小籽粒精密播種機(jī)仿形裝置的設(shè)計(jì)研究

張曉軍

（運(yùn)城市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山西 運(yùn)城 044000）

山西省小籽粒雜糧作物大多數(shù)種植在丘陵地區(qū)，地塊面積小，形狀不規(guī)則，大中型農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)地通過的道路條件差，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度很低。同時(shí)，青壯年勞動(dòng)力大都進(jìn)城務(wù)工、小籽粒作物播種作業(yè)質(zhì)量不高、工作效率極低等成為制約提高農(nóng)民收入的障礙。面對丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)裝備和生產(chǎn)方式整體落后的現(xiàn)狀，要實(shí)施“特”“優(yōu)”戰(zhàn)略，改進(jìn)設(shè)計(jì)適合山西省各地區(qū)的作物（谷子、糜子、高粱、蕎麥、莜麥、油菜等）的系列化小籽粒精量播種機(jī)成為必然[1-2]。

精密播種以精確的播種量、株行距和深度進(jìn)行作業(yè)，具有節(jié)省種子、免除出間苗作業(yè)、苗距整齊的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益明顯[3]，因節(jié)本增效顯著成為國家主要扶植推廣的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)[4]。精密播種機(jī)分氣力式、機(jī)械式，氣力式包括氣吸式、氣壓式、氣吹式3種。小籽粒精密播種機(jī)采用氣吸式，解決現(xiàn)有的小籽粒播種機(jī)在播種時(shí)排種器型孔堵塞和種子破損問題。

精密播種機(jī)的株距、播量、播深重要指標(biāo)影響出苗率、出苗整齊度，直接影響作物產(chǎn)量[5]。播深的穩(wěn)定性取決于仿形機(jī)構(gòu)的性能，農(nóng)業(yè)機(jī)械上常用的仿形機(jī)構(gòu)有單鉸鏈仿形機(jī)構(gòu)、平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、多桿雙自由度仿形機(jī)構(gòu)等類型[6]，其中平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)使開溝器入土角不變，結(jié)構(gòu)簡單，仿形性能好，成本低，安裝及調(diào)整便利，被廣泛應(yīng)用于精密播種機(jī)上。本文對主要仿形部件及其單體下壓力調(diào)節(jié)組合、單體提升鎖扣裝置進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。

1 平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)的工作原理和配套裝置

平行四連桿機(jī)構(gòu)由前架、上桿、下桿、后桿連接架，仿形輪及工作部件組成。前架、上桿、下桿、后桿連接架相互鉸接構(gòu)成平行四邊形，見圖1。工作部件的作業(yè)深度靠仿形輪相對于地面的高度來調(diào)節(jié)。從圖1中可知，前架固定在懸掛架上，上桿和下桿平行相等，A、B、C、D是4個(gè)鉸接點(diǎn)，在工作過程中，上桿和下桿繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，前架和懸掛架相對不動(dòng)，地輪前進(jìn)時(shí)隨地表起伏上下移動(dòng)，帶動(dòng)工作部件上下移動(dòng)調(diào)整作業(yè)深度。特點(diǎn)是開溝器入土角不變，作業(yè)深度相對一致。

圖1 平行四連桿機(jī)構(gòu)示意Fig.1 The schematic diagram of parallel four-bar linkage

由平行四邊形特點(diǎn)而知，工作部件在工作過程中必須有極限位置，同時(shí)在運(yùn)輸過程中要相對鎖定。極限位置是指每個(gè)工作單組在上下移動(dòng)過程中確定工作部件最高極限位置和最低極限位置。提升鎖扣成為極限位置和鎖定功能的控制板；同時(shí)，下壓力調(diào)節(jié)裝置作用是平行四連桿機(jī)構(gòu)在仿形過程中圍繞鉸接點(diǎn)隨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成仿形過敏，相對穩(wěn)定性差，由于拉伸彈簧的作用，使得下壓力可調(diào)，無論在硬茬播種遇到土壤堅(jiān)實(shí)度大的播種條件下還是在旋耕整地后的土壤堅(jiān)實(shí)度小的播種條件下，仿形效果都較為可靠，使精密播種機(jī)適用于各種客觀情況。

2 提升鎖扣的設(shè)計(jì)

2.1 提升鎖扣結(jié)構(gòu)造型

要控制工作部件的極限位置即平行四連桿后桿的上下極限位置，圖2機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)。撐桿在平行四連桿仿形過程中一邊繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，一邊相對于X點(diǎn)在滑槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，XO的長度不斷變化。當(dāng)X點(diǎn)到達(dá)L區(qū)域時(shí)后桿位于上極限位置，當(dāng)X點(diǎn)到達(dá)H區(qū)域時(shí)后桿位于下極限位置。

圖2 撐桿限位示意Fig.2 Theschematic diagram of strut limit

由圖2可知，把X點(diǎn)設(shè)計(jì)到上桿其他位置，同樣可以起到限位作用。在運(yùn)輸過程中，為了使播種單租相對固定，即把平行四連桿機(jī)構(gòu)鎖住，在撐桿上設(shè)計(jì)一個(gè)位置來完成此功能，稱之為提升鎖扣，見圖3。

圖3 提升鎖扣Fig.3 Thelifting latch

2.2 提升鎖扣的工作原理

從圖3、圖4可見，鎖扣掛接螺栓固定在上桿上和鎖扣板能夠相對運(yùn)動(dòng)，后架下螺栓固定在后架上和鎖扣板能夠相對轉(zhuǎn)動(dòng)。在仿形工作狀態(tài)下，鎖扣彈簧卡在圓頭擋銷I之下，彈力使得鎖扣掛接螺栓只能在H和L區(qū)域之間滑動(dòng)，從而仿形正常實(shí)施，而且鎖扣板在H、L處控制極限位置；在運(yùn)輸狀態(tài)下，鎖扣彈簧卡在圓頭擋銷II之上，播種機(jī)單組的重力和鎖扣彈簧彈力使得鎖扣掛接螺栓只能固定在S處被鎖定。

圖4 提升鎖扣的工作原理Fig.4 The schematic diagram of lifting latch

2.3 平行四連桿的尺寸及提升鎖扣的設(shè)計(jì)參數(shù)確定

2.3.1 平行四連桿尺寸確定

通常情況下，單組式精密播種機(jī)四連桿的上下仿形量各為80～120 mm[7-8]，由圖5可知。

圖5 平行四連桿示意Fig.5 The schematic diagramof parallel four-bar linkage

其中：α——牽引角，°；S1——上仿形量，mm；S2——下仿形量，mm；α1——上仿形角，°；α2——下仿形角，°。根據(jù)本地實(shí)際情況和整機(jī)的機(jī)動(dòng)圖設(shè)定牽引角α為3°，α1為19°，α2為19°，AB長度170 mm。則BC=AD=245.7 mm，取整數(shù)250 mm。

2.3.2 提升鎖扣參數(shù)確定

設(shè)定鎖扣掛接螺栓在上桿的G處，距離C處130 mm，點(diǎn)H—L滑槽長度為75 mm，驗(yàn)算仿形總量符合農(nóng)藝要求即為合理，見圖6。

圖6 提升鎖扣控制的兩個(gè)極限位置Fig.6 The two limit positions of lifting latch control

上仿形量：

下仿形量為：

仿形總量為：250sin（90°-67.52°）+250sin（108.77°-90°）=176 mm

鎖扣掛接螺栓的定位，H—L滑槽長度均符合要求。

3 下壓力調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

3.1 平行四連桿機(jī)構(gòu)的受力分析

播種機(jī)正常平穩(wěn)工作時(shí)，所受的力有重力G、牽引力P、土壤阻力R、仿形輪支反力N，四力平衡。從圖6中可知，前提條件是仿形輪支反力N必須＞0，否則仿形輪起不到作用。因?yàn)闋恳Φ姆较蚴冀K和拉桿平行，能使整個(gè)機(jī)構(gòu)繞鉸接點(diǎn)A、D逆時(shí)針的力只有重力G。仿形輪的支反力N只能由重力和土壤條件決定。即工作部件在土壤表層的下陷量主要由固定的機(jī)構(gòu)重力決定，適應(yīng)性差，不完全符合農(nóng)藝要求。

圖6 平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)受力示意圖Fig.6 Theforce diagram of parallel four-bar profiling mechanism

3.2 下壓力調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

彈簧的特點(diǎn)是在產(chǎn)生恢復(fù)變形時(shí)，把機(jī)械能或功能轉(zhuǎn)變成變形能，或者相反。在平行四連桿機(jī)構(gòu)的上桿和下桿之間添加拉力彈簧可使四桿機(jī)構(gòu)在繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到限制。

可以看出，圖7 a的拉簧使機(jī)具單組重力G減輕，圖c的拉簧使機(jī)具單組重力G加重。圖b彈簧不起作用，因?yàn)閺椈衫Φ姆较蚝虯B桿、CD桿是平行的，在平面機(jī)構(gòu)中彈簧約束對機(jī)構(gòu)自由度的影響是重復(fù)的，是對機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不起限制作用的重復(fù)約束，屬虛約束或消極約束，可除去不計(jì)。

圖7 彈簧不同位置圖Fig.7 Thedifferent positionsof spring

本機(jī)采用圖a方式，加上旋轉(zhuǎn)手柄即為可調(diào)力式彈簧。

圖8 下壓力調(diào)節(jié)裝置Fig.8 The regulator of downforce

3.3 拉力彈簧的計(jì)算

圓柱螺旋拉伸彈簧設(shè)計(jì)，Ⅱ類受變負(fù)荷，最大載荷為900 N，行程25 mm，采用65 Mn鋼材料。

選 用d=6 mm，D2=32 mm，Pmax=1 088.5×0.875=952＞900 N

剛度P'=Pmax/Fmax=90/25=36N/mm

圈數(shù)n=Gd4/8D23P'=78 450×64/（8×323×36）=10.77圈

取n=11圈 實(shí)際剛度P'=36×（10.77/11）=35.25N/mm

查表，選初拉力=292，F(xiàn)min=292.24/35.25=8.29 mm

Fmax=25 mm

彈簧內(nèi)徑D1=32-6=26 mm

自由長度H0=（n+1）d+2D1=12×6+2×26=134 mm

驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度及靜強(qiáng)度安全系數(shù) 查表C=32/6=5.33時(shí)

K=1.29 τmax=8KPmax

D2/πd3=8×1.29×900×32/π63=438.2MPa

τmin=118 MPa

取τp=0.35σbτs=0.5σbσb=1380MPa

η=τp+0.75τmin/τmax=1.49

η′=τs/τmax=1.56

符合[η]=1.3～1.7的要求

初應(yīng)力τ0=8P0D2/πd3=8×292×32/π63=69 MPa，符合手冊。當(dāng)C=32/6=5.33時(shí)，τ0=65～150 MPa的要求

螺旋角α=arctg（d/πD2）=3.45°，符合要求。

4 結(jié)論

提升鎖扣支撐效果良好。提升鎖扣的作用是，當(dāng)平行四連桿機(jī)構(gòu)在正常工作仿形時(shí)，鎖扣彈簧卡在圓頭擋銷I的下方，滑槽在保證仿形同時(shí)還有控制極限位置的作用；在運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，鎖扣彈簧卡在圓頭擋銷II的上方，彈力和重力鎖住機(jī)具單組，保證運(yùn)輸平穩(wěn)。

下壓力調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)力作用，提高了平行四連桿機(jī)構(gòu)的仿形適應(yīng)性，使播種機(jī)既能適應(yīng)于保護(hù)性耕作的硬茬播種，也可以適應(yīng)在旋耕后整地情況較好土壤播種。