脚踏式玉米播种机摆动前推机构的设计与试验

张亚新，曹万苍，张立华，杨　震

(赤峰学院 建筑与机械工程学院，内蒙古 赤峰　024000)



脚踏式玉米播种机摆动前推机构的设计与试验

张亚新，曹万苍，张立华，杨震

(赤峰学院 建筑与机械工程学院，内蒙古 赤峰024000)

摘要：针对北方播种玉米的垄作区内存在一些不适合全机械化播种机工作的特殊地块，设计了一种脚踏式播种机，核心部件是摆动前推机构。根据不同垄宽和株距，设计了由摆动前推杠杆和限位槽组成的摆动前推机构；通过分析摆动前推机构的运动特点，建立空间笛卡尔坐标系，求解摆动前推杠杆两端点的相对坐标，确定杠杆长度和限位槽关键结构参数。田间试验表明：在垄株距分别为350mm×270mm、380mm×300mm和400mm×330mm 时，垄距误差因脚踏式播种机结构的对称性及播种机支撑装置与垄形状的相似性而相互抵消，株距误差分别为7.44%、5.13%和1.91%。脚踏式玉米播种机摆动前推机构的设计满足了农艺要求，可为便携式脚踏播种机的设计提供参考。

关键词：玉米；播种机；摆动前推机构；脚踏式

0引言

玉米是我国重要的粮食和饲料作物[1],在我国北方旱区种植面积非常广泛[2]。由于我国大面积的后备土地资源集中在北方干旱地区[3-4]，在此区域农民自行开垦的不规则小块土地较多，玉米的种植分布区域有不断增大的趋势。同时，对于适应这种自开采、小区域、不规则土地玉米种植设备的需求也在不断地增加。

播种机的研究属于传统的农业机械化研究领域[5]，目前国内外大、中型播种机械的生产、制造已经比较成熟。在我国北方的大规模玉米种植地区，主要使用的播种机都是专用大、中型播种机或农机带动的小型播种机，简单方便、技术成熟、安全可靠、造价经济的微型或人工操作的超微型种植装备和技术依然存在着有效供给的不足、农机农艺融合不够紧密等亟待解决的问题[6-8]。

当前，市面上可见的非全自动的、有人工部分参与的微型播种机是一种人工直插式播种机。这种播种机操作简单、可靠性好、使用无空间限制，可以实现小块不规则土地的玉米播种；但其人机工程性较差，操作者在完成播种时所耗费的人工超过使用镐头等原始播种方式。为此，设计了一种双垄交替式脚踏播种机。这种播种机操作类似踩高跷，两脚交替前行，带动微型播种机前进，同时每踏一步播种机下部的排种机构在人体重力作用下进行播种，有效减轻了操作者的劳动强度。

1整机机结构及工作原理

1.1整机机构

双垄交替式脚踏玉米播种机由支撑底座、踏板、摆动前推杠杆、杠杆链接支块、杠杆斜向运动限位板、踏位导向限位柱、种箱和排种器等构成，如图1所示。

1.支撑底座　2.踏板　3.杠杆连接支块

主要技术参数：整机质量12kg,播种垄距350～400mm(可调)，株距270～330mm(可调)，播种深度40～60mm，作业速度0.8～1.2km/h。

1.2工作原理

双垄交替式脚踏玉米播种机工作前，操作人员在种箱加入种子，并将播种机两侧的踩踏装置间隔一垄左前右后放置在需要播种的垄里。如果只需要单垄播种，则将另一侧的种箱和排种器拆下，使播种机一侧播种，拆下种箱和排种器的一侧踩踏装置虚压已经播种的垄或空垄，实现单垄播种。

脚踏播种机初始位置布置完成后，操作人员左脚踩踏播种机的左端，播种机踏板在人体重力作用下向下运动，推动种箱及与种箱连接的排种器向下运动，实现排种器播种。同时，在踏板下侧的杠杆水平运动限位槽与杠杆斜向运动限位板上的限位槽共同作用下，两根摆动前推杠杆的一侧沿限位槽运动，另一侧带动右侧踩踏装置先向上后向前运动到排种器排种位置；右脚踩踏已运动到播种位置的踩踏装置踏板时，左脚抬起，右侧播种机实现排种，同时利用杠杆将左侧播种机先向上再向前推进；操作人员采用类似行走姿势左右踩踏播种机，使播种机前后往复运动，实现播种机在两条平行垄上的连续播种。

2摆动前推杠杆长度设计

双垄交替式脚踏玉米播种机实现交替前向运动的核心机构是摆动前推机构，该机构由摆动前推杠杆、杠杆连接支块、杠杆水平运动限位槽和杠杆斜向运动限位槽组成。其中，杠杆连接支块(见图2)由滑块支架、柔性密封装置和旋转滑块组成。

滑块支架固定在播种机踩踏装置的支撑底座上，杠杆连接机构的活动物体有两个，分别是杠杆和旋转滑块。杠杆和旋转滑块之间的连接是一个滑动副，旋转滑块和旋转支架之间的连接是一个转动副。滑动副和转动副都是低副，分别限制物体的两个自由度。根据自由度的计算公式可知：杠杆连接支架机构含有两个自由度[8]，即杠杆即可以沿旋转滑块中心旋转也可以沿旋转滑块滑动。

2.1播种位置前推杠杆两侧端点坐标的确定

摆动前推杠杆的运动具有两个自由度，空间运动轨迹复杂，因而采用建立空间坐标的方法确定杠杆长度。将前推杠杆运动时，相对地面位置静止的一侧旋转滑块中心作为笛卡尔坐标系的原点。根据双垄交替式脚踏玉米播种机运动轨迹的对称性，摆动前推杠杆长度由播种机的一侧播种，另一侧处于播种位置上方时，杠杆两侧的端点位置确定。

播种机工作时垄距为d,株距为l，如图3所示。

图3　播种机工作时垄距与株距示意图

脚踏玉米播种机两侧排种器间隔一垄放置，相距为2d。两个滑块支架位于两个垄峰之间，距离为d。1个株距由播种机两步运动完成，每步前进距离为l/2。在播种机运转过程中，播种一侧相对静止，以相对静止侧旋转滑块中心为坐标原点，垂直地面方向向上为z轴正方向，沿垄的播种方向为y轴正方向，垄的垂直方向右为x轴正方向，建立空间直角坐标系。当一侧播种机播种时，播种侧摆动前推杠杆端点坐标为(x1,y1,z1)，前推杠杆另一侧将踩踏装置推到踩踏位的端点坐标为(x2,y2,z2)，如图4所示。

图4　摆动前推杠杆坐标系图

根据设计尺寸，左侧播种时，静止侧杠杆斜向运动限位板与静止侧旋转滑块中心的横向距离为80mm,限位板上的限位槽纵向垂直移动距离为60mm,此时静止侧杠杆端点的X轴和Z轴坐标为

(1)

踩踏位杠杆端点x轴坐标为

x2=d+80

(2)

由摆动前推杠杆所在的空间直线坐标方程可知

(3)

由式(1)、式(2)、式(3)可得

(4)

(5)

由式(1)、式(2)、式(5)可知

(6)

2.2摆动前推杠杆长度的确定

根据空间直线两点间距离公式可知杠杆长度为

(7)

式中l—播种机播种玉米的株距(mm)；

d—播种机播种玉米的垄宽(mm)。

研究表明：增加种植密度是当前生产上大力推广的玉米增产途径[9-10]，但玉米根部的空间分布状态，以及出冠层和根系分布所带来的群体内部农田小气候状态的改变，均可以对玉米的产量造成影响[11]，因此超过最佳密度，产量会随着密度的增加而降低[12]。考虑到双垄交替式脚踏玉米播种机的使用范围是一些小面积、不平整、机械难以大规模实施播种的地块，这种地块空气流通及植物的光合作用皆优于大面积种植[13-14]，所以垄距和株距比大面积土地种植时垄距和株距要小一些。农民在常年的耕种中总结出了适合山地耕种的垄距和株距：垄距约350～400mm，株距约280～330mm。考虑到脚踏式播种机的经济性和实用性，选取3组常用的垄距和株距，根据公式(7)计算摆动前推杠杆的长度，如表1所示。

表1　常用的垄距和株距对应前推杠杆长度

3杠杆运动限位槽中心线设计

不同长度的摆动前推杠杆对应不同的前向运动限位凹槽，前推杠杆的前向运动轨迹主要由踏板上的水平限位槽和杠杆斜向运动限位板上的限位槽共同作用实现。踩踏机构斜向运动限位板上的限位槽，纵向投影尺寸为60mm, 限位板与旋转滑块中心的横向距离为80mm,限位槽中心线是连续的平滑过度曲线。

摆动前推杠杆的两端点运动轨迹具有相关性，前推杠杆摆动侧运动轨迹要完成踩踏机构的前推运动和播种器的垂直运动。播种机采用微型版直插式播种装置，其结构如图5所示。

播种装置因支撑底座形状与操作者体重的原因，插入种植土壤的深度为40～60mm。为使耕种过程中不产生拖带泥土，播种装置需要垂直移动向上运动60mm,将种植装置全部抬离后再进行其他方向运动。当踩踏侧开始踩踏时，x1为80mm,在摆动杠杆翘起开始阶段杠杆轴向运动很小，摆动前推杠杆沿轴向的运动忽略不计。根据杠杆原理可知

(8)

其中，h1为运动限位槽第一段垂直距离。

根据公式(6)、(8)可知，对应的y1和h1取值如表2所示。

表2　不同垄距、株距下对应y1和h1值

播种装置抬离地面后，其他位置不再限制播种机的运动，因此采用最短行程原则。同时，考虑轨迹过渡的平稳性以减少摩擦，采用平滑圆弧过渡。限位槽和杠杆之间是金属连接，形状类似于梯形螺纹，考虑到当量摩擦因数[15]，为使限位槽与杠杆不发生自锁现象，选择倾斜角为45°。综合考虑经济性、可靠性和操作的简易性，选取最大的垂直距离h1和最大的y1作为限位槽中轴线依据，即h1=11.2mm、y1=33mm。

摆动前推机构采用双杠杆平行前推，在杠杆斜向运动限位板上有两条相隔200mm、互相平行的限位槽中轴线，以一侧曲线为例建立限位槽中轴线曲线方程。将斜向运动限位槽中轴线的最低点作为原点，以垂直地面方向向上为z轴正方向、沿垄的播种方向为y轴正方向，建立直角坐标系。限位槽中轴线形状与尺寸如图6所示。

图6　斜向运动限位槽中轴线图

中轴线的曲线方程为

由于踏板机构的设计与布局限制，踏板上的水平限位槽设计成踏板边缘的平行凹槽。由于双杠杆前推，杠杆平行运动杠杆间的距离为200mm,因此水平限位槽间隔长度为

q=200-y1

经计算，水平限位槽的间隔长度为167mm。水平限位槽中轴线的形状与尺寸如图7所示。

1.踏板　2.防滑凹槽　3.种箱开口

水平运动限位槽和斜向运动限位槽确定了杠杆一端的运动轨迹，脚踏式玉米播种机通过摆动杠杆3种不同长度的调整来获得不同的垄距与株距。

4田间机构行走试验

4.1试验条件和试验方法

田间试验于2014年3月在内蒙古自治区赤峰市宁城县一肯中乡实验地进行。试验地为狭长地块，长427m，地势相对平坦。先使用农机将耕地犁出试验所需要的350、380、400mm垄宽各3条427m的长垄；将播种机的播种器卸下，换装为此专门设计的草木灰盒，在播种器每一次播种的位置会留下草木灰痕迹掺杂进土里，便于统计播种株数；分别在不同的隔垄进行播种机的播种，测量隔垄栽培的垄距及每条垄种植的株数，计算出平均株距与理论值进行对比。

4.2试验结果及分析

垂直垄向的垄距测量结果与设计一致，未见明显误差。主要原因是：播种机左右播种互相抵消部分误差；同时播种机的支撑装置与垄的形状相似，在重力的冲击下，支撑底座下落过程中接触垄坡，并沿垄坡滑落到垄谷实现播种。试验测得的427m垄长播种的玉米株数和计算的平均株距如表3所示。

从试验数据来看：理论垄株距为350mm×270mm、380mm×300mm和400mm×330mm时，采用667、708、737mm的摆动杠杆，其株距误差分别为7.44%、5.13%和1.91%；垄株距为350mm×270mm和380mm×300mm时，误差较大。主要原因是：在选定限位槽时，考虑到经济性和简易性，并没有按照每一个设计的y1取值，而是按照330mm取近似值，造成实际株距较例理论株距偏大。当垄株距为400mm×330mm时，按理论的y1取值，株距精度达到98.09%。这说明，采用相对静止点建立坐标系，通过杠杆两侧相对坐标确定杠杆长度的理论分析和计算后确定的相关结构参数是合理的，采用近似方法设计的限位槽尺寸能够满足玉米种植的农艺要求。

表3　试验播种的株数、株距和误差

5结论

1)通过以相对静止点建立坐标系，求解杠杆两侧端点坐标，进而确定前推杠杆的长度，即在垄株距350mm×270mm、380mm×300mm和400mm×330mm 时，杠杆长度分别为667、708、737mm，能够满足播种机前移运动的定位要求。

2)研制的双垄交替式脚踏播种机摆动前推机构能够很好地完成播种机的前推工作。田间试验表明：当垄株距350mm×270mm、380mm×300mm和400mm×330mm时，垄宽的株距误差分别为7.44%、5.13%和1.91%，垄距误差可以忽略不计，能够满足玉米种植的农艺要求。

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Design and Experiment on Swing Pushing Device of Stampede-style Maize Seeder

Zhang Yaxin, Cao Wancang, Zhang Lihua, Yang Zhen

(College of Architecture and Mechanical Engineering,Chifeng University, Chifeng 024000,China)

Abstract：To solve the problems of the North Ridge sowing maize area exists in some not suitable for mechanized sowing machine work of the special region, a stampede-style maize seeder was designed.The critical part of the seeder is the Swing pushing device, which affects the operation performance of the whole machine.The key structure parameters were conformed through analyzing its moving characters.The result of field tests showed that in row spacing and plant spacing was respectively 350mm×270mm、380mm×300mm and 400mm×330mm, and plant spacing error were 7.44%,5.13% and 1.91%,Row distance error were negligible.The design on Swing pushing device of stampede-style maize seeder satisfied the agronomic requirements.The new design and the theoretical analysis method in this research can provide a reference for design and application of seeder.

Key words：corn; seeder; swing pushing; mechanism; stampede-style

文章编号：1003-188X(2016)02-0100-06

中图分类号：S223.2；S220.3

文献标识码：A

作者简介：张亚新(1981-)，男，内蒙古赤峰人，讲师，硕士， (E-mail)zhangyaxin198106@163.com。

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目(NJZY242)

收稿日期：2015-01-29