小籽粒精密播种机仿形装置的设计研究

张晓军

（运城市农业机械化科学研究所，山西 运城 044000）

山西省小籽粒杂粮作物大多数种植在丘陵地区，地块面积小，形状不规则，大中型农业机械进地通过的道路条件差，农业机械化程度很低。同时，青壮年劳动力大都进城务工、小籽粒作物播种作业质量不高、工作效率极低等成为制约提高农民收入的障碍。面对丘陵山区的农业装备和生产方式整体落后的现状，要实施“特”“优”战略，改进设计适合山西省各地区的作物（谷子、糜子、高粱、荞麦、莜麦、油菜等）的系列化小籽粒精量播种机成为必然[1-2]。

精密播种以精确的播种量、株行距和深度进行作业，具有节省种子、免除出间苗作业、苗距整齐的优点，经济效益明显[3]，因节本增效显著成为国家主要扶植推广的现代化农业生产技术[4]。精密播种机分气力式、机械式，气力式包括气吸式、气压式、气吹式3种。小籽粒精密播种机采用气吸式，解决现有的小籽粒播种机在播种时排种器型孔堵塞和种子破损问题。

精密播种机的株距、播量、播深重要指标影响出苗率、出苗整齐度，直接影响作物产量[5]。播深的稳定性取决于仿形机构的性能，农业机械上常用的仿形机构有单铰链仿形机构、平行四杆仿形机构、多杆双自由度仿形机构等类型[6]，其中平行四连杆仿形机构使开沟器入土角不变，结构简单，仿形性能好，成本低，安装及调整便利，被广泛应用于精密播种机上。本文对主要仿形部件及其单体下压力调节组合、单体提升锁扣装置进行了研究设计。

1 平行四连杆仿形机构的工作原理和配套装置

平行四连杆机构由前架、上杆、下杆、后杆连接架，仿形轮及工作部件组成。前架、上杆、下杆、后杆连接架相互铰接构成平行四边形，见图1。工作部件的作业深度靠仿形轮相对于地面的高度来调节。从图1中可知，前架固定在悬挂架上，上杆和下杆平行相等，A、B、C、D是4个铰接点，在工作过程中，上杆和下杆绕铰接点转动，前架和悬挂架相对不动，地轮前进时随地表起伏上下移动，带动工作部件上下移动调整作业深度。特点是开沟器入土角不变，作业深度相对一致。

图1 平行四连杆机构示意Fig.1 The schematic diagram of parallel four-bar linkage

由平行四边形特点而知，工作部件在工作过程中必须有极限位置，同时在运输过程中要相对锁定。极限位置是指每个工作单组在上下移动过程中确定工作部件最高极限位置和最低极限位置。提升锁扣成为极限位置和锁定功能的控制板；同时，下压力调节装置作用是平行四连杆机构在仿形过程中围绕铰接点随时转动，造成仿形过敏，相对稳定性差，由于拉伸弹簧的作用，使得下压力可调，无论在硬茬播种遇到土壤坚实度大的播种条件下还是在旋耕整地后的土壤坚实度小的播种条件下，仿形效果都较为可靠，使精密播种机适用于各种客观情况。

2 提升锁扣的设计

2.1 提升锁扣结构造型

要控制工作部件的极限位置即平行四连杆后杆的上下极限位置，图2机构即可实现。撑杆在平行四连杆仿形过程中一边绕O点转动，一边相对于X点在滑槽内运动，XO的长度不断变化。当X点到达L区域时后杆位于上极限位置，当X点到达H区域时后杆位于下极限位置。

图2 撑杆限位示意Fig.2 Theschematic diagram of strut limit

由图2可知，把X点设计到上杆其他位置，同样可以起到限位作用。在运输过程中，为了使播种单租相对固定，即把平行四连杆机构锁住，在撑杆上设计一个位置来完成此功能，称之为提升锁扣，见图3。

图3 提升锁扣Fig.3 Thelifting latch

2.2 提升锁扣的工作原理

从图3、图4可见，锁扣挂接螺栓固定在上杆上和锁扣板能够相对运动，后架下螺栓固定在后架上和锁扣板能够相对转动。在仿形工作状态下，锁扣弹簧卡在圆头挡销I之下，弹力使得锁扣挂接螺栓只能在H和L区域之间滑动，从而仿形正常实施，而且锁扣板在H、L处控制极限位置；在运输状态下，锁扣弹簧卡在圆头挡销II之上，播种机单组的重力和锁扣弹簧弹力使得锁扣挂接螺栓只能固定在S处被锁定。

图4 提升锁扣的工作原理Fig.4 The schematic diagram of lifting latch

2.3 平行四连杆的尺寸及提升锁扣的设计参数确定

2.3.1 平行四连杆尺寸确定

通常情况下，单组式精密播种机四连杆的上下仿形量各为80～120 mm[7-8]，由图5可知。

图5 平行四连杆示意Fig.5 The schematic diagramof parallel four-bar linkage

其中：α——牵引角，°；S1——上仿形量，mm；S2——下仿形量，mm；α1——上仿形角，°；α2——下仿形角，°。根据本地实际情况和整机的机动图设定牵引角α为3°，α1为19°，α2为19°，AB长度170 mm。则BC=AD=245.7 mm，取整数250 mm。

2.3.2 提升锁扣参数确定

设定锁扣挂接螺栓在上杆的G处，距离C处130 mm，点H—L滑槽长度为75 mm，验算仿形总量符合农艺要求即为合理，见图6。

图6 提升锁扣控制的两个极限位置Fig.6 The two limit positions of lifting latch control

上仿形量：

下仿形量为：

仿形总量为：250sin（90°-67.52°）+250sin（108.77°-90°）=176 mm

锁扣挂接螺栓的定位，H—L滑槽长度均符合要求。

3 下压力调节装置的设计

3.1 平行四连杆机构的受力分析

播种机正常平稳工作时，所受的力有重力G、牵引力P、土壤阻力R、仿形轮支反力N，四力平衡。从图6中可知，前提条件是仿形轮支反力N必须＞0，否则仿形轮起不到作用。因为牵引力的方向始终和拉杆平行，能使整个机构绕铰接点A、D逆时针的力只有重力G。仿形轮的支反力N只能由重力和土壤条件决定。即工作部件在土壤表层的下陷量主要由固定的机构重力决定，适应性差，不完全符合农艺要求。

图6 平行四连杆仿形机构受力示意图Fig.6 Theforce diagram of parallel four-bar profiling mechanism

3.2 下压力调节装置的设计

弹簧的特点是在产生恢复变形时，把机械能或功能转变成变形能，或者相反。在平行四连杆机构的上杆和下杆之间添加拉力弹簧可使四杆机构在绕铰接点转动时受到限制。

可以看出，图7 a的拉簧使机具单组重力G减轻，图c的拉簧使机具单组重力G加重。图b弹簧不起作用，因为弹簧拉力的方向和AB杆、CD杆是平行的，在平面机构中弹簧约束对机构自由度的影响是重复的，是对机构运动不起限制作用的重复约束，属虚约束或消极约束，可除去不计。

图7 弹簧不同位置图Fig.7 Thedifferent positionsof spring

本机采用图a方式，加上旋转手柄即为可调力式弹簧。

图8 下压力调节装置Fig.8 The regulator of downforce

3.3 拉力弹簧的计算

圆柱螺旋拉伸弹簧设计，Ⅱ类受变负荷，最大载荷为900 N，行程25 mm，采用65 Mn钢材料。

选 用d=6 mm，D2=32 mm，Pmax=1 088.5×0.875=952＞900 N

刚度P'=Pmax/Fmax=90/25=36N/mm

圈数n=Gd4/8D23P'=78 450×64/（8×323×36）=10.77圈

取n=11圈 实际刚度P'=36×（10.77/11）=35.25N/mm

查表，选初拉力=292，Fmin=292.24/35.25=8.29 mm

Fmax=25 mm

弹簧内径D1=32-6=26 mm

自由长度H0=（n+1）d+2D1=12×6+2×26=134 mm

验算疲劳强度及静强度安全系数 查表C=32/6=5.33时

K=1.29 τmax=8KPmax

D2/πd3=8×1.29×900×32/π63=438.2MPa

τmin=118 MPa

取τp=0.35σbτs=0.5σbσb=1380MPa

η=τp+0.75τmin/τmax=1.49

η′=τs/τmax=1.56

符合[η]=1.3～1.7的要求

初应力τ0=8P0D2/πd3=8×292×32/π63=69 MPa，符合手册。当C=32/6=5.33时，τ0=65～150 MPa的要求

螺旋角α=arctg（d/πD2）=3.45°，符合要求。

4 结论

提升锁扣支撑效果良好。提升锁扣的作用是，当平行四连杆机构在正常工作仿形时，锁扣弹簧卡在圆头挡销I的下方，滑槽在保证仿形同时还有控制极限位置的作用；在运输状态时，锁扣弹簧卡在圆头挡销II的上方，弹力和重力锁住机具单组，保证运输平稳。

下压力调节装置通过调力作用，提高了平行四连杆机构的仿形适应性，使播种机既能适应于保护性耕作的硬茬播种，也可以适应在旋耕后整地情况较好土壤播种。