彭峰生， 甘文輝， 梁永永

(1.陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西漢中 723000； 2.陜西省漢中市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，陜西漢中 723000；3.陜西理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)研究所，陜西漢中 723000)

我國不少山地丘陵地區(qū)油菜的播種方式仍以傳統(tǒng)作業(yè)方式為主，傳統(tǒng)的手工油菜種植方式主要依靠人工播種或人工移栽完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)時(shí)間長，與我國發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的提倡不適應(yīng)。傳統(tǒng)的油菜種植方式為單家獨(dú)戶種植，人工種植油菜需要較多的勞動(dòng)力，給油菜種植帶來了很大的困難。國內(nèi)已研制出的油菜播種機(jī)多數(shù)都是大中型的，要求土地地塊面積大，大中型油菜直播機(jī)在山地丘陵地區(qū)油菜機(jī)械化種植時(shí)難以推廣應(yīng)用。小型油菜精密直播機(jī)的研究設(shè)計(jì)正是為了解決這一具有現(xiàn)實(shí)意義的問題。

1 油菜播種裝備與技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展

我國油菜精量聯(lián)合直播機(jī)的研制起步時(shí)間滯后于其他先進(jìn)國家，但近年來發(fā)展迅速[1-3]。由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BYF-6型免耕油菜直播機(jī)可以有效提高工作效率，減少勞動(dòng)力，機(jī)械播種還有利于種苗后期的生長，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收[4]。由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BYM-6/8型油麥兼用聯(lián)合直播機(jī)[3]，其中油菜小麥兼用型精量播種和油菜短程精密排種2項(xiàng)技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機(jī)的核心技術(shù)是正、負(fù)氣壓組合式油菜精量排種器技術(shù)[5]。精密油菜播種機(jī)可實(shí)現(xiàn)油菜栽培中的多道作業(yè)，解決了大部分油菜栽培中常遇到的問題，適合直播油菜。正、負(fù)氣壓式精量排種器傷種率低，種子也不需要精選分級(jí)，但是它需要鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，需要消耗拖拉機(jī)一部分的功率。

國外一些發(fā)達(dá)國家油菜機(jī)械化種植基本普及，它們以先進(jìn)的機(jī)械技術(shù)為基礎(chǔ)，而且在不斷變化油菜品種，培育出新品種油菜以適應(yīng)機(jī)械化種植。日本提出電力播種、英國提出超音速播種，都是國外研發(fā)的新的播種技術(shù)原理。美國聯(lián)合播種機(jī)類型眾多，澳大利亞研制了KMC免耕播種機(jī)[6]。但國外大型聯(lián)合免耕播種機(jī)的機(jī)具很大，組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度高，價(jià)格昂貴，不太適合我國的具體情況。

2 總體方案

經(jīng)過分析比較，從滿足農(nóng)藝要求、經(jīng)濟(jì)性、制造難易程度等方面出發(fā)，最終確定總體方案為排種器采用一器多行的離心式排種器，排肥器采用絞龍式排肥器，旋耕機(jī)構(gòu)采用中間傳動(dòng)方式，輸種(肥)管采用橡膠材質(zhì)，開溝器采用雙圓盤式，鎮(zhèn)壓輪采用金屬圓柱式。旋耕機(jī)的動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供，排肥、排種器的動(dòng)力直接由仿形機(jī)構(gòu)的地輪通過鏈輪提供。旋耕機(jī)的兩端各有1個(gè)開溝器，開出水溝?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

方案的特點(diǎn)與主要技術(shù)性能參數(shù)：(1)排種器采用一器多行離心式，可以減少橫向尺寸；其結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，排種器型孔采用卡篩，可以實(shí)現(xiàn)均勻排種；(2)排肥器采用絞龍式，可以避免片狀或粉狀肥料在排肥過程中出現(xiàn)“搭蓬”現(xiàn)象，并保證各行定量、均勻排肥；(3)采用仿形地輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證開出的排種溝深度一致、不受地形和拖拉機(jī)速度影響，保證排種、排肥更加均勻；(4)采用中間齒輪式傳動(dòng)，使排種器結(jié)構(gòu)較為簡單緊湊，成本相對(duì)較低，利于推廣。主要技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。

表1 小型油菜精密直播機(jī)主要性能參數(shù)

3 傳動(dòng)路線與動(dòng)力分配

3.1 旋耕機(jī)工作參數(shù)選擇與計(jì)算

3.1.1 旋耕深度H綜合各種農(nóng)藝技術(shù)參數(shù)要求[7]，油菜的旋耕深度H應(yīng)大于85 mm，最后確定耕作深度為H=14 cm。

3.1.2 旋耕幅寬B參照文獻(xiàn)[8]選用合適參數(shù)，得

(1)

式中：Kr為單位工作面積所需牽引力，取Kr=1.2 kg/cm2(土質(zhì)為濕黏土)；η為傳動(dòng)效率，η=0.85；Np為初選拖拉機(jī)功率，Np=18.00 kW；H為旋耕深度，H=14.00 cm；vm為機(jī)組行進(jìn)速度，vm=0.89 m/s。所以B取 1 000 mm，采用對(duì)稱式布置較合適。

3.1.3 旋耕功率Px由參考文獻(xiàn)[8]得

Px=ηBKrHvm=0.85×1.00×1.20×14.00×0.89=12.71 kW。

(2)

3.1.4 總牽引功率PyPy=P1+P2+P3。

(3)

式中：P1為旋耕器牽引功率；P2為施肥開溝器牽引功率；P3為仿形地輪牽引功率。

雙圓盤式開溝器平均阻力[9]為980～1 370 N。若取旋耕牽引阻力F1=1 300 N，單個(gè)施肥開溝器牽引阻力F2=1 150 N，則

(4)

(5)

仿形地輪牽引阻力Ff=f×Q，f為土壤阻力系數(shù)，取f=1.30，Q為仿形地輪自身質(zhì)量，初取Q=30.00 kg，則Ff=f×Q×G=1.30×30.00×9.80=382.20 N。

P3=2FfVm=2.00×383.00×0.89=680W=0.68 kW。

(6)

所以，由式(3)知

Py=P1+P2+P3=1.16+4.10+0.68=5.94 kW。

(7)

設(shè)總的功率需求為Pz，則

Pz=Px+Py=12.71+5.94=18.65 kW。

(8)

根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果，綜合考慮耕作幅寬，各種技術(shù)參數(shù)及拖拉機(jī)性價(jià)比等，選擇洛陽一拖18.4 kW東方紅250 P單缸輪式拖拉機(jī)為動(dòng)力源。

3.2 傳動(dòng)路線的設(shè)計(jì)

旋耕部分傳動(dòng)簡圖見圖2。各軸轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)比的計(jì)算：

(1)動(dòng)力輸入軸轉(zhuǎn)速為所選擇的拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速n0，為540 r/min。

(2)旋耕刀軸轉(zhuǎn)速參照文獻(xiàn)[9]選取。采用中間齒輪傳動(dòng)時(shí)，刀軸的轉(zhuǎn)速n4為200 r/min。

(3)總傳動(dòng)比iz為

(9)

(5)各軸轉(zhuǎn)速。Ⅰ軸n1=n0=540 r/min；Ⅱ軸n2= 540 r/min；Ⅲ軸n3=n0/i2=200 r/min；Ⅳ軸n4=200 r/min。

3.3 排種器驅(qū)動(dòng)方式的選擇

設(shè)計(jì)目標(biāo)要適應(yīng)小區(qū)域播種，而且要消除由于播種機(jī)移動(dòng)過程中不均勻現(xiàn)象造成的速度變化。通過齒輪和鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接的驅(qū)動(dòng)方法，傳動(dòng)關(guān)系如圖3所示。鏈輪A和鏈輪B傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以直接反映排肥軸的速度；B齒輪輪軸帶動(dòng)排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)。播種速度也反映了機(jī)組前進(jìn)速度，根據(jù)需要播種速度可以按比例調(diào)整，以保證播肥、播種均勻度。由于拖拉機(jī)行駛速度是一定的，因此，地輪的速度也是唯一的。為了滿足不同的播種要求，使排肥軸和排種軸的旋轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化，在地輪與排種軸之間加入可變控制機(jī)構(gòu)，當(dāng)齒輪處于不同的嚙合位置時(shí)，它們之間的速比會(huì)得到相應(yīng)的變化，通過此種方法來改變排種器的轉(zhuǎn)速，可以控制精密播種。

3.3.1 排肥、排種系統(tǒng)傳動(dòng)路線 排肥、排種器的動(dòng)力由仿形機(jī)構(gòu)[10]的地輪提供，靠3個(gè)鏈輪傳動(dòng)。地輪(直徑D=0.25 m)的轉(zhuǎn)速和機(jī)組速度一致。傳動(dòng)路線簡圖如圖4所示。鏈輪1、鏈輪2、鏈輪3的齒數(shù)分別為16、13、18個(gè)。

3.3.2 排肥、排種軸轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)比計(jì)算 由傳動(dòng)路線圖4可知，排肥器傳動(dòng)比if為

(10)

排種器傳動(dòng)比is為

(11)

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械一般的要求，排肥器轉(zhuǎn)速nf不大于 100 r/min，排種器轉(zhuǎn)速ns不大于80 r/min[11]。

由機(jī)組行進(jìn)速度v=53.30 m/min，地輪直經(jīng)D=0.25 m可知，地輪轉(zhuǎn)速nd為

(12)

則排肥、排種器轉(zhuǎn)速nf，ns分別為

nf=nd×if=68.03×1.23=83.68 r/min；

(13)

ns=nf×is=83.68×0.72=60.25 r/min。

(14)

經(jīng)過多次試驗(yàn)，消除了傷種、排種不均勻等不良問題。經(jīng)過反復(fù)測試、計(jì)算，確保排肥器、排種器的轉(zhuǎn)速符合要求。

4 重要部件的設(shè)計(jì)

4.1 精密排種器

排種器的主要要求：(1)一臺(tái)播種機(jī)的排種量應(yīng)該保持一致，要求排種器可以在較高的轉(zhuǎn)速下也可以轉(zhuǎn)動(dòng)，抗震性能要求也比較高；(2)不易損傷種子；(3)播種量調(diào)節(jié)范圍要大；(4)排種器型孔工作可靠，不易堵塞，容易制造。

從農(nóng)藝要求、技術(shù)難易程度、經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)等方面綜合考慮，選用一器多行的離心式油菜排種器，本設(shè)計(jì)為4行。

常見精密排種器的類型與特點(diǎn)比較見表2。

表2 部分精密排種器的性能[11-14]

一器多行離心式油菜排種器的特點(diǎn)[14]有：(1)結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，主要由內(nèi)外錐筒、驅(qū)動(dòng)軸和卡篩組成，不需要清種裝置，大大提高了排種器的可靠性；(2)一個(gè)排種器能實(shí)現(xiàn)播種多行，橫向結(jié)構(gòu)比較緊湊。由于卡篩的存在，可以實(shí)現(xiàn)精密播種，也可實(shí)現(xiàn)雙粒播種；(3)離心式排種器內(nèi)錐筒直徑大小一般為350 mm，錐角度為45°或60°，本設(shè)計(jì)采用的錐角度為45°。

4.2 排肥器

播種機(jī)上的排肥器，主要用于排施粒狀和片狀復(fù)合肥、結(jié)晶狀化肥和農(nóng)民自制顆粒肥料等。化肥的主要技術(shù)特性見表3。

表3 幾種化肥的特性參數(shù)[15]

排肥器的要求：(1)要有良好的排肥能力，施肥量應(yīng)在 6.0～37.5 g/m2范圍內(nèi)并且可調(diào)，不架空、不堵塞、不斷播和混疊；(2)通用性好，能排施多種肥料；(3)排肥中阻力小，排肥量可調(diào)節(jié)，工作穩(wěn)定，便于清理多余的肥料。常見排肥器的種類、特點(diǎn)見表4。

表4 常見排肥器的種類、特點(diǎn)[16]

從農(nóng)藝要求、技術(shù)難易程度、經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)等方面綜合考慮，選用絞龍式排肥器，施肥行數(shù)為4行。絞龍式排肥器結(jié)構(gòu)簡單，工作原理通俗易懂，加工起來也比較方便，最主要的部件就是絞龍軸和絞龍齒輪。

絞龍式排肥器的特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)簡單，主要由絞龍齒輪、絞龍和驅(qū)動(dòng)軸組成，使用非常方便；(2)通過絞龍的轉(zhuǎn)動(dòng)，使肥料流向排肥口，可以消除“搭蓬”現(xiàn)象，排肥比較均勻。絞龍結(jié)構(gòu)簡圖[17]如圖5所示。

絞龍式排肥器工作原理：工作時(shí)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過絞龍齒輪帶動(dòng)絞龍旋轉(zhuǎn)，使肥料流向排肥口，實(shí)現(xiàn)排肥過程。當(dāng)拉動(dòng)調(diào)節(jié)板改變排肥口的間隙，可以定量排肥。這樣既可以消除“搭蓬”現(xiàn)象，又可以實(shí)現(xiàn)肥料順暢流動(dòng)。

4.3 旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)

旋耕機(jī)常用的傳動(dòng)方式有中間傳動(dòng)和側(cè)邊傳動(dòng)2種形式。旋耕機(jī)構(gòu)動(dòng)力來源是拖拉機(jī)輸出軸，轉(zhuǎn)速為540 r/min。采用3點(diǎn)懸掛式，一類懸掛系統(tǒng)。旋耕機(jī)主要部件是由傳動(dòng)系統(tǒng)、旋耕刀軸、旋耕刀片、中間齒輪等組成[8-9]。比較分析之后確定本設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)采用中間齒輪傳動(dòng)式，動(dòng)力由拖拉機(jī)經(jīng)動(dòng)力輸出軸傳遞給萬向節(jié)，再由萬向節(jié)傳給中間齒輪箱，再經(jīng)中間齒輪箱傳遞給旋耕軸，帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，刀軸采用無縫鋼軸，滿足彎曲扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的技術(shù)要求。旋耕機(jī)刀片采用L型彎刀。油菜播種要求壟帶之間開溝，同時(shí)中間傳動(dòng)式由于箱體作用有漏耕帶，故需要開溝器進(jìn)行作業(yè)，既可消除漏耕帶又可分壟。

4.4 其他輔助裝置的設(shè)計(jì)

開溝器在旋耕的土地上開出整齊、深淺一致的種肥溝，開出的溝要能引導(dǎo)種子和肥料進(jìn)入溝底，并且還要保證覆土器可以完成覆土工作。

輸種管的主要作用是將排種器排出的種子導(dǎo)入種溝內(nèi)。如果輸種管性能不好，對(duì)排種的一致性、均勻性都有很大影響。本設(shè)計(jì)采用橡膠材質(zhì)直徑為20 mm的波形排種管，長度為1 350 mm，并合理布置。

覆土器工作時(shí)不能改變種子分布間距的均勻性，要先蓋上濕土，干土要在表面，覆土要保證薄厚一致。國內(nèi)播種機(jī)上常用的覆土器有刮板式和鏟式2種。鏟式覆土器覆土能力較強(qiáng)，角度可以調(diào)節(jié)，常和雙圓盤式開溝器配合使用。

一個(gè)良好的鎮(zhèn)壓輪必須轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，不易沾土，鎮(zhèn)壓輪可以適當(dāng)調(diào)整角度來改變鎮(zhèn)壓的方向，鎮(zhèn)壓后地表不能產(chǎn)生裂紋。常用鎮(zhèn)壓輪的類型有圓柱形鎮(zhèn)壓輪、凹面鎮(zhèn)壓輪和圓錐鎮(zhèn)壓輪3種[17]。經(jīng)過比較，采用金屬圓柱形鎮(zhèn)壓輪。

種子箱、肥料箱要求容量一定要足夠。箱底板的傾斜角應(yīng)大于種子、肥料的自然休止角，以保證種子或肥料順利流入排種器或排肥器內(nèi)。種子、肥料箱應(yīng)堅(jiān)固耐用、質(zhì)量輕和耐腐蝕，箱內(nèi)外應(yīng)涂以有一定強(qiáng)度的耐腐油漆，加種、加肥方便，容易清理和殘留余料少。

5 設(shè)計(jì)工作總結(jié)

從傳統(tǒng)的油菜播種機(jī)工作過程及設(shè)計(jì)方法出發(fā)，結(jié)合新的動(dòng)力傳動(dòng)方式，針對(duì)丘陵地區(qū)土地及農(nóng)況特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種小型油菜精密播種機(jī)，著重對(duì)精密排種器、排肥器、開溝器和傳動(dòng)路線進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。該設(shè)計(jì)以一器4行離心式油菜排種技術(shù)為核心，可實(shí)現(xiàn)油菜的精量播種，能夠一次性完成油菜精密播種中的多道工序。

該機(jī)主要有以下特點(diǎn)：(1)工作幅寬適中，地域性適應(yīng)強(qiáng)，可以適用丘陵地區(qū)；(2)該機(jī)型是聯(lián)合型機(jī)械，能夠?qū)崿F(xiàn)小塊田地油菜種植多道工序集一機(jī)完成，大大減少了勞動(dòng)力；(3)采用一器4行離心式油菜排種器，可以減少種子的破損率，提高種子出芽率；(4)旋耕機(jī)采用三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)連接，既可與播種機(jī)聯(lián)合作業(yè)，也可與后部分的播種機(jī)分開，成為獨(dú)立的旋耕機(jī)。

樣機(jī)試驗(yàn)中出現(xiàn)的機(jī)械部分可靠性問題，有待于進(jìn)一步提高。