同步仿形机构和镇压装置的设计

薛 荣

（山西省农业机械发展中心，山西太原 030000）

0 引言

2022年，农业农村部在16个省（自治区、直辖市）大力推广大豆玉米带状复合种植技术，扩大大豆种植面积，提升大豆产量。这项技术是根据大豆玉米生物特性差异进行套作，利用玉米边行优势，实现年际间交替轮作，适应机械化作业、作物间和谐共生的一季双收的种植模式。在山西省玉米大豆种植模式是2+3或2+4模式，行距、株距、播深与净作作业不同，因此与之配套的播种机通过改进设计要满足这些农艺要求。本文设计的同步仿形机构和镇压装置就是大豆玉米带状复合种植播种机单体的主要部件。

仿形机构是播种机的主要工作部件，其作用是保证播深的一致性，播深稳定与否影响种子的出苗率和禾苗的整齐度，从而影响作物的产量。农业机械常用的仿形机构有单铰链仿形机构、平行四连杆仿形机构、多杆双自由度仿形机构。单铰链仿形机构主要靠外力平衡，入土角随地表变化，播深不稳定；平行四连杆机构在起伏不大的田间作业深度比较稳定，入土角不变，结构简单；多杆双自由度仿形机构仿形量大、工作平稳，运动平缓，适合大型农机装备，特点是结构复杂，成本较高[1]。播种机的仿形机构分为整体仿形和单体仿形两种，整体仿形是以地轮为仿形部件，整机随地表起伏上下移动，单体仿形是每个播种机单体靠平行四连杆和仿形轮（限深轮或镇压轮）组合进行仿形。平行四连杆机构因造价低，性价比高，安装调整方便等优点得到广泛应用[2]。本机采用平行四连杆机构和限深轮组合进行单体仿形。

1 同步仿形机构的设计

1.1 平行四连杆仿形机构仿形轮配置分析

仿形轮设置在开沟器前面一定位置称之为前仿形，这种配置使开沟器的仿形运动总要落后仿形轮的仿形，形成仿形滞后。同理，仿形轮设置在开沟器后面会出现仿形超前。本机通过分析把仿形轮设置在开沟器两侧，形成同步仿形。

由于开沟覆土后的地表状况比未播种前变化小，常用的配置是仿形轮（一般是镇压轮）设置在开沟器之后，以此为例分析仿形超前产生的沟深误差。

图1中机具前进方向如箭头所示，粗实线为地表形状，虚线为开沟器行走的轨迹，开沟器行进在仿形轮之前。曲线AB为地表凸起，阴影部分为仿形超前所产生的误差区域。设定地面凸起的前后长度为S，仿形轮中心和开沟器铧尖的水平距离为W，图1（Ⅱ）为W大于等于S的一半时的误差示意图，图1（Ⅲ）为W小于S的一半时的误差示意图。

由图1可知，图1（Ⅱ）比图1（Ⅲ）的阴影水平距离大，即图1（Ⅱ）比图1（Ⅲ）的误差距离长，同时：

式中，Y为理论设计的开沟深度（mm）；

y为地面凸起的最大高度（mm）；

Y2为W大于等于S/2时形成的最小播深（mm）；

Y3为W小于S/2形成的最小播深（mm）。

Y3大于Y2说明图1（Ⅱ）比图1（Ⅲ）误差幅度大。由此可见，在仿形轮安装在开沟器之后产生仿形超前时，当地面凸起的最大高度y大于理论播深Y时，开沟器会在地表上方形成不入土的情况，而且W越小误差长度和误差幅度越小。

同理，在仿形轮安装在开沟器之前产生仿形滞后时，结论相同。当W接近零时效果最好，可形成图中粗实线和虚线始终平行，即达到同步仿形的效果。

1.2 同步仿形机构的结构和工作原理

同步仿形机构作为播种单体的播深控制机构，需满足仿形性能好、播深一致、调整方便、结构紧凑以及所播种作物的农艺要求。它的结构包括平行四连杆仿形机构、压力调节弹簧、仿形轮、双圆盘开沟器、播深调节装置和镇压装置（如图2所示）。

图2 同步仿形机构和镇压装置结构图

在机构的仿形过程中，仿形轮随地表起伏上下移动，带动圆盘开沟器和平行四连杆后杆相对悬挂架上下平移，同时，根据地表状况或土质松软程度用拉力弹簧调节所需要适度的压力，播深调节装置经过改变仿形轮和圆盘开沟器的相对位置来改变开沟深度。

1.3 平行四连杆仿形机构参数确定

为了保证仿形的稳定性和播深一致性，需确定合理的结构参数：初始牵引角α0，四个杆件的长度，横向宽度（如图3所示）。

图3 平行四连杆机构示意图

播种单体的仿形量大小主要根据播种前整地情况、地形以及实际农艺要求来确定[3]，一般情况下，上下仿形量各为80～120 mm，总仿形量H为上下仿形量之和：

式中，H1为上仿形量（mm）；

H2为下仿形量（mm），Ls为上杆长度（mm）；

Lx为下杆长度（mm）；

α为牵引角（°），α1为上仿形角（°）；

α2为下仿形角（°）。

由图3可知，在确定上下仿形量后，上下拉杆越长，牵引角α变化越小，单体上下摆动幅度就越小，反之亦然。即上下拉杆长度取值大时有利于播种单体的稳定性，但上下拉杆太长会使机具重心后移而破坏稳定性。一般播种单体初始牵引角α0的取值范围0～10°，下仿形角小于35°，上仿形角小于20°。

设初始牵引角α0=3°，α2=17°，下仿形量为100 mm。代入（5）得Lx=345.24 mm，取整数350 mm，因上下连杆相等Ls=350 mm。

验算（4）H1=103 mm，上仿形量符合80～120 mm的要求。

前后杆长度设计以互不干涉，符合整机布局为宜，确定前后杆长度为260 mm。经过试验连杆尺寸设计合理。

横向宽度的设计。横向宽度太窄会影响播种单体横向稳定性，左右摇摆影响行驶的直线性。当农艺要求行距较窄时，横向宽度在满足横向稳定时越窄越好。考虑到本机为大豆玉米带状复合种植播种机单体，大豆行距为300 mm，设定四连杆横向宽度200 mm。

1.4 双圆盘开沟器设计

1.4.1 双圆盘开沟器结构及工作原理

开沟器作为播种机的土壤工作部件，其开沟质量好坏是保证播种一致性的关键。双圆盘开沟器属于钝角开沟器，工作阻力小，不易缠草壅土，适宜作业速度较高的播种机，同时，双圆盘在开沟过程不乱土层，回土效果明显，本机采用双圆盘开沟器。

双圆盘开沟器主要有由开沟器体、圆盘、圆盘轴、轴承、轴承内挡、轴承外挡、防尘盖、导种管等组成。开沟器的两个圆盘呈夹角对称安装，圆盘边缘交点在前方偏下M点，如图4所示，工作时靠自重压力入土，边滚动边破茬切土，将土壤推挤向两侧，形成沟深一致、沟形平整的种沟，导种管将种子导入沟底，靠回土和塌下的土壤进行覆土。

图4 双圆盘开沟器示意图

1.4.2 双圆盘结构参数的确定

圆盘直径D、圆盘夹角φ和聚点M位置确定。圆盘直径减小，则开沟宽度减小，沟底的凸起小，比较平整，同时圆盘前面的漏土减少，整机的结构比较紧凑，但直径太小会造成圆盘转动不灵和壅土，会使工作阻力增加；直径太大则土壤扰动量大，造成工作阻力增大，同时直径太大使整机高度增加造成排种盘离地高度增大，影响排种稳定性。

圆盘夹角大小影响沟宽大小，夹角越大工作阻力越大，且沟底凸起越大，但夹角太小虽然工作阻力小，却影响输种管的安装。

聚点M位置用β角表示（如图4），β越小（M点越高）开出的沟宽越大，种沟中的凸尖越高；β太小，聚点M点降低，容易使土壤从聚点上面进入双圆盘中间，夹土和堵塞会增加轴承的磨损。M点高度应等于最大开沟深度为宜。

赵艳忠等[4]对双圆盘参数研究表明圆盘直径300 mm，圆盘夹角14°时播深稳定性最好。于慧春等[5]通过对双圆盘开沟器模拟和运动分析，结论是圆盘直径300～350 mm、圆盘夹角12～16°、β角为60～75°时效果最好，对照农业机械手册上册圆盘直径通常范围300～380 mm，圆盘夹角通常为9～16°，β角一般55～75°。确定D=340 mm，φ=14°，β=60°。

开沟宽度b 确定。开沟宽度由圆盘夹角大小、M点的高度及圆盘直径决定。如图4所示，设圆盘圆心分别为O1、O2，m1、m2圆盘与沟底接触点，e是m1在O1M连线上的投影点，同样f是另一个圆上的投影点。

式中，φ为两圆盘的夹角（°）；

D为圆盘直径（mm）；

β为位置角（°）；

b为开沟宽度（mm）。

导种管的确定。圆盘开沟器的特点是需配置导种管，导种管把种子输送到种沟内。导种管设计成曲线型，开口朝后，使种子在下落过程中向后滑动，使投种过程减少种子在落入种沟产生的弹跳滚动，当机具前进速度与种子落地的水平运动速度相等时抵消成零速投种，达到改善播种性能，提高播种均匀性的目的。

2 镇压装置的设计

播种机镇压轮通过压实土壤达到保墒和提墒的作用，镇压轮的类型有圆柱镇压轮、单肋镇压轮、分离镇压轮和双斜镇压轮等。本机采用双斜镇压轮。

本机设计的镇压装置由双斜镇压轮、连接杆和镇压调节装置组成（如图2所示）。

双斜镇压轮对土壤的压实度通过镇压调节装置进行控制，两个镇压轮之间合理倾斜角度和间隙形成较好的合沟效果，满足大豆和玉米播种时对土壤压力的不同需求。

3 结论

1）建立数学模型，分析得出同步仿形机构效果最好。确定本仿形机构上下杆长度为350 mm，前后杆长度为260 mm，初始牵引角为3°。

2）确定双圆盘开沟器圆盘直径340 mm，圆盘夹角14°，M点位置角为60°。

3）设计成压力可调双斜镇压轮可满足农艺要求。