開溝播種施肥綜合作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)

宋麗輝，宮喚春

(燕京理工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河北 燕郊 065201)

0 引言

開溝施肥播種綜合作業(yè)機(jī)[1]一次下地能夠完成旋耕、秸稈掩埋、播種和鎮(zhèn)壓作業(yè)，提高了開溝施肥及播種的效率，降低了使用不同機(jī)器設(shè)備對(duì)土壤反復(fù)的壓實(shí)，節(jié)省了施種成本和耕作費(fèi)用，是目前農(nóng)業(yè)施肥播種領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點(diǎn)機(jī)型。目前，國(guó)內(nèi)的聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要是完成松土、碎土、起壟、播種、施肥、覆土及鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序?，F(xiàn)有資料表明，旋耕滅茬、施肥播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)型主要針對(duì)北方保護(hù)地耕作，而對(duì)南方稻麥秸稈還田旋耕施肥播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)具，還沒有成熟的機(jī)型應(yīng)用。新型稻麥秸稈還田施肥播種機(jī)械，是將旋耕滅茬、秸稈還田、施肥、播種及鎮(zhèn)壓多項(xiàng)技術(shù)集成在一起，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)，以達(dá)到一機(jī)多用、一機(jī)多能的目的。由于功能的增加，將給整機(jī)的研發(fā)帶來一定的難度，為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)，以達(dá)到一機(jī)多用、一機(jī)多能的目的，需著重解決整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

根據(jù)南方稻麥種植特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的開溝施肥播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)如圖1所示。整機(jī)主要由萬向傳動(dòng)軸裝置、開溝施耕機(jī)械系統(tǒng)、整機(jī)機(jī)體殼蓋總成、開溝施耕傳動(dòng)裝置，以及土壤壓實(shí)裝置等部件構(gòu)成。

開溝施耕機(jī)械系統(tǒng)主要為用于翻土壓實(shí)的施耕刀，施耕刀結(jié)構(gòu)排列采用了雙曲線形式布置[2-3]。雙曲線刀片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度硬度較大，能夠提高翻土及碎土效果，使得土壤細(xì)?；欣谑┓始案餍枰シN淺、施肥深。

1.三角懸掛總成 2.旋耕滅茬傳動(dòng)總成 3.中央變速器 4.種肥箱 5.罩殼柵欄調(diào)節(jié)裝置 6.罩殼柵欄總成 7.排肥排種傳動(dòng)總成 8.壓力調(diào)節(jié)彈簧 9.鎮(zhèn)壓輪 10.排種排肥管調(diào)節(jié)裝置 11.萬向節(jié)軸

設(shè)計(jì)了開溝施耕傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)鏈采用不同斜度的鏈條及柵格可以提高刀片工作的速度及工作的范圍，最大限度降低刀片被土壤卡死堵塞的情況，同時(shí)提高了刀片的使用壽命。在施肥耕作過程中可以調(diào)整施耕排料管的高度，根據(jù)不同土壤碎土情況及土壤含水率而動(dòng)態(tài)調(diào)整施肥耕作的深度，有效提高了耕作施肥的質(zhì)量。

2 主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 掛接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

開溝裝置通過掛接機(jī)構(gòu)連接在微耕機(jī)后部，通過微耕機(jī)的液壓系統(tǒng)控制液壓缸，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的升降。微耕機(jī)[4]動(dòng)力輸出軸的動(dòng)力經(jīng)鏈傳動(dòng)后，輸入到開溝裝置主軸和主動(dòng)鏈輪。參考已有開溝機(jī)的掛接機(jī)構(gòu)，并充分考慮微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和使用環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)開溝機(jī)的掛接機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 掛接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

掛接機(jī)構(gòu)主要由支架和下部的兩個(gè)支撐桿組成。支架上有固定主軸軸承座的螺栓孔、安裝液壓缸的耳環(huán)和連接梁的鉸接孔。安裝時(shí)，先將架的尾端鉸接在微耕機(jī)尾座上，然后再將支撐桿下部的銷與微耕機(jī)底盤上的耳環(huán)連接起來。這樣的設(shè)計(jì)主要是充分利用微耕機(jī)已有的尾座支架，盡量不做改動(dòng)，從而降低成本。針對(duì)此掛接機(jī)構(gòu)，需對(duì)微耕機(jī)做以下調(diào)整[5]：將后支架的離地高度調(diào)為420mm，通過改變傾角實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)過程必須做到以下3點(diǎn)：保證主軸離地高度約500mm；保證主軸軸線與微耕機(jī)后座孔的距離400mm；將底盤向后延長(zhǎng)50mm，目的是為了焊接支撐桿的耳環(huán)，保證連接強(qiáng)度。

2.2 減速器及鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)

微耕機(jī)后動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)矩通過鏈傳動(dòng)傳遞給開溝裝置的主動(dòng)鏈輪，設(shè)計(jì)減速箱的目的是為了解決原微耕機(jī)的行進(jìn)速度過高(3個(gè)檔位：Ⅰ擋1 480m/h，Ⅱ擋2 100m/h，Ⅲ擋3 300m/h)而帶來機(jī)身振動(dòng)的難題，如圖3所示。在施肥耕作機(jī)械部分設(shè)置安裝減速傳動(dòng)設(shè)備既可以保證動(dòng)力輸出平穩(wěn)而方向變化，又可以有效降低施肥耕作速度，保證均勻施肥耕作。

圖3 加減速箱后的傳動(dòng)路線圖

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于多數(shù)開溝施耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)器通常是開溝施肥機(jī)和播種耕作機(jī)兩種機(jī)構(gòu)組合而成[6]，因此合理設(shè)計(jì)兩種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)連接方案及各機(jī)構(gòu)系統(tǒng)分配合理的傳動(dòng)比，對(duì)機(jī)器功率的提高及使用壽命、播種施耕范圍有著重要的影響。本文對(duì)開溝施肥和播種耕作兩部分的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)并計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

本文機(jī)器要與中型農(nóng)用拖拉機(jī)匹配安裝，拖拉機(jī)動(dòng)力輸入到開溝施肥機(jī)的傳動(dòng)軸上，再由其帶動(dòng)播種耕作機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)耕作施肥需要。該系統(tǒng)的動(dòng)力傳輸裝置包括開溝施肥變速機(jī)構(gòu)和播種耕作變速機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

1.開溝施肥變速機(jī)構(gòu) 2.開溝施肥齒輪組 3.播種耕作變速機(jī)構(gòu) 4.播種耕作齒輪組 5.鏈傳動(dòng)組件

拖拉機(jī)輸出的動(dòng)力傳到施肥播種機(jī)變速機(jī)構(gòu)后，通過該齒輪組將運(yùn)動(dòng)傳至雙曲線刀片上，刀片旋轉(zhuǎn)切割完成耕作過程，再傳動(dòng)到播種耕作機(jī)上使得其完成播種。

根據(jù)使用地南方的氣候和土壤條件，將本文機(jī)器工作動(dòng)力傳輸?shù)绞┓蕶C(jī)的轉(zhuǎn)速確定為720r/min。利用3級(jí)動(dòng)力傳動(dòng)，確保播種耕作機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度大于265r/min，同時(shí)根據(jù)施肥耕作土壤條件分配不同傳動(dòng)比完成施肥耕作[7]。因此，由具體施肥耕作條件可以計(jì)算出本文機(jī)器的總傳動(dòng)比為

分別設(shè)計(jì)并計(jì)算各級(jí)傳動(dòng)比如下：

中央齒輪傳動(dòng)為

i12=1.85

側(cè)邊齒輪傳動(dòng)為

則總傳動(dòng)比為

i總=i12×i35=2.72

旋耕滅茬轉(zhuǎn)速為

n2=n1/i總=265r/min

2.4 鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要確保刀具在不同高度完成施肥耕作，由于鏈傳動(dòng)主要包括主傳動(dòng)鏈、連接機(jī)構(gòu)及從動(dòng)傳動(dòng)鏈3部分。根據(jù)耕作播種機(jī)的長(zhǎng)度將鏈長(zhǎng)度確定為1.25m，既保證機(jī)器整體尺寸適中，又能確保兩個(gè)鏈輪中心距小于1m。查閱現(xiàn)有資料：開溝機(jī)的鏈速一般為v=1～15m/s，綜合考慮微耕機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和果園及林地的土壤硬度，選定開溝鏈線速度2m/s，則由計(jì)算得開溝機(jī)主軸轉(zhuǎn)速409.32r/min。

鏈刀組合的虛擬裝配主要用骨架裝配的方法，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.外鏈板 2.套筒 3銷軸 4.內(nèi)鏈板 5.滾子 6.滾輪

開溝寬度為200mm，且刀片切削刃寬度一般不小于20mm，由于鏈寬略小于刀具刃寬，確定采用單排鏈，在溝寬方向兩把刀片左、右依次排列。

選定主動(dòng)鏈輪齒數(shù)13，從動(dòng)鏈輪齒數(shù)11。鏈條和鏈輪關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算過程如下：

鏈速為

鏈輪分度圓直徑為

齒頂圓直徑為

齒根圓直徑為

df1=d1-d0=153.325mm

df1=d2-d1=126.883mm

df3=d3-d0=113.765mm

開溝施肥耕作機(jī)的刀片類型種類眾多，如彈頭式、垂直式刀片、柱形刀片及碟形刀片等。彈頭式刀具適用于硬度較大的巖石土壤開墾，垂直刀片適用于北方寒冷地區(qū)厚實(shí)的凍土土壤。南方土壤比較松軟，因此適合應(yīng)用硬質(zhì)合金鋼制成的弧形刀片，既可以保證切削的范圍又能使土壤碎土率較高，且刀片強(qiáng)度硬度塑性和韌性較好適用范圍廣泛，可以使得土壤開墾深度較大，因此本開溝施肥機(jī)采用弧形刀片。

弧形刀片切削角適中，使得土壤翻滾均勻，同時(shí)刀片成楔形分布，使得切削力較大，刀片強(qiáng)度適中，刀口韌度穩(wěn)定，通常切削角取8°～14°[8]。本文刀片切削角取12°，刀寬70mm，切削土壤部分刃口30mm，如圖6所示。

圖6 40×90的刀片造型圖

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

2017年9月，試驗(yàn)在湖南岳陽農(nóng)業(yè)種植基地。本地區(qū)年降水量平均為840mm，6-8月是雨季，常年平均氣溫19.8℃，土壤為松軟土，屬典型的濕帶氣候。利用小麥?zhǔn)┓矢髯鳛楸疚臋C(jī)器的試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)。該地區(qū)土壤碎土率超過90%。種植類型是施肥直接播種，機(jī)器動(dòng)力輸出超過70kW，耕作施肥行進(jìn)速度為1～2.5km/ h，施肥耕作行數(shù)是8行。該測(cè)試過程中采用新中9號(hào)小麥，該類型小麥的千粒質(zhì)量為43g，粒含水率為13.9%，耕作施肥量是280kg/hm2; 使用肥料是尿素，耕作施肥量為220kg/hm2。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 通過性評(píng)價(jià)

按照國(guó)家農(nóng)業(yè)部規(guī)定的施肥耕作標(biāo)準(zhǔn)和要求，測(cè)試區(qū)域長(zhǎng)度設(shè)定為150m。測(cè)試過程中，拖拉機(jī)以2km/h勻速行駛，施肥耕作機(jī)以1.5km/h進(jìn)行耕種作業(yè)，如圖7所示。根據(jù)國(guó)家農(nóng)業(yè)部耕作標(biāo)準(zhǔn)要求，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器要完成10次開溝施肥直接播種試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的機(jī)器通過性能平穩(wěn)，無刀片卡死折斷的現(xiàn)象，性能良好。

3.2.2 播種施肥測(cè)試

施肥耕作等作業(yè)完成后，從播種的作物中任意抽取10行，每行在250mm范圍內(nèi)隨機(jī)選取25個(gè)測(cè)試點(diǎn)，檢測(cè)人員用手工工具挖卡播種土層對(duì)機(jī)器施肥耕作的深度及施肥耕作距離等參數(shù)進(jìn)行測(cè)取和分析，如表1所示。

圖7 機(jī)器耕作試驗(yàn)

試驗(yàn)項(xiàng)目單位數(shù)值播種覆蓋率cm5.6土壤耕作覆蓋深度%99播種間隔%96肥料入土深度cm7.3耕作播種深度cm2.25土壤含肥料率%100

4 結(jié)論

分析了開溝施肥播種綜合作業(yè)機(jī)不同應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)和計(jì)算，田間試驗(yàn)表明：該機(jī)種子播種深度、施肥覆蓋率及機(jī)器工作強(qiáng)度和通過性均滿足國(guó)家農(nóng)業(yè)相關(guān)種植標(biāo)準(zhǔn)，其有應(yīng)用推廣的價(jià)值。