2BDG1舵轮杠杆开启式穴播机【硕士论文】.pdf

山东理工大学 硕士学位论文 2BDG 1舵轮杠杆开启式穴播机 姓名 于红鹏 申请学位级别 硕士 专业 农业机械化工程 指导教师 杜瑞成 20090420 l l l 东卿T 人学硕l 学化论文巾戈摘要 摘要 本文根据课题组先前研制的舵轮杠杆式开启内投种穴播器 设计了一种新型的 结 构简单紧凑的2 B D G 1 半精量播种机 播种器独立设计 播种行数可以根据需要自由确 定 核心部件 排种器采用一次排种和穴播器二次内投种的两次投种方式 开启机构 采用摆动从动件盘形挡块结构 由复位弹簧复位 入土成穴器采用定 动两瓣结构 非 打开状态常闭 动瓣在达到最大入土深度后在挡块切向力作用下按杠杆原理打丌 本文 分析了入土成穴系统的开启 成穴以及穴播器二次投种原理 利用正交试验分析了影响 穴播性能的凶素 并确定了其较优值 证明穴孔长度随入土深度和机速的增加而增大 试验证明杠杆丌启穴播器丌启可靠 不堵土 不央土 二次投种过程流畅 准确 由于这是一种全新的精量播种机 因此本文对其成穴理论 运动理论进行了详细研 究 给出了结构参数的设计方法 进行了虚拟样机的实验分析 对播种精度和长度试验 结果进行了二元方差分析 证明机速对播种精度有显著影响 穴孔长度随入土深度和机 速的增加而增大 确定了最大可靠前进速度 本文的研究可以为进一步研究推广此类播种机提供理论和实践依据 关键词 半精量播种机 杠杆开启 成穴原理 山东聊T 人学硕I 化泠支 英之摘璎 A BS T R A C T W i t ht h ea c h i e v e m e n t sb yt h ef o r m e rr e s e a r c h e r so fs e e d e ri m p l e m e n t so fh o l e f o r m i n g t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e wt y p eo fp r e c i s i o no n ew i t hc o m p a c ts t r u t t i n gs t e e r i n gw h e e l a i r s u c t i o n T h es e e d i n gw a sd e s i g n e ds e p a r a t e l ya n dt h en u m b e ro fs e e d i n gr O W Sc a nb e d e c i d e df r e e l y T h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fl e v e r o p e n n i n gh i l l d r o pp l a n t e ri sa sf o l l o w i n g t h em e t h o do f t w i c et h r o w i n gs e e d si sa d o p t e d b o r i n ga n dc a v i n gd e v i c ei sc o m p o s e dw i t hf i x e dp a r ta n d r o t a t a b l eo n e a l w a y sc l o s e di nt h es t a t eo fn o n o p e n i n g b a s i n go np r i n c i p l eo fl e v e rr o t a t a b l e p a r ti so p e n e dw h e nm o s td e p t ho f b o r i n ga n dc a v i n gi sr e a c h e d t h e ns e c o n dt h r o w i n gs e e d si s c o m p l e t e d T h es y s t e m i c r e s e a r c hh a sd o n eo nt h es t r u c t u r ea n dm e t h o d so fd e s i g n i n g p a r a m e t e r s T h ep o s i t i o no f t h ec a ma n di t sp a r a m e t e r sw e r ea l s oo p t i m i z e dt om a k et h eb o r i n g a n dc a v i n gd e v i c en o tb l o c kt h es o i l n o tg n pt h es o i l a n dn o tg n pt h ef i l m T h ep r i n c i p l eo f f o r m i n g s i n u sW a ss t u d i e d t h e nt h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es i n u ss i z eW a so b t a i n e d A san e wt y p eo fp r e c i s i o ns e e d e r t h ef o r m i n gs i n u st h e o r ya n dm o v e m e n tt h e o r yw e r e r e s e a r c h e di nd e t a i li nt h i sp a p e r a n dt h et r i a lo fv i r t u a lm a c h i n ew a sa n a l y z e d T h es i m u l m i o n e x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h es i z eo fa i r s u c t i o nh o l da n dt h ev e l o c i t yo fm a c h i n ea f f e c t e dt h e p l a n tp r e c i s i o n w h i c hm a k e s a s s u r et h eb i g g e s tr e l i a b l ef o r w a r ds p e e d T h e s es t u d i e sp r o v i d et h et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f t h i sm o d e l K e yw o r d s P r e c i s i o nS e e d e r L e v e r o p e n i n g T h ep r i n c i p l eo ff o r m i n gs i n u s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果 也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意 研究生签名 时间 年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 学校可以用不同方式在不同媒体上发 表 传播学位论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇 编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 研究生签名 导师签名 时间 年月日 时问 年月日 第一章绪论 1 1 课题来源及提出的背景 意义和必要性 本课题来源于山东理工大学农业机械化工程重点学科建设课题 播种要求在短暂的播种农时内 将作物种子播入土壤中 是农业生产过程中具有决 定性的一环 播种质量好坏直接影 1 6 J N 农作物的出苗及产量 广泛采用机械播种 机械 播种具有播种质量好 生产效率高 不误农时等特点 并且可以减轻劳动强度和为F F I 问 管理作业创造良好的条件 穴播又以其无需开沟 消耗能量少 节省种子等特点逐渐成 为播种机械的发展趋势 穴播机的核心部件是穴播器和排种器 前者的作用是将种子成穴分配到入土成穴器 后者的作用是将种子成穴植入土壤 两者对于发展精密穴播技术都具有举足轻重的作用 课题组2 0 0 3 年研究设计了一种舵轮式内投种种肥穴播器l I l 不用开沟便能较好的实现穴 播作业 但试验表明仍存在缺点 一是入土成穴器丌启是由挡块滑块系统的径向力克服 复位弹簧和土壤的阻力实现的 由于播种要求的挡块升线较陡 因此在打开升程上径向 力小于切向力 这就需要较大的牵引力 造成能耗较大 在润滑不好或土壤反作用力不 足时还会造成滑移率较大甚至自锁 二是鸭嘴的丌启力是由置于入土成穴器内部的顶杆 传递的 顶杆占居内部空间 影u 向种子下落到位 易堵塞 为不产生这种影响则需要加 大入土成穴器的尺寸 这又造成入土阻力大 穴孔大 这两个缺点都对播种质量有很大 影响 为克服这两个主要缺点 就需要改变入土成穴器的开启原理 去除其内置零件 本 研究提出的舵轮式杠杆丌启内投种穴播器 解决了这些问题 保持了原来穴播器的优点 又增加了新的特点 并在此基础上对2 B D G 1 穴播机整机进行了设计 为2 B D G 1 穴播 机的研制应用于农业领域提供了一定的理论和实践依据 1 2 国内外播种机的发展现状及趋势 目前围外精密播种机及其主要部件穴播器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 其穴播和排种装置多采用新 的工作原理 包括各种机械式穴播排种和气力式穴播排种 2 1 等 以保证单粒精密播种 机电一体化技术与农业生产也早就丌始趋于结合 1 9 8 2 年 国外研制出一套排种系统 该系统由一圆盘式排种器和一个周期性驱动电路组成 周期时问同种子和种道分离时问 t l f 东删T 人 何 I 学f 0 沦史弼币纬沦 相一致 种子住利 道上的运输由电磁设备控制 这样种子被连续排至种沟I j j 另外 液 压技术及电子技术也在播种机上得以应用 2 0 世纪8 0 年代 美国 澳大利哑 加拿大 法闻等两方田家丌始研制并广泛使用气力式精密播种机械1 4 j 我围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 与小拖 证机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9 0 以上 近几年 我幽的联合作业播种机发展也较快 精少量播种机和中耕作物 精密播种机推广应用迅速 5 儿6 J 穴播器是穴播机的核心部件 往往一种新型穴播器的诞生就以为着一种新型穴播机 的诞生 根据成穴原理不同 现有穴播器可分为 J q 种类氆 即鸭嘴式穴播器 冲穴式穴 播器 铲式穴播器和流体射种式穴播器 鸭嘴式穴播器根据鸭嘴丌启驱动方式不同 又 可分为滚压开启和挡块机构强制丌启两种 挡块机构强制夕f 启鸭嘴式穴播器根据鸭舌丌 启方向与挡块转轴方向的关系不同 又可分为前丌式 后开式和侧开式 7 1 W i j e w a r d e n e 等 8 J 设计的鸭嘴式穴播器属于滚压丌肩式 其工作过程为 滚轮沿地表 滚动 当某一鸭嘴成穴器接近于地表时 由排种器排出的种子进入该鸭嘴 此时鸭嘴在 弹簧的作用下处于关闭状态 随着滚轮继续滚动 该鸭嘴进入土壤中形成穴孔 当其开 始出土时 由于滚轮的滚压作用 此鸭嘴成穴器的活动鸭嘴被打开 种子落入孔中 如 此即完成播种过程 此种型式的打孑L 穴播器具有结构简单 滚轮滑移率低等优点 但地 表不平时 存在鸭嘴丌启不可靠 播种空穴率较高等缺点 为了克服滚压丌肩的缺点 S h a w 等1 9 J 设计出带有挡块机构的鸭嘴式打孔穴播器 保 证了开启的可靠性 这种穴播器由于鸭嘴的丌启是挡块机构强制作用的结果 冈而保证 了开启的可靠性 但设计的打开机构挡块的尺寸较大 使整个结构小紧凑 滚轮的滑移 率增加 播种时株距变异系数增大 因此需要合理设计挡块打丌机构 控制滚轮的滑移 率 为解决鸭嘴式穴播器的堵土问题 C a r r y 掣1 0 l I l lJ 于1 9 7 7 年首先提出一种冲穴式打 孔穴播器 并在此基础I 制作了冲孔式打穴播种机 后来W i k i n g s 等又对冲孔式穴播器 进行了改进 l 引 这种穴播器的特点是 打孔器打孔前先通过磁力把种子吸引在打孔器的 端部 在打孔器打孔的同时 把种子直接压入土壤中 然后利用种子与土壤之间的摩擦 力把种子留在孔内 由此可知这种穴播器对土壤性质要求较严 为了在免耕条件下播种 S f i v a s t a v a 等人I l j J 在1 9 8 1 年研制了冲孔式播种机 这种播种机是由气力式排种器首先将 种子投入到四楞锥形的成穴部件中 当成穴器滚轮在地面上滚动形成穴孔的同时打开成 穴部件活门使种子落入土壤穴孔中 1 9 8 1 年S r i v a s t a v a 等又研制了一种铲式打孔穴播器 它是由滚轮和径向布置在滚轮 圆周上的中空锥形打孔器及环带排种器组成 在打孔的同时 由排种器排出的种子通过 中空锥形打孔器卣接进入孔中 这种穴播器由于其打孔器不需要开启和关闭 因而与鸭 嘴式相比具有结构简单 投种准确性易于保证的优点 但存在着扣4 孔时容易堵土和播种 2 山东胛T 人 纠 i r 一论足第 争绪论 深度变化较大的缺点 S f i v a s t a v a 等还设计研制了相应的铲斗式打穴播种机 成穴部件径 向安装在滚轮上 当机器前进时 铲斗在土壤上形成穴孔并同时打丌铲斗的活门使预先 输入到铲斗中的种子落入到穴孔中 K r o m e r 等人对此进行了改进 并将其用在塑料薄膜 覆盖条件下蔬菜和玉米的播种 W i j e w a r d e n e 在19 7 8 年研制了一种转动注射式播种机 这是为人力推动或畜力牵引所设计的小型播种机 用于在铺膜地面或免耕条件下的谷物 播种 结构紧凑 在S r i v a s t a v a 研制的铲式打孔穴播器基础上 S h a w 掣 1 1 9 8 7 年又研制了一种旋转 铲式打孔穴播器 它是由滚轮和径向布置在滚轮圆周上的打孔器 铲 及倾斜网盘排种 器组成 它的结构特点是 滚轮沿与地面垂直方向和播种机丽进方向分别倾斜 这样可 以使排种器的投种口充分接近打孔器 铲的上丌口端 提高了播种精度 但仍没有解决 堵土与播种深度变化较大的缺陷 我国对打孔成穴播种机械的研究较少 吉林大学农业工程学院马成林 马旭等人已经 对鸭嘴式打孔穴播器 冲孔式打孔穴播器 铲式打孔穴播器进行了理论研究和部件设计 但是仍然存在一定的问题 未能形成产品 1 9 8 8 年 汪遵元等 l5 J 在 滚轮式膜上打孔精鼍播种机 一文中将成穴机构设计为滚 压式 分析了穴形 穴距与正位投种理论 马旭等人1 9 8 9 年在 地膜覆盖播种机成穴 器的研究 一文中 对成穴鸭嘴的结构参数和工作参数进行了一些探讨 2 0 0 2 年杜瑞成教授等l I6 J 提出并研制了自动射水成穴播种装置 是利用高压水将送进 种腔的种子射透地膜进入土壤 由于种水混和 播种过程难以控制 同年该课题组还研 制了 直插式小麦覆膜穴播机 研制了内外套筒式适于小粒种子作物的覆膜穴播器 取 得了较好的效果 综合国内外研究现状 播种机的研究主要集中在关键部件穴播器的成穴原理和结构 的优化方面 以及排种器与穴播器之间关系的研究方面 本文将在围内外研究的基础上 尤其是本课题组研究的多功能种肥穴播器的基础上设计制作一种新型的穴播机 1 3 播种机械的发展趋势 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 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罩 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 是在丌沟装置上 通常在播种机组前面加装一个种床式丌沟器 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丌沟器在其上开出种沟 但由于目 前我国农业地区的土地状况 简单灵巧的小型穴播机仍有极大的市场 山东砷T 人 硕卜 f t 论文第 币绢沦 2 进一步推J 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 2 0 世纪7 0 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璀 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 已成为2l 世纪播种机械的重要发展方向之一 3 广泛采用新原理新技术 目前国外正在发展一些新的播科 技术 如液压等新技 术在国外播种机的应用日益广泛 美国塞科尔5 0 0 0 型气压式播种机用液压马达驱动风 机 东德A 6 9 7 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 同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 国内也在尝试将机电 体 化技术应用于农 J k 机械播种 4 发展节水及节能农业 随着全球淡水资源的匮乏 特别是我国属于严重缺水国 家 发展二肖水农业具有深远的意义和广阔的前景 从1 9 9 6 年丌始 农业部累计投资1 亿多元 建设了一批旱作节水农业示范基地和行走式节水灌溉示范区 通过农艺 农机 生物 工程等综合措施的应用 完成了一批以坡改梯生土熟化农田工程 集雨节水补灌 等为蕈点的高标准基础设施建设 有效改善了旱区农业基本条件 农业部还在全国各地 累计推广了水稻 浅湿岍 灌溉 坐水种 行走式节水 施用抗旱保水剂 地 膜与生物覆盖等节水农业技术措施3 4 亿亩左右 发展刚间及大棚集雨节水和喷 微 渗灌等技术措施1 0 0 0 万刮 飞除了水资源之外 其他能源如汽油等的节省在农业生产 中也有极大的意义 1 4 目前穴播存在的问题 目前 国内生产应用的穴播机不能完全达到覆膜播种质量的农艺要求 主要表现在 以下几点 1 空穴率较高 一是马力不够 一停车或换档易出王见空穴 二是种子质量有问题 如种子破碎 或低质量种子等 三是地温高种子烂种烂芽 空穴如同缺茁断垄 必然影 响产量 造成空穴的主要原因 目前现有的穴播机对土壤质地 土壤湿度 整地质量要 求过高 质地粘重 湿度较大的地块 播种时泥土易堵塞鸭嘴 造成空穴 滚筒中二次 分种的随机性使充种器内有时分不到种子 造成空穴 耕作层不疏松 鸭嘴则不能入土 张丌 种子排不出来 造成空穴 鸭嘴d 仃丌式成穴 鸭嘴内夹进硬土块 分到充种器内 的种子撒落在地膜上边 造成空穴 特别足在粘质土壤中 鸭嘴的弹簧压板与土壤接触 表面沾结粘土 鸭嘴刚入土 弹簧压板由于表面沾结粘土高度增加 鸭嘴未达到规定的 播种深度 鸭嘴提前打开 甚至鸭嘴一触地或未触地 鸭嘴就打开 致使种子散落在膜 上或膜内地面 造成空穴 4 1 东理丁人 硕f7 化沦上第一章绵沦 2 易出现错位 一方面札杆式播种机未调试好 二是整地质量差造成铺膜小平整 现有的轮式穴播器大都采用滚轮式鸭嘴前丌式成穴器 当滚轮在外力作用下 鸭嘴成穴 器随滚轮转动 鸭嘴成穴器插入土壤中 随着滚轮转动 鸭嘴的弹簧压板与土壤接触鸭 嘴打开 其丌启方式为前开式 随后种子排出落入穴孔或膜呖 其主要原因 滚轮式鸭 嘴穴播器 其运动轨迹为余摆线而产生种穴与膜孔错位 覆膜机在覆膜时将膜拉长 打 孔后 地膜回缩产生错位 3 播种深度不符合农艺要求 现有的穴播机虽然呵调整每公顷的播量 达到不同 公顷播粒数的农艺要求 但由于外槽轮排种器排出的种子要在滚轮中重新要分配到各个 充种器中 这个过程带有很大的随机性 使每穴种子不能均匀分配 有的一穴多达几十 粒种子 有的只有二 三粒 甚至出现空穴 在干旱和半干旱的条件播种的均匀度和整 齐度较差下 冬小麦和春播作物 在播种时由于土壤水分状况 土壤质地 土壤肥力和 施肥水平等条件不同 要求有不同的播种深度和不同的穴粒数 再次 本文用虚拟样机对穴播器进行研究 近几年来 计算机已成为科学研究的主 要手段 计算机视觉技术 虚拟现实技术 仿真等大量的新技术 新方法层出不穷 计 算机仿真也可称为纯数学仿真 它是一种通过建立和实际相符合的数学模型 再运用计 算机进行仿真运行 以达到研究系统的目的 国内外对于杠杆式精密穴播器的研究目f i f 大多采用试验方法 在大量的试验基础上提出对穴播器的性能和结构上的改进 但是采 用这种方法效率低 试验周期长 成本高 由于计算机仿真技术在分析和设计中占有重 要地位 起着重要作用 并且能够解决传统的试验方法的一系列的缺点 因此本文采用 的研究方法先进 周期短 成本低 1 5 课题用到的主要软件简介 1 c A x A 电子图板l 埔J 是广泛使用的二维绘图软件 可以作为绘图和设计的平 台 本文二维图的绘制基本都是在C A X A 电子图极中完成的 2 U G 软俐1 9 1 U n i g r a p h i c s 简称U G 是美国U G S 公司的主要产品 是集 C A D C A M C A E 于一体的大型软件设计系统 其主要功能模块有 计算机辅助设计C A D 模块 包括U G S o l i dM o d e l i n g 实体建模 U G F e a t u r eM o d e l i n g 特征建模 U G F r e e f o r m M o d e l i n g 自由形状建模 U G D r a f l i n g 工程制图 U G A s s e m b l yM o d e l i n g 装配建模 U G A d v a n c e dA s s e m b l i e s 高级装配 U G 惭 A 呢 计算机辅助分析C A E 模块 包括 U G F E A 有限元分析 U G M e c h a n i s m 机构运动分析 U G M FP a r tA d v i s e r 注塑模分析 计算机辅助制造C A M 模块 包括U G C A MB a s eC A M 基础 U G P o s t p r o c e s s i n g 后处理 U G L a t h e 车加工 本文主要用到U G 的计算机辅助设计C A D 模块中的实体建模 特征 建模和高级装配模块 本文中所有三维实体模型均是在U G 计算机辅助设计C A D 建模模块中建立 装配 L I I 尔用厂人 硕l 7 f 论文霸j 幸绍沦 曼曼曼 曼 曼 曼 曼 I I m I mmm I I II I I I 曼 曼曼曼曼曼 曼 曼 苎 曼 曼 曼曼曼 曼曼曼 曼 曼 曼 的 3 A D A M S 软件1 2 0 1 A D A M S A u t o m a t i cD y n a m i cA n a l y s i so fM e c h a n i c a lS y s t e m 是机械系统运动学与动力学分析软件 是由美国M e c h a n i c a lD y n a m i c sI n c 公司研制的集 建模 求解 可视化技术于一体的虚拟样机软件 是世界上目前使用范围最广 最负盛 名的机械系统仿真分析软件 A D A M S 的核心模块包括以下三部分 一是用户界面模块 V i e w A D A M S V i e w 是用户为中心的交互式图形环境 它采用简单的分层次方式完 成建模工作 提供了丰富的零件几何图形库 约束库和力 力矩库 并且支持布尔运算 采用P a r a s o l i d 作为实体建模的核心 支持F o r t r a n 7 7 和F o r t r a n 9 0 中的所有函数 二是求 解器 S o l v e r 它足A D A M S 产品系列中处于核心地位的仿真发动机 该模块自动形成 机械系统模型的动力学方程 提供静力学 运动学和动力学的解算结果 可以对刚体和 弹性体进行仿真分析 三是专用后处理模块 P o s t P r o c e s s o r 该模块用于输出高性能的 动画 各种数据曲线 还可以进行曲线编辑和数字信号处理等 使用户可以方便 快捷 地观察 研究A D A M S 的仿真结果 虚拟样机仿真分析的基本步骤如图卜2 所示 根据图示步骤可以完成一个复杂的机 械系统分析 6 与测试相符 样机验证 输入测试数据 数据曲线比较 否 完善建模 定义柔性体 使 j 载荷函数 卜 定义控制 是 多次仿真 添加模型参数 定义设计变量 图1 2 虚拟样机设计过程 1 6 本课题主要研究内容 在广泛了解国内外穴播技术的基础上 结合本课题组设计研制的挡块一顶杆式多功 能种肥穴播器尚存在的一些缺点 本文设计一种使用杠杆开启穴播器作为关键部件的播 种机 并对其主要部件穴播器的结构 参数进行了详细的介绍 工作过程进行了虚拟仿 7 山东卿T j 7 顾f j f l 论殳 真分析 对穴播机进行了整体设计和仿真试验 1 杠杆丌启穴播器的结构和参数研究 原理 二次内部投种原理进行了系统的研究 主要研究内容可以分为以V J L 个部分 并对入土成穴器的丌启原理 入土成穴 2 应用U G 和A D A M S 软件对穴播器进行了建模 装配 仿真分析 验证了穴播器 的工作过程合理性 3 以札杆开启穴播器为核心部件 设计穴播机传动及整机 8 第 市打杆开启穴捅器的 斛 J j 参数研究 第二章杠杆开启穴播器的结构与参数研究 2 1 设计目的 穴播器是穴播机的核心元件 担负着入土成穴并将种子成穴植入土壤的穴播任务 在先后提出三种穴播器设计方案的基础上 2 课题组2 0 0 3 年研究设计试制了一种舵轮 式内投种种肥穴播器 不用丌沟便能较好的实现穴播作业 但试验表明仍存在明显缺点 一是入土成穴器开启是由挡块滑块系统的径向力克服复位弹簧和土壤的阻力实现的 由 于播种要求的挡块升线较陡 因此在打开升程上径向力小于切向力 这就需要较大的牵 引力 造成能耗较大 在润滑不好或土壤反作用力不足时还会造成滑移率较大甚至自锁 二是鸭嘴的丌启力是由置于入土成穴器内部的顶杆传递的 顶杆占居内部空问 影响种 子下落到位 易堵塞 为不产生这种影响则需要加大入土成穴器的尺寸 这又造成入土 阻力大 穴孔大 这些缺点都对播种质量有很大影响 为克服以上缺点 就需要改变入土成穴器的开启原理 去除其内胃零件 本章研究 提出的舵轮式杠杆开启穴播器 解决了种肥穴播器存在的一些问题 保持了舵轮式内投 种种肥穴播器的优点 增加了新的特点 2 2 舵轮式杠杆开启穴播器的结构和工作原理 2 2 1 结构设计 舵轮式杠杆开启施肥穴播器的结构如图2 1 所示 这种穴播种器是由轮轴 动盘 定盘 两瓣式入土成穴器及其丌闭系统等组成 其外形似舵轮状 各入土成穴器均布于 舵轮周边 似舵柄 故命名为舵轮式穴播器 两瓣式入土成穴器及其丌闭系统主要包括 固定在动盘上的定瓣 动瓣 固定安装在定盘上的丌启部件挡块 复位部件弹簧 固定 部件铰接螺柱 螺栓等 其结构主要有两个特点 一是入土成穴器由定瓣和动瓣两部分 组成 二是入土成穴器开闭系统应用了杠杆原理 开启机构采用摆动从动件盘形挡块结 构 9 dJ 东删丁人 Z 硕 f 论义 第二亭卡r 杆开扁穴祸器的 斛勾 j 参数研究 曼 曼 曼曼曼 曼 曼曼II I o 曼曼曼曼 曼曼皇曼曼 曼 曼曼皇曼曼曼 曼 曼 曼 皇曼曼曼 曼 曼曼 舅 曼曼 曼 曼 曼曼 l 动盘2 定盘3 复位弹簧4 螺栓5 轮轴6 螺柱7 动瓣8 定瓣9 入十成穴器总成1 0 挡块 1 1 平键1 2 轴套1 3 滚子轴承1 4 轴承盖1 5 紧l 州螺栓1 6 平垫1 7 螺栓1 8 螺母1 9 挡套 图2 1 舵轮式杠杆开启施肥穴播器的结构示意图 安装时 穴播器轮轴紧固在机架E 定盘用平键固定在轮轴上 并由轴套定位 不 随机组自仃进而转动 挡块用螺钉和定盘紧固在一起 其中心孔大于轮轴直径 不与轮轴 干涉 动盘套装在轮轴上 由轴承定位 可绕轮轴转动 定盘与动盘扣合在一起 形成 穴播器舵轮轮盘 各个入士成穴器以轮轴为中心呈放射状 均匀分布在轮盘边缘 入土 成穴器定瓣与动盘固定为一体 动瓣用螺柱铰接在动盘上 部分嵌入定瓣 在复位弹簧 的作用下 与定瓣紧扣 形成密闭的种腔 这种嵌入扣合可以防止入土成穴器入土成穴 时堵士 定瓣 动瓣内部均为圆形中空 定瓣旁边留有合适的空间使动瓣能嵌入安装且 能绕螺柱转动一定角度 动瓣受到阻挡力时绕螺柑 轴转动一定的角度 按杠杆原理打开 动瓣上端靠近挡块处开有两个小孔 复位弹簧一端通过螺栓固定在动盘上 另一端套在 螺栓上固定住 复位弹簧的中心对称面平行与动盘端面 入土成穴器非入土成穴状态时 复位弹簧处于一定的拉伸状态 保证入土成穴器非开启状态时常闭 入土成穴器入土端 斜切一定的角度 以便于入土成穴 入土成穴器内投种腔除有细长螺柱通过之外没有任 何部件 种子可以顺利成穴器内腔排入土壤完成下位成穴器投种 克服了舵轮式种肥穴 播器内部顶杆导致投种空l 日J 较小的缺点 整个入土器的直径可以根据需要适当的减小 克服了先前成穴器外径较大的缺点 复位弹簧 入土成穴器总成以及经过合理设计外形的挡块组成穴播器的杠杆开启 关闭机构 挡块与定盘固定安装在一起 用平键与轴套固定在轮轴上 其外形设计为升 l O 山东 翟TJ j 何fl j f 一沦之筇 审耵卡T7 r 启穴播嚣的 斛勾 j 参数f i 7 究 线 保持线 降线三段结构 用于挡丌动瓣 保持开度 以排出种子 防止央土 具体 是 在动盘转动时 动瓣上端受挡块阻挡绕螺柱转动 入土成穴器开始按杠杆原理打开 并逐步增大丌度 播种入土 保持门 度直到出土 然后在复位弹簧作用下沿挡块式挡块 的降线下滑复位 2 2 2 工作原理 机组未工作状态 种箱中盛满种子等待上位排种器排出 机组 j 仃进时 机组对穴播 器的牵引力和土壤对插入土壤内的入土成穴器的反作用力形成牵引力矩 使安装在机架 上的舵轮式杠杆开启穴播器的动盘在土壤上作滚动运动 驱动州轴安装的传动链轮丌始 传动 带动上位排种器转动排种 设计的传动比使得上位排种器每个窝眼排出的一穴种 子恰好落入相应的一个入土成穴器中 随着轮盘转动 上位排种器转动排出种子 种子 经输种管从落种门落入轮盘 沿轮盘边缘进入入土成穴器下端等待二次排出 入土成穴 器非排种状态常闭 使种子不会提前漏出 随机组前进 连续滚动的舵轮式杠杆丌启穴播器的入土成穴器 在重力作用下逐个 插入土壤 当一个入土成穴器达到入土最深位置时 入土成穴器动瓣的项部与挡块升线 部位接触 在挡块切向力作用下绕紧固螺柱以杠杆绕支点转动的方式旋转 入土成穴器 开始打丌并迅速增大丌度 当入土成穴器丌度大于种子长度时 己等待在其底部的种子 便落入土壤 在重力与土壤摩擦力作用下安放在土壤中 当动瓣顶端到达挡块的保持线 部位时入土成穴器达到预定的最大丌度 为使入土成穴器不央土 当其丌度达到最大时 入土成穴器动瓣的顶端仍沿挡块的保持线运动 保持最大开度直到入土成穴器完全出土 即使入土成穴器在入土过程中有少量的央土也会在出土之后控出 出土后入土成穴器的 动瓣顶端转过挡块保持线 沿挡块的降线部位在复位弹簧作用力下关闭 入土成穴器出 土时 部分土壤回落 将种子埋入土壤 完成一穴播种 上位排种器连续排种 舵轮式 穴播器连续滚动 各入土成穴器依次完成上述二次排种动作 实现连续穴播 2 3 穴播器的重合度万 如图2 2 所示的穴播器重合度示意图 穴播器重合度指的是单个入土成穴器入土成 穴过程中穴播器的转角 幺 幺 与相邻两入土成穴器的中心角皖之间的比值 勿 入 土成穴器入土成穴过程中穴播器的转角包括入土转角鼠 和出土转角鼠 由下图可知 成穴器入土转角鼠 和出土转角幺 相等 均为 幺 q 撇o S 志 2 2 I lJ 东删T 人学形 l f 0 论丈 第 幸打仟开启穴播擀的结f f J j 参数研究 中心角吼为吼 塾 所以重合度万为 Z 刀 刍 鱼 三a r c c o s 二L 2 3 q o 7 R h l o h 为入土成穴器入土最深时轮盘 外边缘到入土成穴器顶端的距离 根据 穴播器的安装位置 h 一般大于播深 J l z I 且与播深有密切的联系 由上式可 知 穴播器的重合度万与轮盘半径 入 土成穴器的数日 入r 十成穴器最大入土 深度 或者说播深 有关 所以设计穴 播器时应保证万 1 即鼠 I 鼠 保证在一个成穴器出土之前另一个成穴 器已经入土 可形成三角支撑 以便减 小因滑移而产生的穴孔 株距小均匀等不良影响 2 4 杠杆开启理论分析 图2 2 穴播器重合度示意图 在播种时 入土成穴器能否准确的打丌和复位 将直接影响播种机播种的质量 本 课题针对大粒种子作物要求入土成穴器歼启距离较大的特点 采用入土成穴器强制开启 机构 即挡块一杠杆丌启机构 整个丌启机构部件主要包括挡块机构和入土成穴器总成两 部分 其中挡块机构是主动件 入土成穴器动瓣是从动件 挡块按摆动从动件的直动尖 项推杆盘形挡块结构设计 而它的复位采用复位弹簧实现复位 2 4 1 机构组成及自由度 入土成穴器开闭系统主要包括挡块 定瓣 动瓣 复位弹簧 轮盘l 与挡块2 之问 在轮轴中心O 处形成转动副 动瓣绕螺柱轴心B 转动构成低副 动瓣顶端与挡块在A 点 构成高副 此机构的自由度1 2 3 1 为 F 3 n 一2 p 一P 3 X2 2 2 一l 1 机构自由度为l 即当挡块绕O 点转动作为输入时 动瓣转动作为输出 机构设计满足 要求 1 2 山东理T 人7 颐l 学f p 支第 章卡r 仟开鹿广 播器的结构 j 参数研究 2 4 2 挡块升程及入土成穴器打开角度分析 1 挡块升程理论分析 挡块升程血与成穴器打丌的角度 动瓣在动盘螺柱转轴以上部分的长度d 及安装位 置等紧密相判2 4 J 当成穴器丌度最大时 必须保证种子顺利排出 建立如图2 3 所示坐 标系 动瓣顶端A 点从最高位置A 转到最低位置A 入土成穴器关闭时理论上其开度为 零 考虑到安装的误差 设关闭时其角度为办 则办是与安装精度有关的常数 开启到 最大时为矽 则对于入土成穴器打开过程中的任意角度矽 么 办 由图2 5 经推 导挡块升程为档块升程血直接决定入土成穴器打开角度矿 如图4 所示 入土成穴器常 闭时角度为0 设其开启到最大时角度为妒z 对于矽 办J 档块升程为 A s d l 1 一c o s 矽2 2 4 对矽求导得 i a s d 1s i n 2 2 5 a 彩 由式 2 4 2 5 知 挡块升程随4 痧的增大而增大 所以要减小挡块的升 程 在机构允许的情况要 要尽量加大d 和矽的值 但是丌启角度过大会造成土壤阻力 较大 定瓣出土时容易刮土 所以入土成穴器的开度还应结合作物种子的尺寸确定 r 1 I 二一二一 善 1 挡块2 轮盘 图2 3 挡块一杠杆结构的挡块升程及成穴器打开角度分析图 2 成穴器开度理论分析 r 当入土成穴器开度达到最大时必须使大粒种子顺利排出 即最大开度要大于种子最 大尺寸一一种子长度 所以应满足关系式2 d o s i n 生手 吐 即 山尔删T 人 硕I f 论殳 第 帚 I Y 丌启广 捅器的 斛幻 j 参数研究 2 办 2a r c s i n 2 d d z 为使种子有足够的空间排出 根据经验 入土成穴器开口尺寸应满足1 2 1 5 d 取破 0 则应有 彬a r c s i n 2 6 由图2 3 右图 若动瓣尺寸已知 则理论上入土成穴器的丌度值矽由下式计算 厂0 d I 留竺 2 d l 一 留罢 2 2 c o s 生 生 一 2 7 2 吃 3 吩喀罢 d J 一吩留要 由于 与盔 相比很小 成穴器开度矽 三 所以至2 由以上分析知r t 2 f 均 值非常小 2 7 式可近似为 c o s 彩 鱼 刍笙垫二生 2 d l 厂o d I 即矽 a r c c o s 鱼 垡 笙 型二 2 8 2 d l 厂0 d 1 为挡块上与动瓣顶端接触点的半径 动瓣顶端转到挡块的不f r d 位置时 取不同的 值 设升线 保持线 降线时 分别为珞 r g 则动瓣在挡块升线 保持线 降线 段的丌度分别为 西 孤c c s 鱼 型 垡 二蔓 Z d l d 1 疹 甜c c s 鱼垫 垫二垒 2 d l d 1 彩 盯c c s 鱼 型 垡 二王 升线段 保持线段 降线段 当入土成穴器处于闭合状态时 可认为 等于挡块的基圆半径 带入上式得 矽 a r c c s 鱼立善g 垒三立 a r c c s 1 o 休止段闭合 2 d l d 1 一 一 由于入土成穴器动瓣顶端在挡块保持线上运动时丌度最大 联立 2 7 2 8 式 挡块一杠杆机构设计应满足以下条件 眦c s 垒垫笙 重二垒 2 吐 d 1 2 i a r c s l n 兰二 塾 2 9 Z oL 么一了J 2 d o 1 4 山东艘T 人学硕 j f 一沦上筇 辛 杆开启矿 播器的结构 j 参数研究 曼寰 曼 苎 曼曼 曼曼曼曼 曼 曼曼 曼 鼍 苎鼍曼 曼I I I I 曼 曼曼曼苎曼 曼 曼曼 曼 曼 曼 曼曼 2 5 入土成穴器运动方程及成穴原理 2 5 1 入土成穴器的运动方程 当穴播器随机组一起工作时 穴播器轮盘与地面垂直在土壤表面一定深度做滚动运 动 入土成穴器一边随轮盘沿机组前进方向做直线运动 一边随轮盘绕轮轴做角速度为 缈的转动 动瓣除了随动盘做以上运动外 在其顶端与挡块接触开始打开直到出土后在 弹簧作用下复位的过程中 还以螺柱为支点转动 其上任一点的运动轨迹是一条余摆线 为分析入土成穴器的运动方程 如图2 8 所示以轮轴中心以下 R 玩 处为原点O 机组前进方向为X 轴 竖直向上为Y 轴建立直角坐标系 以入土成穴器尖端指向机组前 进方向 入土成穴器套筒中心面水平平行于地面线时为运动分析的起始点 坐标平面x o y 垂直与轮盘轴线且通过成穴器的对称面 由于入土成穴器关于坐标平面对称 其运动方 程可以用坐标平面上的运动进行分析1 2 川 1 定瓣参数运动方程 如图2 8 所示 设穴播器丌始运动时 轮盘中心起始位置在0 点 此时入土成穴器 处于水平位置A 点 当轮盘中心运动到0 2 点时 入土成穴器运动到位置B 穴播器运动 的时问为t 入土成穴器在时间 内转过的角度为秒 穴播器沿水平方向前进的距离为 R 0 设入 t 成穴器定瓣上任一点为A x 爿 Y 爿 此点到轮盘中心的距离为 月 r A x j y j N Y g a t 任一点的参数方程为 山尔删T 人 7 硕l 7 f 0 沦艾第 亭打仟开扁穴橘器的结构o j 参数研究 彳x R O r A 1 c s p 了 2 2 3 y R h l r As i n 6 7 7 其运动轨迹为旋轮线 其中尺为轮盘半径 R 为轮盘实际滚动半径 其值与滑移率 万有关 R 岛为入土成穴器在轮楹外的长度 仞为轮盘转动角速度 7 为入 土成穴器上任一点到轮轴中心的连线与入土成穴器中点到轮轴中心的连线之问的夹角 当任一点在成穴器中点到轮轴中心的迮线右侧时取i F 号 在左侧时取负号 整个入土成穴器闭合状态时与定瓣运动状态相同 所以式 2 2 3 也即入土成穴器 总成闭合状态时任一点的参数运动方程 由于p 值与轮盘角速度的关系为9 功 妞 所以 2 2 3 式还可写成 x R 秒一心1 C O S 9 y 尺 f 缈 衍一幺 1 c o s j o 统 y y 珊啊w i n 嘶 珊 删n 础胁 门 将 2 2 3 式中的 取轮盘实际滚动半径尺 得到轮盘实际滚动时与土壤接触点的 运动轨迹方程 善x R 秒一尺 l c 口 R p c s 秒 厂 一1 2 2 4 Y R h o R s i n 口 7 将 2 2 3 式中的九取定瓣到轮轴中心长度R h 得到定瓣入土端的参数方程 x R tg Y Rh o R 沁h o 麓s p i n 丰0 2 厂 c 2 2 5 一 厂 2 动瓣参数运动方程 动瓣在常闭状态时的运动与定瓣相同 其上某点的轨迹方程也可用 1 式表示 而存从歹1 启到闭合过程中 动瓣的运动则是由三部分合成 如图2 9 所示 随机组沿 前进方向的直线运动 随动盘绕轮轴中心的转动 以螺柱轴为支点的转动 所以动瓣在 开闭过程中沿机组的直线运动和绕轮轴中心的转动和定瓣是相同的 只要分析出动瓣绕 螺柱转轴部分的运动 就可得到挡板上任一点的参数运动方程 动瓣绕螺柱转轴部分的 运动分析如图2 9 右图所示 1 6 I I l 东j q T 人学硕l 学f J 论之笫 章f r 杆开扁穴 罱器的 斛 J j 参数研究 图2 9 入土成穴器动瓣运动分析简 建立如图2 9 所示的坐标系 设入土成穴器动瓣上在螺柱转轴以下的部分上任意一 点的牮标为B x B Y 8 B 点到轮盘中心的距离为 x y q 为螺柱转轴中 心点 入土成穴器在开闭过程中的开度为痧 由图 2 9 的几何关系 得动瓣上任意一 点B 的参数运动方程为 x R O r一8盔p荔哪 d6in ko哪s a 卅r 一cY R h os i n O do s s i n 眦 O 搿 2 6 l 一 y 一 S i n p 7 矽 一 y 当入土成穴器处于关闭状态时 其开启角矽 0 此时动瓣上点的参数运动方程变 为 f x 尺 秒一 1 一c o s O 7 Y R h o 一 s i n O 7 在形式上与式 2 2 3 所示的动瓣运动方程相同 当入土成穴器处于打丌 保持 复位过程中时 其开启角矽 0 此时动瓣与定瓣有不同的参数运动方程 动瓣多做了 以螺柱为支点的旋转运动 其轨迹也相应的改变 式 2 2 6 中巩为动瓣在蝶栓转轴以下的部分上任意一点到螺丰t 转轴中心线的长度 动瓣在螺柱转轴中心线以上部分上任意一点c b Y 其到螺柱中心轴的长度为 d 石 y 与其以下部分所做运动形式相同 但绕螺柱转轴的位移方向相反 如 图2 9 右图所示 所以其参数运动方程为 卜B 口一仫 l 堋s p 7 d b C O s p 小c o s O 7 矽 2 2 7 Y R h o 一仫s i n p 厂 d s i n p 厂 矽 一s i n O r 1 7 第 幸打仟歼f j 穴播器的结I f f J j 参数研究 2 5 2 入土成穴器成穴过程理论分析 入土成穴器运动轨迹曲线形状随成穴机构结构参数和运动参数的变化而变化 成穴 器的结构参数包括轮盘半径R 播深h 入土成穴器数目Z 入土成穴器结构 运动参 数主要足机组前进的速度船和穴播器角速度 穴播器轮盘在土壤表面的滚动并非纯滚 动 而是伴随着滑移 上述各因素主要是影响到穴播器的滑移率万和滑移量丛 进而 影响穴孔形成形状1 2 州 在穴