2BQ-27型三七精密播种机仿形开沟器的改进设计
2018-03-28杨文彩杜一帆宋志鹏仲广远朱景林李超群
杨文彩，杜一帆，宋志鹏，仲广远，朱景林，李超群
(1.云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201，2.楚雄州农业机械推广站，云南 楚雄 675000)
0 引言
三七是驰名中外的名贵药材，近年来市场的需求量逐年增大[1]。云南三七的栽培历经野生驯化种植、传统三七种植、优质无公害三七种植、三七GAP种植到如今的有机三七种植发展阶段[2]。随着农业规模化经营、专业化生产、机械化和自动化程度的不断提高，工厂化育苗已成为先进农业技术之一[3]。三七由于其播种的季节性强，必须在较短的时间内，根据农艺要求将种子播种到育苗基质中，播种质量直接影响到种子的出苗率、出苗质量，以及三七的质量和产量[4]。
课题组前期开发的2BQ-27型三七精密播种机在昆明寻甸大河桥生产基地已完成了5.3hm2余的播种实验，整体播种效果良好，但仍然存在以下问题：①仿形开沟器作业过程中灵活性不够，在基质高度变化时，仿形开沟装置不能很好地随基质高低的变化迅速上下移动。②育苗槽内基质表面存在前后左右高低不平时，仿形装置只能实现基质较高处的仿形，基质较低处则不能实现仿形功能。③育苗槽内基质湿度对仿形开沟轮的开沟效果有较大影响，育苗槽内基质湿度太大时，基质容易粘结在开沟轮上，增加播种机的前进阻力；基质湿度太小时，开出的种沟两侧的基质回落，降低了开沟的深度。
针对上述问题，做出以下改进：①将仿形开沟器与机架的连接方式由滑动式连接改进为铰链式连接，以提高其仿形灵活性；②将仿形开沟器整体式安装结构改进为分段，以提高仿形开沟装置对基质高度变化的适应性；③设计计算开沟轮的物理参数，并在仿形开沟装置的结构上增加弹性装置，以提高仿形开沟器对于育苗槽基质湿度变化的适应性。
1 开沟轮的设计
结合《农业机械学》的相关知识，三七精密播种机前进过程中，开沟轮承受垂直载荷并产生摩擦力从而滚动；当开沟轮在土壤表面匀速运转时，开沟轮将在垂直载荷作用下，在松软土壤中下陷，开沟轮运转时将在土壤表面留下轮辙。此时，轮子与土壤的接触点，不仅有土壤对轮子的支撑反力法向合力N、切向的摩擦力的合力T，还有轮轴中的内摩擦力Mm、土壤工作部件所受阻力通过机架传到地轮上的力矩Mk，如图 1所示。
当开沟轮处于平衡状态时，有
∑Fx=0，P-Rx=0
(1)
∑Fy=0，Q-Ry=0
(2)
∑MA=0，Prd-Qd-Mm-Mk=0
(3)
根据受力分析，得出从动轮的几种不同运动状态：
1)轮子处于纯滚动状态，有
Rx>P;Prd>Qd+Mm+Mk
2)轮子既滚动又滑动状态，有
P>Rx;Prd>Qd+Mm+Mk
3)轮子处于纯滑动状态，有
Rx>P;Prd 其中，P为牵引力(N)；Q为轮轴所受垂直载荷(N)；Rx为摩擦力(N)；Ry为垂直反力( N)；d为A点与轮心之间的水平距离(m)；rd为A点与轮心之间的垂直距离(m)；Mm为轮轴与轴承间摩擦力矩(N·m)；Mk为土壤给部件在轮上的阻力矩(N·m)。 图1 压轮式开沟装置受力分析图 开沟轮做纯滚动转动时是播种的最佳状态，如果开沟轮同时存在滚动和滑动，滑移率较大势必造成播种质量低下，因此开沟轮应尽量减少在开沟过程中产生滑动现象。 为减少开沟轮在基质中开沟时的滑动现象，选择V缘环形开沟轮。该开沟轮工作时，在地面土壤上的运动情况是：以开沟轮外缘为顶点，以近似 45°角向两侧上方延伸的形状，大块基质也会被镇压下去，防止大块基质夹杂在开沟器之间，可以使开沟器顺利通行。其结构形式如图2所示。 图2 开沟轮结构示意图 开沟镇压轮直径的大小直接影响开沟效果及开沟轮的滑移率，开沟轮的直径越小，土壤压实效果越不理想，还会增大作业过程中的滑移率，出现拖土壅土现象[5]；相反，开沟轮的直径越大，开沟轮越容易转动，并能减小作业过程中的滑移率，但是开沟轮的直径过大又会增加仿形装置的尺寸，影响播种机整体的结构及整机质量。因此，选择合适的开沟轮直径是其它结构参数确定的前提条件。 开沟轮直径的确定应满足[6] (4) 式中R轮—开沟轮的半径(m)； f—土壤对开沟轮的摩擦因数； F—开沟轮的重力及其附加载荷(N)； Wr—轴套中的摩擦力矩(N·m)。 根据农艺要求，育苗槽内基质表面距槽肩的标准距离为10cm， 2BQ-27型三七精密播种机落种口距基质表面距离为280mm，结合播种机的整机尺寸及安装位置约束，开沟镇压轮的直径选择为150mm，符合上述约束条件。 开沟轮的任务除开沟之外，还对土壤有一定的压实作用。若开沟轮的宽度小于导种管直径，播种时种子易落在种沟外，影响播种质量；若大于导种管直径，则两相邻开沟轮之间间隙减小，影响播种过程中土壤的流动性，增加作业阻力。因此，开沟镇压轮的宽度，可根据开沟宽度、开沟后土壤分布情况确定。为了配合三七精量播种，课题组连续3年对包衣三七种子的长度、宽度、厚度三轴尺寸进行了测量，种子尺寸的集中分布如图3所示[7]。 图3 轴向尺寸范围统计分布 由图3中可以看出：三七种子的尺寸基本在4.0～8.0mm之间。为使三七种子在导种管内能够无阻力落种，结合三七精密播种对行株距的要求及包衣三七种子的三轴尺寸，导种管直径确定为20mm。开沟轮开出的种沟应满足导种管内落种均能落在种沟内，故开沟轮厚度至少为20mm。 三七播种的行株距农艺要求为5cm×5cm，两开沟轮之间留30mm的空隙，以保证土壤的流通性，如图4所示。其中，i为两开沟轮之间的中心距、d为开沟轮厚度、l为两开沟轮之间的间隙。根据图4可得到如下几何关系，即 d=i-l (5) 将已知数据带入式(5)得：d=i-l=20，开沟轮宽度为20mm。 图4 开沟轮厚度计算示意图 2BQ-27型三七精密播种机的开沟装置为一体式连接，且开沟器与机架为滑动式连接。生产实践证明：滑动式连接易导致仿形运动中阻力过大；一体式连接会使仿形开沟轮对基质表面前后左右高度不一致时适应性变差。为此，将开沟轮与机架的连接方式改为铰接，增加其仿形过程中的灵活性；将一体式连接改为分段式连接，以提高仿形装置对基质表面高低不平的适应性。 设计后的仿形开沟器结构如图5 所示。工作时，通过调节螺母来控制弹簧的预拉力，从而调节开沟器作用于基质的单位压力q，使开沟器处于最佳开沟状态。仿形开沟轮铰接在与机架固定的连接轴上，前进时在重力和弹簧力的综合作用下能够灵活地完成仿形工作。育苗槽宽度为1.44m，三七精密播种要求行株距均为5cm，结合落种位置不能距育苗槽壁过近，故仿形装置上总开沟轮个数为28个。每一组仿形装置上开沟轮数目增加时，工作阻力会随之增加，不利于弹簧的调节且影响整机工作的精度；开沟轮数目减少时，又使仿形装置结构复杂，调节更为繁琐，故选取每一组仿形装置仿形开沟轮的数目为4个V缘环形开沟轮。 1.预紧力调节螺母 2.弹簧 3.压轮开沟轮 图5 V缘环形压轮式开沟器示意图 安装拉力弹簧有利于开沟深度稳定，通过合理选择弹簧的刚度系数和预拉力，在保证开沟深度稳定的同时，还可以降低播种整机质量[8]。三七育苗的行距和株距均需控制在5cm左右，播种深度需控制在1.0～1.5cm左右，属于超精密播种[9]。经过深入调研，在生产实际中，槽内基质表面距槽肩的高度基本处于7～13cm之间，且结合农艺要求，考虑到开沟后会出现基质回落现象，确定播种机开出的种沟深度范围为1.5～2.0cm，仿形装置可适应的最大基质高度差为6cm，设计示意如图6所示。 图6 弹簧设计示意图 根据弹簧设计示意图，经简化后得到弹簧设计计算图，如图7所示。考虑三七播种机整机布局的情况，选择开沟轮连接臂长度为30cm，开沟轮在育苗槽内基质较低的区间段工作时与基质角度为30°，即∠DAC=30°。其中，AD和CE分别对应开沟器所在三七基质高度变化后，开沟轮连接臂的位置变化关系。 根据图7的几何关系，可得 (6) 又α+β+∠ABC=180°，根据AC=5.5mm，AD=CE=30cm，解得DE=77.8mm，即可求出基质最高时压轮连接臂与水平方向夹角为5.3°。 图7 弹簧设计计算图 将改进后的压轮仿形开沟器制造并进行田间试验。课题组在播种时节连续两年对育苗槽内基质湿度进行了测量，其湿度范围在15%～30%之间。由于基质湿度越大对播种效果影响越大，故选择基质湿度30%、开沟深度从1.5cm增加到2cm时，测量弹簧在拉伸方向所需增加的外压力。通过3次试验，得到仿形开沟器平均弹簧所在方向载荷为12N时，仿形装置的运动形式与前述一致。则在忽略弹簧弹力方向改变的情况下求得弹簧拉力F为 F=12/sin30°=24N (7) 由胡克定律 F=-kx (8) 式中F—弹簧拉力(N)； k—刚度系数(N/mm)； x—弹簧伸长量(mm)。 得当F=24N时，将弹簧伸长量DE=77.8mm带入，得k=0.31N/mm。 弹簧的最低伸长量l应大于等于弹簧预拉力伸长量l1和基质升高时弹簧自调节伸长量l2之和，即 L=L1+L2 (9) 其中，L1是开沟器在育苗槽内基质较低的区间段即图6中a1-a2段运行时开沟深度为1.5cm时的弹簧预调节量，因此育苗基质湿度为15%时L1最大。通过试验知：在育苗基质湿度为15%时，需要在弹簧拉伸方向增加压力为8N，此时由式(8)可求得x为25.8mm。 当压轮开沟器在育苗基质最高区间工作时L2最大，为前面求得的77.8mm。因此，弹簧最低可伸长量L=103.6mm。 查阅国家标准：GB2088-80普通圆柱螺旋拉伸弹簧(圆钩环压中心型)尺寸，选用B3.5×25×85.3-2GB2088-80·IIa型号的拉力弹簧，即可满足以上需求。 三七精密播种过程中，播种机仿形开沟器弹簧预拉力、育苗基质湿度是影响播种质量的重要因素，为进一步了解这两个因素对播种质量的影响程度，进行了单因素试验。 播种质量一般用合格率、漏播率和重播率3个排种性能指标来衡量。参照GB6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》，按以下公式计算排种性能指标[10]： 合格率为 (10) 重播率为 (11) 漏播率为 (12) 其中，N为实验测定的种子总数；n1为合格播种数；n2为重合播种数；n3为漏种数。 1)试验设计。本试验中，播种机速度固定为10m/min，育苗基质湿度固定为25%，在弹簧预拉力为0和使开沟深度到达1.5cm的预拉力之间选择6组数据值，设计方案如表1所示。 表1 弹簧预拉力单因素试验设计方案 弹簧预拉力为5.04N时，开沟深度达到1.5cm。 试验过程中，播种机每次行走距离为3m，重复3次，测量并记录每两粒种子间的距离。 2)试验结果与分析.对试验数据进行统计，计算出合格率、重播率和漏播率，统计结果如表2所示。 表2 弹簧预拉力对排种性能的影响 其影响曲线如图8所示。由图8可以得出：随着弹簧预拉力的增加，播种合格率逐步上升，同时播种过程中的重播率和漏播率逐渐下降；在弹簧预拉力达到5.04N时，播种机的播种质量最好。 图8 弹簧预拉力对排种性能的影响曲线 1)基质湿度测定。选择TDR100土壤水分测量仪测量基质的湿度，该仪器是基于TDR原理的土壤水分探测器，被广泛用于田间、温室及实验室。测定方法：按图9所示的位置在每个试验基质块(1.44m×4m)上标记6个点，以每个点为中心，半径为0.2m的圆内任取3处进行湿度测量。 图9 定点示意图 2)试验设计。本试验中播种机速度固定为10m/min，开沟器弹簧预拉力为5.04N，开沟深度为1.5cm。育苗槽基质经过消毒后，到播种之前，其湿度主要存在15%～30%范围之内，结合农艺要求，在试验过程中仍有部分基质湿度达到40%，故试验湿度范围为15%～40%。在该范围内设置6个试验水平，如表3所示。试验过程中，播种机每次行走距离为3m，重复3次，测量每两粒种子之间的距离。 表3 基质湿度单因素试验设计方案 2)试验结果与分析。统计试验结果，计算不同基质湿度下播种机播种的合格率、重播率和漏播率，计算结果如表4所示。 表4 基质湿度对排种性能的影响 % 其影响曲线如图10所示。从图10中可以得出：育苗基质的湿度在过低或过高时，都会降低播种质量合格率，增加重播率和漏播率；基质湿度在25%～30%时，合格率较高，重播率和漏播率较低。 图10 基质湿度对排种性能的影响曲线 仿形开沟器的改进设计中，将压轮式仿形开沟器与播种机机架的连接方式确定为铰链连接，提高仿形开沟器的灵活性；将仿形开沟器进行分段式设计，提高仿形开沟器对槽内基质高低不平的适应性；设计了弹性装置弹，确定了仿形开沟装置弹簧的刚度系数k=0.314N/mm，弹簧最低可伸长量为103.6mm，根据这两个参数选定了弹簧标准件，提高了仿形开沟装置对育苗基质湿度的适应性。 根据设计结果，分别进行单因素试验，结果显示：弹簧预拉力为5.04N。基质湿度为25%～30%时，排种器性能较好，播种合格率较高，重播率和漏播率较低。 [1] 杨文彩，杜迁，杨航，等．三七穴盘精密排种过程力学分析[J]．机械设计与研究2015,30(1)：151-154. [2] 杨文彩，朱有勇，杜迁，等．云南三七工厂化育苗工程技术体系分析[J].南方农业学报，2012，43(12): 2069-2073． [3] 郝金魁,张西群.工程化育苗技术现状与发展对策[J].江苏农业科学，2012，40(1):349-351. [4] 孙岩，宋立成．浅谈农业机械化与农业现代化的关系[J]．农业工程，2012(3)：12-14. [5] 贾铭钰．免耕播种机镇压装置的实验研究及计算机辅助设计[D]．北京：中国农业大学，2000． [6] 王福兰．行间播种机多功能镇压装置设计与试验[D]．长春：吉林大学，2012． [7] 李超群．2BQ-28型三七精密播种机关键部件的研究与设计[D]．昆明：云南农业大学，2015． [8] 白晓虎，李芳，张祖立，等．基于ADAMS的免耕播种机仿形机构弹簧参数优化[J]．干旱地区农业研究，2014，32(6)：268-272． [9] 杨文彩，朱有勇，杜迁，等．基于农机农艺融合的三七机械化精密播种系统研究[J]．广东农业科学，2014(2):175-180． [10] GB/T 6973-2005单粒(精密)播种机试验方法[S]．北京：中华人民共和国国家标准，2005．
1.1 开沟轮的直径
1.2 开沟轮的宽度
1.3 开沟轮的连接方式
2 弹性装置的设计
2.1 仿形弹簧的刚度系数确定
2.2 弹簧最低可伸长量确定
3 单因素试验
3.1 弹簧预拉力对播种质量影响的单因素实验
3.2 土壤湿度对播种质量影响的单因素实验
4 结论
