張守德，杜健民，郝　飛，周國棟，佘文龍

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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2BQM-6型免耕播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及開溝器的力學(xué)分析

張守德，杜健民，郝飛，周國棟，佘文龍

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：保護(hù)性耕作技術(shù)因其具有減少風(fēng)蝕、保墑、提前播種期等作用，近年來在北方干旱地區(qū)得到逐步推廣。免耕播種機(jī)作為保護(hù)性耕作的主要機(jī)具，其使用性能直接影響著這一技術(shù)的應(yīng)用。為此，根據(jù)目前免耕播種機(jī)存在的主要問題，設(shè)計(jì)了2BQM-6型氣吸式免耕播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)了切茬、排茬、施肥、播種及覆土鎮(zhèn)壓等聯(lián)合作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)該免耕播種機(jī)重要部件開溝器進(jìn)行了力學(xué)分析，尋找出了開溝器最容易疲勞失效的部位。

關(guān)鍵詞：免耕播種機(jī)；開溝器；力學(xué)分析

0引言

保護(hù)性耕作具有防治農(nóng)田揚(yáng)塵和水土流失、蓄水、保墑、培肥地力、節(jié)本增效，以及減少秸稈焚燒和溫室氣體排放等作用。免耕技術(shù)是前茬作物收獲后，土地不進(jìn)行耕翻，讓原有的殘茬、枯草覆蓋地面，待下茬作物播種時(shí)，用免耕播種機(jī)直接在茬地上進(jìn)行局部松土播種的作業(yè)方法[1]。免耕播種機(jī)是實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵機(jī)具，其工作性能直接影響著這一技術(shù)的推廣應(yīng)用，進(jìn)而影響環(huán)境和農(nóng)作物生產(chǎn)。所以，設(shè)計(jì)滿足農(nóng)藝要求、高效的免耕播種機(jī)具有重大實(shí)際意義。

1免耕播種機(jī)使用現(xiàn)狀及存在的問題

1.1發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)40年代美國開始保護(hù)性耕作的研究，60年代成功研制免耕播種機(jī)；80年代以后，保護(hù)性耕作逐步推廣應(yīng)用到了70多個(gè)國家。目前，國外的免耕播種機(jī)一般都是牽引式的，開溝器多，各開溝器間隔大，機(jī)器又寬又重，土壤工作部件復(fù)雜，一次可完成破茬、開溝、播種、施肥、覆土和鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)。比較典型的有美國的John Dear(約翰迪爾)、Case(凱斯)、Great Plain (大平原)，加拿大的Flexi-coil(福萊希)和澳大利亞的John shearer(約翰希勒)[2]。這些系列播種機(jī)機(jī)架堅(jiān)固，與地面間距比較大，同時(shí)選用波紋圓盤切割秸稈殘茬，機(jī)械通過性能良好，可靠性強(qiáng)，適應(yīng)高速、寬幅作業(yè)。

20世紀(jì)60年代，我國開始保護(hù)性耕作的單項(xiàng)試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)只是著眼于農(nóng)作物的增產(chǎn)，沒有重視它的環(huán)保作用，特別是對(duì)實(shí)施保護(hù)性耕作所需的關(guān)鍵機(jī)具研究不夠；直到90年代以后，以中國農(nóng)業(yè)大學(xué)保護(hù)性耕作研究中心為代表，在玉米、小麥免耕播種機(jī)方面研究較多[3-4]。目前，我國免耕播種機(jī)種類繁多，一般都是小型牽引式的，構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，多為4行播種。

1.2存在的問題

國外生產(chǎn)的免耕播種機(jī)機(jī)構(gòu)龐大、價(jià)格昂貴，適合于大面積耕作，除我國大型農(nóng)場(chǎng)引進(jìn)使用外，不適合北方地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的免耕播種機(jī)不同程度地存在以下問題：一是聯(lián)合作業(yè)程度不高。完成免耕播種一般需要兩次以上的作業(yè)。二是機(jī)具通過性較差。容易堵塞開溝器，需人工適時(shí)清理堵塞的雜草和秸稈。三是作業(yè)效率低。與國外相比速度慢，一般為4行播種，播種機(jī)工作幅寬較小。四是可靠性不高。與普通播種機(jī)相比，免耕播種機(jī)環(huán)境比較惡劣、載荷復(fù)雜，使得一些重要部件(如開溝器)作業(yè)時(shí)易損壞。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)的基本要求

針對(duì)目前免耕播種機(jī)存在的主要問題，所設(shè)計(jì)的2BQM-6型氣吸式免耕播種機(jī)主要達(dá)到以下基本要求：一是聯(lián)合作業(yè)。我國北方地區(qū)各地面積比較大，應(yīng)一次性實(shí)現(xiàn)切茬、排茬、施肥、播種及覆土鎮(zhèn)壓等聯(lián)合作業(yè)。二是增加作業(yè)效率,減少作業(yè)時(shí)間。

2.2整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作過程

2BQM-6型免耕播種機(jī)為氣吸式6行播種機(jī)，能夠按免耕播種的作業(yè)要求，一次完成切茬、排茬、施肥、播種及覆土鎮(zhèn)壓等聯(lián)合作業(yè)。播種機(jī)主要由鎮(zhèn)壓輪、種箱、仿形機(jī)構(gòu)、肥箱、風(fēng)機(jī)、懸掛機(jī)架、單圓盤開溝器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、破茬器、氣吸式播種裝置、覆土輪及地輪等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.鎮(zhèn)壓輪　2.種箱　3.仿形機(jī)構(gòu)　4.肥箱　5.風(fēng)機(jī)

免耕播種機(jī)由66～88kW拖拉機(jī)牽引，通過拖拉機(jī)的后三點(diǎn)懸掛裝置與播種機(jī)的懸掛機(jī)架相連。工作時(shí)，單圓盤開溝器通過良好的破茬入土能力在有殘茬覆蓋的地面開溝，破茬器將種溝兩邊清理出8～10cm的寬度；滾動(dòng)的地輪通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)肥箱定量排肥。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流將種箱中的種子運(yùn)送至氣吸式播種裝置頂部，經(jīng)過導(dǎo)種管落入種溝,完成精量排種；覆土輪將種溝覆蓋，V型鎮(zhèn)壓輪將種溝中的土壓實(shí)，完成聯(lián)合播種作業(yè)。

2.3田間試驗(yàn)及結(jié)果

試驗(yàn)地點(diǎn)選在內(nèi)蒙古包頭土右旗，試驗(yàn)地為一年一茬的玉米留茬地，試驗(yàn)面積10hm2，配套動(dòng)力88.2kW的約翰迪爾1204型四輪拖拉機(jī)，作業(yè)速度為2～3.6km/h。試驗(yàn)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)6973-2005《單位(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行[5]。播種性能試驗(yàn)主要對(duì)粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、種子破損率及滑移率等主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)工具包括三角板、卷尺、土壤硬度計(jì)及秒表等。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：2BQM-6型氣吸式免耕播種機(jī)具有良好的清草排堵能力，可有效地防止殘茬和秸稈堵塞機(jī)器。開溝器具備良好的破茬入土能力，地面仿形功能良好，覆土鎮(zhèn)壓效果較好。該機(jī)可同時(shí)在壟上進(jìn)行6行播種，減少了拖拉機(jī)往復(fù)作業(yè)的次數(shù)，適用于大面積耕作，能夠滿足農(nóng)藝的要求。

表12BQM-6型免耕播種機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

Table 1Experimental results of 2BQM-6 type No-tillage planter

試驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)定結(jié)果粒距合格指數(shù)/%≥85重播指數(shù)/%≤10漏播指數(shù)/%≤5種子破損率≤0.5滑移率/%≤35覆土合格率/%≤100種子深度/cm4~6機(jī)具通過性無堵塞

3單圓盤開溝器的力學(xué)分析

開溝器的作用是按照播種深度開出溝槽，并且在保證種子發(fā)芽出苗的前提下，產(chǎn)生最小的土壤擾動(dòng)，為種子發(fā)芽和作物的成長提供良好的環(huán)境。免耕播種機(jī)作業(yè)時(shí)地表有留茬、地面硬度相對(duì)較大，作業(yè)環(huán)境比較惡劣。工作過程中，開溝器主要受到入土阻力和推土正壓力，其大小受很多因素影響，如地形、土壤硬度、播種深度及工作速度等[6]。本研究使用有限元分析軟件ANSYS14.0對(duì)播種機(jī)的單圓盤開溝器進(jìn)行靜力學(xué)分析，找出圓盤工作過程中應(yīng)力應(yīng)變最大的部位，更加直觀地顯示出實(shí)際工作過程中最易損壞的部位，為播種機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)。

3.1模型的建立與導(dǎo)入

利用三維制圖軟件Pro/E繪制單圓盤開溝器圓盤立體圖，如圖2所示；保存成零件(*. Prt)格式的文件，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench中。

3.2定義材料屬性與劃分網(wǎng)格

用于農(nóng)業(yè)機(jī)械上的田間作業(yè)部件工作條件比較惡劣，常在潮濕或帶腐蝕性(化肥、糞尿、農(nóng)藥等)的環(huán)境中作業(yè)，經(jīng)常與土壤中砂石或農(nóng)作物中的磨料發(fā)生摩擦，同時(shí)還受到振動(dòng)與沖擊。因此，零件除需要足夠的強(qiáng)度、剛性和韌性外，還應(yīng)具備很高的耐磨性和較好的耐蝕性。所以，選擇合適的材料對(duì)提高圓盤的性能具有至關(guān)重要的作用。根據(jù)實(shí)際需要，選擇的單圓盤材料是65Mn[7-8]，所用參數(shù)如表2所示。

網(wǎng)格劃分的疏密程度會(huì)影響到整個(gè)的運(yùn)算結(jié)果：密度過大則會(huì)使得運(yùn)算時(shí)間偏長；而網(wǎng)格密度稀疏，有些細(xì)節(jié)的部分在運(yùn)算的過程中會(huì)被忽略。單圓盤開溝器的圓盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但考慮到圓盤工作時(shí)螺紋孔處的受力比較集中，故而對(duì)其周邊處進(jìn)行加密處理，以使運(yùn)算后更好地了解到螺紋孔的應(yīng)力應(yīng)變的情況，為設(shè)計(jì)人員提供更有用的參考。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。最終網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為10 255個(gè)，單元為4 968個(gè)。

圖2　單圓盤開溝器

屬性屬性值單位彈性模量210GPa泊松比0.3密度7850kg/m3

圖3　單圓盤開溝器網(wǎng)格圖

3.3施加外載荷與結(jié)果分析

在單圓盤開溝器正常工作的情況下，主要受到開溝器刃部契入土壤的入土阻力Q=400N和推土正壓力N=300N的作用，同時(shí)在圓盤的中心孔的邊緣施加圓柱約束，使其固定。其約束及加載情況如圖4所示。

圖4　載荷與約束

通過靜力學(xué)模塊處理后，得到模型在正常工作的某一瞬時(shí)的應(yīng)力分布，如圖5所示。由圖5能比較直觀地查看分析結(jié)果。本文以不同的顏色來代表不同應(yīng)力值區(qū)間，應(yīng)力色條代表的顏色，從上到下，應(yīng)力值依次減小，模型的最大應(yīng)力為 7.28MPa。從分布的情況可以看出在圓盤連接孔處應(yīng)力最大。

圖5　圓盤應(yīng)力分析圖

通過靜力學(xué)模塊處理后的應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示。

圖6　圓盤應(yīng)變?cè)茍D

圖6中不同的顏色代表圓盤不同變形量，應(yīng)變色條代表的顏色，從上到下，應(yīng)變值依次減?。辉趫A盤連接孔處應(yīng)變較大，最大變形量為 0.036mm。設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，對(duì)應(yīng)力應(yīng)變較大的地方進(jìn)行熱處理，使得延長開溝器圓盤的使用壽命。

4結(jié)論

1)針對(duì)目前國內(nèi)免耕播種機(jī)存在的主要問題，設(shè)計(jì)了2BQM-6型氣吸式免耕播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)了切茬、施肥、排茬、播種及覆土鎮(zhèn)壓等聯(lián)合作業(yè)。田間試驗(yàn)表明：該免耕播種機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足要求。

2)針對(duì)重要部件半圓盤開溝器進(jìn)行受力分析，得到了在給定參數(shù)下的圓盤開溝器的應(yīng)力云圖和應(yīng)變圖。

3)確定了圓盤與軸連接的部位為圓盤開溝器的最大應(yīng)力位置，且得到了此處受到的最大應(yīng)力為7.28MPa。

4)作業(yè)時(shí)，圓盤開溝器的圓盤與軸的連接部位，圓盤刃部與土壤接觸的部分最易產(chǎn)生變形，但最大變形量為3.6×10-5m。

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2BQM-6 Gas Suction No-till Planter Structure Design and Mechanics Research of Opener

Zhang Shoude， Du Jianmin， Hao Fei， Zhou Guodong， She Wenlong

(College of Machinery and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Conservation tillage technology can reduce wind erosion, keep moisture, make the action such as seeding time in advance, in recent years it gradually popularized in the northern drought areas. No-till planter as the main tools of conservation tillage, its performance directly affects the application of this technology.According to the current main problems of no-till planter，No-till operation design the 2BQM-6 type no-till planter, implements the cut, fertilization, row crops, sow, cover earth, such as joint operation, field experiments show that the no-till seeder performance indicators meet the requirements. On this basis, using for the mechanics analysis for the vulnerability of no-till planter parts opener, find out the opener the fatigue failure of the parts, offer the certain reference value to actual production.

Key words：no-till planter；opener；mechanics analysis

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0146-04

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張守德(1987-),男，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，(E-mail) zhshd88pl@126.com。通訊作者：杜健民(1960-)，男，呼和浩特人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)nndjwc202@imau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家科技部糧豐工程第三期項(xiàng)目(2013BAD07B00)

收稿日期：2015-01-07