偏心齒輪驅(qū)動(dòng)式玉米全膜雙壟溝播聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)

孫步功，石林榕，趙武云，孫 偉，孫友誼，吳建民

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

偏心齒輪驅(qū)動(dòng)式玉米全膜雙壟溝播聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)

孫步功，石林榕，趙武云，孫 偉，孫友誼，吳建民

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

針對傳統(tǒng)全膜覆蓋雙壟溝玉米播種存在播種效率低，易撕膜和掛膜，操作不方便等問題，設(shè)計(jì)一種集起壟、壓膜和播種為一體的聯(lián)合作業(yè)機(jī)。該機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)裝置由非圓齒輪連接的曲柄連桿機(jī)構(gòu)和圓柱齒輪連接的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，共同控制成穴器運(yùn)動(dòng)，提高了播種機(jī)播種的準(zhǔn)確度。田間試驗(yàn)表明，偏心齒輪驅(qū)動(dòng)式玉米全膜雙壟溝播聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)作業(yè)后相關(guān)指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)規(guī)范要求；同時(shí)以非圓齒輪的偏心率、非圓齒輪帶動(dòng)的曲柄與連桿長度的比值和切膜刀角為自變量，以膜孔擴(kuò)大率作為測試指標(biāo)，進(jìn)行多組田間試驗(yàn)，得出橢圓齒輪的偏心率e=0.1、非圓齒輪曲柄與連桿的長度比值k=0.05和切膜刀角α=31°最佳，此時(shí)膜孔擴(kuò)大率為1.22%。

聯(lián)合作業(yè)機(jī)；玉米；全膜雙壟溝播

全膜雙壟溝玉米栽培技術(shù)主要在干旱地區(qū)應(yīng)用推廣，它是在傳統(tǒng)覆膜技術(shù)上發(fā)展起來的一種新的種植方式，主要利于集雨、保墑和抗旱[1-6]。通過實(shí)地調(diào)研，干旱地區(qū)全膜雙壟溝種植是覆模后采用手持式點(diǎn)播槍、滾輪點(diǎn)播機(jī)以及帶有動(dòng)力裝置的槽輪垂直播種機(jī)和凸輪播種機(jī)播種。前兩種播種效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大；滾輪式播種器極易撕膜和挑膜；后兩種是播種機(jī)在膜上行走，易對膜造成傷害，錯(cuò)孔率高，不能滿足高效播種[7-11]。本文在對全膜雙壟溝播種機(jī)工作狀況和運(yùn)行原理深入研究的基礎(chǔ)上，將起壟、覆膜和播種集一臺機(jī)械進(jìn)行作業(yè)。動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用非圓齒輪帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和圓柱齒輪連接的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，共同控制成穴器運(yùn)動(dòng)，提高了成穴器的準(zhǔn)確度，并且加速度連續(xù)不產(chǎn)生剛性沖擊。以播種機(jī)主要工作參數(shù)作為自變量，試驗(yàn)測得不同因素組合條件下膜孔的擴(kuò)大率，采用響應(yīng)面分析法確定各因素及其交互作用對穴孔大小的影響，獲得最優(yōu)變量組合。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理和主要工作參數(shù)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

偏心齒輪驅(qū)動(dòng)式玉米全膜雙壟溝播聯(lián)合作業(yè)機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.種箱；2.窩眼輪播種器；3.導(dǎo)種管；4外齒輪；5.成穴器；6.壓膜輪；7.落地輪；8.旋土輪；9.起壟裝置；10.拉力座；11.萬向聯(lián)軸器；12.傳動(dòng)軸；13.輸送帶；14.薄膜套筒；15.減速器；16.窩眼

1.Seed box; 2.hole wheel seeder; 3.the duct; 4.external gear; 5.the spade; 6.a film pressing wheel; 7.landing wheels; 8.soil revolving wheel; 9.a ridging device; 10.pull force seat; 11.universal coupling; 12.the transmission shaft; 13.conveyor belt; 14.film sleeve; 15.reducer; 16.nest of eye

圖1 聯(lián)合作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of combined machine structure

1.2 工作原理

如圖1所示，整機(jī)通過掛結(jié)盒與拖拉機(jī)連接，作業(yè)時(shí)，由起壟裝置完成起壟。落地輪經(jīng)鏈條連接驅(qū)動(dòng)旋土輪旋轉(zhuǎn)，將旋土輪的一路土壤旋起，由輸土帶輸送到覆土裝置，土壤均勻地覆到地膜，縱向兩邊由鎮(zhèn)壓輪壓實(shí)。拖拉機(jī)經(jīng)萬向聯(lián)軸器和傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳送到差速器，差速器調(diào)節(jié)傳動(dòng)速度和轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)方向，推動(dòng)成穴器運(yùn)行，種子在種箱靠重力落入窩眼，差速器外部鏈輪(4)經(jīng)鏈條連接帶動(dòng)窩眼輪轉(zhuǎn)動(dòng)，窩眼輪排種經(jīng)導(dǎo)種管進(jìn)入成穴器，成穴器在運(yùn)動(dòng)過程中，其開關(guān)閥中受拉力座作用完成開啟和閉合。

1.3 主要工作參數(shù)

偏心齒輪驅(qū)動(dòng)式玉米全膜雙壟溝播聯(lián)合作業(yè)機(jī)的主要工作參數(shù)見表1。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 播種機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

播種機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。拖拉機(jī)的輸出轉(zhuǎn)軸經(jīng)萬向聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸連接，傳動(dòng)軸帶動(dòng)主動(dòng)錐齒輪旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)圓錐齒輪與從動(dòng)圓錐齒輪嚙合，從動(dòng)圓錐齒輪與圓柱齒輪同軸，動(dòng)力傳遞到圓柱齒輪，圓柱齒輪與過渡輪嚙合，經(jīng)過渡齒輪將動(dòng)力傳遞到圓柱齒輪，圓柱齒輪帶動(dòng)曲柄連桿運(yùn)動(dòng)，曲柄連桿帶動(dòng)成穴器的滑塊做豎直運(yùn)動(dòng)。圓柱齒輪與圓柱齒輪嚙合，圓柱齒輪與主動(dòng)非圓齒輪同軸，主動(dòng)圓柱齒輪與從動(dòng)非圓齒輪嚙合，帶動(dòng)曲柄連桿運(yùn)動(dòng)，曲柄連桿帶動(dòng)圓柱齒輪的軸和成穴器在導(dǎo)軌上做水平運(yùn)動(dòng)。計(jì)算傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確傳動(dòng)，調(diào)節(jié)兩曲柄連桿的開始角度，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確配合，最終達(dá)到垂直插入播種。該裝置由于采用非圓齒輪進(jìn)行穴播補(bǔ)償，較桿件機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，穴播桿慣性較小。

表1 聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.軸；2.主動(dòng)錐齒輪；3.從動(dòng)錐齒輪的同軸圓柱齒輪；4.滾渡輪；5.水平運(yùn)動(dòng)的圓柱齒輪；6.非圓齒輪的曲柄連桿；7.活動(dòng)支座；8.圓柱齒輪的曲柄連桿；9.導(dǎo)種管的滑塊；10.導(dǎo)種管；11.成穴器；12.限位開關(guān)；13.當(dāng)座；14從動(dòng)非圓齒輪；15.主動(dòng)非圓齒輪；16.主動(dòng)非圓齒輪的同軸圓柱齒輪；17從動(dòng)圓錐齒輪

1. Axial; 2.the active bevel gear; 3.the driven bevel gear coaxial cylindrical gear. 4.roll ferry; 5.the horizontal movement of the cylindrical gear; 6.non circular gear crank connecting rod; 7.support; 8.cylindrical gear of crank and connecting rod; 9.the duct slider; 10.the duct; 11.the spade; 12.limit switch; 13.when the seat; 14.driven non circular gear; 15.active non circular gear; 16.active non circular gear coaxial cylinder gear; 17.driven bevel gear

圖2 播種機(jī)成穴裝置

Fig.2 Device of seeding machine

2.2 成穴器

成穴器的運(yùn)動(dòng)是由非圓齒輪驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)和圓柱齒輪驅(qū)動(dòng)另一曲柄連桿機(jī)構(gòu)配合完成，實(shí)現(xiàn)成穴器在入膜到出膜階段水平絕對速度為零。兩曲柄連桿運(yùn)動(dòng)周期相同，角度配合準(zhǔn)確，達(dá)到成穴器入膜到出膜階段的水平速度與車前進(jìn)速度大小相等方向相反。若用s表示成穴器水平方向的移動(dòng)位移，則得：

(1)

(2)

(3)

(4)

圖3 周期內(nèi)曲線圖

Fig.3 Cycle curve

(5)

其中，式中c1,c2,c3,c4,k1,k2,k3,k4可由各段曲線光滑連接的邊界條件求得。兩非圓齒輪轉(zhuǎn)角θ1，θ2應(yīng)滿足下列約束要求：θ1=0時(shí)，θ2=0，s=0；θ1=θ1m時(shí)，θ2=π，s=2L1；θ1=2π時(shí)，θ2=0，s=0。由此可求得L1：

(6)

非圓齒輪的半徑和傳動(dòng)比：

(7)

(8)

設(shè)兩圓中心距O1O2=a，則兩個(gè)非圓齒輪節(jié)圓半徑r1、r2為：

(9)

通過以上計(jì)算得到在成穴器水平運(yùn)動(dòng)要求內(nèi)，設(shè)計(jì)兩非圓齒輪的尺寸和傳動(dòng)比，保證成穴器入膜和出膜階段內(nèi)水平絕對速度等于零，并且具有急回特性，無剛性沖擊，提高作業(yè)效率。

3 大田試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

全膜覆蓋雙壟溝玉米播種機(jī)非圓齒輪工作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)在甘肅省洮河拖拉機(jī)制造有限公司農(nóng)機(jī)裝備工程中心試驗(yàn)地進(jìn)行。試驗(yàn)地面積333.33 m2，地勢平坦，土壤為黃綿土，土壤含水率為12.2%～13.1%。試驗(yàn)地依照全膜雙壟溝農(nóng)藝技術(shù)要求進(jìn)行起壟鋪膜整地作業(yè)，覆膜厚度為0.008 mm，播種玉米種子為寧單12號，千粒質(zhì)量為368 g，含水率為11.8%，種子外形尺寸長×寬×高平均值為11.5 mm×9.4 mm×4.5 mm。

3.2 空穴率、穴粒數(shù)合格率、膜下播種深度合格率、壟寬和高、地膜采光面寬度測定

以樣機(jī)一個(gè)播幅為寬、播種株距為長的面積為1個(gè)作業(yè)小區(qū)，測定點(diǎn)為小區(qū)內(nèi)所有的穴孔，用鋼卷尺進(jìn)行人工測量、挑揀及垂直切開種床土壤相結(jié)合的作業(yè)方式獲取每個(gè)穴孔內(nèi)的種子粒數(shù)、最上層種子的覆土層厚度、穴孔錯(cuò)位個(gè)數(shù)。起壟試驗(yàn)按照鋪膜機(jī)作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)的評價(jià)及檢測方法[12]進(jìn)行測定。壟寬和壟高的平均值分別為72.41 cm和14.74 cm。覆膜試驗(yàn)按照NY/T 986-2006《鋪膜機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[13]進(jìn)行測定，沿對角線隨機(jī)等距離取5個(gè)測區(qū)，長度為10 m，隨機(jī)測定采光面寬度。采光面寬度在(膜寬-300 mm)～(膜寬-150 mm)范圍內(nèi)為合格。

式中，f為總膜孔個(gè)數(shù)(個(gè))；kh為空穴個(gè)數(shù)(個(gè))；Hk為空穴率(%)；lh為穴粒數(shù)合格穴數(shù)(個(gè))；Hl為穴粒數(shù)合格率(%)；bh為膜下播種深度合格穴數(shù)(個(gè))；Hb為膜下播種深度合格率(%)；Sa為采光面寬度合格率(%)；N1為采光面寬度合格點(diǎn)數(shù)(個(gè))；N2為采光面寬度總測點(diǎn)數(shù)(個(gè))。

分別以每10個(gè)作業(yè)小區(qū)的測定平均值為測試結(jié)果。

表2 田間播種性能試驗(yàn)結(jié)果

按照NY/T 987—2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[13]標(biāo)準(zhǔn)對播種機(jī)作業(yè)性能的要求，測定計(jì)算玉米全膜覆蓋雙壟溝播種機(jī)膜上播種后膜孔的大小。整機(jī)運(yùn)行速度是1.38 m·s-1，以播種株距400 mm×12的長度為1個(gè)測定小區(qū)長度，應(yīng)用鋼卷尺進(jìn)行人工測量、挑揀相結(jié)合的作業(yè)方式獲取膜孔大于標(biāo)準(zhǔn)膜孔直徑1/4及以上的膜孔個(gè)數(shù)和播種總膜孔數(shù)，以3個(gè)作業(yè)小區(qū)的測定平均值為測試結(jié)果。膜孔擴(kuò)大率計(jì)算式為：

式中，Y為大于標(biāo)準(zhǔn)膜孔1/4的概率(%)；A為作業(yè)小區(qū)內(nèi)大于標(biāo)準(zhǔn)膜孔1/4的膜孔個(gè)數(shù)；B為作業(yè)小區(qū)內(nèi)測定總膜孔。

3.3 膜孔擴(kuò)大率

非圓齒輪的偏心率e對滑塊速度的影響：隨著偏心率的增大，滑塊速度波動(dòng)也較大。在e=0.1附近，滑塊速度比較平穩(wěn)，穩(wěn)定區(qū)的速度為1.38 m·s-1；非圓齒輪曲柄與連桿長度比值k對滑塊速度的影響：隨著曲柄連桿比值k的增加，滑塊速度波動(dòng)也較大。在k=0.05附近，滑塊速度變化比較平穩(wěn)，穩(wěn)定區(qū)的速度為1.38 m·s-1；切膜刀角α對膜孔的影響：隨著切膜角α的變化，膜孔的擴(kuò)大率有變化。在α=31° 附近，膜孔的擴(kuò)大率最小。

4 結(jié) 論

1) 全膜雙壟溝聯(lián)合作業(yè)機(jī)集起壟、覆膜和播種于一體。由齒輪嚙合經(jīng)兩曲柄連桿配合驅(qū)動(dòng)成穴器運(yùn)行，提高了成穴器運(yùn)行準(zhǔn)確度和整機(jī)作業(yè)效率。

2) 田間試驗(yàn)表明，偏心齒輪驅(qū)動(dòng)式玉米全膜雙壟溝播聯(lián)合作業(yè)機(jī)的種子破碎率為0.2%，空穴率為1.1%，穴粒數(shù)合格率為93.2%，膜下播種深度合格率為90.1%，穴位錯(cuò)孔率為0.3%，采光面寬度合格率93.1%，相關(guān)指標(biāo)均達(dá)到了NY/T 987—2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[13]評價(jià)技術(shù)規(guī)范要求。同時(shí)，試驗(yàn)表明：當(dāng)橢圓齒輪的偏心率e=0.1、非圓齒輪曲柄與連桿的長度比值k=0.05和切膜刀角α=31°最佳，此時(shí)膜孔擴(kuò)大率為1.221%。

[1] 楊祁峰，劉廣才，熊春蓉，等．旱地玉米全膜雙壟溝播技術(shù)的水分高效利用機(jī)理研究[J]．農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2010，31(1):113-116．[2] 劉廣才，楊祁峰，段禳全，等．甘肅發(fā)展旱地全膜雙壟溝播技術(shù)的主要模式[J]．農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2008，29(5)：629-632．

[3] 魏宏安，邵世祿．垂直插入式小麥覆膜穴播機(jī)的研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2001，32(6):34-37．

[4] 趙建托，趙武云，任顏華，等．玉米全膜覆蓋雙壟溝播機(jī)直插式播種裝置設(shè)計(jì)與仿真[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(10)：40-43.

[5] 趙武云，吳建民，王芬娥，等．旱地玉米全膜覆蓋雙壟溝播精密播種機(jī)：中國，200910022858.7[P]．2011-07-20．

[6] Canakci M, Karayel D, Topakci M, et al. Performance of a no-till seeder under dry and wet soil conditions[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2009,25(4):459-465．

[7] Goswami G, Chakraborty S, Chaudhuri S, et al. Optimization of process parameters by response surface methodology and kinetic modeling for batch production of canthaxanthin by dietzia maris NIT-D[J]. Bioprocess Biosyst Engineering, 2012,35(8):1375-1388.

[8] 戴 飛，趙武云，唐學(xué)鵬，等．旱地玉米全膜覆蓋雙壟溝精良播種機(jī)參數(shù)優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(增刊1)：39-45.

[9] 易軍鵬，朱文學(xué)，馬海樂．牡丹籽油超聲波輔助提取工藝的響應(yīng)面法優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(6)：103-110．

[10] 趙 凡．旱地玉米全膜覆蓋雙壟面集雨溝播栽培技術(shù)[J]．甘肅農(nóng)業(yè)科技，2004，(11)：22-23．

[11] 孫 偉，吳建民．鴨嘴式成穴器的選型與研究[J]．甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，44(5)：140-142．

[12] 馮文華．鋪膜機(jī)作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)的評價(jià)及檢測方法[J]．農(nóng)機(jī)使用與維修，2012，5：47-49.

[13] 程興田，王天辰，潘衛(wèi)云，等.NY/T 987—2006.鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量[S]．北京：中華人民共和國農(nóng)業(yè)部，2006．

Design of eccentric gear driving whole film double furrow sowing corn combine harvester

SUN Bu-gong, SHI Lin-rong, ZHAO Wu-yun, SUN Wei, SUN You-yi, WU Jian-min

(CollegeofEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

In the light of problems of traditional full film coverage double furrow sowing maize having low seeding efficiency, easy tearing film, the biofilm formation and inconvenient operation, a jointing ridging, film, and seeding operation machine was designed. The power transmission device of the machine was connected with a crank connecting rod mechanism which was connected by a noncircular gear and a crank connecting rod mechanism connected with a cylindrical gear. Test experiment showed eccentric gear drive type of maize in the whole film double furrow sowing combined operation machine working related indicators have reached machine operation requirements. Also saw non circular gear eccentric rate, non circular gear driven crank and connecting rod length ratio and cutting membrane knife angle as independent variables, film hole enlargement rate as index for testing. The results indicated that it was the best when the elliptic gear eccentricity(e), non circular gear crank and connecting rod length ratio(k) and cutting membrane knife angle(alpha) was 0.1, 0.05 and 31°, respectively, while the film hole expansion rate was 1.22%.

combined machine; maize; the whole film double furrow

1000-7601(2017)04-0296-05

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.45

2016-04-20

國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201503124)；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)青年導(dǎo)師基金資助項(xiàng)目(GAU-QNDS-201303)

孫步功(1971—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)工程研究。 E-Mail：sunbg@gsau.edu.cn。

吳建民，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械化保護(hù)性耕作技術(shù)及機(jī)具研究。 E-mail：wujm@gsau.edu.cn。

S223.2+4

A