多功能沙地播种机的设计

邱毅清,武建新,陈 强,张 涵

(内蒙古工业大学 机械学院,呼和浩特 010051)

0 引言

多年的科学研究和实践证明,沙漠种植可以防风固沙、保持水土、改善沙土结构、提高植被覆盖度进而改善生态环境。目前,沙漠种植机具还不够完善,虽然大中型播种机技术较为成熟,但受限于地理位置、体积等各方面因素的影响,不适合在沙漠中作业。在现实生活中,使用的种植设备由于其功能少难以在沙漠中完成作业,影响了种植效率,降低了产量,制约了沙漠种植机可持续发展[1]。

针对以上问题,本文设计了一款新型多功能沙地播种机,能够实现深沟施肥、沙土覆盖、精确播种及覆土镇压等功能,解决了存在的效率低、存活率差等问题,更有利于防风固沙,改善了生态环境。经过初步试验,该播种机具有较强的通过性,能够实现沙漠播种,为沙漠地区提供了一种新的机具[1-4]。

1 设计原理及机构

1.1 设计原理

该播种机能实现种植多种作物及在沙漠各个地区作业,同时克服了沙土回流。其优点是机具结构简单、使用方便,具有较高的稳定性,播量均匀,且具有较高的仿形及覆土能力,可确保机具作业完成之后还能维持较为良好的地形。该机具采用的配套动力为中国一拖集团生产的东方红-LX1200拖拉机,提高了通过性,降低了成本。

1.2 总体设计

沙地播种机主要由地轮、开沟圆盘、排种器、覆土器、镇压轮、机架、种箱及肥料箱等部分组成,如图1所示。播种机装置采取三点悬挂式与拖拉机挂接,进而形成了一个整体,在拖拉机的带动下进行作业[5-8]。

1.悬挂架 2.链条 3.链轮 4.万向联轴器 5.保护罩 6.地轮

作业时,拖拉机后输出轴的动力通过万向节传动轴将动力传递到播种机的换向器上,进而传递到播种机上;经过换向器换向后,动力由换向器的左右轴输出,再由左右输出轴上的主动链轮经过传动链条带动开沟轴旋转,带动开沟刀盘进行转动。开沟圆盘由机架固定,设计成倒八形状并将由经过开沟刀盘开沟后初步形成的种沟里的沙子向两侧挤压,进而形成满足种子生长的种沟。最重要的是种沟的结构组成不会产生破坏,有利于种子吸收湿沙层的水分,保墒效果显著,这种由刀盘和双圆盘相互配合的方式将会很好地解决沙子特殊的回流性问题。开沟轴的另一端通过链条传动传递到施肥和播种各自所对应的轴上,化肥箱中的肥料及种箱中的种子分别由施肥管和排种器落入到已开好的种沟中;当肥料和种子落入到种沟后,由覆土器进行覆盖,再由后面的镇压轮进行镇压,既保证作业后沙地良好的地形又能有效防止水分的流失。

1.3 主要技术参数

按照项目技术要求,播种机各主要技术参数如表1所示。

表1 沙漠播种机主要技术参数

2 关键部件设计

2.1 开沟器

开沟器作为播种机重要部件之一,主要功能是开出相应的种沟,将种子和肥料导入种沟,并进行相应的覆土处理。其结构及布局的合理性会影响其开沟情况,进而对播种质量造成一定的影响。本播种机选择刀盘圆盘式开沟器,具有牵引阻力小、工作效率高且能够适应多种地形的优点。开沟器结构如图2所示。

开沟刀片作为圆盘式开沟器最重要的工作部件,其性能直接影响了整机的工作效率及可靠性。刀片选用弯刀,具有较强的滑切能力,如图3所示。每个刀盘上装有12把弯刀,弯刀均匀地分布在圆盘上,作业时,刀盘每转过30°便会有一把弯刀切入沙子里,满足开沟施肥的农艺要求。

1.开沟圆盘 2.开沟刀片

1.正切面 2.过渡面 3.侧切面 4.侧切刃 5.过渡刃 6.正切刃

弯刀侧刃曲线采用的公式为

R=R0+Kφ

式中R—侧刃上任意点的旋转半径;

R0—侧刃起始半径;

K—常数;

φ—位置度。

初始时,滑切角相对较小,随着圆盘的不断深入,滑切角逐渐增大。

弯刀的设计参数主要包括刀片工作的最大回转半径Rmax,刀片在弯折处的刃口半径Rl,起始半径和最大回转半径之间的偏移角θmax,刀片弯折后角β,刃口厚度C等。依据GB/T5669—2008《旋耕机械刀和刀座》及《农业机械设计手册》,最终确定刀片的基本设计参数如表2所示。

表2 开沟刀片主要设计参数

2.2 地轮

地轮在拖拉机牵引下转动,选取同轴固定式地轮,同一根轴上固定两个地轮。地轮主要由抓地板、地轮圈及幅板焊接而成的铁轮构成,如图4所示。这样设计不仅使机具的结构看起来更紧凑,且大大降低了生产成本。同时,将抓地板焊到地轮上可以最大限度地保证地轮的通过性,防止地轮发生滑移。本文在每个地轮上焊接20个抓地板。

图4 地轮模型

除了直径以外,抓地板高度也会对地轮滑移产生重要的影响。抓地板的高度与打滑率成反比,高度越高,打滑率也越小;但随着抓地板高度的增加它受到沙地地质的影响也就越大,完全入沙的可能性也就越小。在其它条件不变的情况下,抓地板越高,对抓地板强度要求也就越大,必须增大抓地板的厚度,但随着厚度的增加入沙难度也会相应增大。

根据脱沙的难易程度,图5结构最不易在地轮抓与地轮圈之间夹沙土,且随着夹角α的增加,脱沙也相对容易一些。主要原因是:只要α存在,那么β就为钝角而且和α成正比例关系;但是这种结构入沙比较困难。

本文设计参照有关机具,综合考虑为增加其入土性能及脱土性能,将其设计为图6形状,其具体尺寸为l1=100mm;l2=15mm;d1=15mm;d2=30mm;S=5mm。

1.抓地板 2.地轮圈

图6 抓地板

2.3 排种器

本文选择夹持自锁式排种器,相对于其他排种器而言,该排种器不仅价格实惠、消耗功率小,且加工简单、播种精度高。排种器是将存储在一定空间的种子取出并按照一定规律将种子输送到特定位置的一种装置,一般由取种部件、转动推送装置、刮种装置及投种装置4部分构成,如图7所示。

1.成穴器 2.翼板 3.弹簧 4.清种器 5.进种口

2.4 传动系统

播种机传动系统占据着举足轻重的地位,决定其他部件性能的好坏,在对播种机的传动系统进行设计时应考虑设计因素和设计要求的所有方面。

结合工作环境、农艺要求等多方面的因素,采用链传动作为传动系统的工作方式。链传动是一种挠性传动,链条和链轮(小链轮和大链轮)是它的主要组成部分。通过链轮轮齿和链条链节的啮合来传递运动和动力。链传动主要用在工作要求可靠性高、两个轴距离较远、低速重载及作业环境较差的情况下。相对于带传动而言,链传动无弹性滑动和整体打滑的现象,可以保持较为准确的平均传动比,传动效率更高,所需张力更小,且作用在轴上的径向压力也较小。链传动结构紧凑,能在较差的环境下作业,如高温和潮湿。相对于齿轮传动而言,链传动具有较低的制造和安装精度及相对较低的成本,在远距离传动时,其结构简单。

机具的传动系统主要包括排种系统及开沟系统,原理如图8、图9所示。该结构由地轮、链轮、传动轴等组成,整体结构相对简单,由拖拉机牵引机具作业。工作时,牵引力通过万向节传动轴将动力传递到播种机的换向器上,动力由换向器的左右轴输出;然后,轴上的主动链轮经过传动链条带动开沟轴旋转进而带动开沟刀盘转动;与此同时,主动轮通过链条将动力传递到从动轮上带动施肥轴和播种轴旋转,实现施肥和播种。

3 田间试验与结果

3.1 试验基本条件

试验在内蒙古乌兰布和沙漠进行,该地区沙土质地为细沙,年均降水量约103.1mm,年均气温7.8℃,年均蒸发量2 261.4mm。测试过程中种植肉苁蓉,肉苁蓉千粒质量42g,含水率12.5%,播种量为270kg/hm2,使用肥料是微量元素肥,施肥量为270kg/hm2。

3.2 试验结果

3.2.1 通过性评价

依据国家农业部的标准和规定,测区长度为100m,往返一个行程,拖拉机以1.9km/h的速度匀速行驶。根据国家农业部的耕作要求,设计的机具要完成10～20次的复式作业。试验结果表明:所设计的播种机具有相对优良的通过性,开沟顺利,性能良好。

1.万向联轴器 2.换向器 3.中间传动轴 4.链传动 5.排种器

1.万向联轴器 2.换向器 3.中间传动轴 4.链传动 5.开沟盘

3.2.2 播种施肥测试

作业完成以后,从作物中随机抽取测试点,检测人员通过工具来对施肥深度及播种深度等参数进行测取和分析,结果如表3所示。

表3 播种施肥主要技术参数

4 结论

该播种机可将开沟施肥、精量播种、覆土镇压等工作一次性完成,具有较高的可靠性和稳定性,能够满足相关的农艺要求。作为沙地专用的播种机,其具有保墒节水及降低成本等优势,发展前景十分广阔。