氣吸組合式玉米、馬鈴薯播種機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王金峰， 楊永發(fā)

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

研究與設(shè)計(jì)

氣吸組合式玉米、馬鈴薯播種機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王金峰， 楊永發(fā)

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

根據(jù)云南土壤的特性及農(nóng)藝要求，結(jié)合該省不同地區(qū)的地形地貌，設(shè)計(jì)出一種適合云南玉米馬鈴薯種植的氣吸組合式玉米、馬鈴薯精良播種機(jī)。對(duì)該播種機(jī)關(guān)鍵工作部件結(jié)構(gòu)及作業(yè)參數(shù)進(jìn)行理論分析，通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)該機(jī)進(jìn)行虛擬裝配，并對(duì)播種過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)各組成部件設(shè)計(jì)的合理性及使用效果。

氣吸式；精良播種；虛擬設(shè)計(jì)；試驗(yàn)

玉米、馬鈴薯是云南省的主要糧食作物，但其單產(chǎn)低于全國(guó)平均水平。由于云南地況比較復(fù)雜，大部分的玉米、馬鈴薯均種植在丘陵及坡地上，而且地塊較小，大型玉米播種機(jī)械不能使用[1]；云南省的生產(chǎn)力水平相對(duì)較低，農(nóng)民的支付能力不強(qiáng)，基本上還是沿用古老的牲畜加鋤頭的作業(yè)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)率低。隨著生產(chǎn)生活方式的逐漸改變，農(nóng)村剩余勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移，勞動(dòng)力逐漸減少，因此急需開(kāi)發(fā)適合云南山地的新型玉米、馬鈴薯播種機(jī)。現(xiàn)有的玉米、馬鈴薯播種機(jī)具大多采用機(jī)械式排種方式，容易傷種[2-3]。試驗(yàn)采用的脫毒微型馬鈴薯種和玉米種具有相似特性，種子一旦損傷將感染病毒，這樣就失去了脫毒的意義。本文結(jié)合云南省馬鈴薯種植的具體情況，針對(duì)玉米和脫毒微型馬鈴薯種，設(shè)計(jì)出一種氣吸式玉米、馬鈴薯播種機(jī)，以期為云南省的玉米-馬鈴薯播種機(jī)具開(kāi)發(fā)提供參考。

1 玉米、馬鈴薯播種農(nóng)藝技術(shù)要求

云南省馬鈴薯種植一般在二月中旬進(jìn)行，玉米種植一般在七月上旬進(jìn)行，田間農(nóng)藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 玉米、馬鈴薯雙壟種植農(nóng)藝參數(shù) cm

根據(jù)田間農(nóng)藝參數(shù)，采用單壟雙行種植，玉米、馬鈴薯的播種株距分別為25～35 cm和15～20 cm；行距分別為40～50 cm和40～75 cm；大地輪的直徑為80 cm，根據(jù)大地輪直徑設(shè)計(jì)傳動(dòng)比，確定吸種器種盤的排種孔個(gè)數(shù)。

2 播種機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

玉米、馬鈴薯播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示

圖1 玉米、馬鈴薯播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)通過(guò)連接架為播種機(jī)作業(yè)提供動(dòng)力，拖拉機(jī)的輸出軸與離心風(fēng)機(jī)的輸入軸相連，帶動(dòng)離心風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，氣流軟管為氣吸式吸種器提供負(fù)壓，種箱內(nèi)的種子經(jīng)過(guò)輸種管輸送到吸種器的種子吸腔內(nèi)。隨著大地輪的行走，通過(guò)鏈輪傳動(dòng)，輸入合適的傳動(dòng)比，同時(shí)也帶動(dòng)吸種器和刮種器轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行吸種和排種。隨著刮種器的轉(zhuǎn)動(dòng)使種子落入開(kāi)溝器內(nèi)，進(jìn)而落入土壤中，最后由覆土裝置將土壤覆蓋在種子上，至此完成一個(gè)播種過(guò)程[4-7]。

3 播種機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的選擇

3.1 傳動(dòng)比確定

機(jī)具作業(yè)時(shí)應(yīng)保證吸種器與大地輪之間相應(yīng)的傳動(dòng)比要求，以達(dá)到相應(yīng)的株距，即大地輪轉(zhuǎn)過(guò)一周，對(duì)應(yīng)的吸種盤也應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)與之相應(yīng)的圈數(shù)，這就要求吸種器種盤上的吸種孔數(shù)應(yīng)與刮種器刮板數(shù)成一定的比例關(guān)系，以保證刮種器排出的每一粒種子均能準(zhǔn)確落入開(kāi)溝器內(nèi)。為保證吸種盤具有足夠的充種時(shí)間，吸種盤的轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能低些。本設(shè)計(jì)采用二級(jí)鏈傳動(dòng)方式進(jìn)行傳動(dòng)，已知大地輪直徑為80 cm，與其相連的鏈輪選擇齒數(shù)為z1，帶動(dòng)支撐板上的鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一級(jí)傳動(dòng)，其鏈輪齒數(shù)為z2，支撐板鏈輪帶動(dòng)吸種器上的鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，形成二級(jí)傳動(dòng)，吸種器鏈輪齒數(shù)為z3，則傳動(dòng)比i為：

大地輪走一周，吸種盤旋轉(zhuǎn)1/i周。根據(jù)玉米的播種農(nóng)藝要求，大地輪旋轉(zhuǎn)一周的距離為Dπ，玉米、馬鈴薯的株距由表1可知為d，由此可知吸種孔的個(gè)數(shù)n為：

通過(guò)計(jì)算可知，玉米的吸種盤孔數(shù)為11，馬鈴薯吸種盤孔數(shù)為16。

3.2 吸種壓力

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，真空室壓力是影響排種性能的關(guān)鍵因素，吸種盤要實(shí)現(xiàn)能夠準(zhǔn)確吸附每一粒種子，必須滿足真空室的壓力大于種子腔的大氣壓力與種子所受附加力的合力。壓力越大吸種性能越好，但真空室壓力過(guò)大可能會(huì)吸附多粒種子，造成重播現(xiàn)象。因此，計(jì)算出的真空室壓力應(yīng)比理論值稍大。

P·tanθ≥FN+mg+∑Fi

式中：P為排種孔上的正壓力(N)；θ為種子與排種盤間的摩擦角(°)；m為種子質(zhì)量；g為重力加速度(m/s2)；Fi為所受離心力、慣性力、種子群對(duì)種子摩擦力及壓力的合力(N)。

3.3 播種機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)機(jī)具的模型參數(shù)，以作業(yè)壟面為X軸，垂直于壟面上方為Y軸建立坐標(biāo)系，則穴播輪的運(yùn)動(dòng)方程為：

X=Rcos(ωt)+Vm·t

Y=R+sin(ωt)

求一階導(dǎo)數(shù)后，可得X、Y軸向速度分量為：

則絕對(duì)速度為：

式中：R為穴播輪的半徑(cm)；ω為穴播輪的角速度(rad)；Vm為牽引機(jī)具的前進(jìn)速度(m/s)；t為時(shí)間(s)。

根據(jù)玉米、馬鈴薯播種農(nóng)藝參數(shù)，由牽引機(jī)具的前進(jìn)速度設(shè)置吸種器的相應(yīng)轉(zhuǎn)速，應(yīng)用SoildWorks進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。雖然玉米、馬鈴薯播種農(nóng)藝參數(shù)不同，但均可通過(guò)更換吸種器的吸種盤來(lái)改變播種的株距。由大地輪提供動(dòng)力，通過(guò)計(jì)算，大地輪每行走一周，玉米吸種盤旋轉(zhuǎn)11個(gè)吸種孔的距離，馬鈴薯吸種盤旋轉(zhuǎn)16個(gè)吸種孔的距離。大地輪的直徑為80 cm，吸種盤的直徑為30 cm，則玉米株距為30 cm，馬鈴薯株距為18 cm。種子通過(guò)吸種盤時(shí)相對(duì)機(jī)具做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)刮種器時(shí)做自由落體運(yùn)動(dòng)，從吸種到落種通過(guò)軟件模擬分析軌跡如圖2和圖3所示。

圖2 工作時(shí)玉米種子運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3 工作時(shí)馬鈴薯薯種運(yùn)動(dòng)軌跡

4 播種機(jī)田間試驗(yàn)分析

播種率是保證播種效果的最重要衡量指標(biāo)，故確定本次試驗(yàn)的目標(biāo)為播種率y(反映穴播株距、穴粒數(shù)與覆膜質(zhì)量等的綜合指標(biāo))。吸種盤的轉(zhuǎn)速N和真空室內(nèi)負(fù)壓P是影響播種質(zhì)量的重要因素，在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中與云南省曲靖市模具三廠協(xié)作進(jìn)行樣機(jī)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，吸種盤轉(zhuǎn)速越低，真空室內(nèi)負(fù)壓越大，則播種效率越高；隨著吸種盤轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)械振動(dòng)增大，吸種能力下降，播種率隨之降低。

表2 玉米播種試驗(yàn)方案及結(jié)果

表3 馬鈴薯播種試驗(yàn)及結(jié)果

轉(zhuǎn)速N/r·min-1壓強(qiáng)P/MPa播種率/%轉(zhuǎn)速N/r·min-1壓強(qiáng)P/MPa播種率/%533085.4540594.61534587.21539093.42536090.12537591.53537592.53536089.24539091.34534587.15040587.85033083.1

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適合云南地形地貌和農(nóng)藝要求的氣吸式精量播種機(jī)，減輕了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了播種效率，有助于增加農(nóng)民收入。

(2)通過(guò)更換吸種器上的吸種盤，達(dá)到既可以播種玉米，又可以播種脫毒微型馬鈴薯的目的，簡(jiǎn)單方便，提高農(nóng)機(jī)利用率，一機(jī)多用，節(jié)約購(gòu)機(jī)成本。

(3)通過(guò)試驗(yàn)，得到影響播種質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，有助于對(duì)機(jī)具做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 唐慶海，趙慶城.我國(guó)機(jī)械播種技術(shù)與播種機(jī)械發(fā)展概況與趨勢(shì)[J].河北農(nóng)業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1994(3)：53-55.

[2] 溫莉萍.精量播種機(jī)械化技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2007(24)：36-37.

[3] 程興田.播種機(jī)械的現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].農(nóng)機(jī)與食品機(jī)械，1999(6)：25—26.

[4] 劉文忠，趙滿全，王文明.氣吸式排種裝置排種性能試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009(9)：152-156.

[5] 王保帥，楊永發(fā)，張帥，等.氣吸式玉米膜上精量穴播機(jī)的設(shè)計(jì)與分析[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2016，44(1)：25-28.

[6] 邱兵，陳忠慧.氣吸振動(dòng)式秧盤精播機(jī)振動(dòng)部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2002(2)：66-67.

[7] 欒明川，王延耀.氣吸式花生排種器排種性能的研究[J].萊陽(yáng)農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，13(3)：233-236.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Structural Design of Air Suction-type Combined Maize and Potato Planter

WANG Jin-feng， YANG Yong-fa

(College of Machinery and Transportation，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China)

According to the characteristics of soil in Yunnan and agronomic requirements，coupled with the geographical features of different areas in this province，an air-suction type combined planter suitable for maize and potato planting in Yunnan is designed.Theoretical analysis of the structure and working parameters of key working parts of the planter is conducted and virtual assembly of this machine is conducted using virtual prototyping technology.The motion simulation analysis of the planting process is conducted and the rationality and the effect of the components are inspected through tests.

air suction type；precision seeding；virtual design；test

2016-11-02

云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2012Z070)；云南省科技廳支持項(xiàng)目(2011CF007)

王金峰(1989-)，河南商丘人，碩士，主要從事機(jī)械制造及自動(dòng)化的研究，E-mail：1610174268@qq.com。

S776.24

A

2095-2953(2017)02-0025-03