开沟播种施肥综合作业机设计

宋丽辉，宫唤春

(燕京理工学院 机电学院，河北 燕郊 065201)

0 引言

开沟施肥播种综合作业机[1]一次下地能够完成旋耕、秸秆掩埋、播种和镇压作业，提高了开沟施肥及播种的效率，降低了使用不同机器设备对土壤反复的压实，节省了施种成本和耕作费用，是目前农业施肥播种领域研究开发的热点机型。目前，国内的联合作业机主要是完成松土、碎土、起垄、播种、施肥、覆土及镇压等作业工序。现有资料表明，旋耕灭茬、施肥播种联合作业机型主要针对北方保护地耕作，而对南方稻麦秸秆还田旋耕施肥播种联合作业机具，还没有成熟的机型应用。新型稻麦秸秆还田施肥播种机械，是将旋耕灭茬、秸秆还田、施肥、播种及镇压多项技术集成在一起，实现联合作业，以达到一机多用、一机多能的目的。由于功能的增加，将给整机的研发带来一定的难度，为了实现联合作业，以达到一机多用、一机多能的目的，需着重解决整机结构设计优化问题。

1 设计原理及机构

根据南方稻麦种植特点，设计的开沟施肥播种联合作业机如图1所示。整机主要由万向传动轴装置、开沟施耕机械系统、整机机体壳盖总成、开沟施耕传动装置，以及土壤压实装置等部件构成。

开沟施耕机械系统主要为用于翻土压实的施耕刀，施耕刀结构排列采用了双曲线形式布置[2-3]。双曲线刀片结构强度硬度较大，能够提高翻土及碎土效果，使得土壤细粒化，有利于施肥及耕作需要，播种浅、施肥深。

1.三角悬挂总成 2.旋耕灭茬传动总成 3.中央变速器 4.种肥箱 5.罩壳栅栏调节装置 6.罩壳栅栏总成 7.排肥排种传动总成 8.压力调节弹簧 9.镇压轮 10.排种排肥管调节装置 11.万向节轴

设计了开沟施耕传动装置，传动链采用不同斜度的链条及栅格可以提高刀片工作的速度及工作的范围，最大限度降低刀片被土壤卡死堵塞的情况，同时提高了刀片的使用寿命。在施肥耕作过程中可以调整施耕排料管的高度，根据不同土壤碎土情况及土壤含水率而动态调整施肥耕作的深度，有效提高了耕作施肥的质量。

2 主要结构及参数设计计算

2.1 挂接机构设计

开沟装置通过挂接机构连接在微耕机后部，通过微耕机的液压系统控制液压缸，可以实现整个装置的升降。微耕机[4]动力输出轴的动力经链传动后，输入到开沟装置主轴和主动链轮。参考已有开沟机的挂接机构，并充分考虑微耕机的结构尺寸和使用环境的要求，设计开沟机的挂接机构如图2所示。

图2 挂接机构结构图

挂接机构主要由支架和下部的两个支撑杆组成。支架上有固定主轴轴承座的螺栓孔、安装液压缸的耳环和连接梁的铰接孔。安装时，先将架的尾端铰接在微耕机尾座上，然后再将支撑杆下部的销与微耕机底盘上的耳环连接起来。这样的设计主要是充分利用微耕机已有的尾座支架，尽量不做改动，从而降低成本。针对此挂接机构，需对微耕机做以下调整[5]：将后支架的离地高度调为420mm，通过改变倾角实现。设计过程必须做到以下3点：保证主轴离地高度约500mm；保证主轴轴线与微耕机后座孔的距离400mm；将底盘向后延长50mm，目的是为了焊接支撑杆的耳环，保证连接强度。

2.2 减速器及链传动设计

微耕机后动力输出轴的转矩通过链传动传递给开沟装置的主动链轮，设计减速箱的目的是为了解决原微耕机的行进速度过高(3个档位：Ⅰ挡1 480m/h，Ⅱ挡2 100m/h，Ⅲ挡3 300m/h)而带来机身振动的难题，如图3所示。在施肥耕作机械部分设置安装减速传动设备既可以保证动力输出平稳而方向变化，又可以有效降低施肥耕作速度，保证均匀施肥耕作。

图3 加减速箱后的传动路线图

2.3 传动系统设计

由于多数开沟施耕联合作业机器通常是开沟施肥机和播种耕作机两种机构组合而成[6]，因此合理设计两种机构传动连接方案及各机构系统分配合理的传动比，对机器功率的提高及使用寿命、播种施耕范围有着重要的影响。本文对开沟施肥和播种耕作两部分的传动系统进行合理设计并计算相关参数。

本文机器要与中型农用拖拉机匹配安装，拖拉机动力输入到开沟施肥机的传动轴上，再由其带动播种耕作机运转实现耕作施肥需要。该系统的动力传输装置包括开沟施肥变速机构和播种耕作变速机构，如图4所示。

1.开沟施肥变速机构 2.开沟施肥齿轮组 3.播种耕作变速机构 4.播种耕作齿轮组 5.链传动组件

拖拉机输出的动力传到施肥播种机变速机构后，通过该齿轮组将运动传至双曲线刀片上，刀片旋转切割完成耕作过程，再传动到播种耕作机上使得其完成播种。

根据使用地南方的气候和土壤条件，将本文机器工作动力传输到施肥机的转速确定为720r/min。利用3级动力传动，确保播种耕作机运转速度大于265r/min，同时根据施肥耕作土壤条件分配不同传动比完成施肥耕作[7]。因此，由具体施肥耕作条件可以计算出本文机器的总传动比为

分别设计并计算各级传动比如下：

中央齿轮传动为

i12=1.85

侧边齿轮传动为

则总传动比为

i总=i12×i35=2.72

旋耕灭茬转速为

n2=n1/i总=265r/min

2.4 链传动机构设计计算

链传动机构主要确保刀具在不同高度完成施肥耕作，由于链传动主要包括主传动链、连接机构及从动传动链3部分。根据耕作播种机的长度将链长度确定为1.25m，既保证机器整体尺寸适中，又能确保两个链轮中心距小于1m。查阅现有资料：开沟机的链速一般为v=1～15m/s，综合考虑微耕机的输出转速和果园及林地的土壤硬度，选定开沟链线速度2m/s，则由计算得开沟机主轴转速409.32r/min。

链刀组合的虚拟装配主要用骨架装配的方法，其结构如图5所示。

1.外链板 2.套筒 3销轴 4.内链板 5.滚子 6.滚轮

开沟宽度为200mm，且刀片切削刃宽度一般不小于20mm，由于链宽略小于刀具刃宽，确定采用单排链，在沟宽方向两把刀片左、右依次排列。

选定主动链轮齿数13，从动链轮齿数11。链条和链轮关键参数的计算过程如下：

链速为

链轮分度圆直径为

齿顶圆直径为

齿根圆直径为

df1=d1-d0=153.325mm

df1=d2-d1=126.883mm

df3=d3-d0=113.765mm

开沟施肥耕作机的刀片类型种类众多，如弹头式、垂直式刀片、柱形刀片及碟形刀片等。弹头式刀具适用于硬度较大的岩石土壤开垦，垂直刀片适用于北方寒冷地区厚实的冻土土壤。南方土壤比较松软，因此适合应用硬质合金钢制成的弧形刀片，既可以保证切削的范围又能使土壤碎土率较高，且刀片强度硬度塑性和韧性较好适用范围广泛，可以使得土壤开垦深度较大，因此本开沟施肥机采用弧形刀片。

弧形刀片切削角适中，使得土壤翻滚均匀，同时刀片成楔形分布，使得切削力较大，刀片强度适中，刀口韧度稳定，通常切削角取8°～14°[8]。本文刀片切削角取12°，刀宽70mm，切削土壤部分刃口30mm，如图6所示。

图6 40×90的刀片造型图

3 田间试验与结果

3.1 试验基本条件

2017年9月，试验在湖南岳阳农业种植基地。本地区年降水量平均为840mm，6-8月是雨季，常年平均气温19.8℃，土壤为松软土，属典型的湿带气候。利用小麦施肥耕作作为本文机器的试验测试点。该地区土壤碎土率超过90%。种植类型是施肥直接播种，机器动力输出超过70kW，耕作施肥行进速度为1～2.5km/ h，施肥耕作行数是8行。该测试过程中采用新中9号小麦，该类型小麦的千粒质量为43g，粒含水率为13.9%，耕作施肥量是280kg/hm2; 使用肥料是尿素，耕作施肥量为220kg/hm2。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 通过性评价

按照国家农业部规定的施肥耕作标准和要求，测试区域长度设定为150m。测试过程中，拖拉机以2km/h匀速行驶，施肥耕作机以1.5km/h进行耕种作业，如图7所示。根据国家农业部耕作标准要求，本文设计的机器要完成10次开沟施肥直接播种试验。试验结果表明：本文设计的机器通过性能平稳，无刀片卡死折断的现象，性能良好。

3.2.2 播种施肥测试

施肥耕作等作业完成后，从播种的作物中任意抽取10行，每行在250mm范围内随机选取25个测试点，检测人员用手工工具挖卡播种土层对机器施肥耕作的深度及施肥耕作距离等参数进行测取和分析，如表1所示。

图7 机器耕作试验

试验项目单位数值播种覆盖率cm5.6土壤耕作覆盖深度%99播种间隔%96肥料入土深度cm7.3耕作播种深度cm2.25土壤含肥料率%100

4 结论

分析了开沟施肥播种综合作业机不同应用领域的结构，并对其结构进行分析设计和计算，田间试验表明：该机种子播种深度、施肥覆盖率及机器工作强度和通过性均满足国家农业相关种植标准，其有应用推广的价值。