環(huán)境和土地條件的不同，播種施肥機(jī)應(yīng)該有相應(yīng)的開溝器。按入土角的不同，開溝器有兩大類，分為銳角開溝器和鈍角開溝器兩大類。銳角開溝器，通常有翼鏟式、鋤鏟式、芯鏵式等。鈍角開溝器，主要有滑刀式、靴鞋式、單圓盤式等。這里主要設(shè)計的是兩種開溝器,第一種是播種開溝器,第二種是施肥開溝器。施肥開溝器我們選用芯鏵式開溝器。開溝器的工作阻力受多種因素的影響，如開溝器形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、開溝深度、土壤特性及播種機(jī)作業(yè)速度等。

芯鏵式開溝器一般是用0.003 m～0.004 m的65 Mn鋼板制成，入土角α范圍一般為15°～25°，這里我們選用α=20°。為了方便入土，芯鏵的底部一般會有隙角ε，大小為ε=5°。為了保證土粒、雜草、沿刃口滑移，而不會造成擁堵和纏掛，斜切角γ一般取60°～75°，這里我們采用γ=60°。為了在開溝時不會發(fā)生擁土，且不會增加阻力，我們的鏵高H一般選用0.08 m～0.14 m，這里我們采用H=0.080 m。芯鏵的幅寬B主要取決于播種的苗幅寬度,這里我們采用B=0.05 m。為了使入土的結(jié)構(gòu)緊湊和性能好，脊線曲率半徑R取0.25 m～0.35 m為好。這里我們采用R=0.3 m。

4覆土器和鎮(zhèn)壓輪的選擇[1]

由于開溝器本身的覆土作用還不夠好，不能使種子打到要求的覆土厚度，所以開溝器后面常有覆土器和鎮(zhèn)壓輪配合工作，覆土器要求先覆以細(xì)濕土，覆土要均勻不能影響到種子的分布。谷物條播機(jī)常用的覆土器有拖環(huán)式、拉桿式，工作時，圓環(huán)、圓鋼、鏈條在地面上拖動而覆土，起到拖平播種后的地表的作用。中耕作物播種常用的有刮板式和鏟式。這里我們選用鏟式覆土器會聯(lián)結(jié)在鎮(zhèn)壓輪架上，鏟式覆土器的覆土板長L應(yīng)該在0.1 m～0.2 m之間，板寬則在0.06 m～0.08 m之間，根據(jù)行距、秒幅寬度和覆土量定，本機(jī)的覆土板長L=0.11 m，板寬a=0.08 m，兩板間的夾角為60°，后開口寬B=0.07 m。

覆土器與鎮(zhèn)壓輪的配置有兩種，一種是覆土器在鎮(zhèn)壓輪的前面，另一種是覆土器在鎮(zhèn)壓輪的后面。在此我們選用后者，先覆土再鎮(zhèn)壓，它能使土壤和種子緊密接觸，利于種子的發(fā)芽。覆土器與鎮(zhèn)壓輪在工作中應(yīng)能仿形，可以適應(yīng)地面的起伏情況，保持覆土深度的穩(wěn)定,以避免鎮(zhèn)壓輪堵塞 。

鎮(zhèn)壓輪可以壓碎土塊和平整地面。將土壤壓實使土壤和種子有一定的緊實度，以便于種子的發(fā)芽。它還可以減少土壤里的孔隙，降低水分的蒸發(fā)。常用的鎮(zhèn)壓輪有6種：圓柱鎮(zhèn)壓輪、凹面和凸面鎮(zhèn)壓輪、圓錐復(fù)合鎮(zhèn)壓輪、膠圈鎮(zhèn)壓輪、寬型橡膠鎮(zhèn)壓輪、窄型橡膠鎮(zhèn)壓輪。這里我們選用圓柱型鎮(zhèn)壓輪。鎮(zhèn)壓輪自身的重量以及作用在它上面的力，決定了鎮(zhèn)壓輪的壓力大小。它的壓強(qiáng)一般為30 kPa～50 kPa。如果要使鎮(zhèn)壓輪能夠正常轉(zhuǎn)動，必須滿足的條件是：

(1)

式中：ωr—軸套中的摩擦力矩(Nm)；

f—土壤對鎮(zhèn)壓輪的摩擦系數(shù)；

Q—鎮(zhèn)壓輪重力及其附加負(fù)荷(N)；

R—鎮(zhèn)壓輪半徑(m)。

若鎮(zhèn)壓輪作為排肥和排種部件的動力元件時，要使鎮(zhèn)壓輪不滑移，能夠正常的轉(zhuǎn)動的條件是：

(2)

式中：ωp—帶動排肥排種部件所消耗的傳動力矩Nm。

經(jīng)過計算得出R≥0.15m，結(jié)合我們行走模塊的后輪直徑，確定鎮(zhèn)壓輪的直徑D=0.3m。有些鎮(zhèn)壓輪會被用作開溝器的仿形輪或排種器的驅(qū)動輪，我們設(shè)計的鎮(zhèn)壓輪，就是將鎮(zhèn)壓輪作為排種器的驅(qū)動輪進(jìn)行設(shè)計的。為了保證覆土器的覆土量和鎮(zhèn)壓輪產(chǎn)生一定的鎮(zhèn)壓力，可以通過彈簧來調(diào)節(jié)它們的重量。

5輸種管

輸種管的作用是將排種器排出的種子，能順利的通過開溝器落到地溝內(nèi)，選擇的輸種管必須要能保證種子能夠自由流動。為了要適應(yīng)開溝器的升降調(diào)節(jié)，輸種管鉸接于排種器上，要能在各個方向擺動，所以輸種管要有一定的伸縮量、彈性和彎曲度，同時結(jié)構(gòu)不要復(fù)雜，易于制造和維修。這里我們選用橡膠折皺管。

輸種管的直徑范圍，最小直徑0.026m，最大直徑0.04m。在此我們選用輸種管的直徑為0.03m。為了使大部分種子均為自由落體，輸種管應(yīng)按前進(jìn)方向向后傾斜，這里為了節(jié)約成本我們采用橡膠管，其最小的傾斜角為50°。而輸種管的長度可以通過以下公式來確定：

(3)

式中：H—種子從排種管口下落到開溝器體接種口的垂直距離(m)；α—輸送管傾斜角夾角。

鎮(zhèn)壓輪直徑確定0.3m，一般情況下輸種管長度為0.3m～0.5m。選用輸種管長為0.38m。

6排種槽輪的轉(zhuǎn)速和排肥器的轉(zhuǎn)速的確定

圖2

如圖2，鎮(zhèn)壓輪上裝的鏈輪1，它是傳動系統(tǒng)的主動鏈輪，由鏈輪1通過鏈條將動力傳送到由傳動軸上的鏈輪2通過鏈條帶動排種軸上的鏈輪3，使排種軸轉(zhuǎn)動。排種軸上還裝有齒輪n,它直接傳動排肥軸上的齒輪n,使排肥軸轉(zhuǎn)動。排肥軸在每個排肥器下，裝有一對錐形齒輪，由錐形齒輪m傳動錐形齒輪n，使排肥星輪軸帶動排肥星輪轉(zhuǎn)動。取地輪軸轉(zhuǎn)速為n1=26.13r/min。由于槽輪轉(zhuǎn)速在9r/min～60r/min每轉(zhuǎn)播量穩(wěn)定，所以我們?nèi)〔圯嗈D(zhuǎn)速n2=10r/min。因為排種槽輪是裝在排種軸上的，所以排種軸轉(zhuǎn)速就是排種槽輪的轉(zhuǎn)速。

在排種傳動系中，地輪軸H1為第一主動軸，它帶動排種器H2，排種軸H2為最末的從動軸，其中經(jīng)兩對鏈輪，齒數(shù)Z1、Z2和Z3、Z4。n2=10r/min，按照傳動路線可得排種傳動比i13為：

(4)

可以確定鏈輪1的Z1=17，傳動軸鏈輪的Z2=45，傳動軸鏈輪的Z3=17，排種軸上的鏈輪Z4=25，排肥軸上的錐形齒輪M的齒數(shù)Zm=12，錐形齒輪N的齒數(shù)Zn=23。在排肥系統(tǒng)中,鎮(zhèn)壓輪軸H1為主動，經(jīng)過排種軸H2、排肥軸H3、帶動排肥星軸H4。按照其傳動路線，可計算出排肥傳動比i14為：

(5)

則排肥星輪軸的轉(zhuǎn)速n4為：

(6)

因為排肥星輪是裝在排肥星輪軸上的，所以排肥星輪軸轉(zhuǎn)速就是排肥星輪的轉(zhuǎn)速。

7外槽輪排種器和排肥星輪的參數(shù)確定

外槽輪排種器主要參數(shù)的確定根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊上冊得知，目前用的最多的小槽輪排種器直徑為40mm。這個對播小麥和小粒的種子排種的均勻性好，我們也是根據(jù)小粒種子來確定參數(shù)的，由于小粒種子播種時槽型要淺，槽數(shù)易多，這樣才能使播量小，而且排種較均勻。所以我們確定槽輪的工作長度一般取L=0.04m，而凹槽半徑r=0.004 5m，槽數(shù)=18。根據(jù)排種的原理決定，每一轉(zhuǎn)的排種量Q1要和農(nóng)業(yè)技術(shù)要求的排種量Q2能夠相等。

Q2按下式計算：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：dg—槽輪根圓直徑；r—凹槽圓弧半徑。

由于選用的槽輪直徑D=0.04m，則它的根圓直徑dg=0.032m。

因為地輪軸轉(zhuǎn)速為0.52m/s，所以行走l=100m，需要t=52s，地輪軸轉(zhuǎn)速n3=26.13r/min，那走過l=100m，地輪就轉(zhuǎn)了n=22.65。將數(shù)據(jù)帶入式(8)，(9)，(10)得：

≈0.026m

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊(上冊)查出農(nóng)業(yè)技術(shù)要求種子播種量Q(kg/畝)，就可以得到種子每一轉(zhuǎn)的排種量Q2為：

(11)

排肥星輪的各參數(shù)根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊(下冊)，我們選擇的排肥星輪的直徑為0.12m，星輪盤厚0.005m，齒厚為0.005m，齒高為0.016m，齒數(shù)為8，星輪凹槽半徑為R=0.01m，星輪齒形為等腰梯形，星輪底盤有兩個突棱，可以方便消除積肥。排肥星輪的排肥能力取決于它的尺寸、形狀和活門開度的大小。活門開度的大小通常是通過手柄，改變活門相對于星輪表面的間隙而改變排肥量的，活門的開度一般為0.01m，活門可在0～30°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。星輪每轉(zhuǎn)的排肥量q按下式計算：

(12)

式中：F—星輪每單個齒槽面積(m2)；δ0—星輪齒厚(m)；h—活門開度(活門至星輪上表面的距離)(m)；a—肥料充滿系數(shù)，一般取0.7；z—星輪齒槽數(shù)；γ—肥料單位容積質(zhì)量(g/L)如表1。

表1　肥料單位容積質(zhì)量

凹槽半徑為R=10mm，根據(jù)農(nóng)機(jī)設(shè)計手冊中排肥星輪的可得，凹槽圓弧長：

但是也不能過小，所以取l=0.028m。

所以，星輪每單個齒槽面積：

F=l×星輪齒厚=28×5=140mm2

(13)

所以星輪每轉(zhuǎn)的排肥量：

(14)

8種箱和肥料箱的計算

對種箱和肥料箱的要求，必須要有足夠的容量，最好是做到能在地頭的時候才進(jìn)行加種加肥，并且種箱和肥料箱要質(zhì)量輕，堅固耐用，加肥加種的時候方便，箱蓋要密封且不漏氣。防止雨水的浸入。

種、肥箱的容量V可以根據(jù)以下公式確定：

(15)

式中：L—裝滿一箱種子或肥料所能播種或施肥的距離。最少應(yīng)等于地塊長度的兩倍(m)；

B—工作幅寬(m)(為開溝器數(shù)和行距的乘積)；

Nmax—單位面積最大播種量或施肥量(kg/畝)；

γ—種子或肥料的單位容積質(zhì)量(kg/L)。

由于不同的種子，各個參數(shù)也不同，所以我們?nèi)S建模畫的種箱和肥料箱，是根據(jù)機(jī)械的架構(gòu)美觀來進(jìn)行設(shè)計的。如果需要某種特定的種箱或肥料箱，就根據(jù)查出的參數(shù)，按照上述公式計算出。最后確定種箱尺寸為：0.2 m×0.15 m×0.17 m。肥箱尺寸為：φ0.2 m。

9三維建模

對小型施肥播種機(jī)進(jìn)行三維的實體建模，SolidWorks不僅可以提高設(shè)計的效率，也能在裝配的過程中進(jìn)行動態(tài)的裝配干涉檢查。 最后還能夠?qū)ρb配圖進(jìn)行上色、陰影、透明、紋理、選擇材料等。真實的裝配是用焊接、螺釘和螺栓等連接方式來進(jìn)行裝配的，而虛擬裝配是通過對各零部件間的幾何位置的約束關(guān)系來進(jìn)行裝配的，它是由零部件的點、線、面來進(jìn)行約束的，主要的約束關(guān)系有，重合、平行、相切、同軸等方式。得到我們小型施肥播種機(jī)的三維建模，如圖3。

圖3　施肥播種機(jī)的三維建模

10總結(jié)

本文對小型多功能農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)的施肥播種機(jī)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計和計算，確定了排肥軸和排種軸的轉(zhuǎn)速和尺寸，以及傳動鏈上鏈輪的齒數(shù)等參數(shù)。并且確定了外槽輪排種器和排肥星輪的每轉(zhuǎn)的排種和排肥量。建立了自走式小型施肥播種機(jī)各個模塊的三維模型，并對其進(jìn)行了整機(jī)的裝配。完成了小型多功能農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)中的施肥播種機(jī)模塊，為小型多功能農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)的設(shè)計打下基礎(chǔ)。

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中圖分類號：S223

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1002-6886(2016)03-0053-05

作者簡介：黃瑾媛，女，29歲，漢族，籍貫：貴州，貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院老師，機(jī)械制造及其自動化專業(yè)，主要研究方向為機(jī)械設(shè)計制造及車輛工程。

收稿日期：2015-09-28

Design of the fertilizing and seeding module of the small multifunctional agricultural machinery

HUANG Jinyuan

Abstract:In this study, we designed the fertilizing and seeding module of the small multifunctional agricultural machinery. We used the manual for agricultural machinery to decide the parameters such as the rotation speed and the size of the fertilizing shaft and the seeding shaft, the seeding amount per round of the seeding slot wheel, and the fertilizing amount per round of the fertilizing star wheel. Then we established the 3D model of the fertilizing and seeding module using SolidWorks. This study has provided theoretical basis for the production of the small multifunctional agricultural machinery.

Keywords:small multifunctional agricultural machinery; design; fertilizing and seeding module; 3D modeling