冉云亮，李連合，王萬章，于建軍，袁玲合，王建波

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州450002;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 鄭州450002;3.河南省財經(jīng)學(xué)校，河南鄭州450012)

黃淮海地區(qū)多為小麥玉米兩作生產(chǎn)，為趕農(nóng)時小麥玉米機械化播種及生產(chǎn)配套在實際生產(chǎn)中顯得尤為重要。小麥玉米大量的秸稈覆蓋地表，免耕播種機作業(yè)時秸稈量大，地表秸稈韌性強，對播種機作業(yè)性能及效率要求較高［1］。目前國內(nèi)的兩用播種機的研究中有固定道式、一種排種器兩用、玉米高位投種等方式的小麥玉米兩用播種機，固定道式的需要留出拖拉機行走道，不適合多數(shù)地區(qū);一種排種器兩用式的是指用同一種排種器既播玉米又播小麥，其播種質(zhì)量較差，玉米高位投種式的是在小麥播種機上方裝上相應(yīng)玉米排種器來實現(xiàn)玉米播種，其播種精度不高;另外，多數(shù)播種機缺少相應(yīng)的秸稈處理裝置，易造成秸稈纏繞擁堵［2－4］，作業(yè)阻力大，影響播種質(zhì)量。為此，結(jié)合黃淮海地區(qū)一年兩熟區(qū)小麥玉米種植的農(nóng)藝要求，設(shè)計了一種小麥玉米兩用免耕播種機。該機在滿足農(nóng)藝要求的前提下，改善了免耕播種質(zhì)量，提高機械作業(yè)效率，一次可完成滅茬、開溝施肥、播種、鎮(zhèn)壓等功能，并實現(xiàn)了玉米小麥播種一機兩用，適合河南等地小麥玉米一年兩作區(qū)保護性耕作。

1 播種機的結(jié)構(gòu)與原理

小麥玉米兩用播種機主要有機架、傳動部分、施肥部分、刀軸刀盤部分、玉米播種單體、小麥鎮(zhèn)壓輪部分組成(圖1)。播種施肥部分為拆卸調(diào)整方便，施肥腿通過U型螺栓固定于機架中間梁上。為實現(xiàn)小麥玉米播種一機兩用和小麥玉米種植配套，本設(shè)計將地輪前置，小麥鎮(zhèn)壓輪和玉米播種單體設(shè)計為可拆裝部分，兩者可以通過互換來分別實現(xiàn)小麥玉米的播種作業(yè)。玉米播種單體上帶有平行四桿仿形機構(gòu)，可根據(jù)田間地形進行仿形，實現(xiàn)播深一致。

圖1 免耕施肥播種機的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of no tillage fertilizing and seeding machine

播種機采用三點后懸掛方式，動力采用66.2 kW以上輪式拖拉機。拖拉機動力輸出軸輸出動力傳遞至變速箱，帶動刀軸刀盤總成完成滅茬開溝作業(yè)，由前置驅(qū)動地輪通過各傳動部分帶動小麥玉米排種器工作。小麥播種時如圖1－a所示，施肥部分的開溝器開出施肥溝，肥料在排肥器作用下通過輸肥管進入施肥溝，完成施肥工藝，同時固定在施肥腿上的小麥排種管在排種管的作用下完成小麥播種工藝，最后由小麥鎮(zhèn)壓輪完成鎮(zhèn)壓工藝，完成小麥播種作業(yè)。玉米播種時如圖1－b所示，施肥部分的開溝器開出施肥溝，肥料在排肥器作用下通過輸肥管進入施肥溝，完成施肥工藝，圓盤開溝器完成開溝工藝，傳動部分傳至玉米播種單體，帶動玉米精密排種器完成排種，落入開出的溝內(nèi)，由覆土器完成覆土工藝，最后玉米播種鎮(zhèn)壓輪完成鎮(zhèn)壓工藝，完成玉米播種作業(yè)。

根據(jù)小麥玉米種植農(nóng)藝參數(shù)和小麥玉米兩用免耕施肥播種機的功能要求設(shè)計機架寬度為2 300 mm，刀軸轉(zhuǎn)速 320 r·min－1，耕深 80 ～120 mm 可調(diào)，開溝寬度為180 mm。小麥播種采用寬窄行190～110 mm設(shè)計;玉米播種采用600 mm等行距設(shè)計，玉米施肥行距為等行距600 mm，小麥播種行數(shù)14行，玉米播種行數(shù)4行。玉米播種播在小麥的寬行中，種肥側(cè)施。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 機架與傳動的設(shè)計

機架部分主要用來支撐刀軸刀盤、變速箱、小麥播種施肥部分、傳動機構(gòu)、玉米施肥部分，以及玉米播種單體的掛接。其中機架前部焊接由用于與拖拉機掛接的懸掛架［6－7］。傳動部分主要有驅(qū)動前置、鏈傳動機構(gòu)、六方傳動軸、播種鏈傳動機構(gòu)、施肥鏈傳動機構(gòu)完成，玉米傳動加上玉米變速箱輸出軸、過渡雙鏈輪、玉米排種鏈傳動等組成，機架與傳動部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳動部分主要用來將驅(qū)動前輪的動力傳遞至各功能部分，驅(qū)動前輪經(jīng)2次鏈傳動傳至玉米變速箱輸入軸，玉米變速箱輸入軸一部分經(jīng)過鏈傳動傳至小麥排肥軸和排種軸，另一部分經(jīng)過玉米播種變速箱傳至玉米變速箱輸出軸，經(jīng)過鏈傳動傳至玉米排種軸。

圖2 機架與傳動部分的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the frame and the driving part

2.2 傳動比計算

小麥播種機的傳動比為1∶1，玉米播種機傳動比以67 500株·hm－2為基準進行設(shè)計，排種器采用指夾式精密排種器，兩級減速傳動，分別為玉米播種變速箱一階減速和最后一階傳動減速。玉米播種變速箱變速比分別為1檔5∶6、2檔1∶1、3檔7∶6、4 檔 4∶3、5 檔 3∶2、6 檔 5∶3。

玉米播種傳動比為:

式中:i為玉米播種傳動比;i變?yōu)樽兯傧鋫鲃颖?i2為過渡鏈輪到玉米排種鏈輪傳動比;z2為玉米排種鏈輪齒數(shù)，值為26;z1為過渡雙鏈輪齒數(shù)，值為17。

以玉米播種變速箱4檔為基準計算，最后可得玉米播種傳動比為2.04，驅(qū)動前輪直徑為460 mm，玉米播種株數(shù)為42 900～75 900株·hm－2。

2.3 機具安全性設(shè)計計算

玉米免耕播種機作業(yè)時玉米播種機單體懸掛在機架后，播種機長度加大，機具重心后移，將造成拖拉機在掛接機具時引起翻轉(zhuǎn)。為此，在Solidworks設(shè)計時，將三維虛擬樣機每個零部件添加與實際相符的材料，來找出其理論重心的位置和機具的最大質(zhì)量。由虛擬計算可得玉米播種時機具重心到拖拉機下懸掛點之間的距離為72.5 cm。

拖拉機安全行駛所確定農(nóng)具最大質(zhì)量為:

式中:MFmax為安全行駛農(nóng)具最大質(zhì)量;Ftf為拖拉機從前軸轉(zhuǎn)移的最大靜載荷;L為拖拉機軸距;x為拖拉機后輪中心軸到掛接點的水平距離;y為下拉桿水平位置時農(nóng)具質(zhì)心到下懸掛點的距離，值為72.5 cm。拖拉機選用東方紅－X904型拖拉機。

避免后輪超載所確定農(nóng)具最大質(zhì)量為:

式中:MRmax為避免后輪過載確定機具最大質(zhì)量;Rtr為拖拉機后輪所能承受載荷的最大增加值。

根據(jù)GB/T 10911—2003《農(nóng)業(yè)輪式拖拉機和后懸掛農(nóng)具的匹配》［5］和所選拖拉機的型號查的所需的相應(yīng)的值，最終算得拖拉機安全行駛所確定農(nóng)具最大質(zhì)量為1 260 kg，避免后輪超載所確定農(nóng)具最大質(zhì)量為1 580 kg。因此，拖拉機能懸掛的機具最大重量不能超過1 260 kg。所設(shè)計的機具重量為920 kg，故播種機可滿足安全懸掛要求。

2.4 仿形機構(gòu)設(shè)計和仿真分析

由于玉米播種單體掛接在與刀軸總成剛性連接的機架上，增加了播種機的長度，旋轉(zhuǎn)刀軸作業(yè)的振動顛覆會造成玉米漏播率提高，地面起伏不平會造成播深不一。因此，本設(shè)計增加了四桿仿形機構(gòu)，一方面可減小機架振動對播種精度的影響，另一方面可實現(xiàn)播深一致。四桿機構(gòu)各尺寸的大小需要按照當?shù)貙嶋H的播種農(nóng)藝要求及仿形量來決定，如圖3所示。從圖3可知，上下仿形機構(gòu)總仿形量［8－9］為:

式中:H為總仿形量，mm;L為平行四桿的長度，mm;

一般播種機上牽引角α為0～10°，本設(shè)計上下仿形量各為50 mm，取牽引角為0°，可得，上仿形角 α2=15°，下仿形角 α1=15°，連桿距離 AD 約為190 mm，設(shè)計取桿長為200 mm。

圖3 平行四桿機構(gòu)上下仿形尺寸參數(shù)Fig.3 The upper and lower profile size parameters of parallel four bar mechanism

在Adams仿真軟件中給機構(gòu)添加約束和驅(qū)動，得到仿真曲線如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果曲線Fig.4 Curve of the simulation results

從圖4可看出，四桿仿形機構(gòu)的A點(MARKER3)是一條直線，說明在地面有起伏的情況下，不帶仿形機構(gòu)會使播深變化較大，D點(MARKER4)的曲線跟地形基本一致，使得開溝器可以開出深度一致的種溝，保證播深穩(wěn)定。

3 田間試驗

本機是在某定型小麥播種機結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研制而成，小麥播種試驗符合國家有關(guān)標準。玉米播種試驗在洛陽市孟津縣農(nóng)技推廣站實驗基地進行，玉米品種鄭單958，行距600 mm。試驗過程中樣機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，工作安全可靠，能夠有效完成開溝滅茬、施肥、播種、鎮(zhèn)壓等功能。田間試驗數(shù)據(jù)［10］采集獲得播種機各項工作性能參數(shù)如表1所示。

根據(jù)NY/T 1143—2006播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范［11－12］，播種機各項工作性能參數(shù)達到質(zhì)量標準。本小麥玉米兩用免耕施肥播種機與其他播種機相比，該機可有效的進行撥草，旋刀可以切斷溝內(nèi)的根茬，提高播種質(zhì)量，播種后鎮(zhèn)壓成溝狀，可以方便灌溉，排水防澇，蓄水保墑。

表1 播種機工作性能參數(shù)Table 1 Working performance parameters of seeder

4 結(jié)論

1)小麥玉米兩用播種機可有效的完成滅茬、開溝施肥、播種、覆土鎮(zhèn)壓等功能，各項參數(shù)符合要求，符合了黃淮海一年兩熟區(qū)的種植農(nóng)藝要求。

2)小麥玉米兩用播種機采用驅(qū)動輪前置的設(shè)計，可以保證驅(qū)動輪始終走在未耕過的土壤上，增大了與地面之間的摩擦力，從而減小打滑，分別實現(xiàn)了小麥玉米播種的機械傳動路線，達到了一機兩用的設(shè)計目標。

3)開溝滅茬播種機可以有效的切斷溝內(nèi)的根茬，提高播種質(zhì)量，播種后鎮(zhèn)壓成溝狀，不僅可蓄水保墑，而且可排水防澇。

4)小麥玉米播種機采用190～110 mm小麥種植模式，玉米600 mm等行距模式，實現(xiàn)小麥玉米機械化生產(chǎn)配套;一機兩用，提高了機具的利用率，對一年兩熟地區(qū)小麥玉米種植具有重要意義。

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