免耕播種機(jī)種肥開溝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

（保定理工學(xué)院,河北 保定 071000）

保護(hù)性耕作技術(shù)以培肥地力、蓄水保墑的優(yōu)勢(shì)得到了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大力推廣，免耕播種機(jī)是實(shí)現(xiàn)保護(hù)性耕作的重要機(jī)具。免耕播種機(jī)除要求具有較好的防堵性能外，還要求開溝器在地表堅(jiān)實(shí)的免耕茬地形成良好種床，避免因側(cè)向阻力過(guò)大出現(xiàn)側(cè)彎現(xiàn)象，影響播種機(jī)的正常作業(yè)。因此有必要對(duì)開溝器的結(jié)構(gòu)和工作性能進(jìn)行研究[1]。

1 免耕播種機(jī)開溝器的技術(shù)要求

在地表堅(jiān)實(shí)且有秸稈雜草覆蓋的基礎(chǔ)上，免耕播種機(jī)的開溝器必須具備較好的入土和開溝能力，有效防止秸稈雜草和玉米根茬對(duì)其堵塞；盡量減少動(dòng)土量，以便形成較好的種床。

針對(duì)免耕播種機(jī)開溝器的技術(shù)要求，筆者設(shè)計(jì)了一種弧形種肥分施開溝器，并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能分析[2]。

2 弧形種肥開溝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本開溝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用種、肥分離，施肥開溝器的前表面與防堵切刀的工作面的曲線度貼合，播種開溝器采用背靠背布置，結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種弧形種肥開溝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能防止雜草進(jìn)入防堵切刀和施肥開溝器的間隙，還可以防止播種開溝器出現(xiàn)掛草現(xiàn)象。

圖1 種肥開溝器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 弧形施肥開溝器工作參數(shù)的確定

2.1.1 種肥上下間距h的確定

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部保護(hù)性研究中心經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，種子與肥料的上下距離在3 cm以上時(shí)才可以避免燒種，因此本弧形種肥開溝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取兩者之間的上下距離為5 cm，滿足農(nóng)業(yè)農(nóng)村部推薦的種肥上下間距為3 cm～ 6 cm的要求。

2.1.2 種肥水平距離K的取值

施肥開溝器在拖拉機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下挖出溝槽，肥料順勢(shì)落入溝底，被挖出的土壤在自身重力和慣性作用下填入溝槽。為了保證種子和肥料間的上下距離達(dá)到5 cm，種肥開溝器底端水平距離K應(yīng)在20 cm左右，所以取K＝20 cm[3].

2.1.3 弧形施肥開溝器與防堵切刀的間隙e

施肥開溝器與防堵切刀之間的間隙是防止免耕播種機(jī)堵塞及影響其正常工作的主要參數(shù)。間隙值越小，秸稈或雜草越容易被切刀切斷?？紤]到免耕地面不平整，工作過(guò)程中免耕播種機(jī)的振動(dòng)等因素，本設(shè)計(jì)的弧形施肥開溝器與切刀之間的間隙設(shè)計(jì)為7 mm。

2.1.4 弧形施肥開溝器結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值

為了提高弧形施肥開溝器的切土能力，本施肥開溝器采用尖角型的結(jié)構(gòu)。

（1）弧形施肥開溝器彎曲半徑R

其中，R為弧形開溝器的彎曲半徑，R0為防堵切刀的回轉(zhuǎn)半徑。R0=250 mm。

由上式計(jì)算得R=257 mm

（2）弧形施肥開溝器入土角α的取值

圖2 施肥開溝器結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2所示，入土角即尖角型施肥開溝器上表面過(guò)尖角點(diǎn)的切線與水平面的夾角，是降低土壤阻力的主要參數(shù)[4]。

本次弧形施肥開溝器的入土角α設(shè)計(jì)為

（3）弧形施肥開溝器的截面尺寸

施肥開溝器的截面尺寸是保證開溝器承受工作阻力的重要參數(shù)。本施肥開溝器采用結(jié)構(gòu)尺寸為30 mm×50 mm的45號(hào)方形鋼。

（4）弧形施肥開溝器入土隙角ε的確定

如圖2所示，入土隙角為尖角型施肥開溝器下表面過(guò)尖角點(diǎn)切線與水平面的夾角。入土隙角一般為5°～10°[6]。本弧形施肥開溝器的入土隙角設(shè)計(jì)為7°。

2.2 尖角型施肥開溝器強(qiáng)度校核

尖角型施肥開溝器在工作過(guò)程中難免會(huì)因堅(jiān)硬的根茬或土壤使其承受較大側(cè)向力，久而久之使開溝器發(fā)生側(cè)向彎曲變形。

施肥開溝器在O點(diǎn)用U型螺栓與橫梁固定連接，工作過(guò)程中相當(dāng)于懸臂梁[5]，受力如圖3所示。

圖3 施肥開溝器鏟柄受力示意圖

施肥開溝器的尖角在工作過(guò)程中受到的力有前進(jìn)阻力F2，地下土壤給予的支反力F1，突發(fā)側(cè)向力N。原則上尖角型開溝器承受的左右兩側(cè)的側(cè)向力等效，開溝器不會(huì)發(fā)生側(cè)向彎曲，但是在免耕播種機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，開溝器的尖角某個(gè)側(cè)方向時(shí)常會(huì)碰到堅(jiān)硬的根茬或土塊，使得尖角承受較大的側(cè)向力，導(dǎo)致開溝器尖角發(fā)生側(cè)向彎曲，影響免耕播種機(jī)正常作業(yè)。根據(jù)短翼型尖角開溝器受到的土壤給予的支反力與前進(jìn)阻力均值之比為14.18/182.97，即F2約等于13倍的F1。故對(duì)施肥開溝器進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，土壤給予的支反力忽略不計(jì)，只需增大安全系數(shù)即可。

根據(jù)上述分析，施肥開溝器尖角在工作過(guò)程中主要承受前進(jìn)阻力F2和突發(fā)側(cè)向力N，施肥開溝器在二力作用下的剪力和彎矩圖如圖4、5所示。根據(jù)施肥開溝器的剪力和彎矩圖可以看出，開溝器的危險(xiǎn)截面在原點(diǎn)O處，即U型螺栓的固定點(diǎn)處。

尖角型施肥開溝器的總體尺寸參數(shù)如圖3所示a1=513 mm，a2=215 mm。查閱文獻(xiàn)資料，當(dāng)入土深度為6～11 cm時(shí)，每個(gè)開溝器的平均阻力為313.9～490.5 N。為了確保施肥開溝器具有較好的開溝性能，本校核弧形施肥開溝器承受的工作阻力取值為460 N。突發(fā)側(cè)向力取值N=2F（F為開溝器在堅(jiān)硬土壤行進(jìn)過(guò)程中的前進(jìn)阻力值約為946.8 N），由此可知突發(fā)側(cè)向力N=1893.6 N。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得45號(hào)方形鋼的許用應(yīng)力[σ]=300 MPa。

圖4 開溝器在F2作用下的剪力和彎矩圖

圖5 開溝器在N作用下的剪力和彎矩圖

為了更好地校核尖角型開溝器的作業(yè)性能，將其在工作過(guò)程中受到的前進(jìn)阻力和突發(fā)側(cè)向力單獨(dú)計(jì)算，分析尖角型開溝器危險(xiǎn)截面的安全性。

（1）當(dāng)尖角型開溝器單獨(dú)受前進(jìn)阻力作業(yè)時(shí)，建立如圖6所示坐標(biāo)系，其受力圖6所示。

圖6 開溝器受前進(jìn)阻力F2示意圖

圖7 開溝器截面尺寸示意圖

在垂直面XOY坐標(biāo)內(nèi)，施肥開溝器水平截面的慣性矩為

在前進(jìn)阻力作用下施肥開溝器的抗彎截面模量為

最大彎曲正應(yīng)力為

最大彎曲剪應(yīng)力為

（2）當(dāng)尖角型施肥開溝器單獨(dú)承受突發(fā)側(cè)向力時(shí)，受力如圖8所示。

在水平XOZ坐標(biāo)內(nèi),施肥開溝器水平截面的慣性矩為

在突發(fā)側(cè)向力作用下施肥開溝器抗彎截面模量為

最大彎曲正應(yīng)力為

最大彎曲剪應(yīng)力為

突發(fā)側(cè)向力對(duì)施肥開溝器造成彎曲變形也會(huì)使其產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)變形，無(wú)形中也增大了危險(xiǎn)截面的剪應(yīng)力，扭矩對(duì)施肥開溝器危險(xiǎn)截面造成的最大剪應(yīng)力為

其中，從材料力學(xué)表4.2選取。

故由彎曲剪應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力共同對(duì)施肥開溝器產(chǎn)生的最大值為19.55 MPa。

根據(jù)彎扭組合的第三強(qiáng)度理論，施肥開溝器危險(xiǎn)截面的最大組合應(yīng)力為

3 結(jié)論

該尖角弧形種肥開溝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅很好地完成了開溝、施肥、播種和覆土的功能，且弧形的巧妙設(shè)計(jì)也使得免耕播種機(jī)的防堵性能增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)主要受力部件弧形施肥開溝器的力學(xué)計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證其具有一定的工作裕量。即使承受瞬時(shí)增大的側(cè)向力也有足夠的抵抗能力，較好地滿足了種肥開溝器的使用要求。