同步仿形機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓裝置的設(shè)計(jì)

薛 榮

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西太原 030000）

0 引言

2022年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在16個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）大力推廣大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)，擴(kuò)大大豆種植面積，提升大豆產(chǎn)量。這項(xiàng)技術(shù)是根據(jù)大豆玉米生物特性差異進(jìn)行套作，利用玉米邊行優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)年際間交替輪作，適應(yīng)機(jī)械化作業(yè)、作物間和諧共生的一季雙收的種植模式。在山西省玉米大豆種植模式是2+3或2+4模式，行距、株距、播深與凈作作業(yè)不同，因此與之配套的播種機(jī)通過改進(jìn)設(shè)計(jì)要滿足這些農(nóng)藝要求。本文設(shè)計(jì)的同步仿形機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓裝置就是大豆玉米帶狀復(fù)合種植播種機(jī)單體的主要部件。

仿形機(jī)構(gòu)是播種機(jī)的主要工作部件，其作用是保證播深的一致性，播深穩(wěn)定與否影響種子的出苗率和禾苗的整齊度，從而影響作物的產(chǎn)量。農(nóng)業(yè)機(jī)械常用的仿形機(jī)構(gòu)有單鉸鏈仿形機(jī)構(gòu)、平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)、多桿雙自由度仿形機(jī)構(gòu)。單鉸鏈仿形機(jī)構(gòu)主要靠外力平衡，入土角隨地表變化，播深不穩(wěn)定；平行四連桿機(jī)構(gòu)在起伏不大的田間作業(yè)深度比較穩(wěn)定，入土角不變，結(jié)構(gòu)簡單；多桿雙自由度仿形機(jī)構(gòu)仿形量大、工作平穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)平緩，適合大型農(nóng)機(jī)裝備，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高[1]。播種機(jī)的仿形機(jī)構(gòu)分為整體仿形和單體仿形兩種，整體仿形是以地輪為仿形部件，整機(jī)隨地表起伏上下移動(dòng)，單體仿形是每個(gè)播種機(jī)單體靠平行四連桿和仿形輪（限深輪或鎮(zhèn)壓輪）組合進(jìn)行仿形。平行四連桿機(jī)構(gòu)因造價(jià)低，性價(jià)比高，安裝調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[2]。本機(jī)采用平行四連桿機(jī)構(gòu)和限深輪組合進(jìn)行單體仿形。

1 同步仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)仿形輪配置分析

仿形輪設(shè)置在開溝器前面一定位置稱之為前仿形，這種配置使開溝器的仿形運(yùn)動(dòng)總要落后仿形輪的仿形，形成仿形滯后。同理，仿形輪設(shè)置在開溝器后面會(huì)出現(xiàn)仿形超前。本機(jī)通過分析把仿形輪設(shè)置在開溝器兩側(cè)，形成同步仿形。

由于開溝覆土后的地表狀況比未播種前變化小，常用的配置是仿形輪（一般是鎮(zhèn)壓輪）設(shè)置在開溝器之后，以此為例分析仿形超前產(chǎn)生的溝深誤差。

圖1中機(jī)具前進(jìn)方向如箭頭所示，粗實(shí)線為地表形狀，虛線為開溝器行走的軌跡，開溝器行進(jìn)在仿形輪之前。曲線AB為地表凸起，陰影部分為仿形超前所產(chǎn)生的誤差區(qū)域。設(shè)定地面凸起的前后長度為S，仿形輪中心和開溝器鏵尖的水平距離為W，圖1（Ⅱ）為W大于等于S的一半時(shí)的誤差示意圖，圖1（Ⅲ）為W小于S的一半時(shí)的誤差示意圖。

由圖1可知，圖1（Ⅱ）比圖1（Ⅲ）的陰影水平距離大，即圖1（Ⅱ）比圖1（Ⅲ）的誤差距離長，同時(shí)：

式中，Y為理論設(shè)計(jì)的開溝深度（mm）；

y為地面凸起的最大高度（mm）；

Y2為W大于等于S/2時(shí)形成的最小播深（mm）；

Y3為W小于S/2形成的最小播深（mm）。

Y3大于Y2說明圖1（Ⅱ）比圖1（Ⅲ）誤差幅度大。由此可見，在仿形輪安裝在開溝器之后產(chǎn)生仿形超前時(shí)，當(dāng)?shù)孛嫱蛊鸬淖畲蟾叨葃大于理論播深Y時(shí)，開溝器會(huì)在地表上方形成不入土的情況，而且W越小誤差長度和誤差幅度越小。

同理，在仿形輪安裝在開溝器之前產(chǎn)生仿形滯后時(shí)，結(jié)論相同。當(dāng)W接近零時(shí)效果最好，可形成圖中粗實(shí)線和虛線始終平行，即達(dá)到同步仿形的效果。

1.2 同步仿形機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

同步仿形機(jī)構(gòu)作為播種單體的播深控制機(jī)構(gòu)，需滿足仿形性能好、播深一致、調(diào)整方便、結(jié)構(gòu)緊湊以及所播種作物的農(nóng)藝要求。它的結(jié)構(gòu)包括平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)、壓力調(diào)節(jié)彈簧、仿形輪、雙圓盤開溝器、播深調(diào)節(jié)裝置和鎮(zhèn)壓裝置（如圖2所示）。

圖2 同步仿形機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)圖

在機(jī)構(gòu)的仿形過程中，仿形輪隨地表起伏上下移動(dòng)，帶動(dòng)圓盤開溝器和平行四連桿后桿相對(duì)懸掛架上下平移，同時(shí)，根據(jù)地表狀況或土質(zhì)松軟程度用拉力彈簧調(diào)節(jié)所需要適度的壓力，播深調(diào)節(jié)裝置經(jīng)過改變仿形輪和圓盤開溝器的相對(duì)位置來改變開溝深度。

1.3 平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)參數(shù)確定

為了保證仿形的穩(wěn)定性和播深一致性，需確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)：初始牽引角α0，四個(gè)桿件的長度，橫向?qū)挾龋ㄈ鐖D3所示）。

圖3 平行四連桿機(jī)構(gòu)示意圖

播種單體的仿形量大小主要根據(jù)播種前整地情況、地形以及實(shí)際農(nóng)藝要求來確定[3]，一般情況下，上下仿形量各為80～120 mm，總仿形量H為上下仿形量之和：

式中，H1為上仿形量（mm）；

H2為下仿形量（mm），Ls為上桿長度（mm）；

Lx為下桿長度（mm）；

α為牽引角（°），α1為上仿形角（°）；

α2為下仿形角（°）。

由圖3可知，在確定上下仿形量后，上下拉桿越長，牽引角α變化越小，單體上下擺動(dòng)幅度就越小，反之亦然。即上下拉桿長度取值大時(shí)有利于播種單體的穩(wěn)定性，但上下拉桿太長會(huì)使機(jī)具重心后移而破壞穩(wěn)定性。一般播種單體初始牽引角α0的取值范圍0～10°，下仿形角小于35°，上仿形角小于20°。

設(shè)初始牽引角α0=3°，α2=17°，下仿形量為100 mm。代入（5）得Lx=345.24 mm，取整數(shù)350 mm，因上下連桿相等Ls=350 mm。

驗(yàn)算（4）H1=103 mm，上仿形量符合80～120 mm的要求。

前后桿長度設(shè)計(jì)以互不干涉，符合整機(jī)布局為宜，確定前后桿長度為260 mm。經(jīng)過試驗(yàn)連桿尺寸設(shè)計(jì)合理。

橫向?qū)挾鹊脑O(shè)計(jì)。橫向?qū)挾忍瓡?huì)影響播種單體橫向穩(wěn)定性，左右搖擺影響行駛的直線性。當(dāng)農(nóng)藝要求行距較窄時(shí)，橫向?qū)挾仍跐M足橫向穩(wěn)定時(shí)越窄越好?？紤]到本機(jī)為大豆玉米帶狀復(fù)合種植播種機(jī)單體，大豆行距為300 mm，設(shè)定四連桿橫向?qū)挾?00 mm。

1.4 雙圓盤開溝器設(shè)計(jì)

1.4.1 雙圓盤開溝器結(jié)構(gòu)及工作原理

開溝器作為播種機(jī)的土壤工作部件，其開溝質(zhì)量好壞是保證播種一致性的關(guān)鍵。雙圓盤開溝器屬于鈍角開溝器，工作阻力小，不易纏草壅土，適宜作業(yè)速度較高的播種機(jī)，同時(shí)，雙圓盤在開溝過程不亂土層，回土效果明顯，本機(jī)采用雙圓盤開溝器。

雙圓盤開溝器主要有由開溝器體、圓盤、圓盤軸、軸承、軸承內(nèi)擋、軸承外擋、防塵蓋、導(dǎo)種管等組成。開溝器的兩個(gè)圓盤呈夾角對(duì)稱安裝，圓盤邊緣交點(diǎn)在前方偏下M點(diǎn)，如圖4所示，工作時(shí)靠自重壓力入土，邊滾動(dòng)邊破茬切土，將土壤推擠向兩側(cè)，形成溝深一致、溝形平整的種溝，導(dǎo)種管將種子導(dǎo)入溝底，靠回土和塌下的土壤進(jìn)行覆土。

圖4 雙圓盤開溝器示意圖

1.4.2 雙圓盤結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

圓盤直徑D、圓盤夾角φ和聚點(diǎn)M位置確定。圓盤直徑減小，則開溝寬度減小，溝底的凸起小，比較平整，同時(shí)圓盤前面的漏土減少，整機(jī)的結(jié)構(gòu)比較緊湊，但直徑太小會(huì)造成圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)不靈和壅土，會(huì)使工作阻力增加；直徑太大則土壤擾動(dòng)量大，造成工作阻力增大，同時(shí)直徑太大使整機(jī)高度增加造成排種盤離地高度增大，影響排種穩(wěn)定性。

圓盤夾角大小影響溝寬大小，夾角越大工作阻力越大，且溝底凸起越大，但夾角太小雖然工作阻力小，卻影響輸種管的安裝。

聚點(diǎn)M位置用β角表示（如圖4），β越?。∕點(diǎn)越高）開出的溝寬越大，種溝中的凸尖越高；β太小，聚點(diǎn)M點(diǎn)降低，容易使土壤從聚點(diǎn)上面進(jìn)入雙圓盤中間，夾土和堵塞會(huì)增加軸承的磨損。M點(diǎn)高度應(yīng)等于最大開溝深度為宜。

趙艷忠等[4]對(duì)雙圓盤參數(shù)研究表明圓盤直徑300 mm，圓盤夾角14°時(shí)播深穩(wěn)定性最好。于慧春等[5]通過對(duì)雙圓盤開溝器模擬和運(yùn)動(dòng)分析，結(jié)論是圓盤直徑300～350 mm、圓盤夾角12～16°、β角為60～75°時(shí)效果最好，對(duì)照農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊(cè)上冊(cè)圓盤直徑通常范圍300～380 mm，圓盤夾角通常為9～16°，β角一般55～75°。確定D=340 mm，φ=14°，β=60°。

開溝寬度b 確定。開溝寬度由圓盤夾角大小、M點(diǎn)的高度及圓盤直徑?jīng)Q定。如圖4所示，設(shè)圓盤圓心分別為O1、O2，m1、m2圓盤與溝底接觸點(diǎn)，e是m1在O1M連線上的投影點(diǎn)，同樣f是另一個(gè)圓上的投影點(diǎn)。

式中，φ為兩圓盤的夾角（°）；

D為圓盤直徑（mm）；

β為位置角（°）；

b為開溝寬度（mm）。

導(dǎo)種管的確定。圓盤開溝器的特點(diǎn)是需配置導(dǎo)種管，導(dǎo)種管把種子輸送到種溝內(nèi)。導(dǎo)種管設(shè)計(jì)成曲線型，開口朝后，使種子在下落過程中向后滑動(dòng)，使投種過程減少種子在落入種溝產(chǎn)生的彈跳滾動(dòng)，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度與種子落地的水平運(yùn)動(dòng)速度相等時(shí)抵消成零速投種，達(dá)到改善播種性能，提高播種均勻性的目的。

2 鎮(zhèn)壓裝置的設(shè)計(jì)

播種機(jī)鎮(zhèn)壓輪通過壓實(shí)土壤達(dá)到保墑和提墑的作用，鎮(zhèn)壓輪的類型有圓柱鎮(zhèn)壓輪、單肋鎮(zhèn)壓輪、分離鎮(zhèn)壓輪和雙斜鎮(zhèn)壓輪等。本機(jī)采用雙斜鎮(zhèn)壓輪。

本機(jī)設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)壓裝置由雙斜鎮(zhèn)壓輪、連接桿和鎮(zhèn)壓調(diào)節(jié)裝置組成（如圖2所示）。

雙斜鎮(zhèn)壓輪對(duì)土壤的壓實(shí)度通過鎮(zhèn)壓調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行控制，兩個(gè)鎮(zhèn)壓輪之間合理傾斜角度和間隙形成較好的合溝效果，滿足大豆和玉米播種時(shí)對(duì)土壤壓力的不同需求。

3 結(jié)論

1）建立數(shù)學(xué)模型，分析得出同步仿形機(jī)構(gòu)效果最好。確定本仿形機(jī)構(gòu)上下桿長度為350 mm，前后桿長度為260 mm，初始牽引角為3°。

2）確定雙圓盤開溝器圓盤直徑340 mm，圓盤夾角14°，M點(diǎn)位置角為60°。

3）設(shè)計(jì)成壓力可調(diào)雙斜鎮(zhèn)壓輪可滿足農(nóng)藝要求。