免耕播種機種肥開溝器的結構設計及力學分析

（保定理工學院,河北 保定 071000）

保護性耕作技術以培肥地力、蓄水保墑的優勢得到了農業農村部大力推廣，免耕播種機是實現保護性耕作的重要機具。免耕播種機除要求具有較好的防堵性能外，還要求開溝器在地表堅實的免耕茬地形成良好種床，避免因側向阻力過大出現側彎現象，影響播種機的正常作業。因此有必要對開溝器的結構和工作性能進行研究[1]。

1 免耕播種機開溝器的技術要求

在地表堅實且有秸稈雜草覆蓋的基礎上，免耕播種機的開溝器必須具備較好的入土和開溝能力，有效防止秸稈雜草和玉米根茬對其堵塞；盡量減少動土量，以便形成較好的種床。

針對免耕播種機開溝器的技術要求，筆者設計了一種弧形種肥分施開溝器，并對其進行了力學性能分析[2]。

2 弧形種肥開溝器的結構設計

本開溝器的結構設計采用種、肥分離，施肥開溝器的前表面與防堵切刀的工作面的曲線度貼合，播種開溝器采用背靠背布置，結構如圖1所示。這種弧形種肥開溝器的結構設計不僅能防止雜草進入防堵切刀和施肥開溝器的間隙，還可以防止播種開溝器出現掛草現象。

圖1 種肥開溝器結構示意圖

2.1 弧形施肥開溝器工作參數的確定

2.1.1 種肥上下間距h的確定

農業農村部保護性研究中心經過試驗驗證，種子與肥料的上下距離在3 cm以上時才可以避免燒種，因此本弧形種肥開溝器結構設計取兩者之間的上下距離為5 cm，滿足農業農村部推薦的種肥上下間距為3 cm～ 6 cm的要求。

2.1.2 種肥水平距離K的取值

施肥開溝器在拖拉機動力驅動下挖出溝槽，肥料順勢落入溝底，被挖出的土壤在自身重力和慣性作用下填入溝槽。為了保證種子和肥料間的上下距離達到5 cm，種肥開溝器底端水平距離K應在20 cm左右，所以取K＝20 cm[3].

2.1.3 弧形施肥開溝器與防堵切刀的間隙e

施肥開溝器與防堵切刀之間的間隙是防止免耕播種機堵塞及影響其正常工作的主要參數。間隙值越小，秸稈或雜草越容易被切刀切斷。考慮到免耕地面不平整，工作過程中免耕播種機的振動等因素，本設計的弧形施肥開溝器與切刀之間的間隙設計為7 mm。

2.1.4 弧形施肥開溝器結構參數的取值

為了提高弧形施肥開溝器的切土能力，本施肥開溝器采用尖角型的結構。

（1）弧形施肥開溝器彎曲半徑R

其中，R為弧形開溝器的彎曲半徑，R0為防堵切刀的回轉半徑。R0=250 mm。

由上式計算得R=257 mm

（2）弧形施肥開溝器入土角α的取值

圖2 施肥開溝器結構示意圖

如圖2所示，入土角即尖角型施肥開溝器上表面過尖角點的切線與水平面的夾角，是降低土壤阻力的主要參數[4]。

本次弧形施肥開溝器的入土角α設計為

（3）弧形施肥開溝器的截面尺寸

施肥開溝器的截面尺寸是保證開溝器承受工作阻力的重要參數。本施肥開溝器采用結構尺寸為30 mm×50 mm的45號方形鋼。

（4）弧形施肥開溝器入土隙角ε的確定

如圖2所示，入土隙角為尖角型施肥開溝器下表面過尖角點切線與水平面的夾角。入土隙角一般為5°～10°[6]。本弧形施肥開溝器的入土隙角設計為7°。

2.2 尖角型施肥開溝器強度校核

尖角型施肥開溝器在工作過程中難免會因堅硬的根茬或土壤使其承受較大側向力，久而久之使開溝器發生側向彎曲變形。

施肥開溝器在O點用U型螺栓與橫梁固定連接，工作過程中相當于懸臂梁[5]，受力如圖3所示。

圖3 施肥開溝器鏟柄受力示意圖

施肥開溝器的尖角在工作過程中受到的力有前進阻力F2，地下土壤給予的支反力F1，突發側向力N。原則上尖角型開溝器承受的左右兩側的側向力等效，開溝器不會發生側向彎曲，但是在免耕播種機實際工作過程中，開溝器的尖角某個側方向時常會碰到堅硬的根茬或土塊，使得尖角承受較大的側向力，導致開溝器尖角發生側向彎曲，影響免耕播種機正常作業。根據短翼型尖角開溝器受到的土壤給予的支反力與前進阻力均值之比為14.18/182.97，即F2約等于13倍的F1。故對施肥開溝器進行強度校核時，土壤給予的支反力忽略不計，只需增大安全系數即可。

根據上述分析，施肥開溝器尖角在工作過程中主要承受前進阻力F2和突發側向力N，施肥開溝器在二力作用下的剪力和彎矩圖如圖4、5所示。根據施肥開溝器的剪力和彎矩圖可以看出，開溝器的危險截面在原點O處，即U型螺栓的固定點處。

尖角型施肥開溝器的總體尺寸參數如圖3所示a1=513 mm，a2=215 mm。查閱文獻資料，當入土深度為6～11 cm時，每個開溝器的平均阻力為313.9～490.5 N。為了確保施肥開溝器具有較好的開溝性能，本校核弧形施肥開溝器承受的工作阻力取值為460 N。突發側向力取值N=2F（F為開溝器在堅硬土壤行進過程中的前進阻力值約為946.8 N），由此可知突發側向力N=1893.6 N。由機械設計手冊查得45號方形鋼的許用應力[σ]=300 MPa。

圖4 開溝器在F2作用下的剪力和彎矩圖

圖5 開溝器在N作用下的剪力和彎矩圖

為了更好地校核尖角型開溝器的作業性能，將其在工作過程中受到的前進阻力和突發側向力單獨計算，分析尖角型開溝器危險截面的安全性。

（1）當尖角型開溝器單獨受前進阻力作業時，建立如圖6所示坐標系，其受力圖6所示。

圖6 開溝器受前進阻力F2示意圖

圖7 開溝器截面尺寸示意圖

在垂直面XOY坐標內，施肥開溝器水平截面的慣性矩為

在前進阻力作用下施肥開溝器的抗彎截面模量為

最大彎曲正應力為

最大彎曲剪應力為

（2）當尖角型施肥開溝器單獨承受突發側向力時，受力如圖8所示。

在水平XOZ坐標內,施肥開溝器水平截面的慣性矩為

在突發側向力作用下施肥開溝器抗彎截面模量為

最大彎曲正應力為

最大彎曲剪應力為

突發側向力對施肥開溝器造成彎曲變形也會使其產生一定程度的扭轉變形，無形中也增大了危險截面的剪應力，扭矩對施肥開溝器危險截面造成的最大剪應力為

其中，從材料力學表4.2選取。

故由彎曲剪應力和扭轉剪應力共同對施肥開溝器產生的最大值為19.55 MPa。

根據彎扭組合的第三強度理論，施肥開溝器危險截面的最大組合應力為

3 結論

該尖角弧形種肥開溝器的結構設計不僅很好地完成了開溝、施肥、播種和覆土的功能，且弧形的巧妙設計也使得免耕播種機的防堵性能增強。通過對主要受力部件弧形施肥開溝器的力學計算進一步驗證其具有一定的工作裕量。即使承受瞬時增大的側向力也有足夠的抵抗能力，較好地滿足了種肥開溝器的使用要求。