宋愛華，林 歡

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

農(nóng)業(yè)在我國始終具有重要的地位。隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種農(nóng)業(yè)機(jī)械陸續(xù)出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如各種大型耕整地機(jī)、播種機(jī)和收獲機(jī)等。播種機(jī)是農(nóng)耕最重要的機(jī)械之一，目前關(guān)于播種機(jī)設(shè)計與研究相當(dāng)廣泛。一是谷物播種機(jī)，如黃河等[1]設(shè)計了一種基于單片機(jī)的玉米智能播種機(jī)；畢延潔等[2]設(shè)計了具有單粒精量播種功能的玉米播種機(jī)；BASIR M S等[3]設(shè)計并制作了一種電動玉米播種機(jī)；杜木軍等[4]對玉米高速播種機(jī)應(yīng)用情況、主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并對高速播種技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析；趙小莉[5]設(shè)計了一種專用谷物精量播種機(jī)；SANDHU B S等[6]介紹了一種播種機(jī)，可以在水稻收割后實施小麥的直接播種。二是經(jīng)濟(jì)作物播種機(jī)，如周春健等[7]設(shè)計了一種稻茬田綠肥蠶豆播種機(jī)；趙金等[8]設(shè)計了一種秸稈粉碎種行旋耕苗帶覆蓋棉花播種機(jī)。三是蔬菜播種機(jī)，如祁亞卓等[9]對國內(nèi)外蔬菜播種機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析研究；李社潮等[10]從2019年中國國際農(nóng)機(jī)展對播種機(jī)技術(shù)特點及發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析研究。

總體來說，這些播種機(jī)是針對具體農(nóng)作物來設(shè)計的，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，機(jī)械化、智能化程度較高，能大大提高農(nóng)田工作效率。但是這些播種機(jī)體積比較大，只適合在開闊平坦的大面積土地上使用，對外部動力的依賴性比較強(qiáng)，操作技能要求比較高。

有些農(nóng)村的耕地是小面積塊狀耕地，甚至有些地塊凹凸不平，像洼地、坡地、丘陵等復(fù)雜地形，大型播種機(jī)不適合使用，因此很多農(nóng)民還在使用簡單的農(nóng)具，勞作效率低，而且耕種質(zhì)量也不高。相對來說，簡易播種機(jī)的研究設(shè)計較少，張亞新等[11]設(shè)計了一種便攜式腳踏玉米播種機(jī)，該播種機(jī)的設(shè)計能夠滿足一些狹長或凹凸不平的特殊地塊的耕種需求，但僅適用于玉米播種。SUN Deng等[12]針對丘陵山區(qū)谷子播種難、間苗工作量大等問題，設(shè)計了一種電磁振動式谷子精少量播種機(jī)，但這種播種機(jī)動力衰退很快，隨著作業(yè)時間延長，播種機(jī)穩(wěn)定性會降低。專利《一種簡易手動播種機(jī)》，雖然能夠在復(fù)雜地形使用，但是需要人力將錐形豁插入到土中，松軟的土地較容易插入，較硬的土地需要使用較大的力氣，使用者的體力消耗較大；且該播種機(jī)在種子落下后，需人工將種子掩埋，功能較為單一，自動化程度較低。

借鑒現(xiàn)有專家學(xué)者的研究，本文設(shè)計一種簡易輕便、不需要外部提供動力僅需要手和腿部操作的半自動播種機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)挖土與覆土功能的一體化。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

半自動谷物播種機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括內(nèi)筒管和外筒管，內(nèi)筒管同軸滑動插設(shè)在外筒管內(nèi)。內(nèi)筒管的底端圓周均勻固定安裝有若干刀片，外筒管的底端安裝有固定環(huán)和連接桿組件，通過這個組件連接刮土裝置，刮土裝置具有若干刮土片。

1.內(nèi)筒管 2.把手 3.外筒管 4.腳蹬 5.第1固定環(huán) 6.導(dǎo)桿7.第1桿 8.第2固定環(huán) 9.導(dǎo)套 10.支撐桿 11.轉(zhuǎn)軸 12.第2桿 13.刀片 14.刮土片 15.開口 16.套筒圖1 半自動播種機(jī)三維結(jié)構(gòu)Fig.1 Three dimensional structure of semi-automatic planter

播種機(jī)縱向剖視如圖2所示。內(nèi)筒管與外筒管之間設(shè)置有轉(zhuǎn)動裝置(圖2中標(biāo)注的A)，其結(jié)構(gòu)放大圖如圖3所示。利用旋轉(zhuǎn)拖把原理，通過麻花桿帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。

1.麻花桿 2.導(dǎo)向筒圖2 半自動播種機(jī)剖視圖Fig.2 Sectional view of semi-automatic planter

1.麻花桿 2.內(nèi)筒管 3.限位環(huán) 4.支撐片 5.支撐環(huán)6.轉(zhuǎn)盤 7.外筒管圖3 圖2中A處的放大圖Fig.3 Enlarged view at A in Fig.2

播種機(jī)中內(nèi)筒管與轉(zhuǎn)盤的裝配關(guān)系如圖4所示，內(nèi)筒管上安裝有上下限位環(huán)，在上下限位環(huán)之間嵌入安裝齒圈，通過轉(zhuǎn)盤與齒圈的咬合驅(qū)使轉(zhuǎn)盤與內(nèi)筒管一起轉(zhuǎn)動。

播種機(jī)的內(nèi)筒管進(jìn)入或抽離外筒管時，轉(zhuǎn)動裝置均驅(qū)動內(nèi)筒管轉(zhuǎn)動。內(nèi)筒管轉(zhuǎn)動帶動其底端的刀片轉(zhuǎn)動，刀片在旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下挖土。內(nèi)筒管進(jìn)入外筒管一定距離后，內(nèi)筒管停止轉(zhuǎn)動，地上被挖出凹塘，挖土結(jié)束。向內(nèi)筒管內(nèi)放入種子，種子由內(nèi)筒管進(jìn)入凹塘內(nèi)。在內(nèi)筒管進(jìn)入外筒管時，轉(zhuǎn)動裝置驅(qū)動內(nèi)筒管轉(zhuǎn)動，刮土片處于張開狀態(tài)。抬起外筒管，內(nèi)筒管在重力的作用下向下運動，內(nèi)筒管從外筒管內(nèi)抽出，若干刮土片由張開狀態(tài)逐漸反向聚攏至包裹刀片，若干刮土片在包裹刀片的過程中，將先前挖出來的泥土刮覆在種子上面。

1.內(nèi)筒管 2.齒圈 3.限位環(huán) 4.支撐片 5.支撐環(huán) 6.轉(zhuǎn)盤圖4 內(nèi)筒管與轉(zhuǎn)盤的三維裝配Fig.4 3D schematic assembly diagram of inner bobbin and turntable

通過轉(zhuǎn)動裝置驅(qū)動內(nèi)筒管轉(zhuǎn)動，內(nèi)筒管轉(zhuǎn)動帶動刀片在旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下挖土，挖土的速度較快，節(jié)省了人力。播種機(jī)將挖土與覆土功能結(jié)合在一起，實現(xiàn)了播種的半自動化。不僅可以用于較松軟的土地，也可以在較硬的土地上使用，擴(kuò)大了播種機(jī)的適用范圍；并且通過旋轉(zhuǎn)挖土，能夠使土質(zhì)變松，利于種子的生長。

2 操作使用步驟

(1)握住把手，將刀片放置在地面上，向上拉動把手，使外筒管遠(yuǎn)離刀片，待第1桿和第2桿處于上死點時，如圖5所示，刮土片提升至刀片的上方。

圖5 第1桿和第2桿處于上死點時三維示意Fig.5 3D schematic diagram when the first and second rods are at the top dead center

(2)將腳放置在腳蹬上，用力向下推動外筒管，麻花桿逐漸插入轉(zhuǎn)盤上的通孔內(nèi)，麻花桿驅(qū)動轉(zhuǎn)盤在兩個支撐環(huán)之間轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動帶動齒圈轉(zhuǎn)動，齒圈轉(zhuǎn)動驅(qū)動內(nèi)筒管轉(zhuǎn)動，內(nèi)筒管轉(zhuǎn)動驅(qū)動刀片轉(zhuǎn)動，刀片在旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下挖土；在向下推動外筒管時，第1桿在第1固定環(huán)上向下轉(zhuǎn)動，第1桿推動第2桿在第2固定環(huán)上向下轉(zhuǎn)動，第2桿推動刮土片向下轉(zhuǎn)動，刮土片逐漸張開的同時，第1固定環(huán)向上移動，第2固定環(huán)被限制在導(dǎo)軌內(nèi)。

(3)待第1桿和第2桿處于下死點時，如圖6所示，外筒管無法向下推動，刮土片停止向下轉(zhuǎn)動，刀片也停止旋轉(zhuǎn)，向內(nèi)筒管內(nèi)放置種子，種子沿內(nèi)筒管進(jìn)入刀片挖出的凹塘內(nèi)。圖6中B處的結(jié)構(gòu)放大圖如圖7所示。

圖6 第1桿和第2桿處于下死點時的三維示意Fig.6 3D schematic diagram when the first and second rods are at the bottom dead center

1.環(huán)形導(dǎo)軌 2.導(dǎo)套 3.第2固定環(huán) 4.第2桿 5.支撐桿6.轉(zhuǎn)軸 7.刮土片 8.套筒 9.第1桿 10.開口 11.刮土片圖7 圖5中B處的放大圖Fig.7 Enlarged view at B in Fig.5

(4)種子放置完成后，用腳向下推動刮土片，然后再向上拉動外筒管，內(nèi)筒管在自身重力的作用下向下運動，轉(zhuǎn)盤在位于其上方支撐環(huán)的帶動下向下移動，并逐漸脫離麻花桿，轉(zhuǎn)盤隨麻花桿的抽離而反向自轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤反向自轉(zhuǎn)的同時帶動內(nèi)筒管反向轉(zhuǎn)動，內(nèi)筒管反向轉(zhuǎn)動的同時，帶動刀片反向轉(zhuǎn)動，刮土片在第1桿、第2桿和第1固定環(huán)的聯(lián)動作用下逐漸聚攏，刮土片在聚攏的過程中，將先前挖出來的泥土刮覆在種子上面，刀片逐漸從凹塘內(nèi)抽出，待刀片完全從凹塘內(nèi)抽出后，播種完成。

(5)將播種機(jī)移動至另一播種地點，重復(fù)1～4步驟，實現(xiàn)半自動化播種。

3 仿真試驗

根據(jù)半自動播種機(jī)結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒管直徑20 mm、播種機(jī)高度1 000 mm，以鋼為材質(zhì)，鋼的相關(guān)參數(shù)為密度7.85×10-6kg/mm3、熱膨脹系數(shù)1.2×10-5/℃、比熱4.34×105mJ/(kg·℃)、導(dǎo)熱系數(shù)6.05×10-2W/(mm·℃)、強(qiáng)度系數(shù)920 MPa、楊氏模量2×105MPa、體積模量1.6667×105MPa、剪切模量76 923 MPa、泊松比0.3。參照王吉祥等[13]基于ANSYS對啤酒瓶的跌落仿真應(yīng)力分析，利用有限元軟件ANSYS Workbench，對該播種機(jī)的關(guān)鍵部件固定環(huán)和連接桿組成的組件分別進(jìn)行靜態(tài)試驗、疲勞試驗、模態(tài)試驗。

固定環(huán)和連接桿組件靜態(tài)試驗云圖如圖8和圖9所示，該組件的應(yīng)變、應(yīng)力之間存在著高度相關(guān)性，隨著應(yīng)力增大，應(yīng)變也在增大，而且應(yīng)變增長率和應(yīng)力增長率保持一致。

圖8 固定環(huán)和連接桿組件應(yīng)變云圖Fig.8 Strain contour of fixed ring and connecting rod assembly

圖9 固定環(huán)和連接桿組件應(yīng)力云圖Fig.9 Stress contour of fixed ring and connecting rod assembly

固定環(huán)和連接桿組件疲勞試驗云圖如圖10和圖11所示，隨著組件破壞成倍的提高，壽命成指數(shù)級下降。說明這個組件的穩(wěn)定性、可靠性在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中比較關(guān)鍵，會影響到播種機(jī)的使用狀況和壽命。

圖10 固定環(huán)和連接桿組件破壞云圖Fig.10 Damage contour of fixed ring and connecting rod assembly

圖11 固定環(huán)和連接桿組件壽命云圖Fig.11 Life contour of fixed ring and connecting rod assembly

固定環(huán)和連接桿組件6階模態(tài)試驗云圖如圖12～17所示，該組件在外部振源作用下會產(chǎn)生振動變形，6階模態(tài)試驗云圖反映了在6個特定的固有頻率下該組件的振動特性。將每一固有頻率下最大最小變形值之比列于表1，在6個固有頻率下，最大最小變形值之比是常數(shù)，而且比值較小，說明該組件穩(wěn)定性相當(dāng)好，沒有出現(xiàn)變形急劇變化情況。

表1 固有頻率下最大最小變形值之比Tab.1 Ratio of maximum to minimum deformation at natural frequency

圖12 1階模態(tài)下的振動變形云圖Fig.12 Contour of vibration deformation under the first mode

圖13 2階模態(tài)下的振動變形云圖Fig.13 Contour of vibration deformation under the second mode

圖14 3階模態(tài)下的振動變形云圖Fig.14 Contour of vibration deformation under the third mode

圖15 4階模態(tài)下的振動變形云圖Fig.15 Contour of vibration deformation under the fourth mode

圖16 5階模態(tài)下的振動變形云圖Fig.16 Contour of vibration deformation under the fifth mode

圖17 6階模態(tài)下的振動變形云圖Fig.17 Contour of vibration deformation under the sixth mode

總之，通過對該半自動播種機(jī)關(guān)鍵部件固定環(huán)和連接桿組件進(jìn)行仿真試驗和分析，說明播種機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計符合力學(xué)性能要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計具有合理性。

4 創(chuàng)新性和實用性

該播種機(jī)設(shè)計彌補(bǔ)了大型播種機(jī)在小地塊和復(fù)雜地形條件下，不適宜大豆、蠶豆、紅豆和玉米等谷物播種使用的問題。播種機(jī)設(shè)計符合人體工學(xué)原理，整個設(shè)計保證人可以平穩(wěn)站立操作，減輕了身體的勞累程度和損傷程度。播種機(jī)還將挖土與覆土功能結(jié)合在一起，實現(xiàn)了播種的半自動化，比使用傳統(tǒng)農(nóng)具勞動效率提高2倍以上，而且提高了播種質(zhì)量。播種機(jī)不需要依賴外部機(jī)械動力，操作簡易，對使用者沒有特殊技能要求，體積小、輕便、成本低，屬于便攜式小型播種機(jī)。播種機(jī)設(shè)計已經(jīng)獲得實用新型專利。經(jīng)咨詢當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站工作人員和若干農(nóng)戶，都認(rèn)為播種機(jī)設(shè)計理念新穎，開發(fā)出來后預(yù)期有很好的市場推廣和應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究和開發(fā)越來越廣泛、越來越深入，各種農(nóng)業(yè)機(jī)械不斷出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，有力推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，而且農(nóng)業(yè)機(jī)械呈現(xiàn)出大型化、智能化、一體化趨勢，播種機(jī)便是其中一種農(nóng)業(yè)機(jī)械。但是一些特殊地形條件下，大型播種機(jī)不適合使用，需要研究開發(fā)出更多小型、操作簡易的播種機(jī)，能夠替代傳統(tǒng)的農(nóng)具，做到省力高效。期望更多的專家學(xué)者能夠在這方面開展研究，提升我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，助力我國農(nóng)業(yè)發(fā)展。