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      壟作免耕播種機(jī)三維模型研究

      2019-06-11 09:08:51羅紅旗孟宇李曉晴石矛
      關(guān)鍵詞:免耕播種機(jī)建模

      羅紅旗 孟宇 李曉晴 石矛

      [摘要]壟作與保護(hù)性耕作相結(jié)合是一項(xiàng)重要技術(shù),有助于抵御春旱,控制風(fēng)蝕,逐步培肥地力。播種時利用機(jī)械裝置處理播種帶雜草,秸稈覆蓋可抑制壟溝雜草的生長,消除對除草劑的依賴。根據(jù)技術(shù)結(jié)合特性,分別建立了壟作免耕播種機(jī)的機(jī)架、開溝器、鎮(zhèn)壓器、地輪、修壟裝置等三維模型,總裝成整體播種機(jī)。本播種機(jī)可一次性完成開溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè),減少機(jī)器進(jìn)地次數(shù)。研究壟作免耕播種機(jī)的三維模型,可對其機(jī)械性能進(jìn)行分析,為樣機(jī)制造提供理論支撐,有利于推廣壟作免耕播種技術(shù)。

      [關(guān)鍵詞]壟作;免耕;播種機(jī);建模

      [中圖分類號]S223.2[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

      壟作技術(shù)中的土壟的形狀由壟臺和壟溝形成,地表總面積比平地耕作增加20%~30%,地溫能夠增高2~3℃,而且壟作技術(shù)中土壤溫差晝夜變化大,更便于光合產(chǎn)物積累,利用壟溝排水防澇。壟作與保護(hù)性耕作技術(shù)在我國實(shí)際應(yīng)用中還未能很好地結(jié)合,主要影響要素是機(jī)械耕作設(shè)備不過關(guān),特別是適合壟作免耕技術(shù)的播種機(jī)還有待于進(jìn)一步研究開發(fā)。目前國外的壟作免耕播種機(jī)一般是依靠機(jī)具重量驅(qū)使根茬處理裝置進(jìn)行破茬處理,但由于國內(nèi)的播種機(jī)一般屬于中小型,機(jī)身重量偏小,不適合直接使用國外的免耕播種機(jī)。國內(nèi)各地區(qū)實(shí)行壟作免耕地區(qū)的條件差異明顯,各自有著獨(dú)特的土壤條件、種植制度以及氣候條件,導(dǎo)致保護(hù)性耕作的作業(yè)實(shí)施體系也存在較大差異,各種研發(fā)的機(jī)具適應(yīng)能力較差,需要有針對性地開發(fā)研制相應(yīng)的壟作免耕播種機(jī)。通過研究壟作免耕播種機(jī)的三維模型,可對其性能進(jìn)行力學(xué)分析,為不同的樣機(jī)制造提供理論分析,有利于推廣壟作免耕播種技術(shù),更好地體現(xiàn)壟作與保護(hù)性耕作相結(jié)合的優(yōu)勢。

      1 國內(nèi)外壟作免耕播種技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

      壟作免耕播種技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的耕作技術(shù),作業(yè)過程為收割上茬作物之后一般不處理秸稈,用壟作免耕播種機(jī)在具有秸稈覆蓋的地表直接起壟,并在原來的壟上進(jìn)行開溝播種、施肥、鎮(zhèn)壓等工作,整個作物生長周期一般不需要進(jìn)行其它中耕作業(yè)。該技術(shù)具有節(jié)能、增產(chǎn)、抗?jié)?、省工、抗旱、保持水土、抗倒伏、增加土壤有機(jī)物質(zhì)等優(yōu)勢,具有顯著的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

      國外從20世紀(jì)40年代初開始研究免耕方法,研究開發(fā)了各種類型的免耕機(jī)具,并且隨著相關(guān)機(jī)具和化學(xué)除草劑的發(fā)展,壟作免耕技術(shù)得以不斷推廣。但由于土壤條件、種植農(nóng)藝方式以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多種因素的差異影響,國外的壟作免耕播種機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能特點(diǎn)等方面均不符合國內(nèi)條件,因此需要根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況進(jìn)行自行開發(fā)。國內(nèi)免耕技術(shù)是從20世紀(jì)60年代開始研究,主要劃分為三個階段:第一階段是20世紀(jì)70年代,本階段主要是進(jìn)行試驗(yàn)探索,在新疆農(nóng)墾六團(tuán)開始相關(guān)試驗(yàn),再在各地開展免耕技術(shù)的試驗(yàn)和示范;第二階段是20世紀(jì)80~90年代進(jìn)行試驗(yàn)示范,由此積累了一些免耕種植經(jīng)驗(yàn),但由于缺少相關(guān)的配套機(jī)具,而且各地農(nóng)民認(rèn)識上存在誤區(qū),免耕技術(shù)推廣速度比較緩慢;第三階段是20世紀(jì)末至今,屬于免耕技術(shù)不斷完善提高和全面推廣階段,各地區(qū)積極推廣免耕種植技術(shù),并結(jié)合壟作技術(shù),在玉米、小麥、大豆、水稻、油菜等主要農(nóng)作物上推廣應(yīng)用。

      2 壟作免耕播種機(jī)主要零件建模

      2.1 播種機(jī)配置方案

      根據(jù)壟作免耕播種機(jī)具設(shè)計的各項(xiàng)要求,整機(jī)主要由機(jī)架、切草圓盤、種肥箱、開溝器、地輪、鎮(zhèn)壓輪、修壟裝置等組成。機(jī)架主要是安裝各類部件,切草圓盤是針對需要處理播種帶覆蓋秸稈和雜草等農(nóng)藝條件,開溝器是在未經(jīng)處理過的地表進(jìn)行直接開溝,為施肥、播種提供條件。地輪裝置主要是起到支撐整機(jī)的作用,同時用以驅(qū)動排肥器、排種器進(jìn)行周期運(yùn)動,鎮(zhèn)壓器用以壓實(shí)土壤松軟的播種帶,為種子發(fā)芽提供條件。修壟裝置是針對壟作免耕播種技術(shù)中的被破環(huán)的原壟,對其進(jìn)行修復(fù),為播種質(zhì)量提供保證。

      2.2 機(jī)架

      機(jī)架采用三梁懸掛框架結(jié)構(gòu)(見圖1),與拖拉機(jī)能夠?qū)嵭杏行ЫY(jié)合,播種時依靠拖拉機(jī)驅(qū)動播種機(jī)前行,空行時可以通過懸掛裝置懸掛在拖拉機(jī)上。機(jī)架上的豎梁與橫梁用方管(80mm×80mm×5mm)焊接而成,機(jī)架由三根橫梁組成,可以根據(jù)實(shí)際農(nóng)藝條件進(jìn)行調(diào)整,對于小麥等行距窄的作物,橫梁上的開溝器距離過小容易在兩開溝器之間堆積秸稈,導(dǎo)致堵塞,這時可以把相鄰的開溝器錯開安裝在不同橫梁上,擴(kuò)大相鄰開溝器之間的橫向距離。而前梁主要用于銜接懸掛架,并可安裝切草圓盤等其它部件。

      2.3 修壟裝置

      由于壟作免耕播種機(jī)是在未經(jīng)處理過的原壟上作業(yè),在種植上茬作物時,原壟一般都會有所破壞,嚴(yán)重時整壟都會坍塌。為了保證在原壟進(jìn)行免耕播種時的質(zhì)量,需要設(shè)計開發(fā)配套的修壟裝置,對破壞的原壟進(jìn)行修復(fù)。壟作免耕播種時地表有秸稈覆蓋,犁式起壟器容易產(chǎn)生秸稈堆積堵塞,而圓盤式起壟裝置的通過性能和越障性能強(qiáng)大,不容易被秸稈和雜草等堵塞,而且圓盤滾動前進(jìn)時與土壤摩擦力阻力小,因此修壟裝置設(shè)計成圓盤式結(jié)構(gòu)更符合壟作免耕播種的情形。

      2.4 地輪

      在壟作免耕播種機(jī)中,地輪屬于從動輪,依靠地面的摩擦力驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。本播種機(jī)是在壟作免耕地進(jìn)行作業(yè),地輪沿著壟溝行走,通過鏈傳動驅(qū)動排種器和排肥器進(jìn)行工作。為保證排肥、排種質(zhì)量,在地輪上安裝彈簧加壓裝置,可以確保

      地輪始終與壟溝接觸,從而避免發(fā)生因地表高低不平導(dǎo)致地輪懸空造成不排肥、不排種現(xiàn)象(見圖3)。橡膠地輪在土壤中行走時的滑移均值和方差都比較小,有利于保證播種質(zhì)量,但橡膠輪在秸稈上行走時更容易產(chǎn)生滑移。綜合考慮作業(yè)條件,壟作免耕播種機(jī)的地輪是在壟溝行走,秸稈相對較少,因此選用橡膠輪更有利于保證施肥和播種質(zhì)量。地輪直徑對播種機(jī)的性能影響較大,大直徑地輪的轉(zhuǎn)動性能好,打滑率小,播種更均勻,根據(jù)機(jī)架實(shí)際空間,本播種機(jī)將地輪直徑定為500mm,寬度為50mm。

      2.5 開溝器

      開溝器是壟作免耕播種機(jī)的關(guān)鍵部件之一,其結(jié)構(gòu)及布局是否合理會直接影響開溝效果,而且會影響播種機(jī)防堵效果,從而影響播種質(zhì)量。由于壟作免耕播種時開溝器是在未經(jīng)處理的地表工作,而且有作物殘茬、秸稈及雜草等覆蓋的田地工作,作業(yè)條件惡劣,工作難度較大。開溝器由播種和施肥部件組成,包括施肥開溝器、播種開溝器,以及相應(yīng)的排種器和排肥器等。開溝器的結(jié)構(gòu)直接影響動土量,保護(hù)性耕作技術(shù)要求盡可能動土少,而開溝器的開溝性能對種床、施肥和播種質(zhì)量影響較大,特別是針對種肥分施要求的中國國情,因此開發(fā)合適的開溝器至關(guān)重要,不僅影響播種機(jī)的性能要求,同時影響作物的出苗質(zhì)量。

      根據(jù)農(nóng)藝要求及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果,窄翼型尖角式開溝器是目前較為理想的結(jié)構(gòu),開溝寬度一般在30mm~40mm,動土量小,適合保護(hù)性耕作技術(shù)。設(shè)計的開溝器結(jié)構(gòu)模型圖見圖4,通過尖角式開溝鏟進(jìn)行開溝,其后通過管道直接進(jìn)行施肥、播種,能夠?qū)崿F(xiàn)種肥垂直分施。在壟作免耕播種機(jī)的實(shí)際工作中,開溝器的安裝可以根據(jù)實(shí)際需要,在機(jī)架上安裝適合的數(shù)量,滿足行距要求。播種小麥等窄行作物時,開溝器可以錯開安裝在不同橫梁上,增大同根橫梁上兩開溝器之間的橫向距離,有利于防止堵塞。

      2.6 鎮(zhèn)壓器

      由于實(shí)行壟作免耕播種,地表未經(jīng)翻耕,因此播種時將產(chǎn)生大量土塊,而且受到殘茬、秸稈及雜草等影響,播種后種子可能不會很好的與土壤保持接觸,而且大塊的土壤保水能力較差,容易跑墑,從而導(dǎo)致種子吸水難,容易導(dǎo)致發(fā)芽不整齊,出苗困難,甚至發(fā)生缺苗斷壟。通過鎮(zhèn)壓器的作用,播種作業(yè)的同時進(jìn)行土壤鎮(zhèn)壓可減少土壤中的大孔隙,減少水分蒸發(fā),有利于保墑。同時能夠促使種子與土壤更好地保持接觸,有利于吸收水分。進(jìn)行壟作免耕播種時,選用的尖角式開溝器開溝較窄,而且壟作免耕種植中土層的顆粒偏大,土壤與種子的接觸程度受到較大影響,因此需要設(shè)計性能好的鎮(zhèn)壓器,確保鎮(zhèn)壓效果。本設(shè)計采用浮動式鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu),鎮(zhèn)壓部位的外圓直徑為400mm,寬度為50mm。鎮(zhèn)壓器的連接桿上安裝有彈簧,有利于更好保證壓緊作用,促使鎮(zhèn)壓部位始終能夠與地表接觸,避免鎮(zhèn)壓部位被架空不轉(zhuǎn)動,影響壓實(shí)效果(鎮(zhèn)壓器結(jié)構(gòu)見圖5)。作業(yè)時兩邊的壓實(shí)輪沿著壟溝滾動,對壟沿進(jìn)行壓實(shí),依靠鎮(zhèn)壓輪上的圓環(huán)部件鎮(zhèn)壓播種帶,圓環(huán)設(shè)計成活動式,可以根據(jù)需要確定圓環(huán)部件的數(shù)量及鎮(zhèn)壓位置。

      3 壟作免耕播種機(jī)整機(jī)三維模型

      壟作免耕播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計及建模見圖6。播種時播種機(jī)與驅(qū)動的拖拉機(jī)通過懸掛裝置實(shí)行三點(diǎn)連接,地輪行走時,同時驅(qū)動排種器、排肥器工作,通過排種盒、排肥盒中的傳動系統(tǒng),化肥從肥箱通過外槽輪、排肥管下落到溝中,種子通過排種管以及開溝器后面的播種管部件進(jìn)入土壤,自行回土后再通過鎮(zhèn)壓器鎮(zhèn)壓??梢淮涡酝瓿砷_溝、施肥、播種、鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè),有利于減少機(jī)器進(jìn)地次數(shù),解決原壟破壞導(dǎo)致的播種質(zhì)量問題。

      4 結(jié)論

      壟作與保護(hù)性耕作相結(jié)合是目前發(fā)展迅速的一項(xiàng)重要技術(shù),本文針對兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合發(fā)展過程中的問題,研究壟作免耕播種機(jī)的三維建模技術(shù),對壟作免耕播種機(jī)的機(jī)架、開溝器、種肥箱、鎮(zhèn)壓器、地輪、修壟裝置等主要部件進(jìn)行三維模型建立,為開發(fā)適應(yīng)不同農(nóng)藝條件的播種機(jī)提供技術(shù)支撐,有利于推廣壟作與免耕相結(jié)合的技術(shù)。

      [參考文獻(xiàn)]

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