半自动谷物播种机设计与仿真试验

宋爱华，林 欢

(常州信息职业技术学院，江苏 常州 213164)

0 引言

农业在我国始终具有重要的地位。随着农业科学技术的发展，各种农业机械陆续出现在农业生产中，如各种大型耕整地机、播种机和收获机等。播种机是农耕最重要的机械之一，目前关于播种机设计与研究相当广泛。一是谷物播种机，如黄河等[1]设计了一种基于单片机的玉米智能播种机；毕延洁等[2]设计了具有单粒精量播种功能的玉米播种机；BASIR M S等[3]设计并制作了一种电动玉米播种机；杜木军等[4]对玉米高速播种机应用情况、主要结构进行了介绍，并对高速播种技术的未来发展趋势进行了分析；赵小莉[5]设计了一种专用谷物精量播种机；SANDHU B S等[6]介绍了一种播种机，可以在水稻收割后实施小麦的直接播种。二是经济作物播种机，如周春健等[7]设计了一种稻茬田绿肥蚕豆播种机；赵金等[8]设计了一种秸秆粉碎种行旋耕苗带覆盖棉花播种机。三是蔬菜播种机，如祁亚卓等[9]对国内外蔬菜播种机的研究现状与发展趋势进行了分析研究；李社潮等[10]从2019年中国国际农机展对播种机技术特点及发展趋势进行了分析研究。

总体来说，这些播种机是针对具体农作物来设计的，结构比较复杂，机械化、智能化程度较高，能大大提高农田工作效率。但是这些播种机体积比较大，只适合在开阔平坦的大面积土地上使用，对外部动力的依赖性比较强，操作技能要求比较高。

有些农村的耕地是小面积块状耕地，甚至有些地块凹凸不平，像洼地、坡地、丘陵等复杂地形，大型播种机不适合使用，因此很多农民还在使用简单的农具，劳作效率低，而且耕种质量也不高。相对来说，简易播种机的研究设计较少，张亚新等[11]设计了一种便携式脚踏玉米播种机，该播种机的设计能够满足一些狭长或凹凸不平的特殊地块的耕种需求，但仅适用于玉米播种。SUN Deng等[12]针对丘陵山区谷子播种难、间苗工作量大等问题，设计了一种电磁振动式谷子精少量播种机，但这种播种机动力衰退很快，随着作业时间延长，播种机稳定性会降低。专利《一种简易手动播种机》，虽然能够在复杂地形使用，但是需要人力将锥形豁插入到土中，松软的土地较容易插入，较硬的土地需要使用较大的力气，使用者的体力消耗较大；且该播种机在种子落下后，需人工将种子掩埋，功能较为单一，自动化程度较低。

借鉴现有专家学者的研究，本文设计一种简易轻便、不需要外部提供动力仅需要手和腿部操作的半自动播种机，能够实现挖土与覆土功能的一体化。

1 结构设计

半自动谷物播种机结构如图1所示，包括内筒管和外筒管，内筒管同轴滑动插设在外筒管内。内筒管的底端圆周均匀固定安装有若干刀片，外筒管的底端安装有固定环和连接杆组件，通过这个组件连接刮土装置，刮土装置具有若干刮土片。

1.内筒管 2.把手 3.外筒管 4.脚蹬 5.第1固定环 6.导杆7.第1杆 8.第2固定环 9.导套 10.支撑杆 11.转轴 12.第2杆 13.刀片 14.刮土片 15.开口 16.套筒图1 半自动播种机三维结构Fig.1 Three dimensional structure of semi-automatic planter

播种机纵向剖视如图2所示。内筒管与外筒管之间设置有转动装置(图2中标注的A)，其结构放大图如图3所示。利用旋转拖把原理，通过麻花杆带动转盘转动。

1.麻花杆 2.导向筒图2 半自动播种机剖视图Fig.2 Sectional view of semi-automatic planter

1.麻花杆 2.内筒管 3.限位环 4.支撑片 5.支撑环6.转盘 7.外筒管图3 图2中A处的放大图Fig.3 Enlarged view at A in Fig.2

播种机中内筒管与转盘的装配关系如图4所示，内筒管上安装有上下限位环，在上下限位环之间嵌入安装齿圈，通过转盘与齿圈的咬合驱使转盘与内筒管一起转动。

播种机的内筒管进入或抽离外筒管时，转动装置均驱动内筒管转动。内筒管转动带动其底端的刀片转动，刀片在旋转的状态下挖土。内筒管进入外筒管一定距离后，内筒管停止转动，地上被挖出凹塘，挖土结束。向内筒管内放入种子，种子由内筒管进入凹塘内。在内筒管进入外筒管时，转动装置驱动内筒管转动，刮土片处于张开状态。抬起外筒管，内筒管在重力的作用下向下运动，内筒管从外筒管内抽出，若干刮土片由张开状态逐渐反向聚拢至包裹刀片，若干刮土片在包裹刀片的过程中，将先前挖出来的泥土刮覆在种子上面。

1.内筒管 2.齿圈 3.限位环 4.支撑片 5.支撑环 6.转盘图4 内筒管与转盘的三维装配Fig.4 3D schematic assembly diagram of inner bobbin and turntable

通过转动装置驱动内筒管转动，内筒管转动带动刀片在旋转的状态下挖土，挖土的速度较快，节省了人力。播种机将挖土与覆土功能结合在一起，实现了播种的半自动化。不仅可以用于较松软的土地，也可以在较硬的土地上使用，扩大了播种机的适用范围；并且通过旋转挖土，能够使土质变松，利于种子的生长。

2 操作使用步骤

(1)握住把手，将刀片放置在地面上，向上拉动把手，使外筒管远离刀片，待第1杆和第2杆处于上死点时，如图5所示，刮土片提升至刀片的上方。

图5 第1杆和第2杆处于上死点时三维示意Fig.5 3D schematic diagram when the first and second rods are at the top dead center

(2)将脚放置在脚蹬上，用力向下推动外筒管，麻花杆逐渐插入转盘上的通孔内，麻花杆驱动转盘在两个支撑环之间转动，转盘转动带动齿圈转动，齿圈转动驱动内筒管转动，内筒管转动驱动刀片转动，刀片在旋转的状态下挖土；在向下推动外筒管时，第1杆在第1固定环上向下转动，第1杆推动第2杆在第2固定环上向下转动，第2杆推动刮土片向下转动，刮土片逐渐张开的同时，第1固定环向上移动，第2固定环被限制在导轨内。

(3)待第1杆和第2杆处于下死点时，如图6所示，外筒管无法向下推动，刮土片停止向下转动，刀片也停止旋转，向内筒管内放置种子，种子沿内筒管进入刀片挖出的凹塘内。图6中B处的结构放大图如图7所示。

图6 第1杆和第2杆处于下死点时的三维示意Fig.6 3D schematic diagram when the first and second rods are at the bottom dead center

1.环形导轨 2.导套 3.第2固定环 4.第2杆 5.支撑杆6.转轴 7.刮土片 8.套筒 9.第1杆 10.开口 11.刮土片图7 图5中B处的放大图Fig.7 Enlarged view at B in Fig.5

(4)种子放置完成后，用脚向下推动刮土片，然后再向上拉动外筒管，内筒管在自身重力的作用下向下运动，转盘在位于其上方支撑环的带动下向下移动，并逐渐脱离麻花杆，转盘随麻花杆的抽离而反向自转，转盘反向自转的同时带动内筒管反向转动，内筒管反向转动的同时，带动刀片反向转动，刮土片在第1杆、第2杆和第1固定环的联动作用下逐渐聚拢，刮土片在聚拢的过程中，将先前挖出来的泥土刮覆在种子上面，刀片逐渐从凹塘内抽出，待刀片完全从凹塘内抽出后，播种完成。

(5)将播种机移动至另一播种地点，重复1～4步骤，实现半自动化播种。

3 仿真试验

根据半自动播种机结构，内筒管直径20 mm、播种机高度1 000 mm，以钢为材质，钢的相关参数为密度7.85×10-6kg/mm3、热膨胀系数1.2×10-5/℃、比热4.34×105mJ/(kg·℃)、导热系数6.05×10-2W/(mm·℃)、强度系数920 MPa、杨氏模量2×105MPa、体积模量1.6667×105MPa、剪切模量76 923 MPa、泊松比0.3。参照王吉祥等[13]基于ANSYS对啤酒瓶的跌落仿真应力分析，利用有限元软件ANSYS Workbench，对该播种机的关键部件固定环和连接杆组成的组件分别进行静态试验、疲劳试验、模态试验。

固定环和连接杆组件静态试验云图如图8和图9所示，该组件的应变、应力之间存在着高度相关性，随着应力增大，应变也在增大，而且应变增长率和应力增长率保持一致。

图8 固定环和连接杆组件应变云图Fig.8 Strain contour of fixed ring and connecting rod assembly

图9 固定环和连接杆组件应力云图Fig.9 Stress contour of fixed ring and connecting rod assembly

固定环和连接杆组件疲劳试验云图如图10和图11所示，随着组件破坏成倍的提高，寿命成指数级下降。说明这个组件的稳定性、可靠性在整个结构设计中比较关键，会影响到播种机的使用状况和寿命。

图10 固定环和连接杆组件破坏云图Fig.10 Damage contour of fixed ring and connecting rod assembly

图11 固定环和连接杆组件寿命云图Fig.11 Life contour of fixed ring and connecting rod assembly

固定环和连接杆组件6阶模态试验云图如图12～17所示，该组件在外部振源作用下会产生振动变形，6阶模态试验云图反映了在6个特定的固有频率下该组件的振动特性。将每一固有频率下最大最小变形值之比列于表1，在6个固有频率下，最大最小变形值之比是常数，而且比值较小，说明该组件稳定性相当好，没有出现变形急剧变化情况。

表1 固有频率下最大最小变形值之比Tab.1 Ratio of maximum to minimum deformation at natural frequency

图12 1阶模态下的振动变形云图Fig.12 Contour of vibration deformation under the first mode

图13 2阶模态下的振动变形云图Fig.13 Contour of vibration deformation under the second mode

图14 3阶模态下的振动变形云图Fig.14 Contour of vibration deformation under the third mode

图15 4阶模态下的振动变形云图Fig.15 Contour of vibration deformation under the fourth mode

图16 5阶模态下的振动变形云图Fig.16 Contour of vibration deformation under the fifth mode

图17 6阶模态下的振动变形云图Fig.17 Contour of vibration deformation under the sixth mode

总之，通过对该半自动播种机关键部件固定环和连接杆组件进行仿真试验和分析，说明播种机的结构设计符合力学性能要求，结构设计具有合理性。

4 创新性和实用性

该播种机设计弥补了大型播种机在小地块和复杂地形条件下，不适宜大豆、蚕豆、红豆和玉米等谷物播种使用的问题。播种机设计符合人体工学原理，整个设计保证人可以平稳站立操作，减轻了身体的劳累程度和损伤程度。播种机还将挖土与覆土功能结合在一起，实现了播种的半自动化，比使用传统农具劳动效率提高2倍以上，而且提高了播种质量。播种机不需要依赖外部机械动力，操作简易，对使用者没有特殊技能要求，体积小、轻便、成本低，属于便携式小型播种机。播种机设计已经获得实用新型专利。经咨询当地农业技术推广站工作人员和若干农户，都认为播种机设计理念新颖，开发出来后预期有很好的市场推广和应用价值。

5 结束语

随着农业科技的发展，农业机械的研究和开发越来越广泛、越来越深入，各种农业机械不断出现在农业生产活动中，有力推动农业生产的发展，而且农业机械呈现出大型化、智能化、一体化趋势，播种机便是其中一种农业机械。但是一些特殊地形条件下，大型播种机不适合使用，需要研究开发出更多小型、操作简易的播种机，能够替代传统的农具，做到省力高效。期望更多的专家学者能够在这方面开展研究，提升我国农业生产水平，助力我国农业发展。