2BFG-4型油菜精密直播机设计

彭峰生， 甘文辉， 梁永永

(1.陕西理工大学机械工程学院，陕西汉中 723000； 2.陕西省汉中市农业机械研究所，陕西汉中 723000；3.陕西理工大学现代农业装备与技术研究所，陕西汉中 723000)

我国不少山地丘陵地区油菜的播种方式仍以传统作业方式为主，传统的手工油菜种植方式主要依靠人工播种或人工移栽完成，劳动强度大、生产效率低、劳动时间长，与我国发展现代化农业的提倡不适应。传统的油菜种植方式为单家独户种植，人工种植油菜需要较多的劳动力，给油菜种植带来了很大的困难。国内已研制出的油菜播种机多数都是大中型的，要求土地地块面积大，大中型油菜直播机在山地丘陵地区油菜机械化种植时难以推广应用。小型油菜精密直播机的研究设计正是为了解决这一具有现实意义的问题。

1 油菜播种装备与技术在国内外的发展

我国油菜精量联合直播机的研制起步时间滞后于其他先进国家，但近年来发展迅速[1-3]。由湖南农业大学研制的2BYF-6型免耕油菜直播机可以有效提高工作效率，减少劳动力，机械播种还有利于种苗后期的生长，实现增产增收[4]。由华中农业大学研制的2BYM-6/8型油麦兼用联合直播机[3]，其中油菜小麦兼用型精量播种和油菜短程精密排种2项技术达到国际领先水平。2BFQ-6型油菜精量联合直播机的核心技术是正、负气压组合式油菜精量排种器技术[5]。精密油菜播种机可实现油菜栽培中的多道作业，解决了大部分油菜栽培中常遇到的问题，适合直播油菜。正、负气压式精量排种器伤种率低，种子也不需要精选分级，但是它需要鼓风机吹风，需要消耗拖拉机一部分的功率。

国外一些发达国家油菜机械化种植基本普及，它们以先进的机械技术为基础，而且在不断变化油菜品种，培育出新品种油菜以适应机械化种植。日本提出电力播种、英国提出超音速播种，都是国外研发的新的播种技术原理。美国联合播种机类型众多，澳大利亚研制了KMC免耕播种机[6]。但国外大型联合免耕播种机的机具很大，组织结构复杂，技术难度高，价格昂贵，不太适合我国的具体情况。

2 总体方案

经过分析比较，从满足农艺要求、经济性、制造难易程度等方面出发，最终确定总体方案为排种器采用一器多行的离心式排种器，排肥器采用绞龙式排肥器，旋耕机构采用中间传动方式，输种(肥)管采用橡胶材质，开沟器采用双圆盘式，镇压轮采用金属圆柱式。旋耕机的动力由拖拉机动力输出轴提供，排肥、排种器的动力直接由仿形机构的地轮通过链轮提供。旋耕机的两端各有1个开沟器，开出水沟。总体结构如图1所示。

方案的特点与主要技术性能参数：(1)排种器采用一器多行离心式，可以减少横向尺寸；其结构简单，易于制造，排种器型孔采用卡筛，可以实现均匀排种；(2)排肥器采用绞龙式，可以避免片状或粉状肥料在排肥过程中出现“搭蓬”现象，并保证各行定量、均匀排肥；(3)采用仿形地轮传动机构，保证开出的排种沟深度一致、不受地形和拖拉机速度影响，保证排种、排肥更加均匀；(4)采用中间齿轮式传动，使排种器结构较为简单紧凑，成本相对较低，利于推广。主要技术性能参数如表1所示。

表1 小型油菜精密直播机主要性能参数

3 传动路线与动力分配

3.1 旋耕机工作参数选择与计算

3.1.1 旋耕深度H综合各种农艺技术参数要求[7]，油菜的旋耕深度H应大于85 mm，最后确定耕作深度为H=14 cm。

3.1.2 旋耕幅宽B参照文献[8]选用合适参数，得

(1)

式中：Kr为单位工作面积所需牵引力，取Kr=1.2 kg/cm2(土质为湿黏土)；η为传动效率，η=0.85；Np为初选拖拉机功率，Np=18.00 kW；H为旋耕深度，H=14.00 cm；vm为机组行进速度，vm=0.89 m/s。所以B取 1 000 mm，采用对称式布置较合适。

3.1.3 旋耕功率Px由参考文献[8]得

Px=ηBKrHvm=0.85×1.00×1.20×14.00×0.89=12.71 kW。

(2)

3.1.4 总牵引功率PyPy=P1+P2+P3。

(3)

式中：P1为旋耕器牵引功率；P2为施肥开沟器牵引功率；P3为仿形地轮牵引功率。

双圆盘式开沟器平均阻力[9]为980～1 370 N。若取旋耕牵引阻力F1=1 300 N，单个施肥开沟器牵引阻力F2=1 150 N，则

(4)

(5)

仿形地轮牵引阻力Ff=f×Q，f为土壤阻力系数，取f=1.30，Q为仿形地轮自身质量，初取Q=30.00 kg，则Ff=f×Q×G=1.30×30.00×9.80=382.20 N。

P3=2FfVm=2.00×383.00×0.89=680W=0.68 kW。

(6)

所以，由式(3)知

Py=P1+P2+P3=1.16+4.10+0.68=5.94 kW。

(7)

设总的功率需求为Pz，则

Pz=Px+Py=12.71+5.94=18.65 kW。

(8)

根据初步计算结果，综合考虑耕作幅宽，各种技术参数及拖拉机性价比等，选择洛阳一拖18.4 kW东方红250 P单缸轮式拖拉机为动力源。

3.2 传动路线的设计

旋耕部分传动简图见图2。各轴转速及传动比的计算：

(1)动力输入轴转速为所选择的拖拉机动力输出轴转速n0，为540 r/min。

(2)旋耕刀轴转速参照文献[9]选取。采用中间齿轮传动时，刀轴的转速n4为200 r/min。

(3)总传动比iz为

(9)

(5)各轴转速。Ⅰ轴n1=n0=540 r/min；Ⅱ轴n2= 540 r/min；Ⅲ轴n3=n0/i2=200 r/min；Ⅳ轴n4=200 r/min。

3.3 排种器驱动方式的选择

设计目标要适应小区域播种，而且要消除由于播种机移动过程中不均匀现象造成的速度变化。通过齿轮和链轮传动机构连接的驱动方法，传动关系如图3所示。链轮A和链轮B传动机构可以直接反映排肥轴的速度；B齿轮轮轴带动排肥器转动。播种速度也反映了机组前进速度，根据需要播种速度可以按比例调整，以保证播肥、播种均匀度。由于拖拉机行驶速度是一定的，因此，地轮的速度也是唯一的。为了满足不同的播种要求，使排肥轴和排种轴的旋转速度发生变化，在地轮与排种轴之间加入可变控制机构，当齿轮处于不同的啮合位置时，它们之间的速比会得到相应的变化，通过此种方法来改变排种器的转速，可以控制精密播种。

3.3.1 排肥、排种系统传动路线 排肥、排种器的动力由仿形机构[10]的地轮提供，靠3个链轮传动。地轮(直径D=0.25 m)的转速和机组速度一致。传动路线简图如图4所示。链轮1、链轮2、链轮3的齿数分别为16、13、18个。

3.3.2 排肥、排种轴转速及传动比计算 由传动路线图4可知，排肥器传动比if为

(10)

排种器传动比is为

(11)

根据农业机械一般的要求，排肥器转速nf不大于 100 r/min，排种器转速ns不大于80 r/min[11]。

由机组行进速度v=53.30 m/min，地轮直经D=0.25 m可知，地轮转速nd为

(12)

则排肥、排种器转速nf，ns分别为

nf=nd×if=68.03×1.23=83.68 r/min；

(13)

ns=nf×is=83.68×0.72=60.25 r/min。

(14)

经过多次试验，消除了伤种、排种不均匀等不良问题。经过反复测试、计算，确保排肥器、排种器的转速符合要求。

4 重要部件的设计

4.1 精密排种器

排种器的主要要求：(1)一台播种机的排种量应该保持一致，要求排种器可以在较高的转速下也可以转动，抗震性能要求也比较高；(2)不易损伤种子；(3)播种量调节范围要大；(4)排种器型孔工作可靠，不易堵塞，容易制造。

从农艺要求、技术难易程度、经济性、结构等方面综合考虑，选用一器多行的离心式油菜排种器，本设计为4行。

常见精密排种器的类型与特点比较见表2。

表2 部分精密排种器的性能[11-14]

一器多行离心式油菜排种器的特点[14]有：(1)结构简单，使用可靠，主要由内外锥筒、驱动轴和卡筛组成，不需要清种装置，大大提高了排种器的可靠性；(2)一个排种器能实现播种多行，横向结构比较紧凑。由于卡筛的存在，可以实现精密播种，也可实现双粒播种；(3)离心式排种器内锥筒直径大小一般为350 mm，锥角度为45°或60°，本设计采用的锥角度为45°。

4.2 排肥器

播种机上的排肥器，主要用于排施粒状和片状复合肥、结晶状化肥和农民自制颗粒肥料等。化肥的主要技术特性见表3。

表3 几种化肥的特性参数[15]

排肥器的要求：(1)要有良好的排肥能力，施肥量应在 6.0～37.5 g/m2范围内并且可调，不架空、不堵塞、不断播和混叠；(2)通用性好，能排施多种肥料；(3)排肥中阻力小，排肥量可调节，工作稳定，便于清理多余的肥料。常见排肥器的种类、特点见表4。

表4 常见排肥器的种类、特点[16]

从农艺要求、技术难易程度、经济性、结构等方面综合考虑，选用绞龙式排肥器，施肥行数为4行。绞龙式排肥器结构简单，工作原理通俗易懂，加工起来也比较方便，最主要的部件就是绞龙轴和绞龙齿轮。

绞龙式排肥器的特点：(1)结构简单，主要由绞龙齿轮、绞龙和驱动轴组成，使用非常方便；(2)通过绞龙的转动，使肥料流向排肥口，可以消除“搭蓬”现象，排肥比较均匀。绞龙结构简图[17]如图5所示。

绞龙式排肥器工作原理：工作时，传动轴带动齿轮转动，通过绞龙齿轮带动绞龙旋转，使肥料流向排肥口，实现排肥过程。当拉动调节板改变排肥口的间隙，可以定量排肥。这样既可以消除“搭蓬”现象，又可以实现肥料顺畅流动。

4.3 旋耕机的设计

旋耕机常用的传动方式有中间传动和侧边传动2种形式。旋耕机构动力来源是拖拉机输出轴，转速为540 r/min。采用3点悬挂式，一类悬挂系统。旋耕机主要部件是由传动系统、旋耕刀轴、旋耕刀片、中间齿轮等组成[8-9]。比较分析之后确定本设计传动系统采用中间齿轮传动式，动力由拖拉机经动力输出轴传递给万向节，再由万向节传给中间齿轮箱，再经中间齿轮箱传递给旋耕轴，带动刀片旋转，刀轴采用无缝钢轴，满足弯曲扭转强度的技术要求。旋耕机刀片采用L型弯刀。油菜播种要求垄带之间开沟，同时中间传动式由于箱体作用有漏耕带，故需要开沟器进行作业，既可消除漏耕带又可分垄。

4.4 其他辅助装置的设计

开沟器在旋耕的土地上开出整齐、深浅一致的种肥沟，开出的沟要能引导种子和肥料进入沟底，并且还要保证覆土器可以完成覆土工作。

输种管的主要作用是将排种器排出的种子导入种沟内。如果输种管性能不好，对排种的一致性、均匀性都有很大影响。本设计采用橡胶材质直径为20 mm的波形排种管，长度为1 350 mm，并合理布置。

覆土器工作时不能改变种子分布间距的均匀性，要先盖上湿土，干土要在表面，覆土要保证薄厚一致。国内播种机上常用的覆土器有刮板式和铲式2种。铲式覆土器覆土能力较强，角度可以调节，常和双圆盘式开沟器配合使用。

一个良好的镇压轮必须转动灵活，不易沾土，镇压轮可以适当调整角度来改变镇压的方向，镇压后地表不能产生裂纹。常用镇压轮的类型有圆柱形镇压轮、凹面镇压轮和圆锥镇压轮3种[17]。经过比较，采用金属圆柱形镇压轮。

种子箱、肥料箱要求容量一定要足够。箱底板的倾斜角应大于种子、肥料的自然休止角，以保证种子或肥料顺利流入排种器或排肥器内。种子、肥料箱应坚固耐用、质量轻和耐腐蚀，箱内外应涂以有一定强度的耐腐油漆，加种、加肥方便，容易清理和残留余料少。

5 设计工作总结

从传统的油菜播种机工作过程及设计方法出发，结合新的动力传动方式，针对丘陵地区土地及农况特点，设计出一种小型油菜精密播种机，着重对精密排种器、排肥器、开沟器和传动路线进行设计计算。该设计以一器4行离心式油菜排种技术为核心，可实现油菜的精量播种，能够一次性完成油菜精密播种中的多道工序。

该机主要有以下特点：(1)工作幅宽适中，地域性适应强，可以适用丘陵地区；(2)该机型是联合型机械，能够实现小块田地油菜种植多道工序集一机完成，大大减少了劳动力；(3)采用一器4行离心式油菜排种器，可以减少种子的破损率，提高种子出芽率；(4)旋耕机采用三点悬挂与拖拉机连接，既可与播种机联合作业，也可与后部分的播种机分开，成为独立的旋耕机。

样机试验中出现的机械部分可靠性问题，有待于进一步提高。