2BQM-6型免耕播种机结构设计及开沟器的力学分析

张守德，杜健民，郝　飞，周国栋，佘文龙

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



2BQM-6型免耕播种机结构设计及开沟器的力学分析

张守德，杜健民，郝飞，周国栋，佘文龙

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：保护性耕作技术因其具有减少风蚀、保墒、提前播种期等作用，近年来在北方干旱地区得到逐步推广。免耕播种机作为保护性耕作的主要机具，其使用性能直接影响着这一技术的应用。为此，根据目前免耕播种机存在的主要问题，设计了2BQM-6型气吸式免耕播种机，实现了切茬、排茬、施肥、播种及覆土镇压等联合作业。在此基础上，对该免耕播种机重要部件开沟器进行了力学分析，寻找出了开沟器最容易疲劳失效的部位。

关键词：免耕播种机；开沟器；力学分析

0引言

保护性耕作具有防治农田扬尘和水土流失、蓄水、保墒、培肥地力、节本增效，以及减少秸秆焚烧和温室气体排放等作用。免耕技术是前茬作物收获后，土地不进行耕翻，让原有的残茬、枯草覆盖地面，待下茬作物播种时，用免耕播种机直接在茬地上进行局部松土播种的作业方法[1]。免耕播种机是实现这一技术的关键机具，其工作性能直接影响着这一技术的推广应用，进而影响环境和农作物生产。所以，设计满足农艺要求、高效的免耕播种机具有重大实际意义。

1免耕播种机使用现状及存在的问题

1.1发展现状

20世纪40年代美国开始保护性耕作的研究，60年代成功研制免耕播种机；80年代以后，保护性耕作逐步推广应用到了70多个国家。目前，国外的免耕播种机一般都是牵引式的，开沟器多，各开沟器间隔大，机器又宽又重，土壤工作部件复杂，一次可完成破茬、开沟、播种、施肥、覆土和镇压等多项作业。比较典型的有美国的John Dear(约翰迪尔)、Case(凯斯)、Great Plain (大平原)，加拿大的Flexi-coil(福莱希)和澳大利亚的John shearer(约翰希勒)[2]。这些系列播种机机架坚固，与地面间距比较大，同时选用波纹圆盘切割秸秆残茬，机械通过性能良好，可靠性强，适应高速、宽幅作业。

20世纪60年代，我国开始保护性耕作的单项试验，当时只是着眼于农作物的增产，没有重视它的环保作用，特别是对实施保护性耕作所需的关键机具研究不够；直到90年代以后，以中国农业大学保护性耕作研究中心为代表，在玉米、小麦免耕播种机方面研究较多[3-4]。目前，我国免耕播种机种类繁多，一般都是小型牵引式的，构造比较简单，多为4行播种。

1.2存在的问题

国外生产的免耕播种机机构庞大、价格昂贵，适合于大面积耕作，除我国大型农场引进使用外，不适合北方地区的农业生产方式。

目前，国内生产的免耕播种机不同程度地存在以下问题：一是联合作业程度不高。完成免耕播种一般需要两次以上的作业。二是机具通过性较差。容易堵塞开沟器，需人工适时清理堵塞的杂草和秸秆。三是作业效率低。与国外相比速度慢，一般为4行播种，播种机工作幅宽较小。四是可靠性不高。与普通播种机相比，免耕播种机环境比较恶劣、载荷复杂，使得一些重要部件(如开沟器)作业时易损坏。

2结构设计

2.1设计的基本要求

针对目前免耕播种机存在的主要问题，所设计的2BQM-6型气吸式免耕播种机主要达到以下基本要求：一是联合作业。我国北方地区各地面积比较大，应一次性实现切茬、排茬、施肥、播种及覆土镇压等联合作业。二是增加作业效率,减少作业时间。

2.2整机结构和工作过程

2BQM-6型免耕播种机为气吸式6行播种机，能够按免耕播种的作业要求，一次完成切茬、排茬、施肥、播种及覆土镇压等联合作业。播种机主要由镇压轮、种箱、仿形机构、肥箱、风机、悬挂机架、单圆盘开沟器、传动机构、破茬器、气吸式播种装置、覆土轮及地轮等组成，整机结构如图1所示。

1.镇压轮　2.种箱　3.仿形机构　4.肥箱　5.风机

免耕播种机由66～88kW拖拉机牵引，通过拖拉机的后三点悬挂装置与播种机的悬挂机架相连。工作时，单圆盘开沟器通过良好的破茬入土能力在有残茬覆盖的地面开沟，破茬器将种沟两边清理出8～10cm的宽度；滚动的地轮通过传动机构驱动肥箱定量排肥。风机产生的气流将种箱中的种子运送至气吸式播种装置顶部，经过导种管落入种沟,完成精量排种；覆土轮将种沟覆盖，V型镇压轮将种沟中的土压实，完成联合播种作业。

2.3田间试验及结果

试验地点选在内蒙古包头土右旗，试验地为一年一茬的玉米留茬地，试验面积10hm2，配套动力88.2kW的约翰迪尔1204型四轮拖拉机，作业速度为2～3.6km/h。试验根据国家标准6973-2005《单位(精密)播种机试验方法》进行[5]。播种性能试验主要对粒距合格指数、重播指数、漏播指数、种子破损率及滑移率等主要性能指标进行测试，检测工具包括三角板、卷尺、土壤硬度计及秒表等。试验结果如表1所示。

试验结果表明：2BQM-6型气吸式免耕播种机具有良好的清草排堵能力，可有效地防止残茬和秸秆堵塞机器。开沟器具备良好的破茬入土能力，地面仿形功能良好，覆土镇压效果较好。该机可同时在垄上进行6行播种，减少了拖拉机往复作业的次数，适用于大面积耕作，能够满足农艺的要求。

表12BQM-6型免耕播种机试验结果

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

试验项目测定结果粒距合格指数/%≥85重播指数/%≤10漏播指数/%≤5种子破损率≤0.5滑移率/%≤35覆土合格率/%≤100种子深度/cm4~6机具通过性无堵塞

3单圆盘开沟器的力学分析

开沟器的作用是按照播种深度开出沟槽，并且在保证种子发芽出苗的前提下，产生最小的土壤扰动，为种子发芽和作物的成长提供良好的环境。免耕播种机作业时地表有留茬、地面硬度相对较大，作业环境比较恶劣。工作过程中，开沟器主要受到入土阻力和推土正压力，其大小受很多因素影响，如地形、土壤硬度、播种深度及工作速度等[6]。本研究使用有限元分析软件ANSYS14.0对播种机的单圆盘开沟器进行静力学分析，找出圆盘工作过程中应力应变最大的部位，更加直观地显示出实际工作过程中最易损坏的部位，为播种机的实际生产提供依据。

3.1模型的建立与导入

利用三维制图软件Pro/E绘制单圆盘开沟器圆盘立体图，如图2所示；保存成零件(*. Prt)格式的文件，导入有限元分析软件ANSYS Workbench中。

3.2定义材料属性与划分网格

用于农业机械上的田间作业部件工作条件比较恶劣，常在潮湿或带腐蚀性(化肥、粪尿、农药等)的环境中作业，经常与土壤中砂石或农作物中的磨料发生摩擦，同时还受到振动与冲击。因此，零件除需要足够的强度、刚性和韧性外，还应具备很高的耐磨性和较好的耐蚀性。所以，选择合适的材料对提高圆盘的性能具有至关重要的作用。根据实际需要，选择的单圆盘材料是65Mn[7-8]，所用参数如表2所示。

网格划分的疏密程度会影响到整个的运算结果：密度过大则会使得运算时间偏长；而网格密度稀疏，有些细节的部分在运算的过程中会被忽略。单圆盘开沟器的圆盘结构简单，但考虑到圆盘工作时螺纹孔处的受力比较集中，故而对其周边处进行加密处理，以使运算后更好地了解到螺纹孔的应力应变的情况，为设计人员提供更有用的参考。网格划分结果如图3所示。最终网格节点为10 255个，单元为4 968个。

图2　单圆盘开沟器

属性属性值单位弹性模量210GPa泊松比0.3密度7850kg/m3

图3　单圆盘开沟器网格图

3.3施加外载荷与结果分析

在单圆盘开沟器正常工作的情况下，主要受到开沟器刃部契入土壤的入土阻力Q=400N和推土正压力N=300N的作用，同时在圆盘的中心孔的边缘施加圆柱约束，使其固定。其约束及加载情况如图4所示。

图4　载荷与约束

通过静力学模块处理后，得到模型在正常工作的某一瞬时的应力分布，如图5所示。由图5能比较直观地查看分析结果。本文以不同的颜色来代表不同应力值区间，应力色条代表的颜色，从上到下，应力值依次减小，模型的最大应力为 7.28MPa。从分布的情况可以看出在圆盘连接孔处应力最大。

图5　圆盘应力分析图

通过静力学模块处理后的应变云图如图6所示。

图6　圆盘应变云图

图6中不同的颜色代表圆盘不同变形量，应变色条代表的颜色，从上到下，应变值依次减小；在圆盘连接孔处应变较大，最大变形量为 0.036mm。设计时，可以根据应力应变云图，对应力应变较大的地方进行热处理，使得延长开沟器圆盘的使用寿命。

4结论

1)针对目前国内免耕播种机存在的主要问题，设计了2BQM-6型气吸式免耕播种机，实现了切茬、施肥、排茬、播种及覆土镇压等联合作业。田间试验表明：该免耕播种机各项性能指标满足要求。

2)针对重要部件半圆盘开沟器进行受力分析，得到了在给定参数下的圆盘开沟器的应力云图和应变图。

3)确定了圆盘与轴连接的部位为圆盘开沟器的最大应力位置，且得到了此处受到的最大应力为7.28MPa。

4)作业时，圆盘开沟器的圆盘与轴的连接部位，圆盘刃部与土壤接触的部分最易产生变形，但最大变形量为3.6×10-5m。

参考文献：

[1]万其号,布库,李岩,等.大型免耕播种机开沟器结构研究[J].农机化研究，2012,34(3):45-48.

[2]李兵，李洪文.国内外小麦免耕播种机的研究现状与发展方向[J].中国农机化，2006(1):46-49.

[3]王宏立，张祖立.机械化保护性耕作免耕播种机的研究现状与发展趋势[J].农机化研究，2006(10):22-24.

[4]高焕文,李洪文,姚宗路. 我国轻型免耕播种机研究[J].农业机械学报，2008(4):78-82.

[5]国家标准局.GB6973-2005单粒( 精密) 播种机试验方法[S].北京:中国标准出版社，2005.

[6]张守勤，左春柽，马成林.圆盘开沟器受力模型的研究[J].农业机械学报，1998(S1):67-71.

[7]魏小波,李洪文,凌刚,等.免耕播种机开沟圆盘材质与加工工艺的研究[J].农机化研究，2007(1):96-99.

[8]朱张校.工程材料(3版)[M].北京:清华大学出版社,2001:109-130.

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

文章编号：1003-188X(2016)01-0146-04

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

作者简介：张守德(1987-),男，内蒙古赤峰人，硕士研究生，(E-mail) zhshd88pl@126.com。通讯作者：杜健民(1960-)，男，呼和浩特人，教授，博士生导师，(E-mail)nndjwc202@imau.edu.cn。

基金项目：国家科技部粮丰工程第三期项目(2013BAD07B00)

收稿日期：2015-01-07