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机械毕业设计1145内充种气吸玉米免耕播种机的设计—镇压部分的设计,机械毕业设计论文
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分类号： 本科毕业 设计 题 目： 内充种气吸 玉米免耕播种机的设计 镇压部分的设计 学 院： 机 电 工 程 学 院 专业班级： 机 械设计制造 及其自动 学 号： 学生姓名： xxxx 指导教师： 职 称 ： 副教授 二 OO 八 年 六 月 十 日 nts 摘 要 针对一年两熟地区夏玉米整秆覆盖下免耕直播冬 玉米 易 产生堵塞这一难题，提出了对行播种思路，研制了 玉米 对行免耕施肥播种机。 根据玉米免耕播种的特定农艺要求，阐述了气吸式玉米免耕播种机的设计原则和思想，介绍了其结构特点和技术参数，并对切茬开沟器部件和镇压部分提出了合理的工作参数及设计。该机能在留茬地上一次完成破茬开沟、施肥、播种以及覆土镇压等作业工序。作业时，土壤扰动少，并可满足高速精量播种质量要求。 ；对播种机构进行了改进，设计了单圆盘和双圆盘两种播种镇压单体，采用单体仿行，田间防堵性能试验表明双圆盘播种单体结构简单，防堵性能好，播深一致性好，有效解决了原样机相邻 两组种管之间的壅堵问题。 样机试制成功后进行了整机播种性能试验，试验表明改进后的机具在玉米整秆覆盖下对行免耕播种 玉米 防堵效果显著，种、肥播深变异系数较改进前明显变小，整机结构设计合理，为一年两熟地区冬 玉米 免耕播种提供了技术支持。 关键词： 保护性耕作； 一年两熟； 内气吸 玉米 免耕播种机；防堵； 设计 nts 目录 第一章 绪论 1 1.1 国内外耕播种机的研究概况 1 1.2 精密播种的发展趋 势 4 1.3 课题研究的意义与内容 5 1.4 课题研究内容与技术路线 6 第二章 内气吸玉米免耕播种机单体的设计 8 2.1 开沟器性能分析及设计 8 2.2 播种单体整体结构分析 12 2.3 镇压机构的 总体 设计 13 参考文献 17nts 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 国内外 播种机的 研究概况 1 1 1 保护性耕作技术的基本概念 保护性耕作是相对传统耕翻、裸露休闲的一种新型耕作技术，它的前身叫“免耕法”，随着研究的深入和推广的扩大，发现免耕只能适应部分土壤和自然条件， 1980 年以后逐步改为保护性耕作法 1。国外定义为：“用大量秸秆残茬覆盖地表，将耕作减少到只要能保证种子发芽即可，主要用农药来控制杂草和病虫害的耕作技术”。我国学者在多年科学研究的基础上，把保护性耕作定义为“以水土保持为中心，保持适量的地表覆盖物，尽量少翻动土层，而又 能保证作物正常生长的耕作方法” 3。 2002 年农业部为了使广大农民容易理解，按照保护性耕作的内涵和目标，将其定义为“对农田实行免耕、少耕，并用作物秸秆覆盖地表，以减少风蚀、水蚀，提高土壤肥力和抗旱能力的先进农业耕作技术” 1 。 保护性耕作的基本技术包括四项内容：一是免耕播种施肥。与传统耕作不同，保护性耕作的种子和肥料要播到有秸秆覆盖的土壤里，有些还是免耕地，所以需要特殊的免耕施肥播种机；二是秸秆残茬管理。收获后秸秆和残茬留在地表做覆盖物，是减少水土流失、抑制扬沙的关键；三是杂草及病虫害防治。能否成 功的控制杂草和病虫害是保护性耕作能否成功的关键；四是深松与表土作业。 深松即疏松深层土壤，基本上不破坏土壤结构和地面植被， 打破硬底层， 可提高天然降雨入渗率，增加土壤含水量 1 4。 美国、加拿大、澳大利亚等旱地农业大国相继开展了保护性耕作的研究，经过长期试验证明保护性耕作有以下优点：减少地表径流，减轻土壤风蚀、水蚀，改善环境，增加水分入渗5 6； 增加土壤有机质含量，改善土壤结构 7；提高水、土、光等资源的利用率 8； 作物根系发达，干物质积累多， 产量提高 9；生产成本下降，收入增 加，经济效益改善 10。根据中国农业大学等单位在山西 10 余年的系统试验，保护性耕作与传统翻耕相比较，具有显著的效益： 社会效益。减少径流 60、水蚀 80、减少风蚀 60。抑制沙尘暴。不烧秸秆、减少大气污染。 生态效益。休闲期土壤贮水量增加 14 17，水分利用率提高 15 19；提高土壤肥力，土壤有机质年提高 0.03 0.05，速效氮和速效钾提高。经济效益。提高 玉米 、玉米产量 13 17；减少作业工序，降低作业成本 10 20；增加农民收入 2030 1 。 1 1 2 国内外 播种机的发展现状 11 我国的播种机以传统的谷物条播机为主，与小型拖拉机配套的播种机及畜力播种机目前仍占主导地位。全国有 500 家左右的企业生产播种机，其中只有 10 家生产与大中型拖拉机配套的nts 第一章 绪论 2 播种机，与小拖配套的播种机和畜力播种机的产量已占到全国播种机产量的 90%以上。近几年，我国的联合作业播种机发展也较快，其机具主要有播种一拖肥联合作业机、耕作 播种联合作业机、松土 施肥 覆膜 穴播联合作业机和施水 播种联合作业机等，目前又发展了铺膜播种联合作业机。另外，精少量播种机具推广势头强劲， 玉米 精少量播种机 和中耕作物精密播种机推广应用迅速。 目前国外精密播种机已达到相当完善的程度，在精密播种机上除了设有完善的整地、覆土、镇压及施肥、洒农药装置外，其排种装置多采用新的工作原理，包括各种气力式排种原理与机械式排种原理，以保证单粒精密播种。另外，液压技术及电子技术也在播种机上得以应用。 20世纪 80 年代，美国、澳大利亚、加拿大、法国等西方国家开始研制并广泛使用气力式精密播种机械，其中气流一阶分配式集排排种系统大量应用在谷物条播机上。 1 1 3 气吸式播种机的特点 12 粘玉米粒小，普通槽轮播种机的下粒孔就 显得大，一个轮孔里有时就容纳两粒，播下去，了后期不好间苗，又浪费种子资源增加了费用；甜玉米粒虽大，但薄得很，不耐机械磨损，不适宜用普通播种机播种。以上两种玉米播种时需催芽的，催芽后的种子是无法用槽轮播种机播种的，只能改用机械播种为半机械播种或手工播种。气吸式播种机就能解决了这些问题。这种播种机是目前国产的可用于播种甜、粘玉米等小粒作物的最理想机械，是被实践证明了的。其好处是： 1、快，保证作业进度，一次播两垄，一天可播 5 公顷。 2、省，省种子。单粒下粒，粒粒之间距离自行设定，每粒之间可 3 寸、 4 寸，也可 6 寸 等近十多种距离体现形式。 3、匀，株距设定是人为的，要多远有多远，均匀一致。 4、安，播种质量高，利于出苗，十分安全；催过芽的种子到保护，新生根不受破 坏，没有伤口，安全有效。 5、廉，价格低。每次播两垄的，每台造价 3800 4000 元多，四垄的、六垄的， 而且垄距可调 。 1 1 4 国内免耕播种机的 现状 我国地块比较小，免耕播种机一般都设计为悬挂式的，且不能设计得太重，否则国内目 前拖拉机的液压机构将举不起来播种机；但是免耕地表有残茬覆盖，土壤容重一般较高，故要求播种机单体又必须有一定的 重量才能达到入土开沟的目的。同时，在我国拖拉机功率有限，播行不能太多，否则由于播种机工作阻力太大拖拉机将拉不动。由于以上制约因素， 国外的免耕播种机从结构和工作性能等方面均不能在我国目前条件下使用， 这就要求我们在我国现有的条件下，选择或设计合适的免耕播种机。 13 我国免耕播种机的研究起步比较晚， 20 世纪 90 年代以前，我国科研工作者对免耕播种机的研究主要集中在玉米免耕播种机的土壤工作部件研究。如原北京农业大学施森宝等人nts 第一章 绪论 3 图 1-7 2BQM-6D 型免耕精量播种机 （ 1990 年）设计的 2BQM-6 和它的改进型 2BQM-6D（图 1-7），大连农牧机械制造厂 生产的2BQM-6A 型免耕播种机（图 1-8）是目前较为成熟的一种 14。该机主要是采用了凿形刀式破茬松土装置，其工作原理为推力分茬 15，凿形刀因其入土性能好，工作时不需增加配重，因此整机重量小，可采用悬挂式。石家庄农机厂生产的 2BFY 3 型，山西省新绛机械厂生产的 2BGM 3 等。 20 世纪 90 年代以后，为设计出适合我国国情、结构合理的优良免耕播种机，以中国农业大学保护性耕作研究中心为代表，在玉米、 玉米 免耕播种机方面研究较多。 我国玉米免耕播种机在产业规模上、品种上、质量 上，远远不能满足推广保护性耕作技术的生产实际需要，另外不同地区、不同条件下实施免耕播种作业对机具的要求也相差很大，所有的免耕播种机都有其适宜作业的条件，因而结合不同地区农业生产实际条件及要求开发研制适宜的免耕播种机，才能满足在不同地区推广保护性耕作技术的需要。 1 1 5 国内播种机存在的问题 （ 1）效率低。工作速度低。目前国外谷物播种机的工作速度已达到 15km/h，个别机型甚至达到 20 km/h，由于受整地质量、土壤各方面条件的限制，工作速度大多采用 812 km/h。目前我国的谷物播种机的速 度大约为 47 km/h，常在 56 km/h 范围内使用。播种机工作幅宽小。目前西欧谷物播种机的工作幅宽一般为 56m，而美国、加拿大、前苏联等国家，不少机型可达 1015m，现在我国生产和使用的谷物播种机工作幅宽较大的达到 3.6m。排种器的排种效率低。因为传统的排种器都是“一器一行”，即一个排种器播一行种子。 （ 2）外槽轮排种器工作效果不理想。目前国内谷物播种机大多是以外槽轮式排种器为核心工作的部件，型号虽然很多，但由于外槽轮排种器的结构所限，排种脉动性和种子沟内分布不均匀性，是半精密播种难以实现 的主要因素。为了克服传统的外槽轮排种器的缺点，采用新的排种器，其种类很多，有水平圆盘式排种器、离心式排种器、摆杆式排种器、锥盘式排种器、气力式排种器和气压式精密排种器等。 1 1 6 播种机的发展趋势 图 1-8 2BQM-6A 型玉米免耕播种机 nts 第一章 绪论 4 （ 1）发展联合作业的直接播种。播种联合作业是指在播种的同时，完成耕整地、施肥、喷洒液等作业，其优点是一次可以完成多项作业，作业效率高，保证及时播种，提高产量，可以充分利用配套动力，节省能源，降低作业成本，与传统播种方法相比，联合播种的劳动消耗的作业费用约降低 30%。同时，可以减少机组进地次数，使土壤 免受机具的过度压实。直接播种是指将作物种子直接播在留茬地里，用于直接播种的机具称为免耕法或少耕法播种机。直接播种机与一般播种机相比，其结构特点主要是在开沟装置上，通常在播种机组前面加装一个种床式开沟器，用以切断地表的残茬和硬秆或耕出窄带作为种床，然后再由装在后面的种沟开沟器在其上开出种沟。 （ 2）进一步推广精密播种。目前在欧美国家，播种已基本实现了精密化。我国自 20 世纪 70年代初开始研究精密播种，目前全国精播的面积还很少，迄今精密播种的作物基本局限于中耕作物。谷物精播的难度较大，至今国内尚无成熟的机型。 气力式播种机由于对种子尺寸要求不严，不需精选分级，伤种少，易达到单粒点播，通用性较好，同时它也具备高速作业的性能，满足了对大功率拖拉机的配套和宽幅作业的要求，作业速度可达 1012 km/h，工作幅宽也可加大到 812m 以上。因此，气力式播种机应用越来越广泛。可以说，气力式精密播种机是 21 世纪播种机械的发展方向。 （ 3）广泛采用新原理新技术。目前国外正在发展一些新的播种技术，如日本提出适合蔬菜的静电播种，英国提出适合于蔬菜的液体播种、适合于牧草的超音速播种，还有目前广泛应用的种子带播种等。例如液压等新技术 在国外播种机的应用也日益广泛。美国塞科尔 5000 型气压式播种机用液压马达驱动风机；东德 A 697 型精密播种机装有供驱动排种锥体的液压马达，当地轮滑动时，液压马达启动，以保证排种锥体的转速与机器前进速度相协调，现时也用以操作开沟器的升降，在大宽幅的播种机上还用液压折叠机架，以便安全运输。 11 1 2 精密播种的发展趋势 16 1 2 1 精密播种 的发展现状 近年来，精密播种已成为播种作业中一个最具研究潜力的热门话题。精密播种是提高粮食单产的一项现代化综合性技术措施，涉及到育种、种子加工、精密播种机 具、土壤精细耕作、植保、施肥和灌溉等一系列技术。精密播种技术的实施 ,可节省大量优良种子，可节省田间间苗、定苗用工，种子分布合理，减少肥料和光能损失，可增加作物产量，经济效益显著，已成为国家“九五”计划和 2010 年远景目标纲要内容之一。随着育种、种子加工处理技术、农药、除草剂和水利灌溉技术的不断发展与完善 ,使种子的发芽率和保苗率有了一定的保证，从而使精密播种技术有了更可靠的保证 ,所以 ,精密播种机已成为现代播种技术的主要特征和主要发展方向5。精密播种机是决定播种精度的关键性设备，精密排种器是精密播种机的核心 部件，它的作用是将种箱或储种室内的种子分成单粒并定时排出。精密排种器按排种原理可分为机械式和气力式两大类 6，机械式精密排种器的特点是结构相对简单，成本低，但对种子尺寸要求严格，排种机构在充种和刮种时容易伤种，且单粒排种效果差，受排种器性能的限制，不适于高速作业，作业速度一般不超过 6km.h-1。而气力式精密排种器，能克服上述机械式播种装置的缺点，而且对种子尺寸要求不严，不需要精选分级，伤种少，易实现单粒点播，作业速度提高潜力大，作业速度可达 10km.h-1 以上，但结构相对复杂，成本较高，如何提高精密排种 器工作性能一直是国内外科研攻关的重点和难点。近年来国内气力式精密播种机发展迅速，但其播种质量及工nts 第一章 绪论 5 作速度一直是制约气力式精密播种机械发展的障碍。因此，为了实现高质量、高效率的精密播种，必须认真研究气力式排种器的工作机理并正确选择排种器形式。目前大豆、玉米等中耕作物播种多采用机械式精密播种，易伤种、工作效率低，部分采用气力式精密播种机的工作效率也不高，多在 6km.h-1 左右。因此，研究性能优良、价格合理、操作方便的气力式排种器在我国有着广阔的发展前景。 1 2 2 目前精密播种技术中需要解决的关键问题 (1) 农机与农艺相结合 。 为了真正实现精密播种的经济效益 , 要求农机必须和农艺相结合。根据农艺要求 , 设计的播种机要保证作物的播种量、种子在田间分布均匀合理 , 保证行距株距符合要求 , 种子播在湿土层中且用湿土覆盖 , 播深一致 , 种子损伤率低 , 施肥时要求肥料施于种子的下方或侧下方。 (2) 提高精密播种机的作业速度 。 当前 , 精密播种机的作业速度普遍偏低 , 最佳作业速度大都不超过 8kmh, 如中国农机院等单位联合设计的 2BJ 6 型气吹式播种机、黑龙江省友谊农场研制的 2BJQ 12 型气吹式播种机、黑龙江省农 机所研制的勺轮式播种机 , 均为 5 7km h。提高精密播种机的作业速度 , 可以使精密播种具有高效、节能、提高单机利用率、保证不误农时的作用。从原理与结构上开发设计新型精密排种器和播种机 , 考虑实际生产作业需要 , 在满足精播要求的前提下降低成本 , 提高精播机作业速度 , 已迫在眉睫。 (3) 降低排种器的投种高度 。 精密播种技术的 3 个指标中 , 粒距的均匀性与播种深度是影响精密播种的两个关键因素 , 而排种器的投种高度恰是影响粒距均匀性的重要因素 , 其原因之一是投种高度过高 , 种子落入沟底时 , 易发生弹跳 , 影 响了粒距的均匀性与播种深度。原因之二是为了减少弹跳的发生 , 加装排种管 , 种子在管内运动时由于与管壁相碰撞 , 使在输送的过程中相邻两子粒间的距离发生变化 , 从而影响了种子在沟底内粒距分布的均匀性。所以 , 降低排种器的投种高度是精密播种得以实现的一个关键因素。 17 1.3 课题的目的和意义 免耕播种的意义重大，并且在我国得到一定的推广一，但是播种机仍存在不成熟的地方，不适应生产需要。国外免耕播种机虽比较成熟，却与我国的实际情况不适应，具体表现为 : 价格昂贵，与我国的生产水平不适应 ;工作幅宽较宽，与我国 地块小，以家庭为基础的 小规模农业生产，地形复杂等情况不适应 ;一般体型大，质量大，多采用牵引式，需要大功率拖拉机配套，与我国以小中功率拖拉机为主不相适应 ;大都不能种肥分施，只能种肥混施，与我国施肥量大不适应。目前国外的圆盘开沟器在 玉米 和玉米免耕播种机上均能采用，有很好的通过性，但它需要较大的正压力才能保证入土。若配重太大，播种机则不能被悬挂起来，从而播种机必须设计成牵引式的，这势必增加机具的复杂性，增加成本。许多圆盘开沟器外侧有一轮子，如图 l一 12 所示 JohnDeere 免耕播种机上的开沟器。该轮不仅对 圆盘开沟器起限深作用，而且起着圆盘的刮 土作用，因此其作用非常重要。该轮与圆盘安装相对位置虽然可调的 (根据播深要求调整 )，由于地表秸秆分布不均匀时，当遇到秸秆厚度大时，种子就会播在秸秆上。因此在我国高产量、秸秆量大的地区，无法使用。由上面分析可知，无论整机还是nts 第一章 绪论 6 国外使用较好的圆盘开沟器都难以在我国使用，因此要借鉴国外经验研制中国实用的免耕播种机。 分析我国现有的播种机的使用情况，结合我国地块小、以小功率拖拉机为主及我国的经济状况等现状，可知悬挂式小型整体仿形免耕 播种对我国 比较实用。悬挂式的播种机在作业时，无播种机回转半径，容易播种到地边，充分土地资源，提高亩产量，这对解决我国人多地少，土地资源缺乏等现实问题有着重大意义 ;大型机器虽劳均生产率高，但机器单位功率生产率并不一定高，相反，当地块小时，由于大型机器转弯半径大，直行距离 (工作形成 )短，机器生产率降低。同时，当地表不平度较大时，特别是北方高原丘陵地带，地表起伏较大，使用大型播种机播种，若是单体仿形式的，机具结构较复杂，成本较高，若是整体仿形式的，则种子的播深较难保持一致。但当机型较小，其幅宽较窄，则同时播 种的区域横行地表相对较平坦，简单的整体仿形也能达到不同行的播深一致 ;与我国农村以小功率拖拉机较多较适应，可充分利用农民现有资源，减少农民开支 ;整体仿形结构简单、成本低。 综合上述分析，为解决秸秆量大、大根茬等给播种带来不便的实际问题，满足我国实际生产的需要，小型整体仿形免耕播种机的研制是十分必要的。 1.4 课题研究内容与技术路线 1.4.1 圆盘播种镇压单体结构的改进设计 针对播种过程中发现在相邻两种管间易产生壅堵， 采用 圆盘播种镇压单体，增强防堵性能。分析 圆盘开沟器播种原理，设计单圆盘播种机构、双圆 盘播种机机构。圆盘播种镇压单体为单体仿形，包括圆盘开沟器、限深镇压轮。由镇压轮控制圆盘开沟器的播种深度，保证单体仿形。 1.4.2 其它关键部件及整机结构的改进设计 根据 玉米 行距窄、玉米覆盖量大等特点，对开沟器铲柄受力分析，合理设计开沟器铲柄；设计合理的仿形地轮，减少其打滑率，提高播种质量；对 整机结构的优化设计 ， 机器作业故障率降低 50%以上。 其它装置如机架、传动系统等等，这些大都己比较成熟，只需根据实际情况改变它们零部件的尺寸即可。 1.4.3 技术路线 nts 第一章 绪论 7 查找关于免耕播种机的资料 对原机具进行田间试验，提出问题 文献调研 理论分析 确定解决这些问题的方案 确定最佳改进的方案，设计出要改进部分的图纸 设计样机并进行加工 对改进后的机具进行实地试验 分析试验数据，得出结论 nts河北 农业大学 毕业设计 第 二 章 内气吸玉玉米免耕播播种机单体 的设计 8 第 二 章 内气吸 玉米 免耕播种机 单体 的设计 2.1 开沟器性能分析 及设计 免耕播种机在工作过程中，粉碎刀轴能将秸秆、杂草打碎，刀片的回转半径能将短翼尖角开沟器铲柄完全包住，因此铲柄上不会缠绕秸秆，肥管和铲柄焊接在一起，也不会挂秸秆，但要保证种肥分施，种肥管不能焊接在一起，前后要有一定的距离。在试验过程中发现在相邻两组种管之间会发生 壅堵，导致堵塞 ，因此需要对播种部分进行改进，这也是 玉米 对行免耕播种机改进的关键部分。 目前在免耕播种机中最常用的开沟器主要是圆盘式开沟器和尖角型开沟器。圆盘式开沟器属 于钝角开沟器，包括单圆盘开沟器、双圆盘开沟器和三圆盘开沟器，目前双圆盘开沟器是美国、巴西、欧洲最为常用的一种开沟器，被广泛用于免耕播种机中。尖角开沟器属于锐角开沟器，包括标枪式、鸭脚式、矛尖式开沟器等 18，这些开沟器在中国、澳大利亚被广泛用于免耕播种机中。 从国内使用情况来看，由于圆盘开沟器入土困难，需要较大的配重，特别是在免耕播种地区，由于秸秆、根茬、杂草的存在，进一步增加了圆盘开沟器入土的难度。我国拖拉机动力小，机具以悬挂式为主，现有拖拉机可悬挂重量一般不能满足圆盘开沟器入土要求，加上圆盘结构复杂， 因此国内在免耕播种中很少使用圆盘开沟器。目前我国用于示范区主要使用的 玉米 免耕播种机开沟器均为尖角开沟器。尖角开沟器属于锐角开沟器，其入土角为锐角，工作时土壤垂直反力的方向向下，其入土能力强。尖角铲式开沟器开出的种沟是“ U”形种沟，能够实现种肥分施。 相比圆盘开沟器，尖角铲式开沟器动土量大，土壤扰动性大，消耗的功耗大，工作效率低。 国外免耕播种机以大型牵引式为主，由于圆盘开沟器防堵性好，破茬能力强，适应性广，所以国外免耕播种机采用圆盘开沟器的较多。 圆盘开沟器属于钝角开沟器，开出“ V”形种沟，采用种肥混施， 播种深度比较均匀，土壤扰动小，水分流失少。工作过程中圆盘为滚动前进，能有效切断秸秆、杂草，防堵效果好，工作效率高。但圆盘开沟器入土角为钝角，入土阻力大，工作时的土壤垂直反力向上，这就要求作用在圆盘开沟器上的重力足够大，才能保证其入土。尤其是在免耕地， 由于秸秆根茬杂草的存在，更增加圆盘开沟器的入土困难性 28。 目前从圆盘开沟器工作情况来看，无论国外还是国内的大都只能播种或只用来施肥，或种肥混施，一般不能实现种肥分施。综合圆盘开沟器与尖角开沟器的优缺点， 玉米 对行免耕播种机采用短翼尖角开沟器破茬、开沟同时施肥 ，在松散的土壤中开沟播种，需要的正压力小。 nts河北 农业大学 毕业设计 第 二 章 内气吸玉玉米免耕播播种机单体 的设计 9 图 2-3 铲柄结构示意图 2.1.1 短翼型尖角 开沟器的设计 2.1.1.1 开沟铲尖的选择 免耕地表较传统翻耕整地后的地表坚实，且有大量的秸秆覆盖，开沟器入土困难，阻力大，要求开沟器有良好的破茬入土性能。 开沟铲是直接与土壤接触发生作用的部件，它为施肥播种创造适宜的沟带。其结构不仅决定种肥沟的形状，而且影响开沟器的入土性能和整个播种机工作阻力。 分析了目前生产中使用的各种开沟器，结合国际旱作农业技术先进国家的经验，在我国免耕播种机上选用了从澳大利亚引进的尖角型开沟器。 共有 宽翼型、窄翼型、平 底型和短翼型 四种类型。 通过对这四种尖角开沟器的工作性能进行了测试，分析了开沟器的工作性能和对种行土壤物理特性的影响 19，试验证明，除宽翼型开沟器不适合免耕播种要求以外，其它三种均可基本满足要求 20 21。 对于免耕播种来讲短翼型是最佳开沟器。它不仅开沟窄，入土深，动土量小，回土好，而且所需牵引力、垂直压力较小。从其整体结构来看（见图 2-1， 2-2 ） ，“前窄中宽后窄”“上窄中宽下窄”，这种形状不仅易入土，而且起土方便、回土性能好、不易搅混土层。同时由于后窄，使它在铲柄上固定时，减小固定部件与 土壤的接触面积，从而减小刮土、挂草。这些优点在最近几年的实践中也已得到证实 21。 综合几种尖角开沟器的优缺点，玉米对行免耕播种机采用短翼型尖角式开沟器破茬开沟。 2.1.1.2 铲柄基本参数优化 短翼型尖角开沟器的铲柄由厚度为 25mm 的 45钢板，调质 HRC35 40 加工而成。结构见图 2-3 铲柄倾角角 在工作过程中，铲柄上面的秸秆随倾角的减小而越容易滑动。但是，在 k值不变的情况下，越小， s 值越大，从而使整机纵向尺寸增大，重心后移，影响播种机h1-垄高； h2-沟深； l-种行宽度； S1 松土面积（实线所围面积）； S2 动土面积 （虚线所围面积） 图 2-1 种沟剖面示意图 图 2-2 尖角式短翼型开沟器结构示 意图 nts河北 农业大学 毕业设计 第 二 章 内气吸玉玉米免耕播播种机单体 的设计 10 图 2-4 铲柄受力分析示意图图 的悬挂性能。为了使秸秆在铲尖与铲柄有一合理过渡，免 除秸秆在此连接处卡住，结合开沟铲入土角（见图 2-2）为 45，将角设计为 45。 相邻固定孔间距 z 在种子播深最佳值时， z越小越容易根据施肥量将种肥调节为最有利于作物生长的距离，但太小在调整开沟深度时容易将各开沟器固定在不同深度的紧固孔上，导致各开沟器入土深度不一致，这样不仅影响各行播深的一致性，而且会使整机受力不平衡。开沟深度虽不是播深，但它对播深有直接的影响，因此根据 农艺要求播深 h 等于或大于 3cm（北方旱地玉米播深要求 4cm）时，实际播深是 h 1.5cm 为合格 22这一条件，将 h 上下偏差作为间距 ，即 z 1.5cm。 S 与 K 的确定 粉碎刀轴上直刀的回转半径为 260mm，短翼型尖角开沟器 m1 103mm，s1 73mm， k1 73mm，粉碎刀轴工作过程中，刀尖离地 50cm，铲柄尖在粉碎刀轴的正下方。工作过程中刀片与铲柄有 100mm重叠，以打掉缠绕在铲柄上的秸秆、杂草。因此 S=160mm， K 160mm。 其它参数 铲柄厚 x=25mm，宽 y=80mm，长 l=650mm。 其中： x铲柄的厚度， mm； y铲柄的宽度， mm； l铲柄的长度， mm； 2.1.1.3 铲柄强度校核 不同的土壤 、不同的秸秆覆盖量导致免耕地地理环境差异大。 分别 取号两地土壤 做播种试验。 号 土壤质地为壤土； 0 10cm 土壤含水率为 15.23%，土壤坚实度平均为 222.5 104Pa；号 播种土壤质地为粘土， 0 10cm 土壤含水率为 15.059%；土壤坚实度平均为 439.3 104 Pa。在这两种不同土壤播种过程中发现，在 号土壤 试验时开沟器铲柄没有发生变形，但在 号土壤 试验时开沟器铲柄横向、纵向均发现有微小变形，即已经达到或者超过材料的许用切应力。 图 2-5 铲柄截面示意图 nts河北 农业大学 毕业设计 第 二 章 内气吸玉玉米免耕播播种机单体 的设计 11 图 2-6 铲柄弯矩示意图 图 2-4 为尖角开沟器受力情况， 在播种过程中，铲尖受到平均阻力 F 、 平均垂直反力 F 和侧向力 N 。 理论上铲尖受到两侧土壤的侧向力相等，即铲柄不会发生侧向弯曲，但实际播种过程中，当尖角开沟器铲尖碰到玉米根茬或者石块，瞬间必然会导致铲柄两侧受力不均，引起铲柄弯曲。 根据 短翼型所受平均垂直反力与平均阻力之比 14.18/182.9727，即 F 为 13 倍的 F ，由于垂直反力相对牵引阻力很小。所以在进行各项校核时可忽略不计，只需安全系数加大一些即可。 如图 2-4，铲柄的悬臂点为固接器的最下端，即 O 点。由铲柄的受力图画出弯矩图 （ 图 2-6） 。从铲柄受力图和弯矩图可以看出，在前进阻力 F 和侧向力 N 的作用下，最大值在原点 O 处，即铲柄的危险点在固接器最下端。 对悬臂点 O 分析： O 点剪切应力为： 1 yyM=WWFL （ 2-1） O 点的弯曲应力为： 2 ZZM= WWNL （ 2-2） 其中 F 前进平均阻力， N； N 铲尖受到土壤的侧向力， N； L 悬臂点到铲尖的距离， mm； yW、ZW抗弯截面系数； 2yW 6bh （ 2-3） 2zW 6hb （ 2-4） 其中 b铲柄横截面的宽度， mm； h铲柄横截面的长度， mm； 由上面 分析可得，在铲柄的前进阻力和侧向力一定的情况下，危险点处的影响因素有：悬臂点 O 到铲尖的距离 L,铲柄的横截面的 b 和 h。 改进前铲柄的参数为：材料 Q235， L 520mm， b 16mm， h 60mm， Q235的 185 235MPa， nts河北 农业大学 毕业设计 第 二 章 内气吸玉玉米免耕播播种机单体 的设计 12 在试验过程中发现铲柄有微小变形，因此认为铲柄受到的力达到或者超过材料的许用应力， 即 ， 1y= WFL （ 2-5） 2Z= WNL （ 2-6） 取 185MPa，将参数 L 520mm， b 16mm， h 60mm 代入 式（ 2-3）、（ 2-4）、（ 2-5）、（ 2-6）中，得 F 3415.28N N 910N 由上式可知，铲柄发生变形时受到的侧向力要远远 小于前进阻力，在工作过程中，当铲尖碰到玉米根茬时，瞬间受到的侧向力为前进阻力，即 N = F ，因此铲柄易发生侧向弯曲。 同时因在上面计算时，力及截面都采用近似值，为有足够强度安全性，将算出的 F 扩大一倍，取N 2F 对改进后的铲柄进行校核 。 改进后铲柄的参数为： 材料 45 号钢， L 480mm， b 25mm， h 80mm， 45 号钢的 355MPa，调质 HRC35 40 后， 能增加到 500 800Mpa。 将 N 2F 6830.56N 以及 L、 b、 h 的值 代入式 （ 2-2）得： 2 2Z6= WN L N Lhb 393.44Mpa 500 800Mpa 即当铲柄瞬间受到的侧向力提高到原来前进阻力的 2 倍，对铲柄校核后，铲柄的强度能够满足要求，在播种过程中，铲柄碰到玉米根茬时，瞬间受到的侧向力不会使铲柄发生弯曲，因而就铲柄本身结构来讲， 能够保证较高的可靠性。 2.2 播种单体整体结构 玉米 对行免耕播种机采用短翼尖角开沟器破茬开沟并施肥，单圆盘开沟器在肥沟上开沟播种，实行种肥同沟垂直分施。为保证播种机的平衡，播种单圆盘为左右对称排列。单体结构如图 2-2。整个播种单体由肥管、短翼尖角开沟器、固接器 、弹簧 单圆盘开沟器、镇压轮 、播深调节装置 、排种装置等组成。 单圆盘在肥沟上开沟播种，土壤比较松软，开沟阻力小，同时需要的下压力也小。短翼尖角开沟器开沟时将少量的土翻在肥沟的两侧，播种单圆盘在前进过程中与前进方向有一定的夹角，开出“ V”形沟进行播种的同时将肥沟一侧的土切回沟内；而镇压轮与地面有一定的倾角，nts河北 农业大学 毕业设计 第 二 章 内气吸玉玉米免耕播播种机单体 的设计 13 1 肥管 2 短翼尖角开沟器 3 前固接器 4 后固接器 5 弹簧 6 单圆盘开沟 器 7 镇压轮 8 播深调节装置 9 排种装置 图 2-7 单圆盘播种单体结构示意图 1 镇压轮 2 单圆盘 图 2-8 播种镇压单体的原理示意图 镇压时可以挤压肥沟另一侧的土。镇压原理如图 2-7，镇压轮有覆土、镇压、限深等作用。 短翼尖角开沟器开出的肥沟深约 8 10cm，保证肥的覆土深度在 7 9cm。单圆盘开沟器开出深约 4 6cm、宽约 3 4cm 的“ V”形沟，保证种子的覆土深度在 4 5cm。如图 2-8 所示，种肥间距 h1 为 4 5cm，避免烧苗现象。 2.3 镇压装置的 总体 设计 2.3.1 镇压装置 分析 播种同时镇压可减少土壤中的空隙，减少水分蒸发，以使土壤保墒 ;可加强土壤毛细管作用，使水分沿毛细管上升，起着“调水”和“保墒”的作用 :可使种子与土壤紧密接触，有利于种子发芽和生长 ;春播镇压还可适当提高地温 23。特别是免 (少 )耕法开的沟窄，土层的颗粒较大，不能保证土壤与种子的贴合及其所需紧度。因此播种镇压是非常有必要的。 nts河北 农业大学 毕业设计 第 二 章 内气吸玉玉米免耕播播种机单体 的设计 14 镇压轮是免耕播种机的一个重要部件，合适的镇压，可减少土壤中的大空隙，减少水分蒸发，使土壤保墒，加强土壤毛细管作用，起到“调水”和“保墒”的作用。 普通 玉米 对行免耕播种机在工作过程中由于短翼尖角开沟器的回土效果一般，可能在肥沟内会出现大的土块，单圆盘播种后，种沟一侧的土也需要挤压到种沟，将种子覆盖、压实。 2.3.2 设计要求 转动灵活，不奎土 ; 仿形性好，镇压力可调 ; 粘土少，镇压后地表不产生鳞状裂纹。 2.3.3 总体设计 总 体结构包括固定机构、连接机构、镇压轮和压力调节机构四部分 (如 图 2 一 25)。这种结构不仅压力充足、可调，而且整体重量较轻，压力调节只需改变机构上部的开口销限位即可，无需另加限位装置。 2.3.4 镇压轮设计 形式确定 镇压轮的形式较多，经对比研究后，决定采用零压轮胎式镇压轮 (如图 2 一 26)。其优点 : (l)具有凸面镇压轮镇压特点，即对种子上方土壤的压密作用强，使种子与土壤密接，适用于干旱地区及单子叶作物 ; (2)材料为橡胶的，从而镇压轮不易粘土 ; (3)结构类似没内胎的轮胎，橡胶胎气室与大气相通，在滚动过程中变形与复原交替作用，nts河北 农业大学 毕业设计 第 二 章 内气吸玉玉米免耕播播种机单体 的设计 15 使湿土难以粘结在轮胎表面上。即使有 小部分土壤粘上，由于振动及湿土与胶圈的附着力小，也很容易将粘土脱落。 因此，这种形式的镇压轮镇压质量好，压后地表产生鳞状裂纹较少，是最佳设计形式。 直径确定 镇压轮正常转动的条件 : R r Qf (m) 式中 : f 土壤对镇压轮的摩擦系数 ; r 轴套中的摩擦力矩 (N.m); R 镇压轮半径 (m); Q 镇压轮重力及其附加载荷 (N)。 本设计采用了滚动轴承，件较小，所以算出的值较小，但实际工作条件较恶劣，有较大土壤颗粒，为了使它有较大翻越性，增大土壤 的压碎率，减少土壤的移动，使播种后种行较平整，覆土一致，将镇压轮直径设计为 367mm。为将土壤有效挤压到种沟，将种子覆盖、压实，镇压轮必须与前进方向有一定的夹角，同时与垂直方向有一定的倾角。设置初始夹角为 14，倾角为 15，可以根据不同的土壤进行调节。 2.3.5 压力调节机构设计 设计要求 : 镇压力调节合理，满足需要 ; 转动灵活，无卡死现象。 根据理论分析弹簧的弹簧刚度 k，越小，镇压力越容易达到最佳值，弹簧压力 F 的力臂d2 与地面支撑力 N 的力臂试 d1 之比为 1/4(图 2 一 25)(当然此比例可以增 大，但结果不仅使整个结构庞大，而且刚度不是太好。 )，即只有小部分弹簧力产生压力，因此压力弹簧需要有大的弹簧刚度 Kp。 由弹簧刚度公式 : Kp= Gd/8 C3n G 弹簧材料的切变模量 d 弹簧丝直径 ; C 弹簧指数 ; n 弹簧的有效工作圈数。 由上式可知，其中 c 对 Kp，影响最大。由于整体尺寸有限，以及为了使变形时弹簧有一好的导向，根据弹簧杆直径确定弹簧内径 20mm(弹簧杆直径为 17mm)，选用 4mm 的碳素弹簧钢丝，即 c=24/4=6 所以， Kp 可达 (其中 G=79000MPa， n 设计为 20 圈。 )9.I N/mm，以及适当调节预紧力，可满足播种镇压的需要 (压强要求为 3 一 8 N/cm2，压紧后的土壤容重一般为 0.8一 1.2g/cm324)。 该结构的转动灵活性如同连接机构一样重要。其卡死与连接机构卡死一样均导致地轮不能上升或下降，从而不能得到合理镇压力。因此，将固定机构上面的镇压轮弹簧座，由一般的焊接得到改为由圆棒车削得到 (见图 2 一 27)，使它具有较好的同轴度，表面光滑，从而保证有好nts河北 农业大学 毕业设计 第 二 章 内气吸玉玉米免耕播播种机单体 的设计 16 的转动灵活性。 nts中国农业大学硕士学位论文 参 考文献 17 参考文献 1 高焕文，李问盈 .保护性耕作技术与机具 化学工业出版社 2004 2 高焕文，李问盈，李洪文 . 中国特色保护性耕作技术 J. 农业工程学报， 2003,19 (3):14. 3 高焕文 . 北方旱地机械化耕作模式探讨 . 中国农业大学学报 , 1996,增刊 :712. 4 高焕文，李洪文，陈君达 . 可
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