播量可調式油菜播種機設計【含24張CAD圖紙】
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播量可調式油菜播種機設計
THE DESIGN OF SOWING QUANTITY ADJUSTABLE RAPE SEED DRILL
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誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。
畢業(yè)設計作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要 1
關鍵詞 1
1前言 1
2油菜播種機發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 2
2.1我國油菜播種機發(fā)展現(xiàn)狀 2
2.2研究的目的意義 2
2.3研究內(nèi)容 3
2.4油菜播種機的發(fā)展前景 3
2.4.1播種機迅速發(fā)展 3
2.4.2播種機的通用性和適應性不斷提高 3
2.4.3油菜播種機向高速寬幅發(fā)展 4
2.4.4廣泛采用聯(lián)合作業(yè) 4
2.4.5新技術的應用不斷普及 4
3油菜播種機總體結構設計 5
3.1總體結構設計 5
3.1.1總體結構 5
3.1.2工作原理 5
3.1.3傳動機構設計 5
3.2排種器的設計計算 6
3.2.1排種器總體方案確定 6
3.2.2工作原理 7
3.3窩眼輪軸的相關參數(shù) 7
3.3.1同一圓周上窩眼的數(shù)量n 8
3.3.2充種時間t 8
3.3.3窩眼輪軸同一母線上型孔的幾何位置的確定 9
3.4地輪結構設計 9
3.4.1總體方案的確定 9
3.4.2工作特點 9
3.5實驗結果 10
3.5.1主要技術參數(shù) 10
4 播種機理論分析 11
4.1播種理論分析 11
4.2充種機理 11
4.2.1充種方式 11
4.2.2充種過程的受力分析 11
4.2.3充種極限速度 13
4.3清種機理 14
4.3.1清種機理 14
4.3.2清種過程中種子受力 14
4.4護種投種 16
4.4.1護種投種機理 16
4.4.2護種過程中的種子受力分析 16
4.4.3投種階段種子受力分析 17
4.5傷種的機理 17
4.6排種器排種質量分析 18
4.6.1進種口尺寸 18
4.6.2投種口尺寸 18
4.7播種機地輪的運動學分析 18
4.7.1剛性土壤地輪上各點的位移、速度、加速度方程 18
4.7.2塑性土壤中地輪上各點的位移、速度、加速度方程 19
5其他工作部件和機構 21
5.1種子、肥箱 21
5.2種子、肥料箱容量計算 22
5.3軸的校核 22
6保養(yǎng)與保管 24
7結論 25
參考文獻 26
致謝 27
播量可調式油菜播種機設計
摘 要：本設計就油菜機械化栽培技術中播種技術進行了研究，創(chuàng)新設計了一種播量可調的播種機。根據(jù)國內(nèi)外播種機的發(fā)展趨勢，通用性和適應性不斷提高以及本著結構簡單操作靈活的原則，而設計的一種能同時完成播種施肥工作的播量可調式油菜播種機。本例著重對播種機排種器、地輪等結構進行設計選擇。
關鍵詞：播量可調；播種機；播種；地輪；排種器；
The Design of Sowing Quantity Adjustable Rape Seed Drill
Abstract: In this thesis,the mechanically sowing technology on rape cultivation was studied,and variable-drop sower was creatively designed. According to the the Planter trends at home and abroad, the versatility and adaptability and continuous improvement principle of simple structure, flexible operation, and the design of a can be completed at the same time the amount of broadcast seeding and fertilization adjustable rape seeder. This example focuses on the fdde run,and wheel structure.
Key words: Sowing Quantity; Sower; Planting; Wheel; Feed Run;
1 前言
本文就油菜機械化栽培技術中播種技術進行了研究,創(chuàng)新設計了一種播量可調的播種機。
播種機是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中關鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，必須在較短的播種農(nóng)時內(nèi)，根據(jù)農(nóng)業(yè)技術要求，將種子播到田地里去，使作物獲得良好的發(fā)育生長條件。播種質量的好壞，將直接影響到作物的出苗、苗全和苗壯，因而對產(chǎn)量的影響很大。由于油菜播種機可以保證種子在田間最合理分布，播種量精確，株距均勻，播深一致，為種子的生長發(fā)育創(chuàng)造最佳條件，可以大量節(jié)省種子，減少田間間苗用工，保證作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對播種機械的要求越來越迫切【1】。
2 油菜播種機發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
2.1 我國油菜播種機發(fā)展現(xiàn)狀
我國的油菜精量播種施肥機具的研制起步較晚，發(fā)展較快。蘇省鎮(zhèn)江市農(nóng)業(yè)機械技術推廣站研制的東風—12型手扶拖拉機配套2GB—6B型油菜精播機，能一次完成懸耕碎土、開溝播種、施肥、覆土等多道工序，邊播種邊施肥。揚州市江都地區(qū)采取復合肥拌種，用2GB—6A型條播機進行直播油菜。南京農(nóng)業(yè)機械化研究所利用東洋P600四輪驅動底盤，在水稻牙種直播機基礎上改進而成的2BZ—6型油菜直播機。該所研制的專用精密播種機，適用于問世大碰的撥苗盤播種，性能先進，但不能適用于大面積的油菜田間播種作業(yè)。高校的研究方面，迄今為止，我國學者幾乎涉獵了世界上所有的排種器形式，如外槽輪式排種器、離心式排種器、內(nèi)側囊種式排種器、各種圓盤式排種器、氣吸式、氣壓式、氣吹式排種器等，而具有我國獨創(chuàng)特色的窩眼輪式排種器【2】、紋盤式排種器、錐盤式精密排種器獲得了大量應用。我國在精密播種技術上的研究方面可以說是方興未艾，新式精密排種器不斷出現(xiàn)。
實踐證明，新的機具的出現(xiàn)將使得油菜的作業(yè)出現(xiàn)好的前景。機械化直播油菜省工節(jié)本顯著，可以大幅提高勞動生產(chǎn)率，有利于加快油菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
但是目前油菜播種是也存在一些問題。播種機性能不完善、播種質量有待進一步提高。由于我國專用的油菜播種機還很少，目前所使用的大部分播種機具由于沒有充分結合到油菜種子粒小和油菜植株高大、分枝能力強等特性，盡管可以滿足油菜播種某些方面的要求，但不能滿足油菜播種的全部要求，導致播種質量還待進一步的提高。同時，油菜機械化播種配套技術不完善，成果轉化慢。我國油菜機械化播種技術剛剛起步，所使用的大部分機型還處于試驗階段，在施肥、灌水等配套技術的研究上還不完備。另外，我們在油菜機械化的宣傳、推廣方面做得還不夠，而且農(nóng)民對新技術的認識和接受也有一個過程，加之現(xiàn)在的機具價格比較昂貴等因素，就導致目前已經(jīng)研究出來的成果由于轉化速度緩慢而沒有得到有效的轉化。要改變這一局面就必須加大宣傳、推廣力度，促使成果的有效轉化。因此對油菜的施肥播種進行進一部的研究顯得尤為重要。
2.2 研究的目的意義
本課題的研究能夠研制出專門用于油菜作業(yè)的施肥播種裝置，播量及其施肥量能夠滿足實際工作要求，工作可靠穩(wěn)定，能較好地滿足油菜作業(yè)的要求。尤其適應長江中下游的作業(yè)環(huán)境，將能大大縮短油菜的作業(yè)成本，提高效率，節(jié)省時間。
面對我國油菜作業(yè)長期以來機械化程度低，油菜的質量很產(chǎn)量較低的情況，一個能夠集開溝播種施肥于一身的油菜播種機顯得極為重要。因此該機具必須滿足結構簡單，性能穩(wěn)定可靠，能夠使用通用零部件，兼顧經(jīng)濟效益的優(yōu)良機具。同時必須對其中的關鍵機具施肥播種裝置進行結構及其參數(shù)的設計，達到穩(wěn)定可靠，具有良好的適應性，達到農(nóng)藝要求【3】。
2.3 研究內(nèi)容
在現(xiàn)有的開溝器上設計一臺適用于在免耕稻茬田或農(nóng)閑地帶、荒地播種油菜的條播播種機。通過對播種機主要工作部件—排種器的工作原理進行理論分析,研究種子在各階段的工作機理,分析各階段的種子受力以及對播種機工作性能的影響。地輪是播種機的主要工作部件,地輪設計的的好壞直接影響播種機的播種質量,因此從運動學的角度分析地輪的運動形式及各階段的運動方程、速度方程、加速度方程。確定地輪在各階段的運動規(guī)律。從能量消耗的角度用幾何學方法從理論上分析了地輪刺孔的形成過程,并確定地輪釘齒的相關幾何參數(shù)。分別進行單因素和多因素實驗,找出影響播種機播種性能的主要因素,為播種機的設計提供理論依據(jù)。
2.4 油菜播種機的發(fā)展前景
2.4.1 播種機迅速發(fā)展
在國外，中耕作物如甜菜、玉米、棉花和某些蔬菜、豆類的播種都已大量采用精密播種，主要采用機械式和氣力式兩種精密播種機【4】。由于氣力式播種機對種子尺寸要求不嚴，不需精選分級，容易達到單粒精播，而且通用性較好，又能適合較高速播種，因此使用氣力式播種機越來越多。
為了達到單粒精播，提高株距均勻性，大多采用可精調的刮種器，將多余的種子清除掉；為了降低投種高度，減小種子下拋速度與前進速度之間的相對速差，而設置導種輪或導種管。
2.4.2 播種機的通用性和適應性不斷提高
大多數(shù)精密播種機都可以播多種作物，通過更換不同孔徑的排種盤(輪)或排種滾筒，使排種器能適應多種作物種子的播種要求。改變型孔大小或增加成穴機構，使之能達到穴播的要求；改變排種器工作轉速以達到不同株距的要求。所有這些均提高了播種機的通用性。
為了適應不同地區(qū)、不同土壤、不同整地條件的要求，大多數(shù)播種機上配有多種類型的開溝器(雙圓盤式、滑刀式等)和鎮(zhèn)壓輪(橡膠輪、鋼板沖壓輪、鑄鐵輪、寬輪、窄輪等)，供選用。同一型號的精密播種機又成系列，有多種行距和行數(shù)的變型。如美國CYCLO氣壓式播種機有牽引式和懸掛式，有4、6、8、12、16行等共16種機型，可為多種功率的拖拉機配套。
2.4.3 油菜播種機向高速寬幅發(fā)展
為了在最適宦的農(nóng)業(yè)技術條件下、用最短的時間做到適時播種，以及隨著拖拉機功率不斷增大，為了充分利用其功率，因此要求提高播種機作業(yè)的生產(chǎn)率。
影響提高播種機組生產(chǎn)率的因素很多。除了提高機組的工作可靠性、減少故障、簡化操作以減少輔助作業(yè)時間、提高純工作時間的利用率外，提高生產(chǎn)率的最主要途徑是增大播種機的工作幅寬和提高作業(yè)速度。增大播種機工作幅寬雖能直接有效地提高生產(chǎn)率，但加大工作幅寬使機體龐大，消耗金屬多，成本高。同時，龐大的機體將受到田塊大小、地頭轉彎以及道路運輸?shù)南拗疲褂貌环奖?。因此，國外很重視提高作業(yè)速度的研究【5】。
但是，播種機高速作業(yè)帶來一些問題，如排種性能下降，開溝深度變淺，種子在溝里彈跳、滾動加劇，以及駕駛條件惡化等等。因此，目前作業(yè)速度不能太高。
2.4.4 廣泛采用聯(lián)合作業(yè)
播種同時進行聯(lián)合作業(yè)的方式發(fā)展很快，形式也比較多，主要有兩種：一是在大多數(shù)中耕作物精密播種機上都配置排肥器、施肥開溝器以及施撒農(nóng)藥和除莠劑的裝置。如西德、法國和美國的幾種精密播種機都可以在播種同時施化肥、撒農(nóng)藥和除莠劑。二是播前整地和播種聯(lián)合作業(yè)，如旋耕播種機、犁播機以及有的在開溝器前方加波形圓盤或鋤鏟進行滅茬播種或少耕法播種，以減少耕作次數(shù)，提高生產(chǎn)率，降低作業(yè)成本，還可以減少土壤風蝕和起到保墑的作用。
2.4.5 新技術的應用不斷普及
為了提高播種機作業(yè)性能和工作可靠性，簡化操作、減輕勞動強度、減少輔助作業(yè)時間、提高生產(chǎn)率，播種機上越來越多地采用新技術。如用液壓油缸來升降和調節(jié)開溝器、劃行器、折疊機架；采用液壓馬達驅動風機或裝肥攪龍；采用信號裝置、電子監(jiān)視裝置或監(jiān)控裝置來及時報警故障的發(fā)生，顯示播量或自控凋節(jié)排種量大?。婚_溝器裝備一次潤滑的滾動軸承；行走輪采用無內(nèi)胎充氣輪；快速掛接裝置；寬幅播種機加裝橫向運輸輪等【6】。
在工藝材料方面，播種機上采用塑料或尼龍的零件更多了，如排種盤、排肥盤、軸套、輸種管等；采用鋁金壓鑄排種輪、排種器體殼，提高了零件精度，減輕了重量；播種機機架和各種桿件采用薄鋼板冷壓成異形斷面以代替扁鋼、角鋼和槽鋼，增加了剛度和強度，又減輕了重量。
3 油菜播種機總體結構設計
3.1 總體結構設計
3.1.1 總體結構
播種機由種子箱、排種輪軸、地輪總成、附屬裝置組成【7】。其核心部件為排種輪
軸。結構示意簡圖如圖1所示。
1.種子箱2.從動鏈輪3.排種器4.接種杯5.鏈條6.地輪7.主動鏈輪
圖1 排種輪軸結構示意
Fig 1 Seed shaft structure
3.1.2 工作原理
目前主要是與12-T5馬力小四輪拖拉機配套，播種機自帶懸掛提升裝置。每臺（套）播6行。由拖拉機驅動地輪在地面的滾動,地輪的旋轉運動通過與地輪軸的鏈輪1將動力傳到聯(lián)結在排種軸上的鏈輪2上,實現(xiàn)排種器排種。種子沿著導種管運動最終灑落到地面,通過調節(jié)導種管與地面的高度實現(xiàn)散落到地面的籽粒成條,從而實現(xiàn)排種目的。
3.1.3 傳動機構設計
根據(jù)設計任務要求,該播種機懸掛于一開溝器上,動力為12-T5馬力的柴油機,只能懸掛在該機具前部,傳遞該播種機動力的從動輪無法在驅動機構上生成,若設置從動輪,整個傳遞過程非常松散,而且不能保證傳動比的精確性,因此采用獨立的地輪(從動輪)代替?zhèn)鹘y(tǒng)播種機的從動輪,使從動輪與播種軸,地輪連成一體,并且將播種機整個傳動系統(tǒng)作成一個浮動裝置,結構示意圖如圖1所示。傳動系統(tǒng)由地輪,鏈輪1,鏈條、鏈輪2、播種軸等組成。處于被動運動狀態(tài)的地輪提供動力,帶動鏈輪1轉動,經(jīng)過鏈條傳遞到鏈輪2上,隨鏈輪轉動的播種軸的旋轉完成播種。鏈輪l與鏈輪2為相同型號的鏈輪,從而保證了其傳動比始終為i=1,鏈條選用08B,節(jié)距為12.7的標準鏈輪,由于結構限制不能設置張緊輪,因此,對地輪軸與播種軸之間設置可伸縮的支撐桿,即保證地輪與播種軸的可靠連接,同時通過調節(jié)伸縮桿的長度又能保證傳遞穩(wěn)定[8]。
3.2 排種器的設計計算
3．2.1 排種器總體方案確定
排種器是播種機的核心部件,排種器的充、排種機理不合適直接影響播種質量。因此排種器的結構和充排種機理的研究始終是研究精密播種機的主導因素。目前國內(nèi)外理論上研究的排種器均達到了較高的水平,從機械式、氣力式到電磁振動式等都有較為成功的機型。但這三類排種器又各有其優(yōu)缺點。機械式由于結構簡單,制造容易,排種精度較高而得到較為廣泛的應用。但對種子尺寸要求較為嚴格,傷種率高,不適應于高速作業(yè)。而氣力式具有對種子尺寸要求沒有機械式嚴格,適應于較高速度播種,種子損傷率低的特點,但結構復雜,造價高,氣密性高,噪音大,實際應用于田間作業(yè)的機型不多,大多應用于室內(nèi)工廠化育秧。電磁振動式具有排量穩(wěn)定,尺寸要求不嚴格,種子損傷率低,特別適合流動性差的種子,但排種均勻性差,造價高,實際應用受到限制,工作環(huán)境的影響較大,不適宜于田間作業(yè),大多也應用于室內(nèi)工廠化育秧。由于油菜籽粒形狀規(guī)則,為近似球形,且流動性較好,綜合各種因素,決定采用機械式窩眼輪式排種器,結構如圖2所示。該排種器由播種輪外套、播種輪插套、窩眼輪軸、播種輪軸等組成。播種輪外套采用無縫鋼管實現(xiàn)內(nèi)圓加工,并在上下母線上各開3個長條形型孔。分別與種子榭口排種漏斗種子箱的對接。播種輪插飯采用無縫鋼管動Φ57x3.5內(nèi)外圓同時加工,并在上下母線上與播種輪外套配合開長條形型孔,其中上母線開孔到外角,以降低破碎率。并于上母線及上母線成±120?母線上鉆Φ7通孔各3個實現(xiàn)定位。窩眼輪軸采用實心尼龍棒Φ50沿軸線鉆通孔Φ20,并開鍵槽鍵槽尺寸為:b×l=6x2mm制成。其外圓圓周方向開設有窩眼型孔以實現(xiàn)變量播種的要求[9]。
1.排種箱2.定位螺釘3.排種器插板4.排種器外套5.接種杯
圖2 排種器結構簡圖
Fig 2 Metering device structure diagram
3.2.2 工作原理
種子由種子箱流到播種軸外套的長條形孔中,因插套上方的長條形孔與播種軸外套采用配合加工,故直接流到窩眼輪軸上,而窩眼輪軸上規(guī)則地排列著三種大小的型孔,通過控制插套的軸向位置實現(xiàn)不同的播量控制要求。當型孔選定后,通過固定播種外套上的螺栓實現(xiàn)各型孔的工作需要。一定數(shù)量的種子流過插套填充到型孔中,而窩眼輪軸隨著排種軸一起轉動,當轉到一定的角度與插套和播種外套的下母線長條形孔對正時,由于種子自身重力的作用脫離型孔流到排種漏斗中隨排種管排出而實現(xiàn)播種。從理論上講該排種器實現(xiàn)的是穴播,但排種管有一定的長度以及離地面具有一定的高度,因此種子從排種漏斗流到排種管之后在排種管內(nèi)運動非常復雜,最終種子從排種管源源不斷地流出。從而實現(xiàn)對籽粒的穴播。
3.3 窩眼輪軸的相關參數(shù)
根據(jù)油菜栽培的農(nóng)藝農(nóng)作要求,油菜播量要求畝播量為100～500g,播種行數(shù)為6行，株距為沒具體要求但必須成條,以利于通風、中耕及收割。依據(jù)這些參數(shù)可以計算出同一圓周上窩眼的數(shù)量n及充種時間t。
3.3.1 同一圓周上窩眼的數(shù)量n
假定面積為667㎡(1畝)矩形田塊,長為222.333m,寬為3m,播種行數(shù)N為:N=6,則
（1）
取畝播量為300g，于是
（2）
據(jù)實驗測定平均千粒種為3.2g,則每行播種量為
（3）
若油菜籽粒均勻地排列在各行中,則每米長度上分布的籽粒數(shù)為
（4）
依據(jù)整體設計中地輪頂圓直徑為300㎜,傳動比i=1,則要求播種機播種軸每轉一圈的播種量為
==3.14=66(粒/圈) （5）
若按每圈10粒計算,則同一圓周上的窩眼數(shù)n為:
（6）
因此,沿同一圓周上開設窩眼孔數(shù)為:
（7）
其中:m是每平方面積上的播種量；是千粒重；n是同一圓周上的窩眼數(shù)；是窩眼中裝入種籽數(shù)；N是播種行數(shù)[10]；
3.3.2 充種時間t
若行走裝置按額定功率運行,則行走速度為v=3.5,則地輪的轉動角速度為
（8）
而傳動比為1:1,故排種軸上窩眼輪的轉動角速度。則窩眼輪軸的轉動期T為:
（9）
即充種時間t為:
（10）
因此充種時間t的一般表達式為:
（11）
其中:D是地輪頂圓直徑；n是同一圓周上的窩眼數(shù)；是行走機構行走速度。
3.3.3 窩眼輪軸同一母線上型孔的幾何位置的確定
因研究目的是保證播種裝置播種量可調,為實現(xiàn)這一目的,通過調節(jié)眼輪軸的轉速,從而調節(jié)播種量。由于播種機懸掛與一現(xiàn)成的開溝機上,受到整機結構限制,該播種機的播種軸的長度只能設計成800mm長,去除傳動裝置、支承結構、定位裝置之后,實際播種軸的長度為400mm,而播種機要實現(xiàn)一次六行排種,因此,窩眼輪軸的實際長度軸為200mm,因最大型孔尺寸為,所以型孔的中心距僅能定為10mm, 總共18個型孔,實現(xiàn)多種播量的調節(jié)。同時考慮插套的運動起始位置及定位需要,整個設計尺寸如圖3所示。
圖3 窩眼輪軸結構圖
Fig 3 Hole shaft structure diagram
3.4 地輪結構設計
3.4.1 總體方案的確定
地輪總成結構見圖4所示由地輪、地輪軸、鏈輪、支撐桿等組成。地輪總成是播種機動力的來源,地輪重量不能太輕,否則將與地面打滑導致播種機排種器無法工作,因此在設計過程中地輪采用6鋼板彎圓焊合,并在外圓布置釘齒,釘齒之間的間隙應保證在地面行走時具有一定的吃泥深度,但從泥地出來時又要保證不夾泥。因此采用三角形釘齒并保證釘齒頂圓間隙為20mm,實驗證明該排列方式正常工作。
3.4.2 工作特點
地輪總成通過支撐桿與播種機排種器軸實現(xiàn)活動鉸鏈連接,整個地輪可繞排種器軸的軸線轉動,即整個地輪總成處于一個浮動狀態(tài),能夠隨行走裝置由于地面起伏或行走裝置因整機的下陷導致的上下波動而自動調節(jié),保證地輪在工作過程中始終與地面接觸,并維持一定的吃泥深度,這樣充分保證了地輪只有在整個行走裝置產(chǎn)生絕對位移時才能轉動,而且保證了地輪適應工作環(huán)境的能力。同時在地輪上有提升裝置,保證在轉向及不需播種的地方只需將地輪提升脫離與地面的接觸就可實現(xiàn)不播種的目的[11]。
1.排鐘輪軸2. 支撐桿3.地輪軸4.鏈輪5.地輪
圖4 地輪結構圖
Fig 4 Wheel structure diagram
3.5 實驗結果
該播種機采用傳統(tǒng)的窩眼輪式排種器排種,其各項性能指標基本滿足油菜的農(nóng)藝播種要求。
3.5.1 主要技術參數(shù)
工作時播種機外觀尺寸(長×寬×高): 600mm×800mm×500mm
重量:kg
機具前進速度:成3.5km/h
播種行數(shù):6行
畝播量:
驅動方式：地輪
調節(jié)方式：手動掛檔調節(jié)
4 播種機理論分析
4.1 播種理論分析
一般地,排種器的排種過程可分為充種、清種、護種、投種四個階段[12]，如圖5所示
圖5 排種原理圖
Fig 5 A schematic diagram
4.2 充種機理
4.2.1 充種方式
種子從種子箱經(jīng)過插套充入充種區(qū)在旋轉排種輪的帶動下靠近窩眼輪軸的種子層形成帶動層,種子在重力W,離心力P,及種間的推力作用,從型孔的外側充入型孔中,種子進入型孔有三種方式,即:相向速度差充種,同相速度差充種,重力作用充種。其中對于該排種器主要是靠速度差充種為主。
4.2.2 充種過程的受力分析
種子在充種極限位置受力如圖6所示:(所謂極限位置只是一種假想狀態(tài),即認為型孔進入充種區(qū),只有同向速度差的情況下的充種,且充種型孔處于充種區(qū)的最后階段,它是充種最難以實現(xiàn)的一種位置。)
圖6 種子在充種極限位置受力圖
Fig 6 Seeds in the seed filling limit position diagram
是種子之間相互作用力的合力,方向假定與切線方向成角,
W是重力,方向豎直向下。
N是法向反力,方向背離窩眼輪軸,沿法向方向。
P是離心力,方向背離窩眼輪軸,沿法向方向。
因種子光滑且成近似球形,其內(nèi)摩擦力較小,故種子之間的作用力相對較小,在此忽略不計。依據(jù)牛頓第二定律:
（12）
（13）
其中:是種子相對窩眼輪軸的速度。
正常工作時:、P、m為常數(shù)。
故有法向關于的函數(shù)。
（14）
4.2.3 充種極限速度
充種充分是保證播種質量的必要條件,種子箱內(nèi)種子進入充種區(qū)后,種子在重力W,離心力P,及種間的推力F的聯(lián)合作用下充入型孔,且種子運動速度沿窩眼輪軸的切線方向的速度分量與割良輪軸的外圓切線方向的速度應具備一定的速度差。否則無法保證正常充種。合適的充種速度是保證排種器正常工作的重要條件。如圖7所示是為充種極限運動情況。
圖7 充種極限運動情況
Fig 7 Filling limit movement
假設種子落入型孔時,只有重力W,離心力P，不計種間的推力F的作用。從運動學角度分析種子充入型孔的極限速度。則有:
（15）
求得時間
（16）
（17）
（18）
要保證正常充種則極限速度為當a=90°時的值。即
（19）
實際過程中很難確定，而常用代替，這樣更有利于充種。即極限速度為:
（20）
其中公式的符號含義為：
D是窩眼輪軸上型孔外圓最大直徑；d是種子平均直徑;R—排種輪半徑,(實際種子質心到窩眼輪軸軸心的距離也取該值)；是種子相對窩眼輪軸的旋轉角速度；是窩眼輪軸的旋轉角速度；是排種輪最大外圓線速度[13]。
4.3 清種機理
4.3.1 清種機理
型孔進入清種區(qū)域時,插套負責將冒出型孔表層的種子刮除,相當于刮種器,只留存型孔中的定量種子,清種定量是保證播種機工作性能的重要因素,其中播種均勻性,種子用量、種子破碎率等均由這一階段來決定。
4.3.2 清種過程中種子受力
種子處于清種階段主要受到四個力的作用,其受力圖如圖8所示
圖8 清種過程中種子受力圖
Fig 8 The stress of seed cleaning process
是種子之間相互作用力的合力,方向假定與切線方向成角；
W是重力，方向豎直向下；
N是法向反力,方向背離窩眼輪軸,沿法向方向；
P是離心力,方向背離窩眼輪軸,沿法向方向；
F是插套推種力,沿窩眼輪軸切線方向
同樣種子間作用力F,可忽略不計則按牛頓第二定理有:
（21）
（22）
（23）
（24）
由于插套固定不動,因此多余的種子受到插套的阻礙,切線方向受力產(chǎn)生沿運動方向相反的加速度,切向速度很快降到零。但由于種子之間的作用力的作用,而且插套與窩眼輪軸之間的間隙小于種子半徑,只要插套的厚度選擇恰當,就能保證插套對種子的作用力低于種子的質心,這樣就可將種子擠出而完成清種。
4.4 護種投種
4.4.1 護種投種機理
型孔中的種子經(jīng)清種區(qū)清種定量后,進入護種區(qū),在插套內(nèi)壁的保護下,型孔中的定量種子由型孔攜帶進入投種區(qū),并由投種口排出,完成排種器的排種過程[14]。
4.4.2 護種過程中的種子受力分析
種子進入護種階段后的受力主要有五個力的作用,受力如圖9所示
圖9 護種過程中的種子受力圖
Fig 9 In the process of protecting seeds by trying to
是種子之間相互作用力的合力,方向假定與切線方向成角；
W是重力，方向豎直向下；
N是法向反力,方向背離窩眼輪軸,沿法向方向；
P是離心力,方向背離窩眼輪軸,沿法向方向；
是護種板鎮(zhèn)壓力,沿法向方向；
是型孔壁推種力,沿型孔壁法線方向；
是插套推種力,沿窩眼輪軸切線方向；
種子受力處于動態(tài)平衡狀態(tài),型孔中的種子隨窩眼輪軸一起轉動,一般沒有相對運動。在這一階段由于清種不完全會出現(xiàn)種子受壓破碎而堵塞型孔,因此,設計型孔時應保證種子不產(chǎn)生摩擦自鎖外,還應考慮到插套與窩眼輪軸之間合適的間隙。
4.4.3 投種階段種子受力分析
種子進入投種階段后的受力主要有四個力的作用,受力圖如圖10所示
圖10 投種階段種子受力圖
Fig 10 One stage seed to
是種子之間相互作用力的合力,方向假定與切線方向成角；
W是重力，方向豎直向下
P是離心力,方向背離窩眼輪軸,沿法向方向；
N是型孔壁推種力，方向與型孔壁法線存在一個夾角；
在這一階段種子主要由重力和離心力作用,作用力的合力沿法線方向的投影方向背離圓心,依牛頓第二定律種子不能維持平衡必脫離型孔而實現(xiàn)投種[15]。
4.5 傷種的機理
種子在充種區(qū)利用重力和離心力作用充入型孔,轉至刮種輪,刮除多余的種子,進入護種階段,直至轉到投種區(qū),完成播種過程。在此過程中,刮種板將種子群推向型孔轉動的相反方向,多余種子如不能在此順利滑出,則會進入排種輪端面與護種輪形成的空隙中,這樣,隨著型孔輪的旋轉,不斷受到挫動和摩擦,造成傷種。減少傷種率途徑有降低插套厚度或者在插套前面安裝毛刷;還可選用與種子滑動摩擦系數(shù)小的材料做排種輪以及對種子進行分級。
4.6 排種器排種質量分析
影響播種機排種質量的因素有很多如排種輪軸的轉速、地輪滑移率、排種器進種口尺寸、排種器投種口尺寸、型孔數(shù)、型孔的大小和形狀等等。
4.6.1 進種口尺寸
進種口是種子從種子箱進入排種器殼體的運輸通道,其大小和位置直接影響種子的充種和清種質量,并決定該播種機的播種均勻性及種子的破碎率,進種口太小,則充種不充分,種子充種率低,造成漏播。使排種不均勻;反之,進種口過大,雖然清種效果會好些,但充種率大大降低。根據(jù)種子在充種區(qū)的受力分析由式
（25）
可知:法向反力與角有關,當角增大時,法向力減少,而切向分力增大,種子沿法向加速度減小,切向加速度增大,種子落入型孔時間延長,沿切向方向運動位移增大。因而種子跳過型孔不能完成充種。而在清種區(qū),切線方向受力幾乎平衡,種子接近靜止狀態(tài),達到較好的清種效果。但種子受到的來自插套的擠壓力明顯增大,容易傷種[16]。
4.6.2 投種口尺寸
投種口是種子從排種器型孔中將種子排出并經(jīng)由輸種管傳遞到土壤中的一個通道。投種口的大小直接影響種子排出,并決定該播種機的播種量和播種均勻性。投種口太小,則型孔中的一部分種子來不及投種就被型孔帶走而進入第二次充種,因而出現(xiàn)投種不完全,產(chǎn)生漏播或播量減少最終影響出苗率。投種口過大出現(xiàn)幾個型孔連續(xù)投種,發(fā)生前一型孔投種未完成時后一型孔就開始投種,最終形成投種干涉影響播種均勻性。理想的投種應滿足前一型孔投種完成而后一型孔才開始投種。
4.7 播種機地輪的運動學分析
由于地輪工作環(huán)境為塑性變形土壤,在土壤的行進過程中由于土壤的變形而導致地輪滑移影響播種的均勻性,因此播種機排種器驅動機構采用從動輪即地輪.而不用驅動輪提供動力,為此,研究地輪的運動規(guī)律是保證播種機播種均勻性的必要條件.而地輪的驅動力來源于輪緣及輪葉接受塑性土壤的反作用力,因此,確定地輪的相關參數(shù)有利與提高播種機的整體性能[17]。
4.7.1 剛性土壤地輪上各點的位移、速度、加速度方程
地輪在剛性土壤(剛性土壤僅指地輪在土壤上沒有滑移,但有一定的陷深)上的運動為純滾動狀態(tài),輪緣忽略不計。因此由圖11可建立葉片上任意一點的運動方程。
（26）
由此可知運動方程關于對時間求導則得速度方程
圖11地輪在剛性土壤運動原理圖
Fig 11 The wheel in the rigid soil movement principle diagram
（27）
同理求一階導數(shù)得加速度方程
（28）
4.7.2 塑性土壤中地輪上各點的位移、速度、加速度方程
實際工作過程中,地輪的工作環(huán)境并不是剛性地面,而是處于水田或塑性土壤中行走。地輪及驅動力矩作用下轉動,輪緣及輪葉接觸產(chǎn)生轉動時,輪緣在驅動力矩作用下壓向土壤,引起土壤變形遂使輪子支撐面及輪葉驅動面向后移動(與機體前進方向相反)。這樣導致輪子在與土壤作純滾動的過程中向后產(chǎn)生滑移,地輪產(chǎn)生滑移一般用葉頂滑轉率來表示[18]。的計算表達式為:
（29）
其中:是驅動輪負荷時走過某一長度的水平地段的轉數(shù)；n是驅動輪負荷時走過某一長度的水平地段的轉數(shù)；驅動輪負荷時走過某一長度的水平地段的轉數(shù)；r驅動輪負荷時走過某一長度的水平地段的轉數(shù)；
滑轉率是設計地輪的重要指標之一,地輪的輪緣,輪葉曲率及角度等結構參數(shù)和滑轉率都有著密切的聯(lián)系；由于滑轉率的存在,因此地輪在實際工作過程中其葉輪上各點的運動方程還必須作相應的調整。
現(xiàn)作如下假設
① 土壤含水率完全一致
② 滾動半徑為的輪子沿假想的，水平軌道滾動,并設為x軸
③ 開始運動點記為坐標原點0
則:輪葉在土壤中必會下限到某一位置,因土壤墑情一致,則在圖12示位置,輪葉上距離輪心為r處的p點為地輪的速度瞬心。即地輪可看成是以半徑為r的輪子在水平剛性地面上作純滾動。
圖12 地輪在塑性土壤運動原理圖
Fig 12 The wheel in the plastic soil movement principle diagram
依滑轉率的計算公式:
（30）
可知:
（31）
即有
（32）
代入地輪在剛性地面上行駛時的運動方程即有:地輪在塑性土壤中的位移方程
（33）
關于對時間求導則得速度方程：
（34）
同理求一階導數(shù)得加速度方程：
（35）
若驅動輪勻速轉動,則為常數(shù)故有
（36）
（37）
合成加速度為:
（38）
方向為：
（39）
即是,故合成加速度的方向始終垂直于該點與輪心的連線。
5 其他工作部件和機構
5.1 種子、肥箱
種子、肥箱的要求有以下幾個方面：
（1）必須有足夠的容量，以減少假種加肥次數(shù)，并做到播到地頭時才加種加肥。但種、肥箱過大，播種機組結構龐大，且使機組牽引阻力增加。此外，對懸掛式播種機來說，將直接使機組縱向穩(wěn)定性變壞。
（2）箱底板的傾斜角應大于種子或廢料的自然休止角，保證種子或肥料順利流入排種器或排肥器內(nèi)。
（3）種子、肥料相應堅固耐用、重量輕，剛度好。箱內(nèi)外應涂以耐腐油漆。
（4）加種、加肥方便，容易清理和不殘留種子或肥料。
（5）箱蓋關閉嚴禁，防止雨水浸入。對于氣力式播種機的種箱，蓋好后要承受一定氣壓，并應嚴密不漏氣[19]。
5.2 種子、肥料箱容量計算
種、肥箱的容量是根據(jù)播種工作幅寬、播種量或施肥量、播種行程和種子或肥料單位容積的質量等而定。工作時，不應將箱內(nèi)種子或肥料全部播完，否則會因箱內(nèi)種子或肥料太少，而影響排種、排肥性能，應至少留有１０％的余量。
種、肥箱的容量Ｖ可用下式確定：
（40）
式中:V是肥箱容積,或者是種箱容積；是最大播量，單位斤/畝；
B是播種機的工作幅寬；L是種子裝滿后能行駛的距離；是種子箱的充滿系數(shù)；是種子容量，單位kg/L；
5.3 軸的校核
軸的材料選用45鋼正火處理，查表得強度極限,彎曲應力。
按照強度估算輸入軸直徑，取C=110，P=18kw,n=220r/min,則
（41）
根據(jù)軸上零件的定位、固定和裝配確定軸的尺寸。Ⅰ段軸的直徑和長度應與離合器相符，于是Ⅰ段軸直徑取36mm，考慮到齒輪和軸的配合，同時裝配方便，長度為140mm。
Ⅱ段軸d=40mm，主要按軸承內(nèi)徑尺寸系列確定。初選軸承類型為深溝球軸承，型號為6308，其內(nèi)徑為40mm，寬度為23mm，考慮安裝時的需要，故Ⅱ段軸直徑取40mm，長度為40mm.
圖13 減速箱輸出軸
Fig 13 Reducer output shaft
Ⅲ段軸d=35mm，主要考慮到機器的整體安裝尺寸，故Ⅲ段軸直徑為35mm，長度為1333mm。
Ⅳ段軸d=40mm，主要按軸承內(nèi)徑尺寸系列確定。初選軸承類型為深溝球軸承，型號為6308，其內(nèi)徑為40mm，寬度為23mm，考慮到要與鏈輪套筒等裝配，故取Ⅳ段軸直徑40mm，長度為122mm。
按彎扭合成校核軸的強度：
（42）
（43）
（44）
（45）
（2）
（46）
（47）
（48）
（49）
（50）
（51）
（52）
（53）
（54）
圖14 軸的強度校核
Fig 14 The strength of the shaft
故軸的強度足夠[20]。
6 保養(yǎng)與保管
班保養(yǎng)，每班(6小時)工作后，應進行以下維護：①徹底清除傳動機構、排種器、機架等部位的泥土、雜草，以便檢查各部位的技術狀態(tài)。②檢查排種器固定螺栓、排種輪卡箍、開溝器拉桿固定螺栓等緊固部位緊固情況，必要時擰緊。③檢查和潤滑所有傳動機構和轉動部件．必要時進行調整或修理。④檢查各調整部位有無松動、滑移現(xiàn)象，測量劃印器的尺寸，必要時進行調整。
季保養(yǎng)。每個作業(yè)季節(jié)完成后，應做以下維護：①清除機具上的泥土、油污及種肥箱內(nèi)的種子及肥料等雜物。②將開溝器、齒輪、鏈輪及鏈條用柴油清洗并涂防銹劑。③清洗全部軸承和轉動部件。對含油軸承(套)，可用機油或錠子油擦洗，不得用輕質油清洗，以免影響其自身潤滑性能。④放松開溝器挺桿彈簧和其他壓縮彈簧。⑤修復或更換破損、斷裂的木制件、鐵皮件等。⑥對種箱、肥箱、機架、拉桿等部位掉漆處要涂漆。
機具的入庫。①機具完成季保養(yǎng)后方可入庫。②最好將機具放置于室內(nèi)。室外保管時要墊木塊并加遮蓋物。③鏈條、輸種管、鋤鏟等卸下來在室內(nèi)妥善保管，防止變形，擠壓和丟失。④播種機上不許承受額外壓力，木制零件和鐵皮件上不能放置重物。⑤要有專人負責保管，定期檢查[21]。
7 結論
通過兩個多月的資料收集、整理和設計，我所設計的播量可調式油菜播種機已經(jīng)完成，在這兩個多月的過程中，我通過對資料的收集、檢索以及查找，找到了很多對設計有用的資料，從而保證了設計順利地完成?？梢哉f這次設計是對我以前所學到的知識、收集資料的能力和設計方法等能力的一次綜合的鍛煉。在這個過程中，我先到我們學院觀察油菜播種機的主要結構及工作原理，然后熟悉整個設計流程。通過對圖書館借閱的各種手冊、說明書等資料的整理，根據(jù)設計要求，拿出自己的設計方案。在整個設計過程中，使我的綜合能力得到很大的提高，所學知識與以后的工作能夠得到更好的銜接[22]。
我國是一個農(nóng)業(yè)大國，雖然耕地面積廣闊，但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率跟一些發(fā)達國家相比有著很大的差距。我所設計的播種機就是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化有重要的作用。由于油菜播種機的結構特點，是它具有操作簡單適用范圍廣等特點。采用專用的排種器大大降低了種子的破種率，提高了農(nóng)作物的成活率。該機固有廣泛的社會效益與經(jīng)濟效益。
通過本次的設計過程，鍛煉了我的動手能力，同時也知道了自己以后應該在哪些方面在努力學習，使以后的學習有了更好的針對性。此次設計對我來說是非常重要的一個學習過程，學到了設計的整體思路和方法，是參加工作前的一次很好的鍛煉。
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致 謝
近三個月的畢業(yè)設計結束了，在這些天里，我完成了播量可調式油菜播種機的設計。在設計過程中，在我去湖南農(nóng)業(yè)大學查閱資料過程中得到了多位同學的熱情幫助，在此表示感謝。我的整個設計得到了羅海峰老師和翁偉老師的大力幫助，在設計過程中的一些固體結構的選擇與設計上都給我很好的建議。在此，對羅老師和翁老師說一聲：“老師您辛苦了，謝謝您的指導?！?
由于本人所學知識和能力有限，在設計中難免有一些問題，再次懇請各位老師和同學給與批評指正，以便我在今后的實際工作中可以有更大的進步。
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