免耕播种机种肥开沟器的结构设计及力学分析

（保定理工学院,河北 保定 071000）

保护性耕作技术以培肥地力、蓄水保墒的优势得到了农业农村部大力推广，免耕播种机是实现保护性耕作的重要机具。免耕播种机除要求具有较好的防堵性能外，还要求开沟器在地表坚实的免耕茬地形成良好种床，避免因侧向阻力过大出现侧弯现象，影响播种机的正常作业。因此有必要对开沟器的结构和工作性能进行研究[1]。

1 免耕播种机开沟器的技术要求

在地表坚实且有秸秆杂草覆盖的基础上，免耕播种机的开沟器必须具备较好的入土和开沟能力，有效防止秸秆杂草和玉米根茬对其堵塞；尽量减少动土量，以便形成较好的种床。

针对免耕播种机开沟器的技术要求，笔者设计了一种弧形种肥分施开沟器，并对其进行了力学性能分析[2]。

2 弧形种肥开沟器的结构设计

本开沟器的结构设计采用种、肥分离，施肥开沟器的前表面与防堵切刀的工作面的曲线度贴合，播种开沟器采用背靠背布置，结构如图1所示。这种弧形种肥开沟器的结构设计不仅能防止杂草进入防堵切刀和施肥开沟器的间隙，还可以防止播种开沟器出现挂草现象。

图1 种肥开沟器结构示意图

2.1 弧形施肥开沟器工作参数的确定

2.1.1 种肥上下间距h的确定

农业农村部保护性研究中心经过试验验证，种子与肥料的上下距离在3 cm以上时才可以避免烧种，因此本弧形种肥开沟器结构设计取两者之间的上下距离为5 cm，满足农业农村部推荐的种肥上下间距为3 cm～ 6 cm的要求。

2.1.2 种肥水平距离K的取值

施肥开沟器在拖拉机动力驱动下挖出沟槽，肥料顺势落入沟底，被挖出的土壤在自身重力和惯性作用下填入沟槽。为了保证种子和肥料间的上下距离达到5 cm，种肥开沟器底端水平距离K应在20 cm左右，所以取K＝20 cm[3].

2.1.3 弧形施肥开沟器与防堵切刀的间隙e

施肥开沟器与防堵切刀之间的间隙是防止免耕播种机堵塞及影响其正常工作的主要参数。间隙值越小，秸秆或杂草越容易被切刀切断。考虑到免耕地面不平整，工作过程中免耕播种机的振动等因素，本设计的弧形施肥开沟器与切刀之间的间隙设计为7 mm。

2.1.4 弧形施肥开沟器结构参数的取值

为了提高弧形施肥开沟器的切土能力，本施肥开沟器采用尖角型的结构。

（1）弧形施肥开沟器弯曲半径R

其中，R为弧形开沟器的弯曲半径，R0为防堵切刀的回转半径。R0=250 mm。

由上式计算得R=257 mm

（2）弧形施肥开沟器入土角α的取值

图2 施肥开沟器结构示意图

如图2所示，入土角即尖角型施肥开沟器上表面过尖角点的切线与水平面的夹角，是降低土壤阻力的主要参数[4]。

本次弧形施肥开沟器的入土角α设计为

（3）弧形施肥开沟器的截面尺寸

施肥开沟器的截面尺寸是保证开沟器承受工作阻力的重要参数。本施肥开沟器采用结构尺寸为30 mm×50 mm的45号方形钢。

（4）弧形施肥开沟器入土隙角ε的确定

如图2所示，入土隙角为尖角型施肥开沟器下表面过尖角点切线与水平面的夹角。入土隙角一般为5°～10°[6]。本弧形施肥开沟器的入土隙角设计为7°。

2.2 尖角型施肥开沟器强度校核

尖角型施肥开沟器在工作过程中难免会因坚硬的根茬或土壤使其承受较大侧向力，久而久之使开沟器发生侧向弯曲变形。

施肥开沟器在O点用U型螺栓与横梁固定连接，工作过程中相当于悬臂梁[5]，受力如图3所示。

图3 施肥开沟器铲柄受力示意图

施肥开沟器的尖角在工作过程中受到的力有前进阻力F2，地下土壤给予的支反力F1，突发侧向力N。原则上尖角型开沟器承受的左右两侧的侧向力等效，开沟器不会发生侧向弯曲，但是在免耕播种机实际工作过程中，开沟器的尖角某个侧方向时常会碰到坚硬的根茬或土块，使得尖角承受较大的侧向力，导致开沟器尖角发生侧向弯曲，影响免耕播种机正常作业。根据短翼型尖角开沟器受到的土壤给予的支反力与前进阻力均值之比为14.18/182.97，即F2约等于13倍的F1。故对施肥开沟器进行强度校核时，土壤给予的支反力忽略不计，只需增大安全系数即可。

根据上述分析，施肥开沟器尖角在工作过程中主要承受前进阻力F2和突发侧向力N，施肥开沟器在二力作用下的剪力和弯矩图如图4、5所示。根据施肥开沟器的剪力和弯矩图可以看出，开沟器的危险截面在原点O处，即U型螺栓的固定点处。

尖角型施肥开沟器的总体尺寸参数如图3所示a1=513 mm，a2=215 mm。查阅文献资料，当入土深度为6～11 cm时，每个开沟器的平均阻力为313.9～490.5 N。为了确保施肥开沟器具有较好的开沟性能，本校核弧形施肥开沟器承受的工作阻力取值为460 N。突发侧向力取值N=2F（F为开沟器在坚硬土壤行进过程中的前进阻力值约为946.8 N），由此可知突发侧向力N=1893.6 N。由机械设计手册查得45号方形钢的许用应力[σ]=300 MPa。

图4 开沟器在F2作用下的剪力和弯矩图

图5 开沟器在N作用下的剪力和弯矩图

为了更好地校核尖角型开沟器的作业性能，将其在工作过程中受到的前进阻力和突发侧向力单独计算，分析尖角型开沟器危险截面的安全性。

（1）当尖角型开沟器单独受前进阻力作业时，建立如图6所示坐标系，其受力图6所示。

图6 开沟器受前进阻力F2示意图

图7 开沟器截面尺寸示意图

在垂直面XOY坐标内，施肥开沟器水平截面的惯性矩为

在前进阻力作用下施肥开沟器的抗弯截面模量为

最大弯曲正应力为

最大弯曲剪应力为

（2）当尖角型施肥开沟器单独承受突发侧向力时，受力如图8所示。

在水平XOZ坐标内,施肥开沟器水平截面的惯性矩为

在突发侧向力作用下施肥开沟器抗弯截面模量为

最大弯曲正应力为

最大弯曲剪应力为

突发侧向力对施肥开沟器造成弯曲变形也会使其产生一定程度的扭转变形，无形中也增大了危险截面的剪应力，扭矩对施肥开沟器危险截面造成的最大剪应力为

其中，从材料力学表4.2选取。

故由弯曲剪应力和扭转剪应力共同对施肥开沟器产生的最大值为19.55 MPa。

根据弯扭组合的第三强度理论，施肥开沟器危险截面的最大组合应力为

3 结论

该尖角弧形种肥开沟器的结构设计不仅很好地完成了开沟、施肥、播种和覆土的功能，且弧形的巧妙设计也使得免耕播种机的防堵性能增强。通过对主要受力部件弧形施肥开沟器的力学计算进一步验证其具有一定的工作裕量。即使承受瞬时增大的侧向力也有足够的抵抗能力，较好地满足了种肥开沟器的使用要求。