舀种勺式半精量点种器的工作原理与整体结构设计.docx

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舀种勺式半精量点种器的工作原理与整体结构设计

舀种勺式半精量点种器的工作原理与整体结构设计

果园开沟机研究现状与发展对策

0  引言   

    排种器是免耕播种机的核心部件，直接关系到免耕播种机的播种精度、播种质量和播种速度，是农业科学研究工作者和国内外企业争相研究、改进的焦点。

一个性能良好的排种部件，不仅能够保证较高的投种合格率，同时还能提高耕作效率，节约时间和成本，有利于减少粮食生产成本和增加农民收入。

   1  工作原理

排种器按照其工作原理主要可以分为两大类：

机械式和气力式。

机械式排种器结构简单、成本低、制造容易，但对种子要求严格。

所研制的分体式小麦免耕播种机，提出了条带旋耕技术，解决了原有小麦播种机的利用问题，降低了农民重复购买机具的成本。

经过初步试验，该播种机具有较强的秸秆通过性能，能够实现小麦免耕播种，为一年两熟地区实施保护性耕作提供了保证。

机械式排种器要求严格，种子破碎率高，不适合高速作业；气力式排种器通用性好，排种精度高，适合高速作业，但其结构复杂、成本较高。

    本课题所研究的舀种勺式半精量点种器是由排种装置和开沟装置组合而成的新型结构，投种较均匀、性能稳定，而且其结构简单。

工作时，圆盘转动切开土壤，切断杂草，能在条件较差的茬地实现免耕半精量播种，适于推广应用。

舀种勺式半精量（如图1所示）点种器是由动盘、定盘、取种勺（如图2和图3所示）和圆盘等组成。

动盘和定盘是半封闭的圆盒形状，定盘略大于动盘，两者相扣，形成种子室。

取种勺均匀安装在动盘内壁，种子通过进种口进入种子室。

取种勺随动盘转动，完成取种、携种和点种等过程。

    图4为取种勺工作的初始位置时，即取种勺随动盘转动到最下方时的位置。

    图5为取种勺随动盘从最下方顺时针转动90。

时的位置。

在这个过程当中，种子由进种口进入排种勺内部，并且随着动盘与排种勺一起旋转，由于有重力作用，种子位于排种勺前端。

    图6为取种勺随动盘顺时针由900（相对于最低点顺时针计算）旋转到180。

时的位置。

在此过程中，种子会因为自身重力作用，逐步进入取种勺上部的导种槽内。

    图7为取种勺随动盘顺时针由180。

（相对于最低点顺时针计算）旋转到2700时的位置。

在此过程中，种子因为自身重力作用，由取种勺前端进入取种勺后端，即在动盘上开有出种口的一端。

    图8为取种勺随动盘顺时针由2700（相对于最低点顺时针计算）旋转到360。

时的位置。

在此过程中，种子因为自身重力作用，一直处于取种勺的后端，直到如图8所示位置，动盘出种口和定盘出种口重合，种子因为自身重力作用下落，点种完成。

2  主要部件设计

2.1  种子室的设计

    舀种勺式半精量点种器示意图如图9所示。

种子室是由动盘和定盘相互扣合形成的腔体，在舀种勺式半精量点种器工作时，种子通过进种口进入到种子室内，以便于取种装置进行取种。

    充分考虑到种子的充种性能和点种器对于多余种子的清除性能，进种管的下端与定盘相连的部分位置需要适当，不能过高或过低。

过低，则种子进入种子室的数量少，取种装置工作时，容易导致取种难，取种不充分，从而导致漏播。

    若进种管的下端与定盘相连的部分位置过高，则种子大量进入种子室，使点种器不能有效地清除掉多余的种子，影响机器的工作质量。

    根据理论分析并通过实验证明，进种管的下端与定盘相连部分的位置应当于后者的中轴线附近处。

2.2圆盘的设计

    舀种勺式半精量点种器是集开沟和点种一体化的新型结构。

圆盘是动盘运动的动力源，也是点种器开沟的主要部件。

如图9所示，开沟圆盘与动盘相连，动盘随着开沟圆盘的转动而转动。

    根据实际生产中的播种深度、投种高度和点种器的生产率要求，选择开沟圆盘的直径为500mm。

2.3取种勺的设计

    根据作业种子的不同，而设计了3种不同型号的取种勺，I型、Ⅱ型、Ⅲ型分别适用于玉米、大豆、油葵等作物的播种需求。

2.4  动盘转动速度设计

    理论上，动盘转动速度越快，点种器的点种频率越高，免耕播种机的播种效率越高；反之，点种器的点种频率越低，免耕播种机的播种效率越低。

    但是，由于动盘转动速度过快，动盘带动种子转动所需的离心力会使种子压在动盘内壁上，增大了种子运动所需要的摩擦力，故而种子无法下落进入出种口，使点种器不能够正常工作。

    图10为种子在运动过程中的受力分析。

动盘内壁对种子的支持力和重力向圆心方向的分力的合力，作为种子运动的向心力。

重力沿圆盘切线方向的分力与种子与取种装置的摩擦力方向相反，作用在种子上，能够使其向取种勺出种口方向运动。

当动盘旋转速度过大时，种子向出种口方向运动所要克服的摩擦力的最大值增大，同时也减少了种子在排种勺内的排种时间。

    当动盘缓慢转动时，种子在取种勺内由最低点开始顺时针旋转，在1800和3600之间滑入取种勺动盘出种口一端；在取种勺旋转至360。

附近时，进入出种口，点种完成。

    如动盘转动速度过快，动盘的转动速度达到极限状态，动盘因为转动所产生的离心力促使种子压迫动盘内壁，增大种子的最大静摩擦力，不能完成点种。

综上所诉，点种器正常工作时，内盘旋转的角速度范围是0.58-0.81r/s。

3结束语

舀种勺式半精量点种器结构简单、性能可靠，适合大规模推广使用。

石河子大学陈永陈导师、王维新导师等所研制的2BCM-6型半精量免耕播种机的播种部件，便是使用本文所介绍的点种器。

该机已经在已于2000年农八师143团进行了田间试验，并达到了理想的效果。

田  括，陈永成，陈镜洪，代亚猛，翟  超（石河子大学机电学院，新疆石河子832000）

2013年5月农机化研究第5期

果园开沟机研究现状与发展对策

2014-06-16

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    0前言

  我国地域辽阔，物种丰富。

单水果种植业方面，2008年全国水果栽培面积就达1073.43万hm2。

从1993年我国水果产量跃居世界首位以来，已连续17年稳居世界第一水果生产国的位置。

水果种植面积的不断增加，以及我国农村劳动力大量向城市的转移，使得我国的水果种植产业面临着巨大的挑战。

据相关人员调查显示，目前我国大部分果园处于无人管理的状态，这种状况已经造成我国水果单产不高、水果品质差等诸多问题。

为保证我国水果产业又快又好的发展，必须加大对果园建设与管理的投入力度。

    果园开沟施肥是果园实现高产、稳产的有力保证。

然而，果园的开沟施肥工作以往大都是由人力劳动来完成，这样不仅效率低，而且大大增加了劳动成本。

因此，研究和探讨果园施肥开沟机械的发展现状和趋势具有现实意义。

    1  国内外开沟机研究现状

    1.1  国外开沟机发展概况

国外开沟机的发展已有70余年的历史，以美国、原苏联、英国、法国、意大利和日本等国家发展较快，并形成系列产品【1】。

如意大利的Malletti和Dondi开沟机系列、荷兰的Ridder开沟机系列和日本的“利达”开沟机系列等【2】。

最小的开沟机功率仅有几千瓦，最大的功率达到1100kW、质量136t，可挖深1.8m、宽4.5m的沟。

根据用户的不同需求，可在挖沟机上配备多种工作装置，如推土板、凿孑L器、反铲、铺缆器等；在较先进的挖沟机上，广泛采用静压传动、电子调平、自动功率控制等高新技术。

目前，世界上主要的开沟机生产厂商均在美国，如GASE、CharlesMachineWorks、Burkeen、Vermeer、A.F.Trenchers、RWFIndustries、Maxon等公司在业界均有很高的声誉。

国外开沟机正朝着专业化、大型化、节能化、智能化等方向发展。

1.2国内开沟机发展概况

    早在20世纪50年代，我国农田水利建设就已经应用铧式犁开沟。

但对其它形式开沟机的研究开发起步较晚，大致上经历了铧式犁开沟机、圆盘式开沟机、立式螺旋开沟机和链式开沟机的发展历程。

早期，国内主要依靠引进国外产品，填补国内开沟机的空白。

如1975年，我国农垦系统引进了意大利菲亚特公司FLAT系列旋转圆盘挖沟机用于工农业建设；上世纪80年代中期，国家引进少量挖沟机主要用于农业暗管排水工程，但由于技术性能和经济性等原因，这些开沟机几年后被逐渐淘汰。

目前，国内开沟机主要有铧式犁开沟机、旋转式开沟机两大类。

其中以旋转式开沟机应用较为广泛，产品较多。

    1.2.1铧式犁开沟机

    铧式犁开沟机因其结构简单、速度快、效率高、工作可靠等优点，20世纪60年代就被引进用于农田建设中。

但是由于存在结构笨重、牵引阻力大、沟边留下的垡条大且不能自动分散，开好的沟渠还需人工修理等缺点，大大限制了它的使用。

现在部分发达国家已经淘汰了铧式犁开沟机，其他国家也正进行着由铧式犁开沟向旋转开沟的转变。

    1.2.2铣刀盘开沟机

    铣刀盘开沟机属于快速旋转开沟机。

因其具有牵引阻力小、适应性强、作业质量好等优点，所以使用广泛。

这类型开沟机的主要工作部件是一个或者两个高速旋转的圆盘，圆盘两侧对称安装不同数量规格的铣刀和削壁刀。

这种开沟机的开沟断面呈上口宽、沟底窄的倒梯形，沟深由圆盘直径决定，沟宽通过更换不同铣刀调节。

    1999年，江西省晚安县农机局根据南方农业经济作物的特点以及农户经济的承受能力，成功开发出了1KSH-15型圆盘式开沟机。

该机工作部件装置于东风-12型手扶拖拉机配套的旋耕刀轴上，工作部件质量33kg，开沟深度为100-200mm，宽度为250±20mm可调。

它具有所需动力小、碎土性能好、回土量低、沟深稳定性高等特点。

由于沟深与沟宽的限制，并未大量推广。

    2001年，由张传忠等设计完成的KX-40双圆盘旋转式开沟机，与大中功率轮式拖拉机配套使用，具有机动性好、质量轻、开沟尺寸大、沟型规范、抛土均匀等优点。

该机动力配置为30—40kW轮式拖拉机，开沟尺寸为500mm×400mm×400mm（沟面宽×沟底宽×沟深），圆盘左右各具有16把铣刀，刀盘线速度为11m/s。

目前该机主要用于井场界沟的开挖和一些开阔场所的开沟作业，对于地形较为复杂且空间狭小的林地以及果园用处不大。

2008年，新疆农科院农业机械化研究所研制成功了1KF-35型果园开沟深施肥机。

该机主要用于果园开沟施肥、植树开沟，也可用于农田开沟及垄作物开沟施肥等。

该机结构简单，质量为260kg，开沟尺寸为：

深度300—500mm可调，宽度下口300mm，上口500mm，为倒梯形，动力配置为18.5-25.9kW的轮式拖拉机。

之后，他们又对该机进行了改进，研制出1K-40型偏置式果园开沟机，1K-40去掉了施肥装置，降低了整机的高度和减轻了质量IS.91。

上述两种机型能较好的解决新疆以及北方平原地区部分果园的开沟施肥作业，但是在南方大多数果园它还是显得过于庞大。

    1.2.3链式开沟机

  链式开沟机是一种慢速旋转式开沟机，一般适于开窄而深的沟渠。

由于链刀式开沟机切削土壤深度大，比阻大，所以开沟的阻力大，消耗功也大，拖拉机在正常工作速度下无法工作，需配有超低速拖拉机或加有超低速变速装置的拖拉机才能作业。

链式开沟机的挖掘部件为带刀片的链条，刀齿切割土壤并将其带至地面，再用横向螺旋输送器将土运至沟的一侧或者两侧。

    1992年，谢金泉对链齿式开沟机工作部件的进行了初步研究。

指出，比功（即单位立方作业量的功耗）是开沟机设计的主要技术性能指标。

根据果园开沟作业比功小于0.4kW'lVm3的作业要求，计算得出了切削进距3em，作业倾斜角400，链齿线速度0.356m/s时其比功较小的结论。

    1998年，杨有刚等人研制了一种适用于果园狭小作业空间的1KLQ-80型链式开沟机。

该机配套动力为11kW，最大开沟深度和宽度为800mm和650mm，生产效率为125m/h。

它与其它链式开沟机的区别是工作时其整机都将行走于沟中，避免了果园空间不足的问题。

但由于土壤工作面位于工作部件的前方，因此，土壤在切削力、机器振动和自身重力的作用下可能引起较大的塌落。

之后，为解决机器的稳定性问题。

分析了开沟机的起步加速特性，讨论了主要设计参数对开沟机起步加速工况稳定性的作用和选择原则，取得较好效果。

但是，由于我国果园土壤特性的差异较大，其机器本身也存在着开沟作业时土壤塌方问题。

所以，该机并没有得到很好的推广。

    2002年，刘长荣等人为满足葡萄园开沟施肥的需要，改装出了与8.8kW手扶拖拉机配套的链式开沟机。

该机结构简单、比较实用、所需动力小。

开沟深度为400mm，宽度为400mm，效率为1km/h，并且在效果检测中表现良好【9，10】。

    2009年，由新疆中收农牧机械公司开发的1KF-500果园开沟施肥机在阿克苏喀什等地进行试验，结果显示各项性能指标均达到设计要求。

该机采用独立液压系统控制开沟深度的调节，配置动力要求30kW以上，整机质量为510kg，开沟深度为300- 800mm，宽度为200- 500mm旧。

    1.2.4立式螺旋开沟机

    20世纪90年代后期，立式螺旋开沟机在国内开始被科研机构和厂家重视，并相继研发出了1KL系列和1KLZ系列开沟机。

立式螺旋开沟机主要的工作部件是锥螺旋，工作时原动力通过减速装置和换向装置传到锥螺旋，通过它的旋转切削土壤而形成锥状沟形。

立式螺旋开沟机的设计需要考虑多方面的因素，但是人为控制的参数只有3个，即机器前进速度、工作部件的转速和锥螺旋的螺旋角。

对这3个参数进行优化设计是提高开沟机的生产效率，降低比功耗的有效途径。

    1KL-I00螺旋开沟机由东北农业大学研发，主要用于草炭开采工艺中排水沟的挖掘，此外还可用于挖农田中的排水沟。

整机配备动力为80.9kW，最大开沟深度达1m，所开沟形为倒梯形，最大上口宽度为1200mm，下口宽度为340mm。

其所开沟的壁平整，沟内残土少，性能优良，基本满足草炭开采工作的要求。

    1KLZ-27型立式螺旋开沟机由昆山农业机械研究所研制。

其结构简单新颖独特，在当时引起了很多农民的兴趣，试产的千余台机器在苏浙地区使用良好。

并且满足其设定的连续切削、切削长度上切削角恒定不变、螺旋叶片“变导程”、叶片的几何形状满足土壤沿叶片轴向输送的要求[19】。

    华南农业大学区颖刚等在1998年为研究在立式螺旋开沟器作用下土壤的破坏规律，确定开沟机工作部件作用于蔬菜地土壤的最佳工作方式，以及测试蔬菜地立式螺旋开沟机的受力及功率消耗情况，确定开沟机工作部件的最佳因素组合。

通过对立式螺旋开沟器工作特点的分析，研制了一套试验装置，在土槽中进行了试验研究。

    2存在的问题

    1）目前开沟机普遍存在适应范围窄的问题，大部分开沟机的设计只考虑了一般工程的工作环境，对果园不太适合，特别是山地果园。

    2）很多开沟机，存在着动力闲置的缺陷。

特别是小型开沟机，往往将动力源与工作部件焊接成整体。

这样减少了安装的过程，但造成了开沟机动力的闲置。

    3）不少开沟机存在着功耗过大；开沟时易出现激烈振动、跑偏；刀具磨损快；偏置式开沟机自动偏摆等问题。

    4）果园开沟施肥需要有强劲的动力作保证，但果园狭窄的工作环境又限制了大动力开沟机具的工作。

目前国内开沟机种类不少，但缺少能在南方丘陵山地，比如橘园、荔枝龙眼园、香蕉园等开施肥沟的机具。

    3发展对策

    1）考虑果园环境对开沟机的要求，突破关键技术难题，增强开沟机的适应性。

    2）开发针对同一动力源的不同种类工作部件。

如开沟器、中耕机、旋耕机和其它农机具可共用一台动力源。

    3）从理论人手，结合实际，重点研究以下方面：

一是开沟原理及开沟刀具受力分析，以不断改进设计，优化刀具，使开沟机的功耗和油耗降下来；二是引起跑偏的原因，首先看是否缘于刀具的形状或安装的角度，然后做相应的调整，设计对称结构，以消除振动、跑偏和走直性能差等问题；三是刀具的材料选择，解决其寿命短问题；四是针对不同形式的开沟机，设置不同原理的偏摆装置，可采用位置移动、角度改变等方式改善设计。

  4）坚持农艺与农机的结合，研制出适合现有果园开沟施肥的机具，对新建果园要考虑农机对农艺的要求。

陈朝海段洁利  闫国琦孙振刚  杨  洲（华南农业大学工程学院，广东广州510642）

2013年第2期·现代农业装备