黃 瑞，王 鵬，張敬修，余曉奧

（合肥經(jīng)濟學院 工學院，安徽 合肥 230031）

農業(yè)播種機械是指在作物種料播種過程中所使用的各種機械,能夠提高工作效率和作物品質及產(chǎn)量。一般把兩種不同類型的作物種料同時播種叫雙作物間作播種。雙作物種料間作播種可提高土地利用率，增加作物對陽光的截取與吸收，減少光能的浪費。通過雙作物種料間作播種的種植模式，可以改善土壤團粒結構，平衡土壤養(yǎng)分[1]，降低土壤鹽分含量及作物病蟲害發(fā)生率，有效減少農藥的使用，改善農田生態(tài)環(huán)境，具有較好的經(jīng)濟和社會效益[1-2]。

經(jīng)過調查研究國內外現(xiàn)有的農業(yè)播種技術，總結出的雙作物種料間作播種具有以下問題：（1）當前的雙作物種料間作播種主要由人工完成，導致播種效率低、人工成本高[3]；（2）人工投放的種子與肥料不定量，導致農作物適應性較差[4]。因此，雙作物種料間作播種特點、定量控制方法、不同種料切換裝置等的研究，可以推動雙作物種料間作播種方式的升級。因此雙作物種料間作播種機對于農業(yè)播種效率、經(jīng)濟性以及播種質量具有至關重要的意義。

1 研究內容

本設計以加快雙作物種料間作播種效率和質量為主要目標，重點突破定量控制裝置、不同種料切換裝置等雙作物種料間作機械化播種的關鍵部件，希望設計一種播種效率高、播種質量好、結構合理的雙作物種料間作播種機，滿足市場對間作播種機械的最新技術需求。根據(jù)不同的高?？蒲性核约稗r業(yè)播種企業(yè)重視間作播種機的研究來看，特別是定量控制與種料切換技術，得出間作播種機在農業(yè)播種中存在的難點進行分析，設計出雙作物種料間作播種機技術的研制思路。進行如下的創(chuàng)新性設計[5]：

1.1 設計十字運動架，研制雙作物種料間作播種工作裝置，實現(xiàn)挖土功能和種子播種功能，且種子不容易卡塞通道，有效地提升播種效率。

1.2 研制雙作物種料間作播種排料裝置與分料裝置，實現(xiàn)肥料與種子的周期性切換排放，有效地實現(xiàn)定量播種。

1.3 研制雙作物種料間作播種傳動裝置與放料裝置，實現(xiàn)兩種不同作物種子的填種功能，有效地實現(xiàn)兩種不同種料的切換。

2 機械結構設計

該農業(yè)播種機包括工作裝置、排料裝置、分料裝置、傳動裝置和放料裝置。

2.1 工作裝置

工作裝置是本農業(yè)播種機的末端執(zhí)行器，其工作速度和運動的協(xié)調性直接影響農業(yè)播種機的播種效率和播種效果。工作裝置要完成挖土、放種子和施肥料的功能，且放種子和施肥料的次數(shù)要相同。

工作裝置包括方形下鋼架、車輪和十字運動架。十字運動架由縱軸和橫軸組成，且具有自由度。縱軸活動地套在下鋼架的中間軸上。橫軸兩端的球關節(jié)與偏心輪安裝，偏心輪與電機的皮帶輸出端安裝在同一個轉動軸上。當電機工作時，電機輸出端通過皮帶、偏心輪、球關節(jié)，帶動十字運動架的縱軸相對于下鋼架的中間軸做周期性來回移動和左右擺動。偏心輪上安裝的弧形挖板做旋轉運動，可以實現(xiàn)挖土功能。橫軸兩端分別上下貫通，可以實現(xiàn)種子的播種功能，且左右擺動可以防止種料卡塞通道，可以有效地提升播種效率。W形刮板可以實現(xiàn)挖土的推填。下鋼架長度為1000mm，寬度為700mm。十字運動架縱軸長度為750mm，橫軸長度為550mm，材料都為合金鋼20CrMnTi。W形刮板長度為650mm，其余部件材料都為Q235。選用57BYG100步進電機。農業(yè)播種機的工作裝置機械結構，見圖1。

圖1 農業(yè)播種機的工作裝置機械結構

2.2 排料裝置

排料裝置作為定量控制的核心裝置，其運動要與工作裝置配合協(xié)調，保證種子與肥料都實現(xiàn)定量排放。種子與肥料排放過多或過少，都會影響播種質量和效果。

排料裝置包括排料靜止盒與排料移動塊，排料移動塊安裝在排料靜止盒的內部。排料靜止盒上端的三個孔中，左右孔為肥料孔，中間孔為種子孔。排料移動塊可以做左右來回移動。當排料移動塊處于中間位置時，排料靜止盒中間孔的種子進入到排料移動塊的中間儲存腔中。當排料移動塊左移時，儲存腔中的種子從排料靜止盒的左下孔排出，同時排料移動塊的右孔與排料靜止盒的右孔對通，肥料從排料靜止盒的右下孔排出。當排料移動塊右移時，實現(xiàn)的功能也一樣。排料靜止盒長度為600mm，寬帶為200mm，高度為150mm，材料為Q235鋼。農業(yè)播種機的排料裝置機械結構，見圖2。

圖2 農業(yè)播種機的排料裝置機械結構

2.3 傳動裝置

傳動裝置作為播種機的關鍵零部件，對整體工作的流暢度影響較大，播種質量進而也會受到影響，因此要保證其具有良好的強度和剛度。

傳動裝置包括C形架和單向撥塊。C形架底端與十字運動架的縱軸相配合，C形架中端與排料移動塊配合。電機工作時，十字運動架的縱軸相對于下鋼架的中間軸做周期性來回移動，動力通過C形架帶動排料移動塊做周期性來回移動，從而實現(xiàn)由C形架控制排料裝置的工作。農業(yè)播種機傳動裝置的機械結構，見圖3。

圖3 農業(yè)播種機傳動裝置的機械結構

裝配時，排料裝置安裝在中間鋼架上。工作裝置與排料裝置的左右孔，分別由軟波紋管接通。農業(yè)播種機工作裝置與排料裝置裝配機械結構，見圖4。

圖4 農業(yè)播種機工作裝置與排料裝置裝配機械結構

2.4 分料裝置

分料裝置是實現(xiàn)雙作物間作播種過程中二合一作用的關鍵裝置，即將兩種不同的種子周期間歇地放入同一個出口中。

分料裝置包括分料靜止盤和分料旋轉盤。分料靜止盤上端有左右兩個種子方形入口，兩個種子方形入口分別對應兩種不同的作物種子。分料靜止盤下端有種子圓弧出口。分料旋轉盤的周側有種子儲存孔，端側有動力凸塊。圓弧出口的體積與分料旋轉盤周側的種子儲存孔體積相等，且為排料裝置排料移動塊的中間儲存腔體積的兩倍，從而可以實現(xiàn)分料旋轉盤周側的每個種子儲存孔內的種子，排料移動塊要左右各移動一次才可以完全排完。分料旋轉盤的直徑為300mm，厚度為100mm，材料為Q235鋼。農業(yè)播種機分料裝置的機械結構，見圖5。

圖5 農業(yè)播種機分料裝置的機械結構

分料靜止盤與分料旋轉盤通過中間軸孔裝配。分料旋轉盤端側的動力凸塊與傳動裝置的單向撥塊配合，完成動力傳輸，控制分料旋轉盤間歇轉動，從而實現(xiàn)分料旋轉盤儲存孔中的種子間歇地從分料靜止盤下端的出口放出。農業(yè)播種機分料裝置裝配機械結構，見圖6。

圖6 農業(yè)播種機分料裝置裝配機械結構

2.5 放料裝置

放料裝置是實現(xiàn)兩種不同作物種子排放的關鍵部件，放料裝置的運動要與分料裝置的運動相協(xié)調。

放料裝置包括L形塊、控制橫板和分料靜止盤上端的兩個方形管。兩個方形管左側都有控制橫板槽口，分料旋轉盤帶動端側的L形塊運動，L形塊帶動控制橫板向左移動。當L形塊不與控制橫板接觸時，由于彈簧復位，控制橫板將兩個方形管通道阻攔。當L形塊帶動控制橫板左移時，控制橫板將兩個方形管通道對通，種子下落。L形塊與分料旋轉盤端側的動力凸塊呈1：2分布，當分料旋轉盤間歇轉動兩次時，L形塊帶動控制橫板左移一次。從而當分料旋轉盤周側的兩個相鄰種子儲存孔的種子被排出時，分料靜止盤上端的兩個種子方形入口對相鄰種子儲存孔實現(xiàn)不同作物種子的填種的功能。方形管長寬尺寸為50mm，材料為Q235鋼。農業(yè)播種機放料裝置的機械結構，見圖7。

圖7 農業(yè)播種機放料裝置的機械結構

2.6 農業(yè)播種機總成設計

排料裝置上端的左右孔通過軟波紋管與U形肥料箱接通，放料裝置上端的兩個方形管與種子箱接通，種子箱的左右隔斷箱分別放不同的作物種子。農業(yè)播種機的整體高度為1200mm。農業(yè)播種機的結構總成，見圖8。

圖8 農業(yè)播種機的結構總成

3 運動功能分析

3.1 挖土

播種機使用前，將兩種不同的作物種子分別放置在種子箱的左右隔斷箱。再將顆粒肥料放置在U形肥料箱內。使用時，啟動驅動電機，驅動電機通過帶傳動帶動偏心輪發(fā)生轉動。偏心輪可通過球關節(jié)帶動十字運動架運動。十字運動架在下鋼架的中間軸上做前后移動的同時也可以上下擺動，十字運動架縱軸軸向移動時，橫軸一個運動端朝上，橫軸另一個運動端朝下；反之，十字運動架縱軸向另一方向軸向移動時，橫軸一個運動端朝下，橫軸另一個運動端朝上，即在十字運動架縱軸前后移動的過程中，橫軸運動端的兩端是交替朝上和朝下的。在此過程中，兩個偏心盤的轉向是相反的。在播種機前行的過程中，可通過兩個呈相反方向設計的弧形挖板進行挖土。當一個弧形挖板處于最下方時，另一個弧形挖板處于最上方，即一個弧形挖板挖土時，另一個弧形挖板處于空閑狀態(tài)。

3.2 運動關系

在十字運動架縱軸一次來回移動的過程中，可以帶動C形架移動。C形架可以帶動排料移動塊來回移動一次，并且C形架還可以帶動頂端單向撥塊對分料旋轉盤端側的動力凸塊進行一次撥動。在C形架兩次來回移動的過程中，單向撥塊來回移動兩次，單向撥塊也可以對分料旋轉盤端側的動力凸塊進行兩次撥動。分料旋轉盤端側的動力凸塊被撥動一次，分料旋轉盤即可以向逆時針的方向轉動一次，撥動兩次，則轉動兩次。由于分料旋轉盤周側的種子儲存孔和端側動力凸塊的數(shù)量相等且均為偶數(shù)個，并且分料旋轉盤端側的L形塊為動力凸塊數(shù)量的一半，故而在C形架兩次來回移動的過程中，L形塊可以對控制橫板進行一次撥動，即單向撥塊對動力凸塊撥動兩次，C形架來回移動兩次，L形塊才對控制橫板撥動一次。

3.3 放料與分料

當L形塊撥動控制橫板時，可以帶動控制橫板移動，控制橫板則帶動兩個方形遮塊從兩個方形管的內側向外側滑出，此時彈簧被壓縮，從種子箱落入兩個方形管內部的兩種不同的作物種子則可以分別落在分料旋轉盤周側的兩個相鄰種子儲存孔的內部。然后單向撥塊撥動分料旋轉盤端側的動力凸塊一次，使分料旋轉盤轉動一次。分料旋轉盤轉動的瞬間，L形塊與控制橫板脫離，由于彈簧彈力的作用，使兩個方形遮塊復位，從而使種子箱內的種子不會再落下。隨后單向撥塊再撥動凸起塊一次，使分料旋轉盤再轉動一次，此時前兩個已經(jīng)裝好種子的分料旋轉盤周側的兩個相鄰種子儲存孔被轉走，下兩個空的儲存孔則被轉到了兩個方形管的下方。此時L形塊又再一次撥動控制橫板，兩個種子箱內部的兩種不同作物種子則再次分別落在了這兩個相鄰種子儲存孔的內部。使用的過程中，即循環(huán)上述過程，使相鄰兩個種子儲存孔內裝上不同的作物種子。

3.4 排料

分料旋轉盤轉動的過程中，位于最下方種子儲存孔內部的種子則落在了圓弧出口的內部。在十字運動架縱軸帶動C形架來回移動的過程中，若C形架帶動排料移動塊從左向右移動到中間位置時，圓弧出口內一半的種子則可以落入排料移動塊的中間儲存腔的內部；若C形架帶動排料移動塊從中間位置向右移動到右端時，排料移動塊中間儲存腔內部的種子從右側的肥料孔經(jīng)右側的波紋軟管落下。在上述排料移動塊向右移動的過程中，排料移動塊的左孔與排料靜止盒的左孔對通，U形肥料箱內的顆粒肥料則可以經(jīng)左側的肥料通道落到左側肥料孔的內部，再從左側的波紋軟管落下。當排料移動塊從右向左移動到中間位置時，圓弧出口內另一半的種子則可以落入排料移動塊的中間儲存腔的內部。排料移動塊繼續(xù)向左移動到左端時，最終排料移動塊內部的種子從左側的肥料孔經(jīng)左側的波紋軟管落下。在排料移動塊向左移動的過程中，排料移動塊的右孔與排料靜止盒的右孔對通，U形肥料箱內的顆粒肥料則可以經(jīng)右側的肥料通道落到右側肥料孔的內部，再從右側的波紋軟管落下。此過程中，種子與顆粒肥料交替落下，而在分料旋轉盤每一次轉動時，兩種不同作物種子是交替落在圓弧出口內部。該過程為一種作物種子從兩個波紋軟管交替落下后，另一種作物種子再從兩個波紋軟管交替落下，以此循環(huán)下去。

3.5 播種與埋土

從兩個波紋軟管落下的種子落下到十字運動架橫軸的兩端內部，由于十字運動架橫軸的兩端是交替朝上和朝下的，故而可以交替地將兩個十字運動架橫軸內的種子排出。同理，從兩個波紋軟管落下的顆粒肥料也可以交替地從兩個十字運動架橫軸中排出。具體操作時，通過手柄推動播種機前進，兩個弧形挖板交替進行挖土，并將土挖到土坑的前方或者后方，作物種子和顆粒肥料從十字運動架橫軸兩個出孔交替被排出，并且兩種種子是交替出現(xiàn)的。在前進的過程中，W形刮板可以向前推動弧形挖板挖出的土，以進行填埋。

農業(yè)播種機的主要運動和功能如下：（1）偏心輪上安裝的弧形挖板做旋轉運動，可以實現(xiàn)挖土功能。（2）十字運動架的縱軸做周期性左右擺動，可以實現(xiàn)橫軸的種子播種功能，且左右擺動可以防止種料卡塞通道，可以有效地提升播種效率。（3）十字運動架的縱軸做周期性來回移動，可以實現(xiàn)動力與運動的傳輸，使傳動裝置也做周期性來回移動。（4）傳動裝置的C形架中端可以控制排料移動塊周期性左右移動，可以實現(xiàn)肥料與種子的周期性切換定量排放。（5）傳動裝置的C形架頂端的單向撥塊可以控制分料旋轉盤間歇轉動，可以實現(xiàn)分料旋轉盤儲存孔中的種子間歇地從分料靜止盤下端的出口放出。（6）旋轉盤端側的L形塊帶動控制橫板向左移動，可以實現(xiàn)兩種不同作物種子的填種的功能。

4 農業(yè)播種機的有限元分析

所有部件中，十字運動架的運動最為復雜，確定有限元分析的對象為十字運動架。合金鋼20CrMnTi為十字運動架的選用材料，合金鋼20CrMnTi的屈服強度值是620.4MPa。在Solid-Works Simulation模塊中打開三維模型，將十字運動架劃分網(wǎng)格，根據(jù)受力情況對十字運動架加上力和約束再分析。十字運動架應力分布云圖，見圖9。十字運動架橫軸的兩端為應力主要集中區(qū)，十字運動架材料的屈服強度值是620.4MPa，而分析中應力集中區(qū)的應力的最大值為0.00001839MPa，所以應力滿足要求。

圖9 十字運動架應力分布云圖

圖10為十字運動架應變分布云圖，十字運動架橫軸的兩端為應變的集中區(qū)，十字運動架縱軸的應變較小，所以應變滿足要求。

圖10 十字運動架應變分布云圖

對播種機的下鋼座進行2階模態(tài)分析，設計中下鋼座的材料為Q235。對下鋼座增添約束，得出下鋼座各階振型及頻率。下鋼座1階振型圖，見圖11。下鋼座2階振型圖，見圖12。

圖11 下鋼座1階振型圖

圖12 下鋼座2階振型圖

下鋼座的第1階振型，頻率為250.24Hz，振動幅度較大部位為右側轉動軸孔處，另外三側的鋼架的振動幅度忽略不計。下鋼座的第2階振型，頻率為250.33Hz，振動幅度較大部位為左側轉動軸孔處。

5 結束語

本設計針對現(xiàn)在的雙作物種料間作播種具有以下問題：（1）當前的傳統(tǒng)人工進行雙作物種料間作播種，導致播種效率低、人工成本高；（2）人工投放的種子與肥料不定量，導致農作物適應性較差。設計一種播種效率高、播種質量好、結構合理的雙作物種料間作播種機，對雙作物種料間作播種的結構進行了設計。利用SolidWorks軟件完成各個零件的三維建模并裝配成雙作物種料間作播種機。介紹了各個裝置的構造及作業(yè)功能，對關鍵零部件之間的傳動方案進行了具體的設計。根據(jù)球關節(jié)運動原理設計了十字運動架，研制雙作物種料間作播種工作裝置，實現(xiàn)挖土功能和種子播種功能，且防止種子卡塞通道，有效地提升播種效率和經(jīng)濟性；利用定量控制原理設計了雙作物種料間作播種排料裝置與分料裝置，實現(xiàn)肥料與種子的周期性切換排放，有效地實現(xiàn)雙作物定量播種，提高播種品質，整體上達到裝置設計的技術要求及有益效果。利用SolidWorks Simulation工具對十字運動架進行有限元分析，對分析結果進行判斷，十字運動架的剛度與強度都滿足要求。對下鋼架進行了模態(tài)分析，掌握了下鋼架的固有頻率特征。