智能型条带式免耕播种机的设计与研究

赵 菁

（山西省农业机械发展中心，山西 太原 030002）

保护性耕作是对农田实行免耕、少耕，并用作物秸秆覆盖地表，减少土壤风蚀、水蚀，从而提高土壤肥力和抗旱能力的一项先进农业技术[1]。其核心就是免耕播种技术，即土地收获后不翻耕，在留茬地上直接用特制的免耕播种机进行播种作业。

目前，我国的免耕播种设备大多是中低端机具，对机电液一体化自动控制技术应用较少，如在粉碎抛撒、播种覆土等关键作业环节无法做到实时监测、变量调控作业[2]。同时，由于材料选用、加工工艺等制约，通常存在机具故障率高、使用寿命短等缺陷[3]。因此，迫切需要研发出具有能够优化机具性能，提升机具自动化、智能化水平的免耕播种机。

1 研究内容

1.1 液压动力源的研究

拖拉机挂接农具形成悬挂式机组，一般动力传递是通过机械传动系统传递到工作部件上，这种传动形式效率不高、结构复杂、不利于智能化部件的工作。为此，需要开展液压动力源的研究，以拖拉机与农具挂接的悬挂架为平台，开发液压动力装置，包括油箱设计、液压系统设计、主要部件选型等，使其不仅具有农具挂接功能，还可以输出液压动力，满足农具工作部件的动力需求[4]。

1.2 条带式种床制备装置的研究

根据条带式免耕技术的要求，开展立式旋耕部件的研究，包括刀具结构及形式、动力传递、运动学和动力学分析等，在有限条带区域上形成适合种子发育生长的种床，为后续的播种作业创造条件。

1.3 智能化种子空间定位机构的设计研究

针对现有开沟器和覆土器播深稳定性差、镇压强度不准确、种子在土壤中的定位精度低等问题，根据旱作农业技术的要求，开展智能化土壤开沟部件、镇压部件、仿形机构及液压控制系统的研究，实现种子在土壤中的精准定位和镇压强度的智能调节，满足不同土壤含水率条件下的播种要求。

1.4 智能化系统集成与试验

在完成主要工作部件研究和试制的基础上，根据旱作农业技术要求，开展智能化条带式免耕播种机整机技术集成和研发，解决主要工作部件空间布局、机组挂接稳定性、机电液融合等技术难题，完成样机试制和性能试验。

2 样机总体设计

2.1 整体结构及工作原理

智能型条带式免耕播种机结构见图1，主要由旋耕机1、种肥箱组件2、排肥器3、外槽轮式、排种器4、镇压轮调节组件5、镇压轮6、排种开沟器7、施肥开沟器8、排种、排肥传动系统9等组成。

图1 智能型条带式免耕播种机结构图Fig.1 The structure of intelligent strip no tillage planter

工作时，旋耕机由拖拉机带动先进行旋耕整地作业，再由镇压轮充当地轮将动力传输到排肥、排种器，再由输肥、输种软管将种、肥引到开沟器组件，排入由开沟器开好的施肥和播种沟中以达到施肥播种的目的，最后再由镇压轮将土壤压实。

2.2 技术参数

智能型条带式免耕播种机技术参数见表1。

表1 技术参数表Tab.1 The technical parameters

3 主要部件设计

3.1 施肥开沟器的设计

智能型条带式播种机施肥开沟器由前刀、底板、底座连接板组成。结构见2。

图2 开沟器结构组成图Fig.2 The structural composition of ditcher

施肥开沟器主要设计有前刀入土角、开沟器入土深度、前刀、连接板和底座之间距离还有相关的一些参数，其结构参数见图3。开沟器前刀入土角为51°，最大入土角为70°，入土深度120 mm，前刀头距离底座距离96 mm，前刀入土点和连接板高度30 mm，前刀入土点和底座高度38 mm。3个构件由焊接来连接，材料选择强度较高Q235钢板。

图3 施肥开沟器结构参数图Fig.3 The structural parameters of fertilizer opener

3.2 排种开沟器的设计

智能型条带式播种机排种开沟器结构见图4。开沟器主要设计有前刀入土角、开沟器入土深度、前刀、连接板和底座之间距离及相关参数。开沟器前刀入土角为13°，入土深度100 mm，前刀头距离底座距离为150 mm，后连接板高度为120 mm，构件由焊接来连接，材料选择强度较高的Q235钢板。

图4 排种开沟器结构参数图Fig.4 The structural parameters of seed metering ditcher

3.3 种肥箱的设计

3.3.1 种肥箱容量的计算

通过上文数据可知所需复合肥为375 kg，复合肥所需容量为106 L；所需有机肥为375 kg，有机肥容量为120 L；所需种子量为150 kg，种子容量为90 L。通过容量来确定种肥箱大小，种肥箱长度是确定的，为2 250 mm，设定种肥箱侧板高度为60 mm，则可得复合肥箱需要宽度为79 mm；有机肥箱需要宽度为89 mm；种箱所需宽度为67 mm。

3.3.2 种肥箱组件的设计

智能型条带式播种机是由旋耕机和播种施肥机相结合的结构，为了节省机械所占用的空间选择从旋耕机两侧连接侧板，在侧板上布置播种器、排肥器的位置。种肥箱组件的侧面设计的相关数据见图5，侧面板长为720 mm，高为902.5 mm，厚度为3 mm，采用对称布置。种肥箱选择与侧板一体焊接，这样装配有宜于维修和清洁。

图5 侧板种肥箱尺寸数据图Fig.5 The dimension data of side plate seed fertilizer box

3.4 镇压机构的设计

3.4.1 总体结构

从总体设计角度，镇压轮要与机构连接并且在下地工作时根据地形变化可调，所以设计时需从机架两侧加出方管，并与和镇压轮连接的可调铰支方管相连接，外加可调节控制高低变化的螺纹铰接控制组件。镇压机构的总体结构如图6所示，其运动示意见图7，从图6 可以看出该结构采用了铰接和丝杠的连接方式以达到调节和移动镇压轮高度的目地。

图6 镇压机构的结构图 Fig.6 The structure diagram of pressing mechanism

图7 运动示意图Fig.7 The movement diagram

3.4.2 方管的选择和位置布置

2个方管都选择40 mm×40 mm；连接方管选择与旋耕机侧板上2个螺栓孔作为定位，确定位置进行钻孔由螺栓连接；连接方管选择长度为740 mm、调节方管选择长度为560 mm，2个方管平行布置距离为52.8 mm。

3.4.3 调节方管与连接方管铰接侧板的设计

调节方管和连接方管选择用铰接销轴连接，在调节方管上焊接2个对称布置的侧板作为与连接侧板进行铰接所用的连接板，结构见图8。

图8 铰接孔连接侧板设计图Fig.8 The design drawing of hinged hole connecting side plate

与方管焊接的侧板长133 mm，宽50 mm，厚度10 mm，在侧板和连接方管上钻出直径为30 mm 的孔来连接销轴使得调节方管可以铰支调节。高度调节的侧板长为30 mm，宽为40 mm，厚度为5 mm，中心位置钻孔径20 mm 的通孔。连接方管上需要焊接调节高度侧板用来连接调节组件，设计见图9。侧板厚度为5 mm，宽为40 mm，长度为170 mm，与方管成80°角焊接。

图9 可动铰接点侧板设计图Fig.9 The design drawing of movable hinge joint side plate

3.5 调节装置的设计

调节装置选择用2个螺纹轴加丝杠通过不同的螺纹旋转方向来调节整体的高低变化，设计结构见图10，该组件上下都为螺纹杆但是2 个方向旋入方向相反，当需要调节高度时在4 调节孔中插入轴来转动2 调节套，以达到调节镇压轮高度的作用。调节极限位置为上下可分别移动50 mm。

图10 调节丝杠结构图Fig.10 The structure diagram of adjusting lead screw

4 排肥量、排种量计算

4.1 排肥器排肥能力计算

依据农业机械设计手册，外槽轮排肥器每转的排肥量计算公式如下：

式中：d——外槽轮直径，cm；L——槽轮有效工作长度，cm；λ——带动层系数；fn——单个凹槽的截面积，cm2；t——槽轮凹槽截距，cm，z 为槽数；α0——肥料充满系数0.7；γ——肥料密度，g/L。

由测量计算可得：d=0.590 cm，L=4.00 cm，λ=0.2，fn=1.625 cm2，t=3.09 cm，γ=1.4

求得q=58.94 g/r。

再由农业机械设计手册中的排肥器每公顷的排肥总量：

式中：Q——每公顷排肥量，kg；D——镇压轮直径，m；b——排肥量数量；m——行距，m；δ——滑移率，10%；i——链轮传动比；q——排肥量每转的排肥量，g/r；

根据实际情况，种植0.067 hm2小麦所需复合肥量为25 kg，有机肥量为25 kg。

4.2 排种器排种量计算

依据农业机械设计手册，外槽轮排种器每转的排种量计算公式如下：

式中：q——排种轮每转排种量，g/r；d——外槽轮直径，cm；L——外槽轮有效工作长度，cm；C——带动层厚度0.4 cm；γ——种子容量，0.8 g/cm3；α——种子充满系数，0.8；f——凹槽断面积，cm2；t——槽齿间距，cm；

由测量计算可得：d=6.90 cm，L=5.50 cm，f=1.69 cm2，t=3.10 cm，求得q=79.71 g/r。

再由农业机械设计手册中的排种器每公顷的排种总量Q公式：

式中：Q——每公顷播种量；D——镇压轮直径，m；b——排种量数量；δ——滑移率，10%；i——链轮传动比；q——排种器每转的排种量，g/r；

根据实际情况，现在种植每0.067 hm2小麦所需种子为9.98 kg。

5 主要工作部件的强度校核

5.1 镇压轮传动轴强度校核

5.1.1 镇压轮传动轴结构

为了保证传动效率，镇压轮传动轴设计为六方轴传动，与原来的圆轴传动相比稳定性有所提高，其结构见图11。

图11 六方轴连接镇压轮示意图Fig.11 The schematic diagram of hexagonal shaft connecting pressing wheel

5.1.2 强度校核

由于六方轴要连接镇压轮，所以需要校核连接轴承处的弯曲强度是否达标，已知单个镇压轮质量为20 kg。

图12 六方轴弯矩图Fig.12 The bending moment diagram of hexagonal axis

六方轴材料为Q235 钢管，其弯曲应力为120～190 MPa，计算校核结果为满足要求。

由于镇压轮六方轴为传动轴，所以只承受扭转应力而不承受弯曲应力，所以只需要校核扭转强度，根据公式

式中：τC——轴许用应力，MPa；Dc——六方轴外轴直径，m；dc——六方轴内轴直径，m；T1——传动轴计算转矩，N·m。

所以由计算得镇压轮传动轴可以满足该机的传动要求。

5.2 排种器、排肥器传动轴强度校核

5.2.1 排种器、排肥器传动轴结构

该机构排种器、排肥器选用的传动轴都为直径为16 mm的传动圆轴。

5.2.2 强度校核

由于排种、排肥传动轴只承受扭转应力而不承受弯曲应力，所以只需要校核扭转强度，根据公式

由计算可得排种、排肥轴符合强度要求。

5.3 机构稳定性校核

5.3.1 轮式拖拉机悬挂机组的纵向稳定性

后悬挂农具降低了拖拉机的纵向稳定性，尤以运输状态最为危险[5]。为保证运输时拖拉机的稳定性和操纵性，悬挂农具的质量不宜过大，其极限质量用以下公式计算：

5.3.2 轮式拖拉机悬挂机组的最大爬坡角

为了防止拖拉机悬挂机组上坡时，不向后翻倾，还必须验算机组在最大爬坡角或临界上坡角αmax上前轮的载荷。最大爬坡角计算公式：

式中：Pq——驱动轮的切向力，N；Pf1、Pf2——拖拉机前、后轮的滚动阻力，N。

假设拖拉机在理想路面上行驶时，Pf1、Pf2≈0，此时

式中：PTmax——拖拉机最大挂钩牵引力，kN。

由拖拉机性能得PTmax=34.0 kN，Gs=3 670 kg，机具实际质量为G=800 kg，带入公式（9）得sinαmax=0.09。

拖拉机在最大陡坡角上行驶时，前轴的载荷为

式中：h1、h2——拖拉机和农机具的重心高度，mm。

在最大斜坡角上，R1y≥拖拉机不带农机具时20%，代入数据得R1y=1 066.6，拖拉机不带农机具时R1=1394.2，验证得设计符合要求。

5.3.3 拖拉机提升能力校核

油缸提升能力的计算。由于计算法繁琐，一般用绘制速度图，进行提升能力的计算。

把机构上作用力F、G 分别地加到速度图的相应点，力的大小和方向不变由力矩平衡得

式中：F——作用在油缸活塞上的力，N；G——悬挂农机的质量，G=Mg，M——悬挂农具质量；η——机械效率，取0.8～0.9；m与n——从图上量出地力臂长度，mm。

在已知拖拉机悬挂轴上提升能力的情况下，可按下法来校核配套悬挂农具对拖拉机悬挂轴的垂直负荷。

2 个校核公式校核的位置都为最大耕深、1/2 耕深、耕深为0、1/2 运输间隙、最大运输间隙着5 个位置算出来的最大F值，应不超过油缸最大推力，最大Qy≤标准垂直负荷。通过计算校核可得设计的农机具符合要求。

6 结语

通过样机的田间试验，智能化条带式免耕播种机的研究基本实现了农具液压动力装置、智能化种床制备及种子空间定位技术2 项技术突破。技术创新点：一是条带式种床装备技术，采用立式旋耕工作部件，对土壤的扰动少，更加符合保护性耕作技术的思想和要求；二是智能化种床制备和种子空间定位技术，通过土壤含水率实时控制播种深度和镇压强度，实现播种作业的智能化，有利于提高农机装备的技术水平和保证作业质量。总之，研制开发智能化条带式免耕播种机，为有机旱作农业发展和保护性耕作技术的实施提供了新型作业装备，不仅有利于提高农业机械化技术水平，而且有利于保护性耕作技术的推广和应用，为实现农业的可持续发展，提供了有力的技术保障。