張曉軍

（運城市農(nóng)業(yè)機械化科學研究所，山西 運城 044000）

山西省小籽粒雜糧作物大多數(shù)種植在丘陵地區(qū)，地塊面積小，形狀不規(guī)則，大中型農(nóng)業(yè)機械進地通過的道路條件差，農(nóng)業(yè)機械化程度很低。同時，青壯年勞動力大都進城務工、小籽粒作物播種作業(yè)質(zhì)量不高、工作效率極低等成為制約提高農(nóng)民收入的障礙。面對丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)裝備和生產(chǎn)方式整體落后的現(xiàn)狀，要實施“特”“優(yōu)”戰(zhàn)略，改進設(shè)計適合山西省各地區(qū)的作物（谷子、糜子、高粱、蕎麥、莜麥、油菜等）的系列化小籽粒精量播種機成為必然[1-2]。

精密播種以精確的播種量、株行距和深度進行作業(yè)，具有節(jié)省種子、免除出間苗作業(yè)、苗距整齊的優(yōu)點，經(jīng)濟效益明顯[3]，因節(jié)本增效顯著成為國家主要扶植推廣的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)[4]。精密播種機分氣力式、機械式，氣力式包括氣吸式、氣壓式、氣吹式3種。小籽粒精密播種機采用氣吸式，解決現(xiàn)有的小籽粒播種機在播種時排種器型孔堵塞和種子破損問題。

精密播種機的株距、播量、播深重要指標影響出苗率、出苗整齊度，直接影響作物產(chǎn)量[5]。播深的穩(wěn)定性取決于仿形機構(gòu)的性能，農(nóng)業(yè)機械上常用的仿形機構(gòu)有單鉸鏈仿形機構(gòu)、平行四桿仿形機構(gòu)、多桿雙自由度仿形機構(gòu)等類型[6]，其中平行四連桿仿形機構(gòu)使開溝器入土角不變，結(jié)構(gòu)簡單，仿形性能好，成本低，安裝及調(diào)整便利，被廣泛應用于精密播種機上。本文對主要仿形部件及其單體下壓力調(diào)節(jié)組合、單體提升鎖扣裝置進行了研究設(shè)計。

1 平行四連桿仿形機構(gòu)的工作原理和配套裝置

平行四連桿機構(gòu)由前架、上桿、下桿、后桿連接架，仿形輪及工作部件組成。前架、上桿、下桿、后桿連接架相互鉸接構(gòu)成平行四邊形，見圖1。工作部件的作業(yè)深度靠仿形輪相對于地面的高度來調(diào)節(jié)。從圖1中可知，前架固定在懸掛架上，上桿和下桿平行相等，A、B、C、D是4個鉸接點，在工作過程中，上桿和下桿繞鉸接點轉(zhuǎn)動，前架和懸掛架相對不動，地輪前進時隨地表起伏上下移動，帶動工作部件上下移動調(diào)整作業(yè)深度。特點是開溝器入土角不變，作業(yè)深度相對一致。

圖1 平行四連桿機構(gòu)示意Fig.1 The schematic diagram of parallel four-bar linkage

由平行四邊形特點而知，工作部件在工作過程中必須有極限位置，同時在運輸過程中要相對鎖定。極限位置是指每個工作單組在上下移動過程中確定工作部件最高極限位置和最低極限位置。提升鎖扣成為極限位置和鎖定功能的控制板；同時，下壓力調(diào)節(jié)裝置作用是平行四連桿機構(gòu)在仿形過程中圍繞鉸接點隨時轉(zhuǎn)動，造成仿形過敏，相對穩(wěn)定性差，由于拉伸彈簧的作用，使得下壓力可調(diào)，無論在硬茬播種遇到土壤堅實度大的播種條件下還是在旋耕整地后的土壤堅實度小的播種條件下，仿形效果都較為可靠，使精密播種機適用于各種客觀情況。

2 提升鎖扣的設(shè)計

2.1 提升鎖扣結(jié)構(gòu)造型

要控制工作部件的極限位置即平行四連桿后桿的上下極限位置，圖2機構(gòu)即可實現(xiàn)。撐桿在平行四連桿仿形過程中一邊繞O點轉(zhuǎn)動，一邊相對于X點在滑槽內(nèi)運動，XO的長度不斷變化。當X點到達L區(qū)域時后桿位于上極限位置，當X點到達H區(qū)域時后桿位于下極限位置。

圖2 撐桿限位示意Fig.2 Theschematic diagram of strut limit

由圖2可知，把X點設(shè)計到上桿其他位置，同樣可以起到限位作用。在運輸過程中，為了使播種單租相對固定，即把平行四連桿機構(gòu)鎖住，在撐桿上設(shè)計一個位置來完成此功能，稱之為提升鎖扣，見圖3。

圖3 提升鎖扣Fig.3 Thelifting latch

2.2 提升鎖扣的工作原理

從圖3、圖4可見，鎖扣掛接螺栓固定在上桿上和鎖扣板能夠相對運動，后架下螺栓固定在后架上和鎖扣板能夠相對轉(zhuǎn)動。在仿形工作狀態(tài)下，鎖扣彈簧卡在圓頭擋銷I之下，彈力使得鎖扣掛接螺栓只能在H和L區(qū)域之間滑動，從而仿形正常實施，而且鎖扣板在H、L處控制極限位置；在運輸狀態(tài)下，鎖扣彈簧卡在圓頭擋銷II之上，播種機單組的重力和鎖扣彈簧彈力使得鎖扣掛接螺栓只能固定在S處被鎖定。

圖4 提升鎖扣的工作原理Fig.4 The schematic diagram of lifting latch

2.3 平行四連桿的尺寸及提升鎖扣的設(shè)計參數(shù)確定

2.3.1 平行四連桿尺寸確定

通常情況下，單組式精密播種機四連桿的上下仿形量各為80～120 mm[7-8]，由圖5可知。

圖5 平行四連桿示意Fig.5 The schematic diagramof parallel four-bar linkage

其中：α——牽引角，°；S1——上仿形量，mm；S2——下仿形量，mm；α1——上仿形角，°；α2——下仿形角，°。根據(jù)本地實際情況和整機的機動圖設(shè)定牽引角α為3°，α1為19°，α2為19°，AB長度170 mm。則BC=AD=245.7 mm，取整數(shù)250 mm。

2.3.2 提升鎖扣參數(shù)確定

設(shè)定鎖扣掛接螺栓在上桿的G處，距離C處130 mm，點H—L滑槽長度為75 mm，驗算仿形總量符合農(nóng)藝要求即為合理，見圖6。

圖6 提升鎖扣控制的兩個極限位置Fig.6 The two limit positions of lifting latch control

上仿形量：

下仿形量為：

仿形總量為：250sin（90°-67.52°）+250sin（108.77°-90°）=176 mm

鎖扣掛接螺栓的定位，H—L滑槽長度均符合要求。

3 下壓力調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計

3.1 平行四連桿機構(gòu)的受力分析

播種機正常平穩(wěn)工作時，所受的力有重力G、牽引力P、土壤阻力R、仿形輪支反力N，四力平衡。從圖6中可知，前提條件是仿形輪支反力N必須＞0，否則仿形輪起不到作用。因為牽引力的方向始終和拉桿平行，能使整個機構(gòu)繞鉸接點A、D逆時針的力只有重力G。仿形輪的支反力N只能由重力和土壤條件決定。即工作部件在土壤表層的下陷量主要由固定的機構(gòu)重力決定，適應性差，不完全符合農(nóng)藝要求。

圖6 平行四連桿仿形機構(gòu)受力示意圖Fig.6 Theforce diagram of parallel four-bar profiling mechanism

3.2 下壓力調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計

彈簧的特點是在產(chǎn)生恢復變形時，把機械能或功能轉(zhuǎn)變成變形能，或者相反。在平行四連桿機構(gòu)的上桿和下桿之間添加拉力彈簧可使四桿機構(gòu)在繞鉸接點轉(zhuǎn)動時受到限制。

可以看出，圖7 a的拉簧使機具單組重力G減輕，圖c的拉簧使機具單組重力G加重。圖b彈簧不起作用，因為彈簧拉力的方向和AB桿、CD桿是平行的，在平面機構(gòu)中彈簧約束對機構(gòu)自由度的影響是重復的，是對機構(gòu)運動不起限制作用的重復約束，屬虛約束或消極約束，可除去不計。

圖7 彈簧不同位置圖Fig.7 Thedifferent positionsof spring

本機采用圖a方式，加上旋轉(zhuǎn)手柄即為可調(diào)力式彈簧。

圖8 下壓力調(diào)節(jié)裝置Fig.8 The regulator of downforce

3.3 拉力彈簧的計算

圓柱螺旋拉伸彈簧設(shè)計，Ⅱ類受變負荷，最大載荷為900 N，行程25 mm，采用65 Mn鋼材料。

選 用d=6 mm，D2=32 mm，Pmax=1 088.5×0.875=952＞900 N

剛度P'=Pmax/Fmax=90/25=36N/mm

圈數(shù)n=Gd4/8D23P'=78 450×64/（8×323×36）=10.77圈

取n=11圈 實際剛度P'=36×（10.77/11）=35.25N/mm

查表，選初拉力=292，F(xiàn)min=292.24/35.25=8.29 mm

Fmax=25 mm

彈簧內(nèi)徑D1=32-6=26 mm

自由長度H0=（n+1）d+2D1=12×6+2×26=134 mm

驗算疲勞強度及靜強度安全系數(shù) 查表C=32/6=5.33時

K=1.29 τmax=8KPmax

D2/πd3=8×1.29×900×32/π63=438.2MPa

τmin=118 MPa

取τp=0.35σbτs=0.5σbσb=1380MPa

η=τp+0.75τmin/τmax=1.49

η′=τs/τmax=1.56

符合[η]=1.3～1.7的要求

初應力τ0=8P0D2/πd3=8×292×32/π63=69 MPa，符合手冊。當C=32/6=5.33時，τ0=65～150 MPa的要求

螺旋角α=arctg（d/πD2）=3.45°，符合要求。

4 結(jié)論

提升鎖扣支撐效果良好。提升鎖扣的作用是，當平行四連桿機構(gòu)在正常工作仿形時，鎖扣彈簧卡在圓頭擋銷I的下方，滑槽在保證仿形同時還有控制極限位置的作用；在運輸狀態(tài)時，鎖扣彈簧卡在圓頭擋銷II的上方，彈力和重力鎖住機具單組，保證運輸平穩(wěn)。

下壓力調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)力作用，提高了平行四連桿機構(gòu)的仿形適應性，使播種機既能適應于保護性耕作的硬茬播種，也可以適應在旋耕后整地情況較好土壤播種。