新型甘蔗种植机的设计与样机试验

陆秋懿,李 瑞,郑再象,洪世俊,王世楠

(扬州大学 机械工程学院,江苏 扬州 225127)

0 引言

我国是世界甘蔗生产第三大国,但甘蔗种植机械化相对低下,几乎为0[1]。目前,国内外不乏有对甘蔗种植机深入研究的学者,并取得了一些成果。AGPRO在美国开发了B110型自动甘蔗种植机,国内研发了边切边种、预切种等甘蔗种植机械。美国M.J.Naquinic公司将遥感遥控技术运用到甘蔗种植机上,实现了高度机械化和自动化[2-6]。本文根据某企业的实际需求,共同研制出一款突破传统液压驱动且符合我国国情的地轮驱动甘蔗种植机,并制造出初代样机,进行了试验,为后续的改进和优化提供了参考。

1 新型甘蔗种植机的总体设计

1.1 农艺要求和设计参数要求

甘蔗种植的农艺要求有4个,即种植间距、种植密度、甘蔗种子长度和种植深度。

考虑到机械化采伐的需求,将种植间距选择在1.1～1.4m之间,种植密度为10～12芽/m。甘蔗种子长度一般为380mm,种植深度在250～300mm之间,开沟宽度采用280mm。

甘蔗种植机理论上属于农业机械的一种,其设计参照的相关技术指标如表1所示。

表1 甘蔗种植机设计指标标准

1.2 甘蔗种植机的关键结构方案设计

1.2.1 驱动形式

从播种机的性能、经济性、安全性、可靠性及后期维护成本等方面综合考虑,播种机选取地轮驱动。

工作时,由拖拉机驱动,地轮与土壤之间的摩擦产生的扭矩驱动地轮旋转,动力通过链轮和链条传递,并分配到甘蔗切割部件、施肥部件和施水部件上[7]。地轮驱动种植株距均匀,成本低、后期维护方便简单,但地轮质量很大,使机器的重心稍高,稳定性降低。

1.2.2 蔗种制备方式

甘蔗种子制备方法包括整杆式、预切割式和实时切割式3种。综合考虑我国甘蔗种植业国情,采用实时切割式。与其他两种甘蔗种子制备方式相比,其优点是:结构简易,制备成本低;结构小,田间转动调头、操作方便等。缺点是:劳动力成本高,甘蔗种子载荷量少,种植效率会有一定程度的降低。

1.2.3 与拖拉机的连接方式

目前,甘蔗种植机与拖拉机有三点悬挂式和牵引式两种连接方式。牵引式只具有牵引功能,三点悬挂式还有提升功能。考虑到实际生产,甘蔗种植机应具有4个基本工功能,即开沟、薄膜覆盖、土壤覆盖和镇压。这就要求播种机的各个部件具备深入和提升的功能,因此甘蔗种植机使用三点悬挂连接。

1.3 功能模块功能分析及设计

1.3.1 开沟部件的功能分析及设计

目前,甘蔗种植主要运用的有两种开沟器,即芯铧式开沟器和凿形开沟器。芯铧式开沟器的开沟宽度大、入土性能好[8-9]。考虑实际生产,选择芯铧式开沟器,其犁头主梁和主梁套分别以为50mm的间距穿孔并用螺栓固定。图1和图2为开沟器的三维模型和二维图。

图1 开沟器三维模型

图2 开沟器二维图

1.3.2 施水施肥部件的功能分析及设计

施水部件包括水箱、喷洒器和驱动控制装置。一般情况下,水箱选用壁厚的塑料水桶,顶部桶盖需留有透气孔,底部设计与下水管及驱动装置相连的下排水孔。喷洒器可选用塑料低压扇形喷头,结构相对简单,更换和维修成本低。驱动控制由带有调节切换阀的微型低压电动水泵驱动。

从经济、紧凑和易操作的角度来看,施肥部件选用外槽轮式肥料卸料器。肥料箱为铁箱式,箱体底部结构为双锥形。

1.3.3 切种排种部件的功能分析及设计

本机型为两行种植,滚刀轴转1圈进行两次切断,则求得r=242mm。在用橡胶辊夹持的过程中,发生30～35mm的滑动,滚刀间保留2mm的间隙,故滚刀理论的滚切半径为140mm,两个滚刀轴之间的中心距离为282mm,如图3所示。

图3 切断示意图

滚刀的材料特性与普通刀具的材料特性相当,选用40Cr材料,调质处理切削刃口,使用中空圆形橡胶辊,并由半圆形弧状固定板用螺栓进行固定,然后将固定板安装于滚刀轴上,如图4所示。

图4 夹持橡胶辊三维模型

切蔗箱箱体的刀轴安装孔位置精度和平行度要高,箱体空间分为两个独立的切蔗仓和1个传动齿轮仓,在入口处添加漏斗形滑道以便进给,并在箱体底部表面设计防堵塞的下滑道,如图5所示。

图5 切蔗箱内部结构图

1.3.4 覆膜覆土镇压部件的功能分析及选择

覆膜覆土镇压部件的组成部分主要包括薄膜覆盖、土壤覆盖和镇压3个装置。

薄膜覆盖装置是蔗种落入沟中,在施水和施肥后进行覆膜的装置。本机薄膜覆盖装置结构较为简单,调节宽度的限位措施选用限位插销,三维模型如图6所示。

土壤覆盖装置是在铺好薄膜后覆盖土壤的装置。同时,土壤覆盖装置还能防止薄膜被吹起,使甘蔗种植机完成自动抽膜。本机采用双圆盘土壤覆盖装置,三维模型如图7所示。

图7 土壤覆盖装置三维模型

镇压装置的作用是为了减少土壤中空隙及土壤中水分的蒸发,有助于甘蔗的发育。目前,轮式镇压装置被普遍运用于同行业中。本机采用钢圈轮式,三维模型如图8所示。

1.3.5 整机机架的设计

根据不同功能的要求,整机架由主机架、小机架、甘蔗堆叠平台和操作平台组成。整机机架的三维模型图和二维图如图9～图12所示。

图8 镇压装置三维模型

1.小机架 2.主机架 3.甘蔗堆叠平台 4.操作平台

图10 整机机架主视图

图11 整机机架俯视图

图12 整机机架侧视图

主机架要连接拖拉机的三点悬挂,结合对各功能部件进行合理化布置,使重心位置最低,以对称方式排列。

小机架结构选用框架式,用加装油尼龙滑板的横托板将小机架托起,与主机架采用螺栓固定,用丝杠手摇轮来实现行距调节。

甘蔗堆叠平台设计为可折叠收拢的结构,为了防止甘蔗从侧面掉落,在外侧加装了护栏。

操作平台应有1个座位,并在座位后面和侧向位置安装护栏。本文采用框架结构,覆盖5mm粗的钢网并用角钢加固。

1.3.6 传动系统的功能分析及设计

本机采用基于地轮驱动的链轮传动系统。满载状态下,预计整机负荷为1 250kg,整机各功能模块质量约为1 270kg,传动系统质量为300kg,整机质量为2 800kg。地轮载荷为整机质量的70%,约为1 960kg。取载荷大的状态,每个轮胎需要承受至少980kg的载荷,通过查阅中国国标《农业轮胎系列》,最终选用层级为8级的9.5-24型号轮胎。

甘蔗机械化种植拖拉机的实际行驶速度约为0.6m/s,滚刀的理论滚切直径为280mm,根据选定的地轮型号,地轮的理论速度公式为

v=π×D×n

其中,D为地轮直径;n为地轮转速。

由此得地轮的转速n1=0.182r/s,刀盘的转速n2=0.683r/s。滚刀轴与地轮轴的转速之比为3.75,采用二级增速链传动。肥料卸料器驱动轴的转速为0.934r/s,肥料卸料器的驱动轴与地轮轴的转速之比约为5.13,采用三级增速齿轮传动。表2为每个链轮相关参数,传动系统示意图如图13所示。

表2 传动系统链轮参数

续表2

1.地轮 2.切蔗箱 3.肥料卸料器

1.3.7 整机的三维模型建立

使用三维绘图软件SolidWorks构建整机的三维模型,直接从Madi标准零件库工具箱导入各种标准零件模型,然后组装所有功能模块,完成样机的初始设计,如图14所示。

图14 整机三维模型

整机的基本结构采用Q235,主轴为调制处理后的45钢,滚刀材料为40Cr等。经软件计算,整机的空载质量约为1 541kg,满载质量约为2 839kg,非常接近估计的空载质量1 570kg和满载质量2 800kg,故可保证与地轮载荷相关的计算数据的准确性。

1.4 牵引力的分析及参数计算

1.4.1 田间运输状态

在田间运输时,甘蔗种植机所受的阻力有滚动阻力、坡道阻力和风阻等[8]。

《农业机械设计手册》中,轮式拖拉机滚动阻力的计算公式为

Ff=f×G

(1)

其中,G为拖拉机轮胎的附加载荷的重力。

运输状态下,整机质量略大于空载状态时,G值为

G=mg=1.764×104N

f为轮胎滚动阻力系数,选取地面为已耕地,故f=0.18,得到滚动阻力Ff=3.18×103N。

坡道阻力的计算公式为

Fα=sinα×G

(2)

其中,G为运输状态下的空载质量;α为耕地坡度,查阅资料得知蔗田坡度>15°,故选用α=15°。

由此得坡道阻力为Fα=4.56×103N。

由于整机在现场运输时速度低,风阻接近0,即Fw=0,因此甘蔗种植机在田间运输的总阻力为

∑F1=Ff+Fα+Fw=7.74×103N

1.4.2 种植作业状态

种植作业时,甘蔗种植机所受的阻力包括滚动阻力、坡道阻力、风阻、开沟阻力及作业阻力等。

种植作业状态下,地轮载荷为70%的整机质量,约为1 987kg。同样选取已耕地,则f为0.18,代入公式(1)中,计算得Ff= 3.51×103N。

甘蔗种植机处于满载,故G=2839kg×9.8m/s2,代入公式(2),计算得Fα=7.2×103N。

整机的运行速度v为0.6m/s,风阻接近0,即Fw=0。

开沟阻力采用耕作阻力经验计算公式为

FR=k×a×b

(3)

其中,a为开沟的最大深度;b为沟宽;k为土壤的耕作比阻。

种植前需要深耕,取k=2N/cm2,由开沟器尺寸得开沟的深度和沟宽为a=30cm、b=28cm,代入公式(3)得FR=3.36×103N。

本机为双排,因此总开沟阻力为6.72×103N。

作业阻力由切种部件扭矩损耗和施肥部件扭矩消耗两部分组成。

滚刀甘蔗切断功率和地轮扭矩计算公式为

9950×P=T×n×η2

(4)

其中,P为切断甘蔗的功率;T为地轮扭矩;n为地轮转速;η为链传动的传动效率。

地轮扭矩公式为

T=Fβ×r

(5)

其中,Fβ为驱动地轮摩擦力;r为轮胎半径。

最终得到驱动地轮摩擦力Fβ=4.06×103N,因此种植作业时的总阻力为∑F1=2.16×104N。

1.5 整机功率的计算及拖拉机匹配

1.5.1 整机功率计算

在正常作业状态下,整机的最小牵引力为2.16×104N,整机功率的计算公式为

P=F×v

(6)

其中,F为整机最小牵引力;v为整机运行速度。

将v=0.6m/s带入公式(6),则P=1.296×104W。

1.5.2 拖拉机匹配

在田间运输时,空载条件下计算的质量为1 541kg,三点悬挂的下悬挂中心和整机重心之间的距离为976mm,位于悬挂点后610mm为最大提升力,则拖拉机的提升力计算公式为

F=G×L/610

(7)

其中,G为播种机空载重力;L为三点悬挂的下挂点中心与重心的距离。

计算得F=2.42×104N。

综上所述,甘蔗种植机需要的最小牵引力为2.16×104N,最小牵引功率1.296×104W,液压提升装置提升力2.42×104N。根据目前中国的拖拉机型号,选用东方红型号“LX1204”拖拉机。

2 甘蔗种植机样机试验

2.1 试验条件

甘蔗收获后20天左右,在广西农科院甘蔗研究所的隆安实验基地进行甘蔗种植机样机(见图15)性能试验,使用直径为23～28mm、平均长度为1.5m的整根台农25号甘蔗。试验采用东方红“LX1204”拖拉机,增加前配重200kg,试验历时5天。

图15 甘蔗种植机样机

2.2 试验方案

重复5次进行试验,记录种植作业时间。取10个长度为1m、间隔为5m的样品进行一次测试,共完成50次测试。

2.3 试验数据及结果分析

蔗种除去头尾,长度在370～390mm为长度合格。相关试验数据如表3所示。

表3 试验数据汇总表

由试验数据可知:变异系数为3.9%,稳定性系数为96.1%,伤芽率为2.9%,切口破裂率为2.4%,平均密度为4.1根/m,漏株率为4.8%,深度合格率为97.6%,露芽率为1.5%,段长合格率为100%,作业效率为0.61hm2/h。

根据表1中各个指标的判定标准可得:该甘蔗种植机样机各个试验指标均达到标准,且在非常良好地控制切种长度、具有高稳定性系数的前提下,种植密度达到标准,作业效率超过设计目标值。

3 结论

1) 整机能够在重复的性能测试中,各项试验指标均达到较高的水准,播种质量满足甘蔗种植的农艺要求。

2)整机采用分体式连接机构,由拖拉机牵引,提高了机具的通过性,可以实现一机多用,双排播种可大幅提高播种效率。

3)整机稳定性高,可实现开沟、施肥、播种、覆土及镇压等联合作业,可减少投入成本和作业工序。试验中发现:整机质量较大,后续可对机架进行轻量化研究,进一步优化整机结构,减少整机质量。