同步仿形機構和鎮壓裝置的設計

薛 榮

（山西省農業機械發展中心，山西太原 030000）

0 引言

2022年，農業農村部在16個?。ㄗ灾螀^、直轄市）大力推廣大豆玉米帶狀復合種植技術，擴大大豆種植面積，提升大豆產量。這項技術是根據大豆玉米生物特性差異進行套作，利用玉米邊行優勢，實現年際間交替輪作，適應機械化作業、作物間和諧共生的一季雙收的種植模式。在山西省玉米大豆種植模式是2+3或2+4模式，行距、株距、播深與凈作作業不同，因此與之配套的播種機通過改進設計要滿足這些農藝要求。本文設計的同步仿形機構和鎮壓裝置就是大豆玉米帶狀復合種植播種機單體的主要部件。

仿形機構是播種機的主要工作部件，其作用是保證播深的一致性，播深穩定與否影響種子的出苗率和禾苗的整齊度，從而影響作物的產量。農業機械常用的仿形機構有單鉸鏈仿形機構、平行四連桿仿形機構、多桿雙自由度仿形機構。單鉸鏈仿形機構主要靠外力平衡，入土角隨地表變化，播深不穩定；平行四連桿機構在起伏不大的田間作業深度比較穩定，入土角不變，結構簡單；多桿雙自由度仿形機構仿形量大、工作平穩，運動平緩，適合大型農機裝備，特點是結構復雜，成本較高[1]。播種機的仿形機構分為整體仿形和單體仿形兩種，整體仿形是以地輪為仿形部件，整機隨地表起伏上下移動，單體仿形是每個播種機單體靠平行四連桿和仿形輪（限深輪或鎮壓輪）組合進行仿形。平行四連桿機構因造價低，性價比高，安裝調整方便等優點得到廣泛應用[2]。本機采用平行四連桿機構和限深輪組合進行單體仿形。

1 同步仿形機構的設計

1.1 平行四連桿仿形機構仿形輪配置分析

仿形輪設置在開溝器前面一定位置稱之為前仿形，這種配置使開溝器的仿形運動總要落后仿形輪的仿形，形成仿形滯后。同理，仿形輪設置在開溝器后面會出現仿形超前。本機通過分析把仿形輪設置在開溝器兩側，形成同步仿形。

由于開溝覆土后的地表狀況比未播種前變化小，常用的配置是仿形輪（一般是鎮壓輪）設置在開溝器之后，以此為例分析仿形超前產生的溝深誤差。

圖1中機具前進方向如箭頭所示，粗實線為地表形狀，虛線為開溝器行走的軌跡，開溝器行進在仿形輪之前。曲線AB為地表凸起，陰影部分為仿形超前所產生的誤差區域。設定地面凸起的前后長度為S，仿形輪中心和開溝器鏵尖的水平距離為W，圖1（Ⅱ）為W大于等于S的一半時的誤差示意圖，圖1（Ⅲ）為W小于S的一半時的誤差示意圖。

由圖1可知，圖1（Ⅱ）比圖1（Ⅲ）的陰影水平距離大，即圖1（Ⅱ）比圖1（Ⅲ）的誤差距離長，同時：

式中，Y為理論設計的開溝深度（mm）；

y為地面凸起的最大高度（mm）；

Y2為W大于等于S/2時形成的最小播深（mm）；

Y3為W小于S/2形成的最小播深（mm）。

Y3大于Y2說明圖1（Ⅱ）比圖1（Ⅲ）誤差幅度大。由此可見，在仿形輪安裝在開溝器之后產生仿形超前時，當地面凸起的最大高度y大于理論播深Y時，開溝器會在地表上方形成不入土的情況，而且W越小誤差長度和誤差幅度越小。

同理，在仿形輪安裝在開溝器之前產生仿形滯后時，結論相同。當W接近零時效果最好，可形成圖中粗實線和虛線始終平行，即達到同步仿形的效果。

1.2 同步仿形機構的結構和工作原理

同步仿形機構作為播種單體的播深控制機構，需滿足仿形性能好、播深一致、調整方便、結構緊湊以及所播種作物的農藝要求。它的結構包括平行四連桿仿形機構、壓力調節彈簧、仿形輪、雙圓盤開溝器、播深調節裝置和鎮壓裝置（如圖2所示）。

圖2 同步仿形機構和鎮壓裝置結構圖

在機構的仿形過程中，仿形輪隨地表起伏上下移動，帶動圓盤開溝器和平行四連桿后桿相對懸掛架上下平移，同時，根據地表狀況或土質松軟程度用拉力彈簧調節所需要適度的壓力，播深調節裝置經過改變仿形輪和圓盤開溝器的相對位置來改變開溝深度。

1.3 平行四連桿仿形機構參數確定

為了保證仿形的穩定性和播深一致性，需確定合理的結構參數：初始牽引角α0，四個桿件的長度，橫向寬度（如圖3所示）。

圖3 平行四連桿機構示意圖

播種單體的仿形量大小主要根據播種前整地情況、地形以及實際農藝要求來確定[3]，一般情況下，上下仿形量各為80～120 mm，總仿形量H為上下仿形量之和：

式中，H1為上仿形量（mm）；

H2為下仿形量（mm），Ls為上桿長度（mm）；

Lx為下桿長度（mm）；

α為牽引角（°），α1為上仿形角（°）；

α2為下仿形角（°）。

由圖3可知，在確定上下仿形量后，上下拉桿越長，牽引角α變化越小，單體上下擺動幅度就越小，反之亦然。即上下拉桿長度取值大時有利于播種單體的穩定性，但上下拉桿太長會使機具重心后移而破壞穩定性。一般播種單體初始牽引角α0的取值范圍0～10°，下仿形角小于35°，上仿形角小于20°。

設初始牽引角α0=3°，α2=17°，下仿形量為100 mm。代入（5）得Lx=345.24 mm，取整數350 mm，因上下連桿相等Ls=350 mm。

驗算（4）H1=103 mm，上仿形量符合80～120 mm的要求。

前后桿長度設計以互不干涉，符合整機布局為宜，確定前后桿長度為260 mm。經過試驗連桿尺寸設計合理。

橫向寬度的設計。橫向寬度太窄會影響播種單體橫向穩定性，左右搖擺影響行駛的直線性。當農藝要求行距較窄時，橫向寬度在滿足橫向穩定時越窄越好?？紤]到本機為大豆玉米帶狀復合種植播種機單體，大豆行距為300 mm，設定四連桿橫向寬度200 mm。

1.4 雙圓盤開溝器設計

1.4.1 雙圓盤開溝器結構及工作原理

開溝器作為播種機的土壤工作部件，其開溝質量好壞是保證播種一致性的關鍵。雙圓盤開溝器屬于鈍角開溝器，工作阻力小，不易纏草壅土，適宜作業速度較高的播種機，同時，雙圓盤在開溝過程不亂土層，回土效果明顯，本機采用雙圓盤開溝器。

雙圓盤開溝器主要有由開溝器體、圓盤、圓盤軸、軸承、軸承內擋、軸承外擋、防塵蓋、導種管等組成。開溝器的兩個圓盤呈夾角對稱安裝，圓盤邊緣交點在前方偏下M點，如圖4所示，工作時靠自重壓力入土，邊滾動邊破茬切土，將土壤推擠向兩側，形成溝深一致、溝形平整的種溝，導種管將種子導入溝底，靠回土和塌下的土壤進行覆土。

圖4 雙圓盤開溝器示意圖

1.4.2 雙圓盤結構參數的確定

圓盤直徑D、圓盤夾角φ和聚點M位置確定。圓盤直徑減小，則開溝寬度減小，溝底的凸起小，比較平整，同時圓盤前面的漏土減少，整機的結構比較緊湊，但直徑太小會造成圓盤轉動不靈和壅土，會使工作阻力增加；直徑太大則土壤擾動量大，造成工作阻力增大，同時直徑太大使整機高度增加造成排種盤離地高度增大，影響排種穩定性。

圓盤夾角大小影響溝寬大小，夾角越大工作阻力越大，且溝底凸起越大，但夾角太小雖然工作阻力小，卻影響輸種管的安裝。

聚點M位置用β角表示（如圖4），β越?。∕點越高）開出的溝寬越大，種溝中的凸尖越高；β太小，聚點M點降低，容易使土壤從聚點上面進入雙圓盤中間，夾土和堵塞會增加軸承的磨損。M點高度應等于最大開溝深度為宜。

趙艷忠等[4]對雙圓盤參數研究表明圓盤直徑300 mm，圓盤夾角14°時播深穩定性最好。于慧春等[5]通過對雙圓盤開溝器模擬和運動分析，結論是圓盤直徑300～350 mm、圓盤夾角12～16°、β角為60～75°時效果最好，對照農業機械手冊上冊圓盤直徑通常范圍300～380 mm，圓盤夾角通常為9～16°，β角一般55～75°。確定D=340 mm，φ=14°，β=60°。

開溝寬度b 確定。開溝寬度由圓盤夾角大小、M點的高度及圓盤直徑決定。如圖4所示，設圓盤圓心分別為O1、O2，m1、m2圓盤與溝底接觸點，e是m1在O1M連線上的投影點，同樣f是另一個圓上的投影點。

式中，φ為兩圓盤的夾角（°）；

D為圓盤直徑（mm）；

β為位置角（°）；

b為開溝寬度（mm）。

導種管的確定。圓盤開溝器的特點是需配置導種管，導種管把種子輸送到種溝內。導種管設計成曲線型，開口朝后，使種子在下落過程中向后滑動，使投種過程減少種子在落入種溝產生的彈跳滾動，當機具前進速度與種子落地的水平運動速度相等時抵消成零速投種，達到改善播種性能，提高播種均勻性的目的。

2 鎮壓裝置的設計

播種機鎮壓輪通過壓實土壤達到保墑和提墑的作用，鎮壓輪的類型有圓柱鎮壓輪、單肋鎮壓輪、分離鎮壓輪和雙斜鎮壓輪等。本機采用雙斜鎮壓輪。

本機設計的鎮壓裝置由雙斜鎮壓輪、連接桿和鎮壓調節裝置組成（如圖2所示）。

雙斜鎮壓輪對土壤的壓實度通過鎮壓調節裝置進行控制，兩個鎮壓輪之間合理傾斜角度和間隙形成較好的合溝效果，滿足大豆和玉米播種時對土壤壓力的不同需求。

3 結論

1）建立數學模型，分析得出同步仿形機構效果最好。確定本仿形機構上下桿長度為350 mm，前后桿長度為260 mm，初始牽引角為3°。

2）確定雙圓盤開溝器圓盤直徑340 mm，圓盤夾角14°，M點位置角為60°。

3）設計成壓力可調雙斜鎮壓輪可滿足農藝要求。