雙U型棉花精量播種機設(shè)計與試驗*

盧宇，蔣延金，陳立東，杜清華，李國昉，杜福根

(1. 河北科技師范學(xué)院機電工程學(xué)院，河北秦皇島，066000；2. 河北永發(fā)鴻田農(nóng)機制造有限公司，河北唐山，063500)

0 引言

河北是我國的棉花種植大省，種植面積和總產(chǎn)量常年位居全國第二，其中主要集中種植在衡水、邯鄲、滄州、邢臺等地[1]。目前，河北省棉花機械化收獲面積還不足種植面積的1%，機收率低，棉花種植生產(chǎn)全程機械化已經(jīng)達到“瓶頸”時期，影響的主要因素是農(nóng)機與農(nóng)藝結(jié)合程度差，適合于機采棉的棉花播種機匱乏。

針對此現(xiàn)狀，國內(nèi)研究工作者研發(fā)了一系列的棉花播種機。如顏丙新[2]研發(fā)的2BMM-3免耕粉碎滅茬精量棉花播種機，該機裝有秸稈粉碎裝置和單體仿形機構(gòu)，可以在麥茬地里直接播種，實現(xiàn)了麥茬地里播種深度一致的目標；張愛民等研究的2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機采用一膜三行的種植模式，作業(yè)工序多，減少了棉花的種植成本；安軍鵬等[3]研究的多功能棉花覆膜播種機結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，機架可折疊方便運輸，工作性能穩(wěn)定，作業(yè)效率高。但符合農(nóng)藝要求的全膜雙U型棉花播種機還未見報道。

全膜壟溝播種可以達到節(jié)水、集水的目的，精量播種可以節(jié)省種子和提高種子的出苗率，達到增產(chǎn)的目的[4-5]。因此，本文研發(fā)了一種雙U型棉花精量播種機，對勺輪鴨嘴式精量排種器和提土覆土裝置進行設(shè)計與分析；應(yīng)用ANSYS軟件對排種器的成穴機構(gòu)進行靜力學(xué)分析，對提土覆土裝置的傳動軸進行模態(tài)分析；最后對精量播種機進行了田間試驗。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

雙U型棉花精量播種機主要由機架、行走輪、提土覆土裝置、藥箱、種箱、肥箱、開溝器、勺輪鴨嘴式排種器、鎮(zhèn)壓輪、滴灌帶架、滴灌帶開溝器、土壤平整裝置、變速箱等部件組成，如圖1所示。

作業(yè)時開溝器開出肥溝，行走輪通過鏈傳動帶動槽輪式排肥器經(jīng)排肥管進行側(cè)深施肥，土壤平整裝置除保證作業(yè)深度外還對土壤進行整平，機組利用滴灌帶鋪設(shè)裝置進行鋪滴灌帶，設(shè)置在機架上的藥箱通過藥管經(jīng)由噴頭對土壤進行除草打藥，拖拉機提供的動力經(jīng)過變速箱傳遞給提土覆土裝置，提土裝置的挖土勺進行土壤的挖掘以形成雙U型種床，覆土裝置的絞龍進行土壤的傳送并把土壤覆蓋在種溝和地膜的邊緣，勺輪鴨嘴式排種器在U型種床上進行精量播種，最后經(jīng)過鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓。該機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 雙U型棉花精量播種機Fig. 1 Double U type cotton precision seeder1.鎮(zhèn)壓輪 2.種箱 3.滴灌帶 4.滴灌帶架 5.機架 6.藥箱7.肥箱 8.三角懸掛架 9.變速箱 10.開溝器 11.行走輪12.滴灌帶開溝器 13.土壤平整裝置 14.滴灌帶導(dǎo)向輪15.地膜 16.提土覆土裝置 17.地腳 18.排種器

表1 雙U型棉花精量播種機的主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of double U typecotton precision seeder

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 排種器設(shè)計

排種器作為播種機上的重要部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性直接影響著排種器的排種性能[6-7]。本機采用自主研發(fā)的勺輪鴨嘴式排種器，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。排種器投種的工作過程如圖3所示。

排種器半徑的大小影響排種器的排種質(zhì)量和排種效率[8]。合適的半徑對于成穴機構(gòu)的個數(shù)以及尺寸有著重要的作用，可以提高播種的質(zhì)量和棉花的產(chǎn)量。如果排種器的半徑過大，重量也會隨之增加，會使整機的重量增加給運輸和安裝帶來一定的弊端，同時成穴機構(gòu)需要的強度會增大；若排種器的半徑減小則排種器上成穴機構(gòu)的數(shù)量就會減小，還會導(dǎo)致排種器的作業(yè)性能大大降低[9]。查閱資料可得：排種器的半徑應(yīng)該在160～300 mm之間，成穴個數(shù)與排種器的半徑存在下列關(guān)系式

(1)

式中：n——排種器上成穴機構(gòu)的個數(shù)；

l——播種的株距，mm；

R——排種器的半徑，mm。

本文設(shè)計的排種器的成穴個數(shù)n=15，播種株距l(xiāng)=100 mm，計算得出R=214 mm，即排種器的半徑為214 mm。

(a) 排種器主視圖

(b) 排種器剖視圖圖2 排種器結(jié)構(gòu)簡圖Fig. 2 Structure diagram of seed metering device1.種盒 2.殼體 3.定鴨嘴 4.動鴨嘴 5.鴨嘴壓簧 6.滾動盤27.螺栓 8.隔板 9.導(dǎo)種輪 10.取種勺 11.排種器蓋12.接種杯 13.滾動盤1 14.滾動軸 15.滾動盤固定座

圖3 排種器投種工作過程Fig. 3 Seed feeding process of seed metering device

在理想條件下排種器為純滾動的運動狀態(tài)，但在實際的作業(yè)過程中排種器的運動并非純滾動，而是有一定的滑移運動?；屏康拇笮≈苯佑绊懼喿焓欠駮赌ぃ屏康拇笮】梢酝ㄟ^鴨嘴重合度的大小來決定[10]。因此，可以通過計算重合度的大小判斷是否會出現(xiàn)扯膜。排種器的鴨嘴重合度是指從固定鴨嘴剛剛?cè)胪恋絼峪喿旒磳⒊鐾了D(zhuǎn)動的角度與排種器兩相鄰鴨嘴中心所對應(yīng)的夾角之比，如圖4所示。

圖4 重合度簡圖Fig. 4 Diagram of coincidence degree

圖4中A為定鴨嘴入土點；B為成穴機構(gòu)在排種器正下方的點；C為動鴨嘴出土點；θ1為定鴨嘴與B點之間的夾角；θ2為動鴨嘴與C點之間的夾角。由圖4可知：θ1<θ2，則(θ1+θ2)>2θ1，所以假設(shè)

(2)

式中：h——播種深度。

排種器上兩相鄰鴨嘴中心所對應(yīng)的夾角θ0，與排種器上安裝的鴨嘴個數(shù)有關(guān)，所以排種器上鴨嘴的重合度計算公式為

(3)

(4)

將式(2)和式(3)代入式(4)可得

(5)

由式(5)可知：排種器鴨嘴的重合度e與排種器的半徑R、播種深度h以及成穴機構(gòu)的個數(shù)n有關(guān)系，代入數(shù)值計算可得e=2.2，即e>1，所以實際工作中emax>e，滿足行業(yè)的設(shè)計標準。

因此，排種器在工作過程中最大限度的減小滑移量則會降低成穴機構(gòu)發(fā)生撕膜、挑膜的現(xiàn)象，保證了該機的播種質(zhì)量。

2.2 提土覆土裝置設(shè)計

提土覆土裝置是全膜雙壟溝精量播種機聯(lián)合作業(yè)的關(guān)鍵工作部件[11-12]，主要由提土裝置、覆土裝置以及傳動系統(tǒng)等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 提土覆土裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Structure diagram of soil lifting and covering device1.分土箱 2.觀察孔 3.傳動軸 4.側(cè)板 5.挖土勺 6.機架7.螺栓 8.鏈條 9.從動軸 10.下護板 11.護土板12.出土口1 13.螺旋覆土裝置 14.出土量調(diào)節(jié)板15.出土口2 16.導(dǎo)向板

工作過程：當精量播種機開始作業(yè)時，拖拉機把動力經(jīng)過變速箱傳遞到提土覆土裝置。提土裝置完成土壤挖掘并傾斜輸送，當土壤輸送到螺旋覆土裝置后，再進行覆土或向一側(cè)推送，使得土壤在出土口處滑落，并均勻鋪灑在地膜上，其出土量的大小可以由出土量調(diào)節(jié)板根據(jù)不同的土量需求調(diào)整合適的出土口大小；地膜兩端的出土口可以根據(jù)不同的地膜寬度調(diào)整一定的出土角度，提高地膜的通用性。

2.2.1 挖土勺的運動分析

在從動軸處建立直角坐標系，從動軸的軸心為坐標原點。將機組前進的方向設(shè)為X軸的負方向，豎直向上為Y軸的正方向，挖土勺繞著從動輪逆時針轉(zhuǎn)動。設(shè)挖土勺外邊緣上一點為A(x，y)，因為播種機的前進速度和挖土勺的旋轉(zhuǎn)速度都是勻速，所以挖土勺上A點的運動軌跡方程可用方程表示

(6)

式中：R1——挖土勺上A點到從動軸的最大回轉(zhuǎn)半徑，m；

v——播種機的前進速度，m/s；

ω——挖土勺的角速度，rad/s；

t——工作的時間，s。

設(shè)A點的轉(zhuǎn)動速度為v1，則v1=ω×R1；當轉(zhuǎn)動角為θ時，則θ=ω×t；可得A點的軌跡方程為

(7)

式(7)表示為挖土勺的運動軌跡，即運動軌跡為余擺線的形式，則挖土勺的運動軌跡如圖6所示。

圖6 挖土勺的運動軌跡Fig. 6 Movement track of scoop

2.2.2 覆土量的確定

播種機在進行壟溝膜頂覆土作業(yè)時，其壟溝膜頂單位時間內(nèi)的覆土量

Q=γLbh1

(8)

式中：Q——壟溝膜頂覆土量，kg；

γ——土壤容重，取黃綿土為1 300 kg/m3[13]；

L——單位時間內(nèi)膜頂覆土長度，m/s；

b——膜頂覆土寬度，取0.1 m；

h1——膜頂覆土厚度，取0.02 m。

計算得出壟溝膜頂覆土量Q=2.9 kg/s。

兩側(cè)的覆土裝置不僅要對播種帶覆土還要對地膜邊緣進行覆土，所以兩側(cè)的需土量比中間的需土量大，地膜邊緣的覆土量與膜頂一致，經(jīng)過絞龍推送后向地膜邊緣均勻鋪撒。設(shè)壟溝膜頂覆土量為Q，兩側(cè)覆土裝置的需土量為Q1。則

Q1=2Q=5.8 kg/s

(9)

當螺旋覆土裝置的轉(zhuǎn)速為一定值時，不僅要滿足膜上覆土量的要求還要滿足相關(guān)的農(nóng)藝要求。土壤軸向輸送時，不考慮土壤在軸向發(fā)生阻滯的情況下，螺旋覆土裝置的轉(zhuǎn)速

(10)

式中：D——螺旋葉片外徑，取0.1 m；

S——螺旋葉片的螺距，取0.1 m；

φ——螺旋覆土裝置的填充系數(shù)，取0.5；

ε1——傾斜輸送系數(shù)，取為1。

計算可得：螺旋覆土裝置的轉(zhuǎn)速n=0.2 rad/s。

2.2.3 挖土勺提升線速度的確定

為保證在進行膜上覆土?xí)r有足夠的覆土量，不僅要考慮螺旋覆土裝置的轉(zhuǎn)速還要考慮挖土勺的提升線速度[14-16]，該機挖土勺鏈式提土器的傾斜角為45°，則提升線速度

(11)

式中：B——挖土勺鏈式提升帶寬度，取為0.14 m；

H——入土深度，取為0.07 m；

φ1——挖土勺鏈式提升帶的填充系數(shù)，范圍在0.75～0.97之間，取0.8；

k——傾斜系數(shù)，傾斜角度為45°，查表為0.4[17]。

計算得挖土勺鏈式提土器傾斜提升線速度V1=0.71 m/s。

3 有限元分析

3.1 成穴機構(gòu)的靜力學(xué)分析

成穴機構(gòu)即排種器鴨嘴，建立其三維模型如圖7所示。分析可知排種器上鴨嘴的重合度大于1，即在進行排種工作時前一個鴨嘴還未離開土壤時，后一個鴨嘴已經(jīng)接觸到土壤，因此假設(shè)該排種器鴨嘴在工作中單個鴨嘴獨自受力，即在即將接觸地面時定鴨嘴單獨接觸，定鴨嘴受力最大；在即將離開地面時動鴨嘴單獨接觸，動鴨嘴受力最大。在土壤中時定鴨嘴、動鴨嘴均受力，但都小于上述兩種情況，只需對接觸土壤和離開土壤的兩種情況進行靜力學(xué)分析即可。

圖7 鴨嘴三維模型圖Fig. 7 Three dimensional model of duck bill

鴨嘴的材料為Q235，泊松比ε=0.288，密度ρ=7.86 g/cm3，彈性模量E=2.1×1011，分別對定鴨嘴和動鴨嘴進行靜力學(xué)分析，得到的應(yīng)變、應(yīng)力結(jié)果如圖8、圖9所示。

(a) 變形位移云圖

(b) 等效應(yīng)力云圖圖8 定鴨嘴的靜力學(xué)分析圖Fig. 8 Analysis diagram of fixed duck beak

1) 定鴨嘴剛剛接觸到土壤時，按照上述操作得到的結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，定鴨嘴的入土部位變形較大，最大應(yīng)變?yōu)?.059 2 mm，對于Q235材料來說，該變形在彈性變形范圍之內(nèi)，載荷消失后可以恢復(fù)到初始的形狀。定鴨嘴結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域的應(yīng)力都很小，處于安全狀態(tài)，最大應(yīng)力集中在定鴨嘴與側(cè)板的連接處，且最大應(yīng)力值為76.253 MPa，小于定鴨嘴結(jié)構(gòu)材料的最大屈服強度235 MPa。

2) 動鴨嘴剛剛要離開土壤時，按照上述操作得到的結(jié)果如圖9所示。

(a) 變形位移云圖

(b) 等效應(yīng)力云圖圖9 動鴨嘴的靜力學(xué)分析圖Fig. 9 Analysis diagram of movable duck beak

由圖9可知，動鴨嘴的最邊緣處變形較大，最大應(yīng)變?yōu)?.160 89 mm，對于Q235材料來說，該變形在彈性變形范圍之內(nèi)，載荷消失后可以恢復(fù)到初始的形狀。動鴨嘴結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域應(yīng)力都很小，處于安全狀態(tài)，最大應(yīng)力集中在動鴨嘴的旋轉(zhuǎn)處，其最大應(yīng)力為95.452 MPa，小于定鴨嘴結(jié)構(gòu)材料的最大屈服強度235 MPa。當動鴨嘴和排種器蓋發(fā)生擠壓時容易發(fā)生斷裂，因此為了降低斷裂風(fēng)險應(yīng)該適當增大鴨舌和螺絲套筒的夾角，減小應(yīng)力的集中。

3.2 傳動軸的模態(tài)分析

傳動軸是提土覆土裝置的重要工作部件，導(dǎo)入模型如圖10所示。對傳動軸進行模態(tài)分析得到的其振動特性對播種機的作業(yè)性能具有重要的參考價值[18]。共振現(xiàn)象會造成傳動的不穩(wěn)定，因此對傳動軸進行模態(tài)分析，并對結(jié)果進行分析，可以驗證設(shè)計的合理性。

圖10 傳動軸三維模型圖Fig. 10 Three dimensional model of drive shaft

傳動軸的材料選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼，彈性模量E=2.1×1011，密度ρ=7.8 g/cm3，泊松比ε=0.28，通過模態(tài)分析對傳動軸進行求解，得到傳動軸的前六階模態(tài)振型圖，如圖11所示。

(a) 第1階模態(tài)

(b) 第2階模態(tài)

(c) 第3階模態(tài)

(d) 第4階模態(tài)

(e) 第5階模態(tài)

(f) 第6階模態(tài)圖11 傳動軸1～6階模態(tài)振型Fig. 11 Mode shapes of drive shaft from order 1 to 6

從圖11可以看出：傳動軸的一階和二階主要發(fā)生彎曲振動，三階和四階主要發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，五階和六階主要發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動的復(fù)合振動。

在不考慮工作環(huán)境和回轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響下，傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速和橫向振動的固有頻率滿足關(guān)系式[19]

ncr=60×f

(12)

式中：ncr——臨界轉(zhuǎn)速，r/min；

f——橫向振動的固有頻率為，Hz。

傳動軸的前六階模態(tài)的固有頻率與其對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速如表2所示。

表2 固有頻率與其對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速Tab. 2 Natural frequency and its corresponding critical speed

在有附加約束的條件下，該傳動軸的最小固有頻率為75.154 Hz，傳動軸在工作時額定的轉(zhuǎn)速大約為420 r/min，在該運行工況下，其轉(zhuǎn)動基頻為7 Hz，而此時傳動軸的最小固有頻率遠遠大于其轉(zhuǎn)動基頻，因此該傳動軸在工作時不會發(fā)生共振的現(xiàn)象。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

2020年11月28日在唐山市灤南縣奔城鎮(zhèn)周官寨村(河北永發(fā)鴻田農(nóng)機制造有限公司試驗基地)對雙U型棉花精量播種機進行了性能測試，田間試驗如圖12所示。試驗品種為金字棉802號，百粒重11.4 g，種子含水率為11.5%，原始破損率為0.1%，土壤絕對含水率為18.8%，配套動力為JZB-404A型拖拉機，作業(yè)速度為2.9 km/h。

圖12 田間試驗Fig. 12 Field test

4.2 試驗方法

試驗主要依據(jù)是JB/T 7732—2006《鋪膜播種機》和NY/T 1559—2007《滴灌鋪管鋪膜精密播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》以及GB/T 5668—2008《旋耕機》的試驗標準進行田間性能的試驗。播種作業(yè)完成后，按照JB/T 7732—2006 《鋪膜播種機》和GB/T 5668—2008《旋耕機》的作業(yè)標準對播種機的作業(yè)性能的測定要求，計算機具的耕深、空穴率以及種子的破損率等試驗數(shù)值。

4.3 試驗測定

試驗田地共10個作業(yè)區(qū)，每個作業(yè)區(qū)22 m×8 m。測定點選擇該區(qū)域內(nèi)的所有的穴孔，用鋼卷尺、鋼板尺等工具進行人工測量，剖開土壤獲取種子覆土厚度深度、每個穴孔中的種子數(shù)、種子破損個數(shù)以及空穴的個數(shù)。

(13)

(14)

(15)

(16)

式中：f——總測定的穴孔數(shù)，個；

Q1——種子覆土厚度深度合格率，%；

f1——種子覆土厚度深度合格穴數(shù)，個；

Q2——空穴率，%；

f2——空穴的個數(shù)，個；

Q3——種子機械破損率，%；

f3——種子破損數(shù)，個。

Q4——穴粒數(shù)合格率，%；

f4——種穴內(nèi)種子數(shù)合格的個數(shù)。

4.4 試驗結(jié)果

田間試驗結(jié)果如表3所示。由試驗結(jié)果可知，播種空穴率為1.6%，種子機械破損率為0.1%，穴粒數(shù)合格率為96.2%，種子覆土深度合格率為97.5%，采光面機械破損程度為16.8 mm/m2，采光面寬度合格率為93.6%。該機具的各項指標基本達到設(shè)計和相關(guān)標準的要求，機具在田地的試驗效果整體良好，可以完成預(yù)期的工作，且該機的作業(yè)穩(wěn)定性好、工作效率高。

表3 雙U型棉花精量播種機試驗結(jié)果Tab. 3 Test results of double U type cotton precision seeder

5 結(jié)論

1) 根據(jù)機采棉的種植要求，設(shè)計了雙U型棉花精量播種機。一次性可以完成開溝、施肥、噴藥、鋪設(shè)滴灌帶、仿形、鋪膜、播種、鎮(zhèn)壓等作業(yè)，并且工作穩(wěn)定可靠，工作效率高。該機結(jié)構(gòu)緊湊、機動性強、播種精度高。雙U型棉花精量播種機采用鴨嘴式排種器，實現(xiàn)了精量播種；采用提土覆土裝置進行雙U型壟的形成，達到了節(jié)水的目的。

2) 進行了關(guān)鍵部件設(shè)計以及工作過程分析。分別對排種器、提土覆土裝置進行了相關(guān)參數(shù)的計算。排種器的半徑為214 mm，成穴機構(gòu)有15個，膜頂覆土量為2.9 kg/s，螺旋覆土裝置的轉(zhuǎn)速為0.2 rad/s，提升的線速度為0.71 m/s。

3) 用Ansys軟件對成穴機構(gòu)進行靜力學(xué)分析、對傳動軸進行模態(tài)分析。定鴨嘴最大應(yīng)變?yōu)?.059 2 mm，最大應(yīng)力值為76.253 MPa；動鴨嘴最大應(yīng)變?yōu)?.160 89 mm，最大應(yīng)力為95.452 MPa；傳動軸最小固有頻率為75.154 Hz，大于傳動軸穩(wěn)定工作下的轉(zhuǎn)動頻率，工作時不會發(fā)生共振現(xiàn)象。由分析結(jié)果表明，在設(shè)計和制造過程中應(yīng)加強定鴨嘴邊緣處的強度以及減少動鴨嘴轉(zhuǎn)軸處的應(yīng)力集中；傳動軸的轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)設(shè)計合理并且在后續(xù)研究中，可以適當?shù)靥岣邆鲃虞S的工作轉(zhuǎn)速，提高工作效率。

4) 田間試驗結(jié)果表明：設(shè)計的雙U型棉花精量播種機作業(yè)性能穩(wěn)定，穴粒數(shù)合格率為96.2%，空穴率為1.6%，種子機械破損率為0.1%，種子覆土厚度深度合格率為97.5%，采光面機械破損程度為16.8 mm/m2，采光面寬度合格率為93.6%，各項指標都滿足行業(yè)的設(shè)計標準。