免耕播種機(jī)關(guān)鍵件建模研究

彭立新，羅紅旗，王 碩，劉澤豪，楊 彪

（北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 102488）

保護(hù)性耕作是防止耕地水土及養(yǎng)分流失、土地沙漠化的有效耕作方式，免耕播種機(jī)是實(shí)現(xiàn)與推廣保護(hù)性耕作的主要農(nóng)機(jī)具之一。免耕播種機(jī)是在未經(jīng)翻耕及預(yù)施肥的條件下一次性完成深松、破茬、開溝施肥與播種、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)，最大程度減少對土地的翻動(dòng)及破壞。多年實(shí)行免耕播種之后，可能導(dǎo)致犁底層土壤板結(jié)厲害，最終影響農(nóng)作物產(chǎn)量。為了解決土壤板結(jié)問題，通過深松裝置對土壤進(jìn)行深松，松動(dòng)耕層土壤，打破犁底層，達(dá)到增強(qiáng)土壤的透水性以及提高土壤抗旱抗災(zāi)能力的作用，隨后將肥料施入合適的深度，再進(jìn)行播種。

1 深松裝置

1.1 深松鏟分類及工作條件

深松鏟按鏟柄形狀可分為直立深松鏟、折線式深松鏟、弧狀深松鏟等，按鏟頭形狀可分為箭形深松鏟、雙翼形深松鏟、鑿形深松鏟等。直線式深松鏟結(jié)構(gòu)簡單，水平方向阻力大，容易刮附雜草造成堵塞，深松效果不好，消耗比較大；折線式深松鏟深松效果較好，但拐點(diǎn)位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，磨損較嚴(yán)重，而且耕作阻力及土壤擾動(dòng)量都較大；弧狀深松鏟深松效果較好，圓弧過渡使鏟柄阻力減小，不易造成堵塞[1]。

鏟尖的主要作用是破開犁底層堅(jiān)硬的土壤，深松鏟設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是在滿足耕作深度和耕作質(zhì)量的情況下，盡可能降低工作阻力。鏟柄部位需要設(shè)計(jì)合適的強(qiáng)度、尺寸、結(jié)構(gòu)，最大限度地減少損耗，需要與機(jī)架有效連接。本設(shè)計(jì)中選取弧狀深松鏟柄和箭形深松鏟頭[2]。

1.2 深松鏟的建模

1.2.1 深松鏟鏟柄的建模

鏟柄的作用主要是連接整個(gè)深松鏟部件與播種機(jī)機(jī)架，為深松鏟的工作過程提供牽引力，滿足支撐鏟尖工作載荷的要求[3]。

（1）首先對鏟柄的基本體進(jìn)行建模，根據(jù)農(nóng)藝條件以及參考農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊確定鏟柄的厚度為34 mm，草圖的具體細(xì)節(jié)見圖1。

圖1 深松鏟草Fig.1 Deep loose shovel grass

（2）根據(jù)厚度為34 mm的條件進(jìn)行拉伸凸臺(tái)操作生成鏟柄的基本體，見圖2。

圖2 深松鏟鏟柄圖Fig.2 Deep looseshovel handle picture

（3）考慮到鏟柄前段需有60°分土刃，故選擇采用掃描的方法生成。先畫出輪廓線，見圖3，再畫出輪廓線并利用掃描功能生成分土刃，見圖4。

圖3 分土刃輪廓線Fig.3 The outline of the soil dividing edge

圖4 分土刃Fig.4 Earth dividing blade

（4）慮到與深松鏟鏟頭的配合問題，故在鏟柄基本體的底部打2個(gè)φ11 mm的螺紋孔，見圖5。

圖5 鏟柄螺紋孔Fig.5 Thread holefor shovel handle

（5）考慮到和機(jī)架的配合問題且滿足深松鏟入土高度可調(diào)節(jié)的需求，故在深松鏟柄上頂端打4個(gè)φ11 mm的螺紋孔用于螺栓連接，見圖6。

圖6 高度調(diào)節(jié)螺紋孔Fig.6 Height adjustment thread hole

1.2.2 深松鏟鏟頭的建模

（1）根據(jù)深松鏟頭的主要尺寸先粗略構(gòu)建出地面形狀拉伸出毛坯，見圖7。

圖7 鏟頭毛坯Fig.7 Rough shovel head

（2）以底面左頂點(diǎn)為基準(zhǔn)，13°夾角構(gòu)建基準(zhǔn)面1并切出鏟頭的頂面，見圖8。

圖8 鏟頭頂面圖Fig.8 Picture of the top of theshovel

（3）在基準(zhǔn)面1上畫草圖并通過拉伸切除完成頂面的基本形狀，見圖9。

圖9 鏟頭頂面形狀Fig.9 Shape of the top of theshovel

（4）側(cè)邊與底面夾角為30°，故先構(gòu)建30°的基準(zhǔn)面2并進(jìn)行切除見圖10，再建立基準(zhǔn)面3通過拉伸切除的成形到下一平面將剩余部分切除干凈，見如圖11。

圖10 鏟頭基準(zhǔn)面2Fig.10 Shovel head datum level 2

圖11 基準(zhǔn)面2Fig.11 Datum level 2

（5）因?yàn)楸旧钏社P頭為對稱體，故通過鏡像操作將另一半補(bǔ)齊，見圖12。

圖12 鏟頭頂面Fig.12 Top of shovel

（6）根據(jù)農(nóng)藝要求倒圓角，見圖13。

圖13 鏟頭倒圓角Fig.13 Fillet the spatulahead

（7）考慮到中間打螺紋孔處的平板厚度為10 mm，故建立與基準(zhǔn)面1平行且間隔為10 mm的基準(zhǔn)面4，并畫草圖以及拉伸切除操作，見圖14。

圖14 鏟頭基準(zhǔn)面4 Fig.14 Shovel head datum level 4

（8）最終打2個(gè)φ11 mm的螺紋孔用于與深松鏟鏟柄固定，見圖15。

圖15 鏟頭螺紋孔Fig.15 Shovel head thread hole

（9）通過螺栓連接將深松鏟頭與深松鏟柄固定，見圖16。

圖16 鏟頭與鏟柄固定Fig.16 The shovel head is fixed to the handle

2 開溝器裝置設(shè)計(jì)與建模

2.1 播種傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)算排種排肥輪軸的參數(shù)前需要確定種肥箱鏈輪的齒數(shù)，按照工作要求和工況條件，選用齒數(shù)Z=38的鏈輪。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選用標(biāo)準(zhǔn)鏈號為05B的鏈條，其基本參數(shù)為：節(jié)距p=8 mm，排距pt=5.64 mm，齒寬b1=3 mm，排距p1=5.64 mm，滾子外徑d1=5 mm，內(nèi)鏈板高度h2=7.11 mm。

（1）分度圓直徑：

（2）齒頂圓直徑：齒頂圓直徑最大值為：damax=d+1.25p-d1=96.88+1.28×8-5=102 mm，齒頂圓直徑最小值為：d amin=d+綜上取齒頂圓直徑為100 mm。

（3）齒根圓直徑：df=d-d1=96.88-5=91.88mm。

（4）分度圓弦齒高:分度圓弦齒高h(yuǎn)a最大值為：hamax=2.67 mm，分度圓弦齒高最小值為：hamin=0.5*（p-d1）=0.5×（8-5）=1.5mm，取分度圓弦齒高為2 mm。

（5）最大齒根距離:最大齒根距離Lx為（偶數(shù)齒）：Lx=dd1=91.88 mm。

2.2 開溝器裝置設(shè)計(jì)

常見的開溝器一般包括鏟式、芯鏵式、圓盤式[4]。鏟式開溝器主要有鋤鏟式、翼鏟式和船型鏟式等形式，工作時(shí)能夠?qū)⒌讓油寥婪缴蠈樱蓚?cè)和前方土壤產(chǎn)生擠壓形成壟溝；圓盤式開溝器有單圓盤式和雙圓盤式，單圓盤式開溝時(shí)切出橢圓形的溝底，排種器配合圓盤運(yùn)動(dòng)將種子播入溝中，雙圓盤式開溝器中2個(gè)圓盤的刃口在運(yùn)動(dòng)方向上交于一點(diǎn)，工作時(shí)依靠自身重力和彈簧壓力入土形成種溝；芯鏵式開溝器入土性能好，通過前棱和兩側(cè)之間的曲面處理耕地中的殘茬，向兩側(cè)拋出。

由于免耕播種機(jī)是在未經(jīng)翻耕的土地上進(jìn)行作業(yè)，開溝器容易受到殘留根茬的影響，造成堵塞，影響播種質(zhì)量，因此選用破土效果相對較好的芯鏵式結(jié)構(gòu)。

2.2.1 芯鏵式開溝器主體建模

（1）已知開溝器的幅寬為12 cm，斜切角為60°，故先于上視基準(zhǔn)面繪制出底面草圖見圖17。

圖17 開溝器草圖Fig.17 Sketch of the ditch opener

（2）已知開溝器的鏵高為9 cm，先構(gòu)建與上視基準(zhǔn)面相距9 cm的參考平面1。根據(jù)脊線的曲率半徑為25 cm、入土角20°，在前視基準(zhǔn)面上畫出引導(dǎo)線見圖18，并在參考平面1上畫出幾何體上平面的草圖，見圖19。

圖18 開溝器引導(dǎo)線Fig.18 Trench opener guide wire

圖19 參考平面1Fig.19 Reference plane 1

（3）利用放樣拉伸操作拉伸出開溝器的基本主體，見圖20。

圖20 開溝器基本主體Fig.20 The basic bodyof the ditch opener

（4）同前三步草圖操作，保證厚度3 cm的前提下，進(jìn)行放樣切除，見圖21。

圖21 放樣切除Fig.21 Cut out of pattern

（5）拉伸出鏵柄以便于打螺紋孔以及后續(xù)與機(jī)架連接的問題，見圖22。

圖22 開溝器柄Fig.22 Grooveopener handle

（6）拉伸出與護(hù)種罩連接的部位，見圖23。

圖23 連接部位Fig.23 Position of connection

（7）考慮到與護(hù)種罩的配合問題，故在開溝器基本體的頂部打兩個(gè)φ11 mm的螺紋孔，見圖24。

圖24 螺紋孔Fig.24 Threaded hole

（8）考慮到和機(jī)架的配合問題且滿足芯鏵式開溝器入土高度可調(diào)節(jié)的需求，故在鏵柄上頂端打4個(gè)φ11 mm的螺紋孔用于螺栓連接，見圖25。

圖25 連接螺紋孔Fig.25 Connecting thread hole

2.2.2 護(hù)種罩建模

（1）為了保證播種管不發(fā)生偏移，護(hù)種罩應(yīng)包含固定播種管的功能。采用φ40 mm的圓管為播種管，建模上采取拉伸成型的方法，見圖26。

圖26 播種管固定孔Fig.26 Planting pipe fixing hole

（2）擋種板與連接部分的建模也采取拉伸成型，見圖27。

圖27 擋種板結(jié)構(gòu)Fig.27 Baffle plate structure

（3）考慮到與開溝器基本體的配合問題，連接位置打2個(gè)φ11 mm的螺紋孔，見圖28。

圖28 連接螺紋孔Fig.28 Connecting thread hole

3.2.3 開溝器小裝配體裝配

通過螺栓連接將芯鏵式開溝器基本體與護(hù)種罩固定，見圖29。

圖29 開溝器整體Fig.29 Whole ditch opener

3 結(jié)語

深松裝置能夠解決犁底層板結(jié)嚴(yán)重的問題，為保護(hù)性耕作的長期發(fā)展提供有利條件。開溝器是免耕播種機(jī)不可缺少的部件，根據(jù)不同土壤要求選擇合適的開溝器是保證播種質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。通過設(shè)計(jì)免耕播種機(jī)中關(guān)鍵部件，為整機(jī)設(shè)計(jì)提供支持。