马铃薯种植机开沟培土装置的设计

甘 肃 农 业 大 学学 生 科 研 训 练 计 划 （ SRTP） 论 文项目名称：马铃薯种植机开沟培土装置的设计小组成员: 指导教师： 目录第一章 绪论1 1.1 研究的目的和意义. 1 1.2 研究现状. 1 1.3 研究内容.2第二章 排种装置22.1 排薯器.22.2 种箱.7第三章 开沟器.93.1 开沟器.93.2 开沟器参数的确定.103.3 开沟阻力分析.113.4 开沟器铲柄强度校核.14第四章 覆土器144.1 覆土器类型的选择.144.2 覆土器的组成.154.3 铲柄的类型和设计.164.4 覆土器工作面的设计.17第五章 镇压装置225.1 镇压轮类型的选择.225.2 镇压轮接地压力计算.23参考文献. 25第一章 绪论1.1 研究的目的和意义马铃薯以其粮、菜、饲料和加工原料兼用而成为世界上继水稻、小麦和玉米后的第四大粮食作物。我国是世界上马铃薯种植面积最大的国家, 2006 年已达 533 万 hm2，几乎遍及各省市自治区，特别是西部干旱地区，为扶贫和农民增收发挥了极其关键的作用。马铃薯的种植费工费时，传统的马铃薯种植方法是切块种植，劳动强度大,效率极低，马铃薯种植的机械化已经迫在眉睫。然而马铃薯的种植因为地域和环境的不同，区域性差别极大，这已成为马铃薯机械化生产的瓶颈。目前我国生产的马铃薯播种机漏播、重播、株距不均等现象严重，种肥分施效果差，播种深度不均，同时生产率低下、自动化程度低。同发达国家相比，技术严重滞后。因此为了提高马铃薯播种质量，减小上述缺陷，有必要设计一种适应西部干旱地区种植特点的马铃薯种植施肥机。1.2 研究现状一、国内外马铃薯机械化概况1、国外概况国外马铃薯机械起步较早、发展快、技术水平高，在 20 世纪 40 年代初，前苏联、美国就开始研制推广应用马铃薯收获机了，50 年代末全面实现了生产机械化。70-80 年代德国、英国、法国、意大利、瑞士、波兰、匈牙利、日本和韩国亦相继实现了马铃薯生产机械化。国外马铃薯收获机械的技术水平相当高，不但生产率高，而且高新技术已隔于机具之中。如采用振动液压技术进行挖掘；采用传感技术挖制土壤喂入量、马铃薯传远量以及分级装载；采用气压、气流、光电技术进行碎土和分离以及利用微机进行监控操作等。2、国内概况我国对马铃薯生产机械化技术的研制虽较早，但发展缓慢，目前正处于中小型悬挂式种植机和集条收获机的研制推广阶段。所研制机具的技术水平与国外同类先进机型相差甚远。在 20世纪 60 年代初期，有关农机部门开始了研制工作，引进了西德 VR-2、波兰 RCE-2、英国Johson、瑞士 Samro Junior 和前苏联的 KTH-2 型马铃薯收获机并进行了生产性能试验，力图吸收消化国外技术、开发同类产品。之后，黑龙江省研制出了两种集条收获机并进行了试生产。20 世纪 70 年代内蒙古农机所研制出了与 40.4KW 拖拉机配套的 4U-1 型马铃薯集条收获机，进行了小批量生产，并在当地部分地区进行了试点推广使用。1978 年在北京举办的12 国农机展览会上，引进了不少国外马铃薯机具厂商参展。其中有西德哈格多思农机有限公司生产的集条收获机。瑞士生产的装袋收获机，集堆收获机，日本东洋农机株式会社生产的TPO-2 型集条收获机，法国英罗公司生产的 M112 型集条收获机。其中大型机具的配套动力在30KW 以上，中型机具的配套动力在 22-30KW，小型机具的配套动力在 15KW。1985 年，中国农机院为了提高马铃薯收获机械的设计水平，掌握国外先进技术，特派遣本院工程技术人员赴西德马铃薯机具研制生产公司实习马铃薯收获机械，了解了西德马铃薯机械化种植和收获技术，掌握了一些技术要点并达成了合作意向。二、马铃薯种植机械化技术马铃薯机械化种植技术是一项集开沟、施肥、播种、镇压和覆土等作业于一体的综合机械化种植方式。具有保墒、省工节种、节肥和深浅一致等优点。采用机械化播种，不仅提高了播种质量，降低了劳动强度，而且为马铃薯中耕和收获等作业机械化提供了条件。1.3 研究的内容基于对原有的马铃薯种植机上的开沟培土装置的研究，改进原有装置，设计出适合我省马铃薯种植的开沟培土装置。具体研究内容：1）对马铃薯开沟培土装置进行拆卸并拍照。2）绘制开沟培土装置各个零件的草图。3）协助老师完成马铃薯种植机的装配工作。4）对原装置进行田间试验，得出实验结论。5）协助老师进行开沟培土装置的计算机绘图工作。6）根据我省的实际情况，结合理论知识，协助老师在 solidworks 环境下对装置进行改进。第二章 排种装置2.1 排薯器2.1.1 总体结构排薯器是现代马铃薯播种机的核心部件，是播种机工作质量、效能和特征的主要载体和体现者。该播种机的排暑器结构如图 2-1 所示，主要由种薯箱、升运装置、振动装置、限流装置、张紧装置、排薯管等组成。2.1.2 工作原理排薯器的动力由地轮经变速箱传到主动轮，带动主、从动轮间的皮带向上升运，安装在皮带轮上的舀勺从种箱底部喂薯区上升时舀到一颗或数颗种薯。被舀勺舀取的种薯最初可能以长轴方向竖立于舀勺内，以宽轴方向侧卧于舀勺内，或以厚轴平躺于舀勺内。在升运过程中，在机器自身振动和振动装置振动轮的作用下，将多余的种薯筛出舀勺，重新返回种箱中。剩下的单粒种薯在重心力矩的作用下逐渐采取以厚轴平置的方式稳躺在舀勺内。在舀勺下落过程中，种薯夹在投薯管与舀勺背部之间，随着舀勺继续下移，种薯沿着投薯管壁摩擦碰撞，采取运动阻力最小最稳定的薯块厚轴与地面平行的状态移到下端的投薯口。当舀勺通过出口时，活门打开，种薯落入开沟器开出的种沟内，再由覆土器覆土，完成种植过程。1-种箱 2-限流调节手柄 3-舀勺 4-张紧装置 5-主动轮6-振动电机 7-外壳 8-从动轮 9-搅动摆杆图 2-1 排薯器结构示意图2.1.3 主要部件设计1）升运装置现代马铃薯播种机的装置主要有链勺式、勺盘式和针刺式。由于链勺式排薯装置从种植精度及通用性方面都比较先进，因此被广泛使用。一般常见的链勺式排薯装置是由主、从动链轮加链条构成，链条上间隔一定距离安装有舀勺。此种排薯器便于安装及通过链条调节株距，但链条在升运经过薯箱时容易划伤薯块，且运动不平稳，同时通过链条调节株距操作复杂，故本设计采用带式传动。皮带上均布安装钢制舀勺，舀勺曲面制成旋转抛物面，具有较好的盛薯夹持能力，可保证振动过程中至少有一个种薯保留在勺内不被振落。皮带线速度与作业速度成正比，试验表明，当皮带速度为 0.5 m/s 时，作业质量较好。当皮带线速度为 0.55m/s 时，作业质量有所下降，即漏播稍有增加，但基本上能满足农业技术要求。若皮带速度大于 0.55 m/s 时，作业质量则显著变坏，漏播严重。因此皮带线速度最高作业速度不超过 0.5 m/s。主动轮由地轮通过变速箱驱动，转过一周皮带移动距离 S 为：dS式中 d带轮直径，160mm。同时带轮旋转一周通过投薯口的舀勺数 N 为：kdN式中 k固定在皮带上的舀勺间距，180mm。马铃薯播种机地轮旋转一周通过投薯口的舀勺数 N1为：ikd1式中 i地轮至主动轮间的传动比。播种机的前进距离 S1为： DS1式中 D地轮直径，740mm。如果每个舀勺只留一颗种薯，则理论株距 l 为： dikNSl1调节地轮至主动轮之间的传动比，即可调节株距。由于舀勺是在投放口处逐渐偏离投薯管前壁而释放种薯的，投薯点的高低与种薯脱离舀勺背部时的横向尺寸大小有关，大、小薯投薯相位不同，使相邻舀勺投薯点高低发生变化，必然引起播种株距大小的波动，从而影响了播种均匀度。为了提高种植株距均匀度，充种前首先用 3050 多级方形网孔筛对种薯进行分级。2）皮带张紧装置为避免皮带打滑，应调整取种带张紧程度，如图 2-2 所示，具体可转动播种架最上端的调整手柄 1 通过压紧两侧的悬挂弹簧 3 来实现，调整时应保证两边具有相同的张紧力，以免皮带跑偏。3）振动装置为减少和控制舀勺拖带两个或两个以上的种薯，采用振动装置配合特制曲面的舀勺消除重种现象。振动装置由振动电机、安装架、振动力调整摆板、锁紧手轮组成。振动电机通过安装架安装在排薯管外侧，振动电机在排薯管内紧贴升运装置皮带内侧。电机电源与拖拉机蓄电池电源接头连接，电机控制开关设置在驾驶室内，便于驾驶人员操纵。图 2-2 皮带张紧装置1、取种勺 2、振动电机 3、安装皮带 4、振动力调节装置 5、锁紧装置图 2-3 消除重种的振动装置舀勺取种和升运时通过振动轮刺激皮带以一定的频率和幅度抖动，从而振落舀勺内多余的种薯，保持存留一个种薯的状态。如图 3 所示，可根据重种程度来调节振动力的大小，松开手轮 5 使振动力调整摆板 4 转动从而带动电机振动轮 2 靠近或远离取种勺安装皮带 3.手轮 5 向上移动时振动力增大，重种程度较大时采用；手轮 5 向下移动时振动力减小，重种程度较轻时采用。观察振动力合适后锁紧手轮 54)限流装置限流装置用以控制进入种箱底部取薯区的种薯流量，改善舀勺的取薯能力和减少升运装置的上升阻力，同时也可起到辅助分级的作用。如图 6 所示，安装在播种架种箱下外侧的调整定位板 1 上联接固定着外转柄 2，此外转柄 2 与播种架内安装的闸板属同一相位角，因此转动外转柄 2 也即带动闸板做同向旋转，从而改变了薯种的流动层厚度，也就改变了薯种的流量。将外转柄 2 向右上方旋转可使薯种流量变小，反之变大。限流闸板上安装一帆布软板，用以保护种薯不被金属闸板刮伤。为了提高种箱内种薯进入取薯区的流畅性，在种箱与取薯区正对的后侧安装一搅动摆杆，用以改善种薯的通流能。图 2-4 限流装置2.2 种箱排种装置的种箱由两部分组成，其中排薯器底部有用于盛薯的种箱 1，在两个排薯器上方安装有大种箱。种箱的容积可由下公式计算： V=1.1 LBNmax667 Y式中： L装满一箱种子所能播种的距离 。最少应等于一个往返行程 ，即地块长度的两倍 (m)； B工作幅宽 (m)， Nmax单位面积最大播种量 (kghm)， Y种子 的单位容积质量 (kgL)。 计算得：V=320（L） 。种箱在机架上的安装位置如图 2-5 所示，三维构造如图 2-6 所示。图 2-5 种箱在机架上的安装位置图 2-6 种箱三维构造第三章 开沟器3.1 开沟器3.1.1 结构特点所设计的开沟器如图 2-7 所示，由开沟器安装座、铲柄、铲刀面、导肥板、刮板等组成。铲刀面加工为台阶状，用以实现施肥后的自然回土。开沟器通过 U 型螺栓固定在马铃薯播种机的机架上。该开沟器的特点是制造工艺简单，纵向安装距离短，易于实现平衡受力，减少偏牵引，强度高，工作稳定，纵向振动小。1-铲刀面 2-铲柄 3-安装座 4-刮板 5-倒肥道 图 2-7 开沟器结构示意图图 2-8 开沟器的结构参数3.1.2 工作过程工作时由动力机牵引播种机前进，开沟器深入土壤，铲尖开出沟底，肥料经过导肥板的引导直接施入沟底。由于阶台的存在，使沟壁两侧松软的湿土自然覆盖肥料，再利用刮板刮平土壤，接着投薯器投放种薯，落入被刮平的湿土层，实现种肥分施。最后由播种机的覆土镇压机构实现筑垄压实，完成播种过程。3.2 开沟器参数的确定3.1.1 入土角 入土角 影响入土能力和前进阻力。入土角过大，入土性能差，且阻力增加；入土角过小，强度下降。大量试验研究表明：入土角 在 020 范围内，随着 的增加，前进阻力减小；当 30 时，前进阻力与 呈线性关系上升。当开沟器在土壤中移动时，沿工作刃方向滑动，如图 2-8 所示，土壤阻力分解出力T，使土壤沿刃口方向移动，但摩擦力 F=Ntg 阻碍它移动。式中 为土壤和开沟器的摩擦角，为了不拥土，必须保持条件 TF，代入后得出：90-设计的马铃薯播种机开沟器为了实现深施化肥，入土深度在 1625cm 的范围内，试验表明 在 5060 范围内时，阻力较小。3.1.2 入土隙角 入土隙角 的存在有利于开沟器的入土。试验研究表明： 过小，入土性能变差，且摩擦阻力增加，底边磨损加快： 过大，则造成沟壁湿土提前回落，使肥料不能施于沟底，不能实现深施化肥，且施肥深度不均，同时降低了开沟器强度，通过实验可知 取 510 为宜。3.1.3 翼张角 2翼张角 2 过大，铲翼大，前进阻力大，且杂草不易沿铲刃滑过，容易发生缠草、粘土、堵土；2 过小时，切断草根的能力减弱。考虑到马铃薯垄作播种沟宽要求，同时为使杂草沿铲翼刃缘向后沿切，减小粘土，取 2 为 5565。3.1.4 其他结构参数幅宽 B：由于该开沟器主要用于马铃薯垄作宽幅，开沟器幅宽太小取决与播种的垄宽，取 B 为 160200mm。铲面高 H:在满足深施化肥不影响正常投薯的前提下，铲面不宜过高，过高容易拥土，且增加前进阻力。取 H 为 160250mm。阶台高度 H1：阶台高度影响深施化肥后的自然回土时间与种肥间层厚度。为保证种间层为 4050mm，取 H1为 7080mm。脊线曲率半径 R：为使入土性能好，结构紧凑，脊线曲率半径 R 取 300350mm。3.3 开沟阻力分析开沟阻力除了与开沟器的几何参数有关外，主要与土壤的物理机械性质、土壤水分有关。其中，土壤质地、土壤坚实度、土壤水分影响较大。从开沟器的形状看，它前面有一定的磨刃，把它叫做开沟器的楔刃，而其它部分称作开沟器的侧刃。在工作过程中，开沟器的受力如图 4-1 所示。Kostritsyn把剪切失效和土壤与金属间的摩擦这些因子作为建立力学的基础，建立了开沟器的力学模型。他认为，作用在开沟器上的力可以分解成若干分力，而这些分力一定平衡，从而得出：图 3-1 开沟器的作用力（3-1）321P式中 P作用在开沟器的总阻力（N）；P1作用于楔刃的法向力引起的阻力分量（N）；P2作用于楔刃的切向力引起的阻力分量（N）；P3作用于开沟器侧刃的切向力产生的阻力分量（N）；P2sin1NP2cos2NP132NP图 3-2 作用于开沟器上的各力分力在图 3-1 中，N 表示法向力，T 表示切向力。其中，切向力可以用法向力表示，而摩擦力是切向力的来源。图 3-2 所示为阻力被分解成水平分力，结果方程（31）可以写成：（3-12cos2sinNP2）式中 开沟器的楔角，Kostritsyn 的研究表明，最小的切削力出现在楔角为4555时，所以， 。45滑动摩擦系数；将其作为视在系数，应更为精确，土壤类型为黄绵土时，=0.350.8，这里取 =0.5。 N楔刃上的法向力（ ）；NN1侧刃上的法向力（ ）。根据推断，这些法向力来自于土壤的变形阻力，Kostritsyn 确定了这种阻力的大小：(3-3) 1FKN（3-3）式中 K1变形比阻；F1开沟器楔刃的面积，经测量：F 1=378.95 cm2。（3-214） 式中 K2土壤的比压（kgcm 2）；F2开沟器侧刃面积，经测量，当最大开沟深度为 20cm 时，地表层以下侧壁的面积为 174.9cm2K1与 K2的差别，在于工作部件运动停止时 K1变为零；而即使在开沟器停止运动时，K2继续压开沟器的侧刃，它反映了土壤的复原弹性特性。根据方程（3-3）和（3-4），方程（3-2）可改写成：（3-211cos2sin2FFP5） 其中，切刀的 、F 1、F 2和 的值是确定的，仅 K1和 K2是未知数。引入了由于开沟器使土壤变形而产生的比阻和比压的概念后，Kostritsyn 计算了由一给定的开沟器产生的土壤变形量：（3-2cosmaxSL6） 式中 S开沟器的厚度，取 ；S土壤与金属的摩擦角；土壤对钢的摩擦角在 2642之间，取；5.40开沟器的楔角，取 ； 45Lmax最大变形量。土壤沿楔刃的变形量从尖端为零变化到 Lmax，因此土壤的平均变形量 Lo 可根据下式计算：（3-2cos420maxSLO7）代入数值计算得 。cO3.结合图 3-3，由已知条件可以大致确定 K1和 K2，取 K12，K 20.4。将所有已知量代入公式（3-2）中，求得： kgP.950.86.35.321 取 ，则开沟器受到的总阻力：28.9smg NgF1.2.91图 3-3 比阻 K1 和比压 K2 以及相应的平均土壤变形之间的关系3.4 开沟器铲柄强度校核开沟器工作时主要受到水平方向的土壤力。其上端通过安装座、U 型卡与主梁架相互连接，可以等效为固定联接，经理论估算得该开沟器的开沟阻力 R 为 2862N，弯矩为M。=RL=18620.65=1860.3Nm。开沟器铲柄选用 45 号钢，由于其抗压强度大于抗拉强度，故只需计算抗拉强度，通过弯矩分析，A 截面为危险截面。开沟器铲柄截面为矩形，(hb)为=65mm25mm,截面的抗弯截面模量为 MPa5.7106.38WMm06.2bhzZAmax 3-2由于 45 号钢调制处理厚的屈服强度为 350MPa。而计算得 A 截面的抗拉压力为175.5350MPa，可知设计是安全可靠的。图 2-9 开沟器铲柄的校核第四章 覆土器4.1 覆土器类型的选择覆土器用于中耕作物的行间覆土和覆土灌溉，是作物后期管理一项重要的农业技术措施。当作物长到一定高度时，在行间将已经疏松的土壤培至作物的根茎部，行间则形成沟垄。覆土器体所完成的工艺过程应不同于犁体，所以其设计方法在某些方面也不相同，但与犁相同点是其结构基础都为成对配置的三面楔。为减少土壤水分蒸发，应减少翻转及底层土壤翻转到地面。常见的覆土器有壁式、圆盘式和旋转式三种，如图 2-14 所示。覆土板式覆土器是利用土壤沿覆土板侧向滑移覆土的。工作时两块覆土板自两侧向种行覆土。覆土铲主要用来松动下层土壤，它的特点是松土时不会把下层土壤移到上层，这样便可防止水分蒸发，并促进植物根系的发育。故本设计采用覆土板式覆土器。a) 壁式 b)圆盘式 c)螺旋式图 2-14 覆土器常见类型4.2 覆土器的组成覆土器由铲尖、分土板、覆土板。铲柄等部分组成，如图 2-15 所示。铲尖切开土壤，使之破碎并沿铲面上升，土镶升至分土板后继续被破碎，并被推向两侧，由覆土板将土壤培至两侧的种行。覆土板一般可进行调节覆土板下倾角及两覆之板的前开度，以适应植株高矮、行距大小以及原有垄形的变化。覆土器的铲尖如图 2-16 所示、在垄间松土时，由于工作表面力凸曲面（外感近似三角形） ，工作时土壤沿凸面上升而被破碎，然后从犁铲后部落入垄沟，且土层上下基本不乱。图 2-15 覆土器图 2-16 覆土器4.3 铲柄的类型和设计铲柄用于安装覆土器并将其固定在中耕机架上。铲柄是可拆卸的零件，当覆土器磨损时能迅速方便地拆换。本设计采用刚性铲柄，用 45#钢制造，下部弯成一定曲度，其前端呈尖缘，具有切草作用。图 2-17 覆土铲铲臂4.4 覆土器工作面的设计铲铲柄的外形特点可用四个尺寸表示，即:伸出长度 L、弯曲半径 R、铲柄高 H 和铲柄横截面 b，如图 2-17 所示。柄高 H：670nn铲柄横截面 b：67mm25mm弯曲半径 R： 115mmcosin-lHR式中 l铲柄直线段长度；入土角。伸出长度 L：148mcos)sin1(lRL 图 2-18 垄行断面确定工作部件设计依据时，设：将土壤按已定沟底宽度切开，并向两侧，在此过程中土壤产生破碎。使土壤沿两侧向后倾斜运动上升，达到预定沟边时，推向垄中心，使土壤按自然止休角形成要求的垄行。覆土工作面的参数由覆土时所形成的垄行断面尺寸确定,如图 2-18 所示。主要参数为行距 L 通常为（6070cm） 。沟底宽一般为 1011 mm，垄顶宽一般为（一般为 812cm） ，垄顶宽 （一般为 812 cm） ，沟底至垄顶总高 h，覆土深度 ，1a0a 1h垄高 ，垄壁土壤自然休止角 （一般为 4050） 。0h设 V0为覆土起垄台所需的土壤断面： 00)(hctgaV工作部件由沟内挖出的土壤体积 V1应等于：00()()tV1应 V0与相等，但是土壤经工作部件疏松、反转、体积增大，须增加膨胀系数，所以需要土的量应满足以下公式： OV= 1实验证明，膨胀系数可取 =1.21.5. 即： 00100()()()ahctgahctgh由图 3-10 可知012Lahctg则 a)(10所以有： 220100(1)()2LaLhctg设 L=600mm， =80mm， =100mm, =1.25, =45,则得:0a1(6081)*02hm2201.25*68.5).(.581.5*60)hm165.473= - =210-116=94mm。1h0覆土器工作面的设计由作正投影开始，元线角的变化规律如下： 2()pxycmq0式中 高度 y 上构成线角的现用值。x确定角 的不同高度（横坐标 cm） ；y对应的纵坐标（cm） ； 角 的坐标比例。上面两式和并则有： 20pxq与铧式覆土器相似，p 和 q 之值可取为：p=6.2；q=100覆土器的覆土板宜取为： 300角的比例可按下式求得： maxy式中 为 角的最大增量，这时可取 5导曲线的位置在离铲尖 200mm 处，导曲线的圆弧半径可由下式求出： 0()cos2hR式中 导向曲线的切线 KK与通过 a 点的垂直截面 nn 间的夹角。覆土壁可取=30。经计算 R=300mm。其元线角的变化如表 2-1：表 2-1 覆土器元线角的变化等高线序号 角等高线序号 角030635o1min()27o7 102 8o33o9 136244100o5 10omax1图 2-20 覆土器曲面第五章 镇压装置由于覆土器本身的覆土作用还不够完善，不能将种子覆盖严密和达到要求的覆土厚度，因此，覆土器后面常需有覆土器和镇压轮配合工作，才能完成播种作业的要求一个良好的镇压轮必须转动灵活，不粘土，镇压力可适当调整。5.1 镇压轮类型的选择目前用于播种机上的镇压轮有多种，按形状不同可分为圆柱型、凸鼓型、凹腰型等（如图 3-13 所示） ；按材料不同可分为铸铁、钢板冲压和橡胶镇压轮等。a b c d e fa.平面整体式 b.凸面整体式 c,d.凹面整体式 e.凸面剖分式