免耕播种机关键件建模研究

2022-01-01彭立新罗红旗刘泽豪

农业技术与装备 2022年11期

彭立新，罗红旗，王硕，刘泽豪，杨彪

（北京工商大学人工智能学院，北京 102488）

保护性耕作是防止耕地水土及养分流失、土地沙漠化的有效耕作方式，免耕播种机是实现与推广保护性耕作的主要农机具之一。免耕播种机是在未经翻耕及预施肥的条件下一次性完成深松、破茬、开沟施肥与播种、覆土镇压等作业，最大程度减少对土地的翻动及破坏。多年实行免耕播种之后，可能导致犁底层土壤板结厉害，最终影响农作物产量。为了解决土壤板结问题，通过深松装置对土壤进行深松，松动耕层土壤，打破犁底层，达到增强土壤的透水性以及提高土壤抗旱抗灾能力的作用，随后将肥料施入合适的深度，再进行播种。

1 深松装置

1.1 深松铲分类及工作条件

深松铲按铲柄形状可分为直立深松铲、折线式深松铲、弧状深松铲等，按铲头形状可分为箭形深松铲、双翼形深松铲、凿形深松铲等。直线式深松铲结构简单，水平方向阻力大，容易刮附杂草造成堵塞，深松效果不好，消耗比较大；折线式深松铲深松效果较好，但拐点位置容易出现应力集中现象，磨损较严重，而且耕作阻力及土壤扰动量都较大；弧状深松铲深松效果较好，圆弧过渡使铲柄阻力减小，不易造成堵塞[1]。

铲尖的主要作用是破开犁底层坚硬的土壤，深松铲设计的主要目标是在满足耕作深度和耕作质量的情况下，尽可能降低工作阻力。铲柄部位需要设计合适的强度、尺寸、结构，最大限度地减少损耗，需要与机架有效连接。本设计中选取弧状深松铲柄和箭形深松铲头[2]。

1.2 深松铲的建模

1.2.1 深松铲铲柄的建模

铲柄的作用主要是连接整个深松铲部件与播种机机架，为深松铲的工作过程提供牵引力，满足支撑铲尖工作载荷的要求[3]。

（1）首先对铲柄的基本体进行建模，根据农艺条件以及参考农机设计手册确定铲柄的厚度为34 mm，草图的具体细节见图1。

图1 深松铲草Fig.1 Deep loose shovel grass

（2）根据厚度为34 mm的条件进行拉伸凸台操作生成铲柄的基本体，见图2。

图2 深松铲铲柄图Fig.2 Deep looseshovel handle picture

（3）考虑到铲柄前段需有60°分土刃，故选择采用扫描的方法生成。先画出轮廓线，见图3，再画出轮廓线并利用扫描功能生成分土刃，见图4。

图3 分土刃轮廓线Fig.3 The outline of the soil dividing edge

图4 分土刃Fig.4 Earth dividing blade

（4）虑到与深松铲铲头的配合问题，故在铲柄基本体的底部打2个φ11 mm的螺纹孔，见图5。

图5 铲柄螺纹孔Fig.5 Thread holefor shovel handle

（5）考虑到和机架的配合问题且满足深松铲入土高度可调节的需求，故在深松铲柄上顶端打4个φ11 mm的螺纹孔用于螺栓连接，见图6。

图6 高度调节螺纹孔Fig.6 Height adjustment thread hole

1.2.2 深松铲铲头的建模

（1）根据深松铲头的主要尺寸先粗略构建出地面形状拉伸出毛坯，见图7。

图7 铲头毛坯Fig.7 Rough shovel head

（2）以底面左顶点为基准，13°夹角构建基准面1并切出铲头的顶面，见图8。

图8 铲头顶面图Fig.8 Picture of the top of theshovel

（3）在基准面1上画草图并通过拉伸切除完成顶面的基本形状，见图9。

图9 铲头顶面形状Fig.9 Shape of the top of theshovel

（4）侧边与底面夹角为30°，故先构建30°的基准面2并进行切除见图10，再建立基准面3通过拉伸切除的成形到下一平面将剩余部分切除干净，见如图11。

图10 铲头基准面2Fig.10 Shovel head datum level 2

图11 基准面2Fig.11 Datum level 2

（5）因为本深松铲头为对称体，故通过镜像操作将另一半补齐，见图12。

图12 铲头顶面Fig.12 Top of shovel

（6）根据农艺要求倒圆角，见图13。

图13 铲头倒圆角Fig.13 Fillet the spatulahead

（7）考虑到中间打螺纹孔处的平板厚度为10 mm，故建立与基准面1平行且间隔为10 mm的基准面4，并画草图以及拉伸切除操作，见图14。

图14 铲头基准面4 Fig.14 Shovel head datum level 4

（8）最终打2个φ11 mm的螺纹孔用于与深松铲铲柄固定，见图15。

图15 铲头螺纹孔Fig.15 Shovel head thread hole

（9）通过螺栓连接将深松铲头与深松铲柄固定，见图16。

图16 铲头与铲柄固定Fig.16 The shovel head is fixed to the handle

2 开沟器装置设计与建模

2.1 播种传动系统设计

计算排种排肥轮轴的参数前需要确定种肥箱链轮的齿数，按照工作要求和工况条件，选用齿数Z=38的链轮。查机械设计手册，选用标准链号为05B的链条，其基本参数为：节距p=8 mm，排距pt=5.64 mm，齿宽b1=3 mm，排距p1=5.64 mm，滚子外径d1=5 mm，内链板高度h2=7.11 mm。

（1）分度圆直径：

（2）齿顶圆直径：齿顶圆直径最大值为：damax=d+1.25p-d1=96.88+1.28×8-5=102 mm，齿顶圆直径最小值为：d amin=d+综上取齿顶圆直径为100 mm。

（3）齿根圆直径：df=d-d1=96.88-5=91.88mm。

（4）分度圆弦齿高:分度圆弦齿高ha最大值为：hamax=2.67 mm，分度圆弦齿高最小值为：hamin=0.5*（p-d1）=0.5×（8-5）=1.5mm，取分度圆弦齿高为2 mm。

（5）最大齿根距离:最大齿根距离Lx为（偶数齿）：Lx=dd1=91.88 mm。

2.2 开沟器装置设计

常见的开沟器一般包括铲式、芯铧式、圆盘式[4]。铲式开沟器主要有锄铲式、翼铲式和船型铲式等形式，工作时能够将底层土壤翻到上层，并对两侧和前方土壤产生挤压形成垄沟；圆盘式开沟器有单圆盘式和双圆盘式，单圆盘式开沟时切出椭圆形的沟底，排种器配合圆盘运动将种子播入沟中，双圆盘式开沟器中2个圆盘的刃口在运动方向上交于一点，工作时依靠自身重力和弹簧压力入土形成种沟；芯铧式开沟器入土性能好，通过前棱和两侧之间的曲面处理耕地中的残茬，向两侧抛出。

由于免耕播种机是在未经翻耕的土地上进行作业，开沟器容易受到残留根茬的影响，造成堵塞，影响播种质量，因此选用破土效果相对较好的芯铧式结构。

2.2.1 芯铧式开沟器主体建模

（1）已知开沟器的幅宽为12 cm，斜切角为60°，故先于上视基准面绘制出底面草图见图17。