小籽粒蔬菜精密播種機(jī)部件的設(shè)計(jì)

張全貴

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

蔬菜種植機(jī)械化在我國(guó)尚處在發(fā)展階段，現(xiàn)今市場(chǎng)上蔬菜穴播機(jī)較多，精密播種機(jī)少。在蔬菜規(guī)模種植區(qū)，機(jī)械化需求更迫切，隨著勞動(dòng)力成本的增加和人們對(duì)蔬菜精播認(rèn)識(shí)水平的提高，蔬菜精密播種的研發(fā)成為大勢(shì)所趨。

精密播種省種省工、播種均勻而且效率高，精密播種機(jī)按排種器可劃分為機(jī)械式和氣力式。蔬菜種子小且易吸附，采用氣吸式排種器為宜。同時(shí)，農(nóng)藝上對(duì)蔬菜播種的要求和大田其他作物不同，特別是播種深度和覆土鎮(zhèn)壓，本文對(duì)靴式開溝器和轎式鎮(zhèn)壓仿形裝置進(jìn)行了分析。

1 靴式開溝器的設(shè)計(jì)

1.1 開溝器的特點(diǎn)

精密播種機(jī)的播種精度不僅和排種器的性能、機(jī)具的前進(jìn)速度有關(guān)而且和開溝器的性能有較大關(guān)系。靴式開溝器特點(diǎn)：土壤阻力向上有分力；開溝時(shí)把表土向下及兩側(cè)擠壓使種溝緊壓，種溝淺而窄；要求播前整地質(zhì)量高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用淺播。根據(jù)對(duì)蔬菜種植溝的要求結(jié)合蔬菜播前整地狀況較好的情況，采用鈍角的靴式開溝器。

1.2 靴式開溝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靴式開溝器由靴式開溝器刀、側(cè)板、連接銷、加強(qiáng)板和連接板組成。其工作原理是刀刃以鈍角入土開溝，經(jīng)兩側(cè)板向兩側(cè)擠壓土壤形成種溝，兩側(cè)板的寬度決定了種溝的寬度，除了開溝裝置整體調(diào)整可調(diào)播深外，也可把開溝器刀換方向裝配，開溝深度可進(jìn)行5 mm深差調(diào)節(jié)。

1.3 開溝器刀的設(shè)計(jì)

1.3.1 刃口曲線的確定

如圖1所示，開溝器刃口曲線由3部分組成，直線AB，圓弧BC和直線CD。開溝器前進(jìn)方向如圖箭頭所指方向，在工作過(guò)程中對(duì)土壤是滑切，滑切部分在BC段?；薪鞘侵盖€上的點(diǎn)的法線與前進(jìn)方向的夾角，摩擦角是指曲線上的點(diǎn)的法線與垂直方向的夾角，工作阻力是隨著滑切角的增大而減小隨著摩擦角的增大而增大，設(shè)B點(diǎn)的滑切角是曲線BC的最終滑切角α，C點(diǎn)的滑切角是曲線BC的起始滑切角β，那么從圖中可以看出β到α滑切角逐漸增大。

圖1 開溝器刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Thestructure diagram of ditcher cutter

1.3.2 開溝器刀主要參數(shù)確定

如圖1所示，在開溝器的平面設(shè)計(jì)中，確定D' D//AB，AA' //CD。

由圖可知：

D'D，AA' 為開溝器刀兩端橫斷面的投影線，A'D' 為開溝器刀與側(cè)板結(jié)合的面的投影線，AB，CD為刃口曲線的直線段，θ1，θ3為開溝器刀兩端橫斷面與開溝器刀和側(cè)板結(jié)合的面之間的夾角，θ2為開溝器刀與側(cè)板結(jié)合的面與前進(jìn)方向的夾角，β′為直線CD段的滑切角。

設(shè)計(jì)θ1=θ2=θ3=35°，AB=35 mm，CD=40mm，圓弧BC半徑為112 mm，則β' 為20°，β大于23°。試驗(yàn)得摩擦角是23°，當(dāng)滑切角大于摩擦角時(shí)才能產(chǎn)生滑切，則圓弧BC段是滑切工作。設(shè)計(jì)H1為12 mm，H2為18 mm，截面見圖1。

2 轎式鎮(zhèn)壓仿形裝置

2.1 蔬菜播種農(nóng)藝要求

蔬菜播種技術(shù)很精細(xì)，一是覆土要求，覆土厚度由種子的大小和發(fā)芽時(shí)期長(zhǎng)短來(lái)決定，較小的種子頂土力比較弱，不易出苗，應(yīng)適當(dāng)淺覆土。蔬菜種子適宜的覆土厚度為0.5～2cm，覆土過(guò)淺，畦面表土容易失水變干引起種子落干，覆土過(guò)深，種子出苗晚，出苗率降低。二是鎮(zhèn)壓要求，對(duì)播種機(jī)而言，在質(zhì)地疏松的土壤前后鎮(zhèn)壓，前鎮(zhèn)壓有利于精確控制播種深度，后鎮(zhèn)壓使種子與土壤接觸緊密，有利于種子吸水發(fā)芽?？傊卟朔N子較小，采用前后的轎式鎮(zhèn)壓裝置，既能控制播種深度，也通過(guò)減少水分散失和提墑保證種子所處的土壤淺表保持濕潤(rùn)狀態(tài)。

2.2 轎式鎮(zhèn)壓仿形分析

播種機(jī)的仿形分為整體仿形和單體仿形，整體仿形就是地輪仿形；單體仿形是指限深輪或鎮(zhèn)壓輪仿形。依據(jù)農(nóng)藝要求，本蔬菜播種機(jī)采用前后鎮(zhèn)壓仿形裝置。

前后鎮(zhèn)壓仿形機(jī)構(gòu)包括前鎮(zhèn)壓輪、平行四連桿機(jī)構(gòu)、開溝器、后鎮(zhèn)壓輪。工作過(guò)程中開溝器的上下運(yùn)動(dòng)和平行四連桿一致，都依靠前后鎮(zhèn)壓輪的復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)仿形。當(dāng)播種機(jī)工作平穩(wěn)時(shí)，前后鎮(zhèn)壓輪在同一平面上，當(dāng)后鎮(zhèn)壓輪遇到地表起伏而前鎮(zhèn)壓輪平穩(wěn)前進(jìn)時(shí)，開溝器及四連桿并不是平行后鎮(zhèn)壓輪上升或下降，而是部分上升或下降，直到起伏結(jié)束，恢復(fù)平穩(wěn)；同理，當(dāng)前鎮(zhèn)壓輪起伏而后鎮(zhèn)壓輪平穩(wěn)時(shí)，也是播深相對(duì)穩(wěn)定。在上坡時(shí)前鎮(zhèn)壓輪逐漸升起，開溝器不是隨著同水平升起，而是形成一定的升起趨勢(shì)，直到后鎮(zhèn)壓輪也進(jìn)入上坡地段，然后所開溝底與地表平行，下坡過(guò)程正好相反，也可達(dá)到溝底與地表平行。

2.3 轎式仿形鎮(zhèn)壓裝置受力分析

轎式鎮(zhèn)壓仿形裝置在工作平穩(wěn)時(shí)，受力平衡。如圖2所示，P為牽引力，G為播種機(jī)單組重力，F(xiàn)為開溝器的工作阻力，Q1、Q2、Q3分別為土壤對(duì)前鎮(zhèn)壓輪、穩(wěn)種輪、后鎮(zhèn)壓輪的支持反力。

圖2 轎式鎮(zhèn)壓仿形裝置受力示意圖Fig.2 The force diagram of sedan chair type profiling device

設(shè)機(jī)具前進(jìn)方向和X軸方向一致，Px，Py分別是牽引力在XY平面內(nèi)X，Y方向上的分力，F(xiàn)x、Fy分別是土壤對(duì)開溝器的阻力在XY平面內(nèi)X，Y方向上的分力，Q1x、Q1y分別是土壤對(duì)前鎮(zhèn)壓輪在XY平面內(nèi)X，Y方向上的分力，Q2x、Q2y分別是土壤對(duì)穩(wěn)種輪在XY平面內(nèi)X，Y方向上的分力，Q3x、Q3y分別是土壤對(duì)后鎮(zhèn)壓輪在XY平面內(nèi)X，Y方向上的分力。則轎式鎮(zhèn)壓仿形裝置在XY平面的受力平衡條件如下

由（4）（5）可得

公式（6）（7）表明，當(dāng)單組重力一定，機(jī)具工作平穩(wěn)時(shí)，土壤對(duì)鎮(zhèn)壓輪和穩(wěn)種輪的支反力和牽引力P、土壤對(duì)開溝器的阻力F有關(guān)，阻力F越大支反力越小，反之亦然。同時(shí)Q1，Q3不能為零，否則不起鎮(zhèn)壓作用，Q2也一樣，這就要求機(jī)具有一定的重力G，但重力G也不能太大，太大會(huì)造成下陷量增大，支撐反力Q1，Q2，Q3增大，增加了牽引力P。

2.4 轎式鎮(zhèn)壓仿形裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

轎式鎮(zhèn)壓仿形裝置由平行四連桿、前鎮(zhèn)壓輪、穩(wěn)種器、后鎮(zhèn)壓輪及鎮(zhèn)壓輪連桿等組成。穩(wěn)種器包括穩(wěn)種輪、V型板、彈簧及調(diào)節(jié)桿等部件。

機(jī)具作業(yè)時(shí)，當(dāng)后鎮(zhèn)壓輪隨地表起伏，前鎮(zhèn)壓輪平穩(wěn)前進(jìn)，開溝器會(huì)產(chǎn)生上下移動(dòng)但不會(huì)過(guò)敏（指后鎮(zhèn)壓輪同比例運(yùn)動(dòng)），同時(shí)鎮(zhèn)壓輪連接桿離地間隙增大，穩(wěn)種輪在彈簧力作用下繞鉸點(diǎn)O1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，穩(wěn)種輪繼續(xù)給土壤一定壓力起到穩(wěn)種作用，如圖3（a）。當(dāng)前鎮(zhèn)壓輪隨地表起伏，后鎮(zhèn)壓輪平穩(wěn)前進(jìn)，同理如圖3（b）。當(dāng)整個(gè)單組處于下坡地段，前后鎮(zhèn)壓輪和鎮(zhèn)壓輪連接桿繞鉸接點(diǎn)O2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，開溝器播深相對(duì)變大，同時(shí)調(diào)節(jié)桿上的彈簧被壓縮，在彈力作用下，穩(wěn)種輪繞O1點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，壓實(shí)力度相對(duì)增大，如圖3（c）。反之在上坡地段，播深相對(duì)變淺，穩(wěn)種輪壓實(shí)力度相對(duì)減小，如圖3（d）。

圖3 穩(wěn)種器工作示意圖Fig.3 The working diagram of seed stabilizer

鎮(zhèn)壓輪由分離輪圈和橡膠圈組成圓柱空心彈性鎮(zhèn)壓輪，中空的鎮(zhèn)壓輪給地面的壓力與地面成傾角使兩邊土壤向中間靠，中間土壤較松，有利于種子出苗和保墑。橡膠圈受壓后產(chǎn)生彈性變形后恢復(fù)原狀，對(duì)土壤壓力比較恒定，同時(shí)，橡膠和金屬之間在作業(yè)時(shí)相對(duì)變形，利于脫土。

本轎式鎮(zhèn)壓仿形裝置采用前后鎮(zhèn)壓，中間加裝穩(wěn)種器符合蔬菜種子小播種要求精細(xì)的農(nóng)藝要求。

3 結(jié)論

合理設(shè)計(jì)開溝器刃口曲線，使曲線上的滑切角大于23°形成滑切；開溝器刀安裝方向變化可以進(jìn)行5 mm播深調(diào)整。

蔬菜種子小宜淺播，轎式鎮(zhèn)壓仿形裝置的前鎮(zhèn)壓有利控制播深，后鎮(zhèn)壓可以保水或提墑，鎮(zhèn)壓輪為錐面分離輪圈外緊套橡膠圈，形成土壤向中間凸出，中間較松兩邊緊，利于出苗和保墑。前后鎮(zhèn)壓輪中間加裝穩(wěn)種輪，經(jīng)過(guò)彈簧作用，調(diào)節(jié)力度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)種功能。