2BMF-6机械式免耕精量播种机的设计

袁昌富，李景斌，李树峰，王卫兵，赵宏政

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832003)



2BMF-6机械式免耕精量播种机的设计

袁昌富，李景斌，李树峰，王卫兵，赵宏政

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832003)

摘要：基于新疆农作物及农艺，将精量播种技术与旋耕技术结合，设计出一种适合新疆地区使用的机械式免耕精量播种机。该机采用6组安装在刀轴上的宽幅旋耕刀，以带状旋耕方式完成破茬、开沟、平地及覆土等工序，兼具防堵功能，达到少耕、免耕的目的，且行走轮的设计保证了设备的通过性能和仿形能力。试验表明：其破茬开沟能力强，防堵效果好，旋耕作业质量稳定，且能够满足本地作物的播种要求。

关键词：免耕播种机；旋耕刀；有限元分析

0引言

茬地免耕播种技术是保护性耕作[1]的关键技术之一，其特点是收获后不翻耕，在留茬地上直接使用带有破茬、播种、覆土等机构的免耕播种机播种。该技术不仅具有蓄水保墒、培肥地力、控制沙尘暴等方面的优势，而且减少了耕作成本，提高了农民收入，具备经济效益。

新疆地区干燥少雨，土壤土壤贫瘠(以灰钙土、白板土为主)，保水、保肥能力差，单产较低且不稳定。近年来，新疆兵团实行了“减棉、增粮、增畜”的农业种植结构调整的举措[2]。考虑到新疆兵团大面积使用膜下滴管技术[3]，研制适合新疆兵团地区使用的免耕机必须使农机与农艺相结合，同时又要考虑免耕机的成本和能耗。

1结构及工作原理

1.1　总体设计

2BMF-6机械式免耕精量播种机由机架、变速箱传动轴、变速箱、滴灌带铺设装置、种箱、镇压轮、排种器、限深板、旋耕刀及传动轴等组成，如图1所示。

该机配套动力为60kW以上，动力输出轴转速720r/min，经减速器转速减为400r/min。新疆兵团精量播种机作业速度一般为3.5～4.0km/h, 本设计取免耕机行走速度3.8km/h，约1m/s。

1.机架　2.挡土板　3.行走轮　4.变速箱　5.种箱

主要技术参数如下:

外形尺寸/mm：4 118×2 120×1 330

播种幅宽/mm：4 110

播种行距/mm：400～600

排种器形式：穴播器

播种株距/mm：选用相应穴播器

开沟深度/mm：60～80

作业速度/km·h-1：1.88～2.32

刀轴转速/r·min-1：400

配套动力/kW·h-1：60W以上的拖拉机

开沟器形式：旋耕

地轮形式：胶轮

1.2　工作原理

该免耕精量播种机与拖拉机三点悬挂，工作时动力输出轴经过变速箱将动力传到旋耕刀轴，刀轴带动旋耕刀完成破茬、旋耕；位于旋耕刀后面的挡土板具有平地的作用，最后在茬地上开出一条用于播种的种子带。由于采用了宽幅的旋耕刀，其具有较强的开沟能力和适应不同土质及墒情的能力。精量排种器在种子带上直接播种，并且播种的深度、株距和行距可以调整。播种深度靠地轮来调节,株距可通过采用不同规格的精量排种器来实现，行距通过调整刀盘间距来实现。 行走轮的设置可以减小整机的工作阻力，同时对于不平整的土地具有仿形作用，可提高作业速度和预防杂草及残茬的拥堵。

2关键部件设计

2.1　精量排种器

目前，机械式精量排种器已经比较成熟，产品已经系列化。本设计选用强制夹持式精量排种器进行播种,该排种器已经广泛应用于新疆地区的棉花播种。根据作物及农艺要求，可以选取不同穴距(株距)的排种器。新疆生产建设兵团玉米株距为18cm，行距为40～60cm,播种深度要求为5～6cm；油葵株距为18～20cm，行距为50～70cm,播种深度要求5～7cm[4]。

本机械式精量排种器形式采用强制夹持式，由主轴、主盘、鸭嘴总成、腰带、内定盘、取种带、取种器、外定盘、下种管、导轨及挡种板组成，如图2所示[5]。

1.主轴　2.主盘　3.鸭嘴总成

工作原理：排种器在旋耕带上滚动时，种子室的种子主要集中于下部集种区。取种器(见图3)经过集种区时，其滚轮沿导轨进入推程运动，通过弹簧拉开动夹，使得取种器张开一定角度，进入取种区，种子喂入到夹持取种器；当离开取种区后，滚轮沿导轨进入回程运动，种子被夹住，取种结束。当取种器夹持种子运行到上方清种区时，周围没有被夹住的多余种子在重力作用下从夹持取种器上落下，完成清种过程。取种器的滚轮运行到导轨的凸起处，取种器张开，种子在重力的作用下落入接种盒内，通过下种口，随鸭嘴张开，完成投种。

1.定夹　2.接种盒　3.动夹　4.滚轮　5.弹簧

该产品用于精准农业，可减少种子用量，提高作物生产率，适合玉米、油葵等颗粒作物的精量播种。

2.2　破茬、开沟装置(旋耕刀的布置与校核)

旋耕刀是旋耕机的重要工作部件[6]，主要实现破茬、开沟，并把土和杂草残茬外翻，以达到播种要求的深度。旋耕刀的形状和布置直接影响旋耕机的功耗和作业质量[7]。

2.2.1旋耕刀的选型

旋耕刀按照结构型式可分为凿形刀(适用于较松软的土壤)、直刀(适用于旱田耕作)和弯刀(有利于切断杂草)[8]，本设计中采用比较常用的弯刀。弯刀又分为窄刀和宽刀(单刀幅宽大于60mm)，宽刀多用于旱地，且对土壤的冲击和撕裂作用较好，能够获得较好的旋耕质量[9]。新疆兵团地区大部分地区干旱少雨，所以本设计采用宽幅弯刀。

作为农业中常用的标准件，弯刀早已批量生产，目前市场供应有不同的型号。旋耕弯刀的选用与耕深有关，根据新疆农艺要求，玉米只需要6～8cm的播种深度即可，油葵需要4～5cm的播种深度。据此，本设计选用T245的宽刀，刀宽80mm，刀厚8mm,回转半径150mm。

2.2.2旋耕刀的安装及布置

因为刀座制作工艺复杂，直接固定焊接在刀轴上不便于调整，而且刀座式安装容易出现应力集中而损坏刀片和刀座[10-12]。因此，采用刀盘式安装旋耕刀，采取螺栓连接固定，如图4所示。采取加大刀盘间距的方式，可以避免残茬的拥堵。

旋耕刀的布置直接影响着旋耕机的作业效果，本产品设计为6行免耕精量播种，安装6个刀盘，每个刀盘安装6把旋耕刀，共计36把旋耕刀；采取内弯和外弯交替布置，如图4所示。考虑到滴灌毛管间距为60cm，刀盘布置间距为60cm，这样旋耕刀作业时不仅可以避开毛管不至于将毛管打碎，且利于毛管下茬作物的重复利用和回收，还达到了在两行作物之间的茬地少耕或免耕的目的。

图4　刀钴及布置简图

2.2.3旋耕刀的校核

1)旋耕刀的三维实体建模。根据旋耕刀的几何参数，在SolidWorks 软件中运用放样、拉伸切除等命令，完成旋耕刀的实体建模(为了简化模型，忽略了圆角、倒角等特征)，如图5～图7所示。

2)荷载的确定。影响旋耕刀荷载的因素很多，主要有刀轴转速、免耕机前进速度、耕深、土壤含水率、土质及土壤密实度等。旋耕刀受力比阻其实可以近似旋耕机的比阻，因为旋耕机前进方向所受荷载的部件主要为旋耕刀[13-15]。

图5　旋耕刀的三维模型

图6　荷载施加

图7　网格化

(1)

Wα=Wε*η

(2)

其中，Kr为旋耕机比阻( kPa) ,一般取100~160kPa；Wε为动力输出功率(kW)；B为耕作幅宽(m)；H为耕深(m)；Vz为机器前进速度。取Kr=100kPa，得Wε=10.75kW，Wα=8.6kW，Wα为作用于旋耕刀的功率。本设计根据变速箱要求总传动效率η=0.8 ，则旋耕刀所受的转矩为

(3)

代入相关性数据，T=203.33N·m，则刀刃面所受的力为

(4)

3)旋耕刀的静态分析。利用SolidWorks的插件Simulation进行旋耕刀的有限元分析，目的是分析旋耕刀在工作时的变形和应力大小，校核旋耕刀的强度。

定义旋耕刀的材料为合金钢，其基本参数如8所示，应变分析结果如图9所示。

旋耕刀受力最大值发生在刀柄与刀盘固定连接的部位，最大荷载为 48.5MPa，低于材料的应力值220.594MPa，应力最大值发生在刀柄安装孔附近。

图10、图11应变及位移分析结果表明：该荷载导致的旋耕刀最大应变为1.56×10-4，发生在旋耕刀刀轴安装孔；最大位移为0.242 1mm，发生在旋耕刀正切刃的刀尖处。以上变形比例为75.321 8。

图8　旋耕刀的材料参数

图9　节点等效应力等值线图

图10　节点等效应变等值线图

图11　节点等效位移等值线图

2.3　覆土镇压

在镇压之前，通过挡土板进行土壤的覆土和找平。 镇压则采用了结构简单通过性强的宽幅橡胶轮，地轮直径为400mm，地轮镇压幅宽120mm。

3试验结果与分析

2015年7月，在新疆石河子大学农试场三连，新疆生产建设兵团农机检验测试中心对 2BMF-6机械式免耕精量播种机进行了性能测试,对麦茬地进行玉米免耕播种。试验条件如表1所示。

表1　试验条件汇总表

该产品按照《GB/T 20865-2007 免耕施肥精量播种机》检测5项，结果如下：穴数数合格率88%，空穴率0，种子破损率0%，播种深度合格率90%，作业效率1.6hm2/h。

4结语

2BMF-6机械式免耕精量播种机结构简单，破茬开沟能力强且防堵性能好，作业效果及稳定性良好，作业环境适应性强，适用于玉米、油葵等新疆兵团常见作物的茬地免耕播种。本研究结合新疆农艺，较好地把茬地免耕技术与精量播种技术结合起来，达到了免耕、少耕的效果。

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The Design of 2BMF-6 Type No-tillage Precision Seeder

Yuan Changfu, Li Jingbin, Li Shufeng, Wang Weibing， Zhao Hongzheng

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University, Shihezi 832003，China)

Abstract：Combined with the precision seeding technology and the technology of rotary tillage, designed a suitable for the use of the Xinjiang region mechanical type no tillage sowing machine. It adopts six groups wide rotary blades arranged on the shaft. to strip rotary tillage stubble, ditching, flat ground, overburden process, both anti blocking function, achieve minimum tillage and no tillage;walking wheel design to ensure the equipment through performance and ability of copying.The test proved that the ability of stubble breaking ditching, good anti logging effect, The rotary tillage quality is stable and can meet the requirements of the local crop ,it is suitable for Xinjiang area.

Key words：no-tillage sowing； rotary balde； finite element analysis

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0118-05

作者简介：袁昌富(1980-)，男，河南商丘人，讲师，硕士，(E-mail)ycf2008@shzu.edu.cn。通讯作者：李景彬(1980-)，男，河南淮阳人，副教授，博士，(E-mail)ljb8095@163.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD42B03)；石河子大学优秀青年基金项目(2013ZRKXYQ06)

收稿日期：2015-10-06