24穴棉花精量穴播器的設(shè)計與研究

彭 勇，溫浩軍※，潘佛雛，楊海濤

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆科神農(nóng)業(yè)裝備科技開發(fā)股份有限公司）

0 引言

新疆因其獨(dú)特的地理位置，夏季日照時間長、氣溫高，成為中國棉花最大的種植基地[1]。棉花的播種是棉花種植過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，目前新疆棉花種植機(jī)械主要采用機(jī)械式和氣吸式精量穴播器[2～3]，氣吸式穴播器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易漏氣、耗能大；機(jī)械式穴播器結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、配套適應(yīng)性好，更適合新疆棉花種植發(fā)展的趨勢。但是，在目前常用的機(jī)械式穴播器中仍存在著卡種、漏種等現(xiàn)象，針對目前這一現(xiàn)狀，筆者設(shè)計了一種操作簡便、省時省力的24穴機(jī)械式精量穴播器。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

該機(jī)械式精量穴播器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有鴨嘴、主軸、充種器、穴拐臂、取種器、腰帶、穴播器殼等組成。

1.2 工作原理

穴播器工作時，種子在穴播器內(nèi)隨著腰帶轉(zhuǎn)動，在穴播器前進(jìn)過程中利用種子自身的重力和慣性，通過取種器上的穴窩眼拾取種子，達(dá)到精量播種的目的。

種子進(jìn)入充種腔后種子群由于重力的作用都聚集在穴播器的下部，在充種器的攪動下種子分布在取種器取種位置，穴播器整體轉(zhuǎn)動的過程中，種子落入取種器穴窩眼中，與定盤相配合的穴拐臂沿著定盤曲線面發(fā)生相對運(yùn)動，種子在自身重力和慣性的作用下迅速脫離取種器窩眼，落入播種鴨嘴中，隨后鴨嘴入土打孔種子落入種穴內(nèi)，完成播種過程。

圖1 精量穴播器機(jī)構(gòu)示意

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 取種器的設(shè)計

取種器是機(jī)械式精量穴播器實(shí)現(xiàn)精量播種的核心工作部件，其工作性能的好壞直接決定了穴播器播種質(zhì)量。

該新型取種器主要由穴拐臂、穴取種座、穴窩眼座、穴窩眼組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，取種器的底端截面呈V型狀，穴窩眼、穴拐臂通過穴窩眼座安裝于穴取種座上。

2.2 穴窩眼的設(shè)計

穴窩眼的大小可根據(jù)棉花種子的物理特性進(jìn)行設(shè)計分析，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，棉花種子平均直徑為4 mm，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 穴窩眼結(jié)構(gòu)

圖4 腰帶結(jié)構(gòu)示意

2.3 鴨嘴的設(shè)計

通過田間試驗(yàn)，將腰帶設(shè)計成如圖4所示的結(jié)構(gòu)形式，固定鴨嘴的成穴邊線與過鴨嘴根部的半徑成θ角，且θ在15°～25°時，具有良好的效果。穴播器在作業(yè)過程中滾動較平穩(wěn)，利于保證對棉種的投種精度，保證投種質(zhì)量，提高作業(yè)速度；鴨嘴出土過程中掛膜較小，通過性好，鋪膜效果較好。

3 三維建模

隨著CAD技術(shù)的迅速發(fā)展，SolidWorks可以通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化接口，非常簡便的將目前設(shè)計行業(yè)中幾乎所有的機(jī)械CAD軟件集成到本身的設(shè)計環(huán)境中來，也快速的被應(yīng)用于各行各業(yè)的三維設(shè)計中[4]。

3.1 穴播器虛擬樣機(jī)的建立

利用SolidWorks軟件建立了穴播器各個零部件，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

根據(jù)穴播器工作原理和已建立的零部件對其進(jìn)行裝配，獲得了穴播器整體三維模型如圖6所示。

3.2 穴播器虛擬樣機(jī)的干涉檢查

穴播器中如果有的零件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理或者裝配關(guān)系不對，將會存在零件之間的干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致后面的生產(chǎn)制造出現(xiàn)重大問題。這種現(xiàn)象往往因?yàn)榱悴考膫€數(shù)較多，我們?nèi)庋蹮o法觀察到，因此需要通過Solidworks零件裝配中的干涉檢查命令來用計算機(jī)檢查穴播器之間的裝配關(guān)系，確保穴播器安裝關(guān)系的正確性。

圖5 關(guān)鍵零部件三維模型

在Solidworks中完成穴播器的裝配后，在菜單欄中點(diǎn)擊“評估”→“干涉檢查”→“選擇裝配體”命令，點(diǎn)擊“確定”按鈕，如果存在零部件之間的干涉現(xiàn)象，需要重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的修改，再建立三維模型重新對裝配體干涉檢查。

圖6 穴播器三維模型

4 充種過程分析

棉花種子進(jìn)入種子室呈散粒狀分布，通過內(nèi)圈的帶動，在充種器的作用下種子匯集到充種區(qū)作半月形環(huán)流運(yùn)動。此時種子進(jìn)入取種器的方式主要有兩種[5～7]：（1）種子的自身重力、離心力及種子群的作用力共同作用下進(jìn)入取種器V型槽；（2）種子從最高點(diǎn)通過種子群平面到種子室直接進(jìn)入取種器。呈半月形環(huán)流分布的種子從最高點(diǎn)掉落時的角速度ki=0，離心力p=0，下落時種子在重力mg的作用下產(chǎn)生沖擊力Fi和種子的摩擦力Ff，進(jìn)入取種器種子的速度則為v，與種子大小有關(guān)：

式中 hi—種子環(huán)流被帶起的高度；s—種子的滑移長度；m—種子的質(zhì)量；ti—沖擊力Fi的作用時間；g—重力加速度。

5 結(jié)論

（1）針對現(xiàn)有的機(jī)械式棉花精量穴播器，利用棉花種子的物理特性設(shè)計了新型取種器，通過三維軟件Solidworks建立了穴播器三維虛擬模型，通過干涉檢查設(shè)計合理，所設(shè)計的穴播器，排種性能滿足新疆棉花膜上精量播種的農(nóng)藝要求。

（2）研究分析了穴播器充種作業(yè)的過程，種子主要有兩種方式進(jìn)入取種器，得出進(jìn)入速度與種子大小有關(guān)