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论文方法大全-马铃薯播种机的结构设计

2021-05-24 12:24:26

  农产品马铃薯的栽种方法多种多样,我国马铃薯的种植方式主要是人工种植,且是将土豆切块进行栽种。不同的土壤环境使用机械工具栽种就会有不同的困难,机械化种植有待发展,而且提升空间非常大。近几年,初步定型的马铃薯播种机已经上市,但是在农作物马铃薯种植的过程以及后续育苗、养苗和种苗等性能指标必不能达到预期效果。最重要的问题就是重播和漏播非常严重,株距不均匀也是常见的现象。

  根据以上农业种植的发展背景,参考相关的农艺种植要求,设计了一种新型的马铃薯自动播种机,该机器功能强大,补充了以前的播种机相关缺陷,把播种机的相关的主要零部件比如起垄器,开沟器,喷药施肥器等各个部分设计整合在一个整体上面,还增加了种子自动侧漏补偿装置,解决了人工参与补种的问题。使得人体劳动强度大大减少,同时,工作效率也得到了很大的提升。该机器使用上箱下机的装配模式,整个装配结构比较紧凑,肥箱和种箱在机架上部占用了大部分空间。本文的侧重点是对各个土壤零部件进行了设计与选取,同时对链传动及其传动装置进行了详细的设计计算。

  在我国的马铃薯播种机的使用中,以往的使用机器使得种子损伤严重;通过市场调查,部分机具不仅结构复杂,而且价格昂贵[1]。马铃薯播种机机具适应性需要大大提高,农民已经不适应这样的性能,而且在价格方面无法接受。目前为止,由于我国的各个地方的土壤条件,气候条件都有较大差异,播种机在某些地段容易出故障,各个地方的土壤条件和土地环境都不尽相同,各个不同厂家生产的马铃薯播种机质量有所不一样,故障容易出现的现象[2][3]。

  我国的马铃薯播种机缺口量表较大,但是由于技术问题,尽管是机械化农产品种植,但是还是需要人工辅助,无论是作业强度,还是劳作成本都需要大量增加,不仅制约了脱毒马铃薯的规模化种植,而且是的马铃薯播种机全程机械化进程受到了阻碍[4]。

  1.2选题的目的和意义

  在中国,马铃薯是重要的粮食作物,农民都喜欢种植马铃薯[5]。经过多年的种植,农民把马铃薯种薯有两类,一类是种薯,另一类是切块种薯,二者形状都不规则,体积有大有小。中国的马铃薯种植模式多种多样,而且种植的环境也不尽相同,栽培的自然条件有优有劣,在整个栽培过程中,也比较麻烦,加上栽种的劳动强度也比较大,但是,马铃薯种植的生产产量很低。所以,马铃薯机械化生产种植在我国是非常重要,对马铃薯播种机的进一步研究和开发是对我国综合机械化水平提高的重要保障。

  马铃薯种植机械化技术在中国非常落后[6]。目前,我国机械化种植方法居多,其中种薯种植和块薯种植比较受欢迎。根据不同的种植规模,可以使用不同的种植方式,比如生薯育种整署种植对于田间和丘陵山地,其种植机械都必须要有轻简型的特点,要求精准,整薯播种。只是目前农艺机具适应性比较差,需要进一步突破。

  综上所述,马铃薯机械化种植需要进一步突破,分析国外和国内已有的机具模型,对研究现状进一步把握,并且在此基础上对我国马铃薯播种机机械化种植的未来趋势有所展望[5][6]。

  1.3马铃薯播种机的发展现状

  1.3.1国内发展现状

  在我国,马铃薯的主要栽种模式仍然是手工在中,特别是偏远农村地区。现阶段我国的马铃薯播种机械在技术和机型方面与国际水平还存在一定差距,马铃薯播种技术和机械化的突破应该向着更科学的方向发展。

  舀式切块播种机在我国是比较流行的播种器机械,其中整薯播种主要是微型薯繁育种薯,机具主要为转盘式或者是带式播种机,其特点是作业速度缓慢,作业效率低下,重播漏播,作业株距不精准,劳动强度大,人工辅助播种,比较不安全[7]。

  1.3.2国外发展现状

  对于马铃薯播种机的结构设计和研究,比中国起步较早,在英国的相关领域,罗*科特洛尼格公司研究的基于马铃薯机械分级控制,自动化已经超前,其缺点是体积大,不便于运输和搬运。总的来说,国外的机械设备虽然比较先进,研究水平也比较高,中国的国情与之不相对应,昂贵的价格使得中国大部分地域的农作物种植者无法购买。

  在西方的发达国家中,马铃薯播种机机械的研发和使用,都已经领先了世界的相关水平,在工作速度,生产效率,性能和播种质量等各方面都是比较超前的,在对于种子降低漏播,损伤产生了极大的防止作用,对提高生产量有了很大的作用。目前,发达国家正在积极的更新工作原理和让结构变得完美,延长寿命,使得新型马铃薯播种机越来越适应性强大。

  1.4设计任务及相关部件的设计内容

  (1)整机机具装配的总体设计。

  (2)排肥装置和排种装置中传动机构的设计。

  (3)相关排种器械的设计计算以及选型。

  (4)覆膜机构相关的设计及内部零部件的选型。

  (5)覆土器的选型、开沟器的设计、喷农药机构的选型与设计。

  第二章总体结构设计及动力计算

  2.1设计要求

  马铃薯播种机的总体方案的设计要求具有新颖性,将各个装置总体组合,并且利用这些装置与拖拉机融合在一起,排种装置用于马铃薯薯种的放置与排出,覆土装置用于给马铃薯薯种覆土,镇压装置是将覆土后的垄土镇压密实,施肥装置主要用于装置肥料和排出肥料。拖拉机提供动力,主要行走机构是地轮,在工作的期间,设计的新型马铃薯播种机必须要有新功能,可以将多道工序在同一时间内有条不紊的完成,开沟器开沟,施肥器施肥,播种器播种,同时进行,方便又快捷。播种机和拖拉机之间的连接基本要求是悬挂处应该能很好的使得工作时候的部件性能好,在肥料和种子运输的时候不会产生堵塞。排种装置最基本的要求就是能够防止漏播或者是种子重播,其漏播和重播率最好小于2%[8]。马铃薯播种机自带的开沟器所开出的地沟最好是平整,土壤细碎,覆土机构可以自动覆土。镇压轮主要保持土壤的湿度,正压效果必须要好,完成一系列作业后地面要平整。

  设计适应两垄同时种植的马铃薯播种机,保证株距250mm,垄宽600mm~750mm,配备与工作环境相适应的开沟、覆土、喷农药的机构,实现种植的自动化。

  2.2总体方案论证

  本次设计的马铃薯播种机结构相比于以前的机器来说,具有较大的改进。该马铃薯播种机设计在以前的播种器械的基础上怎加了一些结构,增加镇压轮用于种子落地后进行土壤镇压,覆膜机构可以将地膜完好的铺在地垄上面,覆土装置使得膜后加土更加容易。除此之外,在机架的前部增加了相应的悬挂架,分上下两个部分,可以更方便的将拖拉机与之连接。开沟器固定的梁可安装在肥箱下部,U型螺杆在此处是个很好的固定装置,可以选用其将开沟器锁住,机架的后梁用来连接镇压轮。

  马铃薯播种机主要工作环境是在田里或者是地里,尤其是马铃薯茎块正确放置在农业生产的环节中非常关键,必须要达到要求,如在农业技术方面,必须时间适合、分量适合、马铃薯成长的环境条件必须适当,马铃薯在其生长和播种的过程中必须要有很好的环境。为了后续的使马铃薯作物作物育苗种苗和养苗方便,种床应该最大限度的堆砌的一样高度,方便处理后续工作,其表面的土壤尽可能的细碎成粉状。施肥技术也有严格的农艺要求,施肥量不能太多,也不能太少。施肥机构要保证肥料肥箱和输肥管中的流动性、吸收湿度、粘结性等,各个方面尽可能的考虑周全。综上所述,提出以下几种设计方案:

  2.2.1结构设计方案一

  图2-1:结构设计方案一

  1、肥箱2、种箱3、压膜轮4、覆土圆盘犁5、压膜辊6、地轮7、排种链轮

  8、开沟器(播种)9、开沟器(施肥)10、镇压轮11、开沟器(起垄)

  1)方案原理:利用三点悬挂的方式,通过拖拉机与之相连,使得马铃薯播种机在田间移动。马铃薯播种机的动力主要由拖拉机通过地轮和链轮传递到各个机构。如图所示,开沟器11将已经耕整过的地表制作成为垄沟,镇压轮10立即将土垄表面覆压密实并且达到一定的高度。最后在播种,利用喷农药机构进行喷药,接着铺膜机构铺膜,膜上覆土。

  2)方案分析

  (1)本方案主要优点是将刮平器舍去,换装使用镇压轮,在播种机前部相应占用空间有所增加,镇压效果比之前马铃薯播种机机构好。

  (2)本方案开沟器可以自动回土,后部安装部件数量大大减少。

  (3)本方案无法保证漏播率。

  2.2.2结构设计方案二

  图2-2:结构设计方案二

  1、地轮2、施肥管3、下种管4、链轮(驱动)5、中间链轮6、排种升运链轮7、链轮(施肥传动)

  8、薯种链轮9、种箱10、肥箱11、排肥链轮12、链轮(搅肥器)

  1)方案原理:马铃薯播种机在播种作业的时候拖拉机提供动力,链轮4就会由此而得到一定的动力跟着转动,动力就会到达中间轴,再次将动力传送到链轮5,排种机构的传动轮是链轮6,排肥机构的传动链轮是链轮7,二者得到动力后也会相应转动,链轮与链轮之间存在一个适宜的传动比,根据这个传动比设计,排种器的链轮8和排肥器的机械链轮11在对应的传动比下也会转动。化肥由输肥管2输送,种块也会随着薯种导管3进入犁沟底,后一个犁随后将土覆上链轮12就会带动肥箱10的搅拌肥料器,将肥料块打碎,防止堵塞。

  2)方案分析:

  (1)加入传统播种机没有的L型搅肥器,块状的肥料就会受到相应的搅拌力而粉碎并且通过输送管进行输送,防止肥料在肥箱里被架空或者堵塞的现象。

  (2)其缺点是中间部分涉及的链轮太多,传动复杂。

  2.2.3结构设计方案三

  图2-3:结构设计方案三

  1、药筒2、肥箱3、种箱4、覆土犁5、压膜轮6、压膜辊7、地轮8、链条9、开沟器(播种)

  10、刮平器11、链条12、起垄单向犁

  1)方案原理:该马铃薯播种机前部与拖拉机相互连接,以拖拉机作为动力源,将动力传到马铃薯播种机。三点悬挂将拖拉机与播种机相互固定,起垄单向犁可以跟着整体机器的的带动开出地垄;施肥开沟器也一样随着播种机的行进而开出化肥沟,化肥从排肥器里面跟着导肥管落入化肥沟;播种开沟器在同一时间内覆盖化肥并开出薯种沟,种块从薯种箱里经过排种器的引导从取薯勺进入种沟。施肥播种机器可由地轮传递的动力进行工作,地轮轴上安装的三个链轮从不同的方位和排种链轮相互连接,达到工作目的。种子掉落到种沟内,挂平板就会进行土壤刮平,使得马铃薯密切接触土壤,镇压轮就会同步镇压。增加的覆膜装置包含的薄膜就与挂膜轮连接,整个机器前进运动,地薄膜就会一层一层先后输出,压膜辊对其进行铺平,压膜轮同步压实,覆土圆盘犁将土壤覆在地薄膜两边。并且此时的自动补种装置也同时工作,自动检测并补种。

  2)方案分析:

  (1)本方案的播种机设计同时完成马铃薯种植过程中的所有工序。

  (2)传动方案简单,距离短,由此产生误差。

  (3)种箱下部安装部件太多,结构复杂。

  (4)开沟前刮平不利于保证播深。

  2.3总体方案确定

  根据以上比较,选择方案三:

  在配置中满足以下几点:一是在联接和安装方面,各个零部件不论是安装刚度还是强度都有了很好的提升和加强;二是垄距和株距方面,使用者方便调整;三是覆土机构的覆土部件完成的工作结果垄型好,对马铃薯薯种的生长和发育具有很大的促进作用;四是起垄高度宽度能够可调;五是施肥开沟、播种开沟的深度都可调,播种开沟的宽度也可调;六是地轮的间距宽度可调;七是有链的地方必须要有张紧机构。八是运动的地方运动良好。

  此方案有众多优点,在保证所有程序都顺利完成的情况下,在结构上也进行了改进和优化设计。采用上下两层机架设计,留出足够的空间方便人在机架上随时检查种勺充种情况。再者加入膜上覆土装置,省掉一个劳动力,马铃薯的薯种出芽率也会有所提高。该方案具备了其他方案不具有的种子测漏补偿装置,同时完成了所有的种植工序。该机器对地块的损伤不大,而且适应性也比较强,播种前就能自动将土壤整平。播种机所有结构的相关操作系数可调。另外,这个马铃薯播种机的相关结构零件加工比较方便,成本较小,播种种植效率高,农产品生产率也高。

  2.4拖拉机配套动力的选用

  2.4.1拖拉机的类型介绍

  按拖拉机的主要结构特征可划分为:手扶拖拉机、自动式底盘式拖拉机、多轮式拖拉机、附履带拖拉机、轮船式拖拉机五大类。其中的后轮驱动形式,后轮大前轮小,前方转动,后方驱动;手扶拖拉机具有多种类型,有耕地整机式、单轮式、附加履带式、两轮整机式和种植乘座式等[9]。

  2.4.2拖拉机的分析与选用

  1)由《农业机械学》[10]第361页式13-2,知犁的牵引阻力为

  (2—1)

  P--有效牵引力

  n--犁的铧数(犁体数)

  k--土壤耕作阻比

  a--单个犁体的耕深

  b--单个犁体的耕宽

  由《农业机械学》[11]第371页表13—3查的土壤的犁耕阻比大约是(一般土壤4-5N/cm2),取,取n=1,因此

  由《农业机械学》[11]第91页,表3-5,根据设计要求取800N。假设施肥开沟器大概长度为20cm,其阻力大小可以根据下式计算:

  2)根据《农业机械学》[11]相关资料得知,取该开沟器平均阻力为600N。

  3)根据《农业机械设计手册》[12]相关资料,相对摩擦系数为0.57-0.72,查阅《农业机械设计手册》[12]相关资料,土壤比阻范围是,根据设计要求,将刮土厚度假设为3cm,宽度假设为60cm。

  4)根据《农业机械学》[11]第91页得知圆盘犁的相关阻力大小范围为,

  由经验值知最佳播种速度为6km/h,由《农业机械学》[11]第91页公式(3—9)得,播种机所需功率

  所选拖拉机功率应大于11.45KW。

  查《农业机械设计手册》[12]第53页,表1.5.6山东时风集团有限责任公司部分拖拉机主要性能技术参数,选取拖拉机型号为SF250,标定功率18.4KW.

  第三章主要机构参数理论分析与计算

  3.1地轮类型及型号的选择

  3.1.1地轮的设计要求

  首先,马铃薯播种机工作的整个过程中,机架主要部分由地轮完全支撑。其次地轮轴上可以安装3-4个相应的传动件,将其与排肥链轮和排种链轮连接,施肥和薯种的播种距离也得到了保证。在该播种机中,行走轮的深度和高度也有所限制。因而在设计时,应该满足如下条件:

  (1)要求具有较小的滑移系数,最好是小于9%,以此提高播种距离均匀性;

  (2)播种机结构的刚度强度和韧性必须达到相应的要求,机械性能必须传统的播种机性能好;

  (3)具有普遍的适用性,在不同的工作环境中,需要适应恶劣的环境,行走轮必须要接触地面避免架空,排种排肥等要畅通[8]。

  3.1.2地轮的结构设计

  地轮主要参数如下:

  1)地轮直径确定:根据设计要求和农产品种植技术,初设地轮直径为D=80cm。

  2)地轮轴径设计:马铃薯播种功率相对于其他播种机械功率较小,所以选择地轮轴径为35mm。

  3)地轮宽度:根据相关要求,宽度取值范围为20-30mm.

  为了保证在不同环境里都能适用,脊宽取值为60厘米至90厘米,地轮间距应能在地轮轴上调节45厘米至90厘米的范围。

  地轮的转速由下式可以计算得到:

  (3—1)

  式中:N1——工作机构的地轮转速

  D——地轮轴直径大小

  Vm——整个工作机器行进的速度

  3.1.3地轮轴承选型

  根据《机械基础综合课程设计》[13]第64页查阅表6-1深沟球轴承的大量信息数据。深沟球轴承在我国的需求量特别大,而且体积小,各厂家都是批量生产,构造简单,使用方便,且使用范围广,是应用最广泛的一种轴承。预期机器重量为,则轴承所受径向力为150kg,即。取轴向载荷.

  (1)求比值

  (3—2)

  根据初设轴径选取深沟球轴承代号为6006,查《机械设计综合训练》[14]地174页,知Cor为8.30.

  查《机械设计》[15]表18.7得知深沟球轴承,故此时e>0.44,得

  Cor--轴承径向基本额定静载荷

  (2)初步计算当量动载荷P,由《机械设计》[15]得

  (3—3)

  P-当量动载荷

  Fp--冲击载荷系数

  Fr--径向载荷

  Fa--轴向载荷

  查《机械设计》[15]第375页表18-8,,将此系数的值取为取1.1.

  查《机械设计》[15]相关资料,查得相关系数为,.则

  (3—4)

  (3)由《机械设计》[15]相关部分,假设滚动轴承寿命大约是12000h。根据《机械设计》[15],球轴承满足的基本载荷值为:

  (3—5)

  P--当量动载荷

  L,h--基本额定寿命

  (4)查《机械设计综合训练》[14]地174页,知Cor为8.30。其基本参数:大径

  D取值为55mm,宽度B取值为13mm,安装尺寸定位轴肩da取值为30mm。

  3.2排种机构的设计

  3.2.1排种机构的设计要求

  在整个马铃薯播种机的结构里,排种机构的重要性占了很大一部分比重。该结构的设计优劣直接对整个播种机的工作效率有极大影响,所以,排种器的设计需要满足以下要求:

  (1)均匀性和稳定性是排种器所需要的最大的特点,排种连续均匀,并且能各种各样的土壤环境下作业,播量保持稳定;

  (2)无论土壤环境的优劣都必须要有较强的适应性,播种种薯的数量可以调节;

  (3)尽量不损伤马铃薯薯种,损伤率要求不超过3%;

  (4)漏种和重复播种的概率越小越好,最好小于3%。

  3.2.2排种机构的类型

  马铃薯播种机内必须装有排种器,我国对于马铃薯排种器的研究比较广泛,种类较多,较为常用的排种器有以下几种:土豆撒播器、马铃薯条播排种器和农产品点播排种器。

  (1)旋转轮式排种器

  工作原理:在整个圆盘上,圆形轮受到链轮的动力旋转,取薯勺在圆形轮的上方,圆形轮旋转时,取薯勺也会跟着旋转,从圆形轮的正方取相应数量的薯种,并将切成块或者整个型的薯种带到相对应的另一端,马铃薯自然掉落到种子沟里。

  优缺点:优点是,这种类型的排种器可以轻而易举的地完成取种,排种,播种的过程,这样不容易损伤种子;缺点是,在圆形轮旋转的时候,地表不会完全平整而带动播种机颠簸,旋转速度可能因此而受到影响,就会导致取种不均匀,有可能漏掉种子或者多取种子。

  (2)针取式排种器

  工作原理:排种机构上装有旋转轮,旋转轮上安装一些特质刚才制作的针尖,旋转轮得到动力旋转,从而带动各个针尖一起旋转。针尖每次到达种箱内的时候,就刺中薯种,将其带出。再在此排种器上加装薯种脱落装置,针尖经过脱落装置的时候,就将薯种脱落,实现针取式排种。

  优缺点:优点是,整个工作过程简单且容易实现,重播和漏播的概率低;缺点是,不稳定性是常见现象。

  (3)升运链式排种器

  工作原理:在排种器内加装加装链条和链轮,链轮上加装取薯勺,链条随着链轮的转动而转动,取薯勺经过种箱的时候,就会带出薯种,等待随着链条的运动到达另一侧的时候,实现单侧排种,将薯种掉落地沟。

  优缺点:优点是,通过链轮传动动力,链条较为稳定,在颠簸的情况下可以有缓冲的空间,对种子伤害不大;缺点是,不能保证100%的不漏播,不重播。

  在几种排种器之间进行了对比和考虑,马铃薯播种机的排种器件使用单排升运链式马铃薯排种器。

  3.2.3排种机构的方案设计

  (1)勺式取种勺

  图3-1:排种勺方案一

  结构特点:容易制作,简单外形,价格便宜。

  工作原理:随着链条的滚动,从种箱内拾取薯种,当薯种勺到达另一侧的时候,书中自掉落。

  优缺点:对种子伤害不大,不敢保证重播和漏播的比率,需要人工补种。

  (2)针式取种勺

  图3-2:排种勺方案二

  结构特点:结构简单,制作容易,有简单的钢片制造而成,需要脱落装置进行配合才能完成播种过程。

  工作原理:跟着圆形轮一起转动,经过种箱的时候,刺中薯种,并将薯种带出,经过脱落装置的时候,种子就可以到达种沟。

  优缺点:缺点较大,工作稳定性差,漏播重播率高,一般不采用。

  (3)夹取式排种勺

  图3-3:排种勺方案三

  结构特点:结构之中所需要的加工步骤非常繁琐,制作难度较大。

  工作原理:马铃薯种薯勺在经过种箱的时候,薯种就会掉下来薯勺内的金属板压住,外部的金属块就会通过弹簧弹下来将薯种夹住,排种勺跟着传动链一起运动到另一端的时候,相应的脱种装置就会迫使弹簧将夹板打开薯种就会掉落到种沟里。

  优缺点:由于弹簧具有稳固性,每次经过薯种压力之后才产生作用,不会出现漏播的现象,但是对于重播率还需要进一步考虑。

  3.2.5排种器选型及设计

  (1)排种器结构如图所示:

  图3-4:升运链式排种器

  (2)工作原理:行走轮经过拖拉机的带动而转动,行走轮所在的轴可以传递动力,将其传递到排种器和排肥器所装配的链轮,播种机在拖拉机带动下行走,动力可以传递到排种链上,排薯勺可以转动,取薯勺就可以从种箱中带出种薯,种子就可以从输种管壁下落,播种过程中的排种工序完成。

  (3)升运链式排种器相关的工作性能及其结构参数

  ①取薯勺速度大小v:取薯勺线速度与马铃薯播种机行走速度成正比,当取薯勺速度小于0.5m/s时,播种质量属于较好。故取薯勺速度大小取v=0.5m/s。

  ②链轮转速n:合适的链轮转数会使得工作质量大大提高。马铃薯播种机播种的相关要求非常严格,故链轮的最大转速最好在40r/min以下。

  ③播种机正常工作的链条长度L:如果链条长度过长,中心距就会变大,输种的距离随之增大;如果链条太短,则又会造成输种时种薯发生从取薯勺滑落的现象,均匀性得不到保障。链条长度可以根据实际中心距选取,一般2m左右,种子的升运高度最好在0.5m之下。

  ④取薯勺的形状确定:对于平均尺寸为20mm的薯种块,种薯滑落的状态需要考虑,取薯勺背面要光滑,不能伤种,且重量要小,取薯勺厚度为1.2mm,材料是铁皮。

  (4)升运链相关系数的确定

  ①马铃薯种苗最适宜的理论距离大约是在250mm左右,行走轮走过一圈之后(直径D=80cm),能够播种的种子个数大约计算方式如下:

  ②取薯勺之间的间距即棵距B

  可以根据计算得,每个取薯勺之间的相互平均距离大约是93mm。

  (5)取薯勺尺寸的确定

  马铃薯种薯体积大小大约是为20mm×20mm×20mm,取薯勺的宽度大约是25mm。取薯勺体积较小,长度大约是,选取并确定长度数值为35mm。翻阅《农业机械设计手册》[10]得知,不同环境的种块有不同的角度,马铃薯土豆种块角度大约在30°左右,故选择休止角为30°的马铃薯种薯勺。

  3.2.6种箱外形尺寸设计

  马铃薯播种机种箱的设计是非常重要的,应该考虑有足够的薯种容量,其次还要考虑整个机器的负载,尽量不要超载。

  对于马铃薯进行单行点播,在不同地区和环境里,种箱的容积也不尽相同,种箱容积大小主要依据是一个来回播种机播种的马铃薯种块的体积大小决定。一个流程播种工序完成时,种箱内应该保留少量种子,不能全部播完,避免种了播种过程中断种现象。

  根据实际工作情况设工作地界长度L=1000m,每通过一个来回加一次马铃薯薯种。由下式可以计算出马铃薯播种机种箱的容积V:

  (3-6)

  式中:

  L--地界长度,一个来回机械走过的距离。

  B--工幅宽(m),是两个单行种箱的总尺寸比处取B=1200mm.

  Nmax--单位面积最大播种量(km/hm2),这里取250mm.

  则1km能将666个马铃著薯种全部放置入土,通过称量,得出马铃薯,薯种的平均重量大约为50g,故Nmax=33.3kg;

  γ--单位容积里所包含种植的质量大小(kg/L)。由传统经验值得知每个薯种体积大小约为,单位体积的种箱就可以将125个薯种完全容纳,根据马铃薯的平均重量50g,可得出Y大约为7.25kg/L。

  取L=1000m;B=1.2m;Nmax=33.3kg;r=7.25kg/L代入公式(3-6)得:

  实际中播种完后种箱内都会剩余一部分未播种的薯块,所以实际的种箱容积应该比理论值大一点,现在取实标值为10L。比为两个单行种箱的总体积,故每个薯箱的容积取5L.

  3.2.7安装紧固零件

  种箱的体积和重量都比较大,在种箱的下部用托架拖住,并用M20螺栓进行紧固。前部与机架用则用M20螺栓紧固。

  3.3排肥机构的设计

  3.3.1肥箱容积

  根据《农业机械设计手册》[10]第393页查得,肥箱容积的确定是由多方面因素决定的,比如播种机的工作幅宽,一个来回施肥所需要的施肥量以及各种不同的化肥的密度大小等都是不可或缺的因素。工作时,要保证具有足够量的化肥量,工作完一个往返行程后,尽量留有剩余的化肥从而在量上有所调节。

  根据《农业机械设计手册》[10]相关资料查阅得知,肥箱尺寸如下计算:

  (3-7)

  式中:

  L——一个单向行程的两倍的距离,此处取1000m.

  B——工作环境中幅宽(m):取值0.9m

  Qmax——某个单位面积内所拥有的施肥量多少(kg∕hm2),根据相关地况选值为150kg∕hm2

  ——肥料密度(kg/L),根据相关地况取值1.8kg/L.

  3.3.2肥箱尺寸

  根据《农业机械设计手册》[10]第370页查阅表6.4.2得知,外槽轮式排肥器是一个很好的选择,外形尺寸。排肥量可以调整,排肥箱内设计倾斜度平面,使肥料能够下落而不造成悬空安装部件用4个螺栓固定,尺寸为M8X10。

  3.4覆膜机构的设计

  3.4.1覆膜机构的组成

  铺膜装置包括挂膜辊、铺膜辊、压膜轮及覆土圆盘犁组成。

  图3-5:铺膜机构组成

  1、挂膜轮2、压膜轮3、覆土圆盘

  3.4.2覆膜机构的结构设计

  (1)挂膜装置

  该马铃薯播种机的覆膜机构由各个小部件构成,首先采用挂膜架将薄膜挂起,由挂膜杆对薄膜进行旋转,挂膜轮是专门对薄膜进行压平的装置,调节装置调节相关零部件的位置和大小。挂膜轮由左压膜轮和右压膜轮组成,膜卷心轴可以根据相关需要挂在上面[16][17]。

  图3-6:挂膜装置结构简图

  1、悬挂架2、挂膜轮架3、挂膜轮4、挂膜轮传动轴5、锁固销

  (2)压膜轮

  在畦的左右两端,根据设计要求,安装尺寸大小合适的压膜轮,其组成零部件较为简单,分别是泡沫轮、固定板、弹簧及连接板。压膜轮的材料非常特殊,利用软质物料进行制造,压膜轮工作的时候常常利用弹簧调节压膜轮各个部位的压力,使其具有较适宜的压力[17]。压膜轮的尺寸大小适宜,刚好压在膜的两端进行压整,压膜轮的左右也可以根据实际环境以及需求进行调节[18]。

  图3-7:压膜轮结构简图

  1、海绵压膜轮2、浮动支架3、扭簧4、支架

  (3)覆土器

  覆土器的功能主要是完成薄膜边上覆土的工作,在压土的过程中保证严实,牢固。常用的覆土器主要有两种,铧式覆土器主要是铧式犁系列的覆土器,曲面圆盘式覆土器以曲面为主,覆土器的入土能力根据设计要求可以在不同环境中进行调节[17][18]。

  图3-8:覆土器结构简图

  1、连接架2、万向调节器3、覆土圆盘4、万向调节器5、覆土圆盘转动轴

  6、覆土圆盘转动轴轴承座7、覆土圆盘转动轴轴套(塑料)

  (4)挂膜装置的设计

  1)设计的技术要求

  挂膜装置是非常重要的一个机构,主要作用是将挂膜卷对挂膜卷进行固定,所以挂膜装置的设计要求如下[18][19]:

  ①便于装上地膜和方便将地膜拆除,效率高,对地膜没有损坏;

  ②能够适应各种各样的膜卷宽度和直径,能装膜卷,且与畦对中;

  ③马铃薯播种机工作的时候,该装置转动灵活且有拉紧力;

  ④防风性能以及防雨性能较好,使之在雨天或者风天也能作业。

  2)挂膜装置的类型和结构

  图3-9:挂膜装置结构简图

  (1)摩擦式(2)随动式(3)挂膜式(4)悬挂自由式

  1、膜卷2、导杆3、畦面4、驱动轮

  这是使用最早且比较广泛的一种挂膜装置,膜卷悬挂在挂膜架两端的悬臂式挂膜轮上,挂膜轮呈锥形,一般用一个弹簧控制其轴向压力和转动阻力,使膜卷可靠的工作,这种结构对膜卷尺寸适应性好,调节方便,但是结构比较复杂。

  ①摩擦式挂膜装置:

  摩擦式是膜卷呈浮动式安装。工作时驱动轮沿畦面滚动,依靠摩擦力驱动膜卷转动,将地膜覆盖在畦面上,由于驱动轮在带动膜卷转动同时,纵向拉的紧,在较大的大风天气里仍可照常作业。这种作业结构要有驱动轮的顺能可靠的转动,如打滑过大将拉断地膜。

  ②随动式挂膜装置:

  膜卷也是呈浮动式安装,膜卷可直接放在下面两个轮之间,装膜和卸膜非常方便,驱动磙子着地,作业靠拉膜力使驱动轮转动,从而带动膜卷转动。

  ③悬挂自由式挂膜装置:

  这类挂膜装置悬挂比较自由,挂膜卷和挂膜辊在同一条水平线上,其所在的轴自由转动。

  (3)压膜轮的设计

  1)功用和设计技术要求

  播种机工作的过程中,压膜轮主要对地薄膜两边进行压实,使得地薄膜横纵向拉紧,压膜轮设计根据各种环境的需要,要求如下:

  ①压膜轮在整个工作的工程中,结构和方向的旋转轻松自如;

  ②压膜轮的压力可以根据不同的环境需求进行调节;

  ③下压力和所需要的力度保持一致;

  ④该结构的制造和使用都要方便快捷。

  2)种类和结构特点

  地薄膜的压膜方式多种多样,其中展平式压膜方法使用比较广泛,可以根据地膜在相对应的环境中所需要的平整度进行调整,使得薄膜在最短时间内更好的铺在地垄上面。而嵌入式压膜方式适合地垄较高的状况,盖在畦面上成梯形状态,回嵌的时候可以将外部的泥土嵌入并压回地膜,将地膜压实,紧固,防止土壤内水土流失。但是这种压膜轮只适用于地垄较高的情况下,要求土壤疏松,所以没有得到更广泛的运用。

  3)压膜轮的作用原理和设计

  覆膜工作是整个马铃薯播种作业相对靠后的环节,地薄膜压在垄上,无论是横向还是纵向,都需要张紧,在薄膜的边缘,需要压入沟底。其工作方式表示如下图:

  图3-10:压膜轮工作原理图

  (a)压膜轮横向压膜(b)压膜轮纵向压膜

  1、压膜轮(泡沫塑料轮)2、膜卷3、畦

  地薄膜无论是横向还是纵向,都需要进一步张紧,压膜轮在安装的时候就要往内倾斜或者往外倾斜一定的角度。前束角一般可采用7°,如果往内倾斜,角度可以采用5°左右。要膜轮在选取直径的时候必须要考虑以下要求:

  ①压膜轮在工作的时候要求根据不同的环境进行灵活调整,直径必须要有一定的尺寸;

  ②压膜轮轴端必须运用适宜的材质,防止地薄膜刮破。

  3.5传动机构的设计

  3.5.1传动路线的确定

  马铃薯播种机的传动路线主要有两条,一条是排种器械在摄取,运输,排种所需要的动力路线,一条是使得肥料从种箱里掉落到泥沟的动力路线。排种链轮和排肥链轮分别置于种箱和肥箱的不同侧面,保证二者之间的平衡性。

  传动装置主要由多个小型零部件构成。其中,地轮是整个机器的行走轮,地轮轴可以安装链轮,链轮属于传动件,是轴与轴之间传动桥梁,其余还包括链条和其轴向定位紧固零件等。

  3.5.2排种与排肥传动比的设计计算

  插地轮速度1.67m/s,转速是0.664r/s.初设排种链轮速度为0.5m/s。

  排种传动机构设计

  拖拉机功率是18.4KW,根据《机械设计》[15]第289页,小链轮速度为40r/min,取排种链轮转速为取p=50.8,32A.

  根据《机械设计》[15]查阅得知,设计要求是链节数为偶数,取v=1.67m/s,取地轮处齿数,排种链轮齿数[20]。

  (1)传动比

  (2)链条型号的选择,截距的确定

  该链条型号为12A,节距为19.05.

  (3)计算链节数和中心距的确定

  查《机械设计》[15]选择中心距20P

  (3—8)

  计算链节数

  (3—9)

  在一般计算情况下,将相应的链节数圆整为偶数,故而取。

  (4)确定链轮主要参数

  图3-11:传动链论示意图

  查《机械设计》[15]有

  代入上式得

  代入上式得

  齿根圆直径

  代入上式得

  代入上式得

  内径为地轮轴处相应安装直径42mm。排种链轮处直径200mm。

  排肥传动机构设计

  (1)链轮齿数和

  根据《机械设计》[15]查阅得知,链节取偶数,链轮齿数取奇数,取,。

  (2)

  (3)

  该链条型号为12,节距为19.05。

  (4)

  根据《机械设计》[15]查知,初步选取中心距为30P

  (3—10)

  (3—11)

  在设计要求的情况下,将计算所得的链节数选取为偶数,故而取。

  (5)

  根据《机械设计》[15]相关内容得

  得

  代入上式得

  齿根圆直径

  代入上式得

  代入上式得

  地轮轴处相应安装的轴直径内径为30mm,另外的排肥链轮处的轴的直径为170mm。

  第四章主要零部件的选型与设计

  4.1土壤零部件的种类及型号选择

  4.1.1开沟器的选型设计

  市场上铧式犁品种已比较完善,为了节约设计成本和便于以后的维修,此处起垄犁选用即可。其参数计算如下:马铃薯种植垄沟深度为10cm、覆土厚度为10cm最为合适。

  由《农业机械设计手册》[10]177页,根据国标GB/T14225.1-93,铧式犁形式与参数,初步在犁体的工作幅宽上假设b=40cm,与之相对应的耕种的深度a=30cm.

  按最大设计垄宽,最大设计垄高计算,起垄后垄横截面近似于等腰梯形,初步设计上底50cm,下底为40cm,高为40cm,其面积为

  取铧式犁的宽深比k=1,即

  假设横截面积地表以上占,即,从而

  解得,

  因此犁的外形大体确定为高度大于14cm,宽度大于14cm。由《农业机械设计手册》[10]180页,表4-1-6选取,悬挂中型三铧犁,型号为1L-325.

  4.1.2覆土器的选型设计

  覆土部件的种类非常多,其中曲面圆盘式犁是比较常见和农作物种植者比较青睐的一种覆土犁,而铧式犁的选择也比较丰富。耕种环境都很好的情况下,二者都可以满足要求,工作环境或者耕地环境不好的情况下,两种覆土犁就会有细微的差别。现在的覆土机构工作的幅度都比较宽,其范围在8-10cm之间,二者抛土性能和作业稳定性能方面有所不同。

  图4-1:抛土示意图

  L1--覆土机构所能达到的最远的距离;

  L2--抛土过程中大部分土壤掉落的半径距离。

  (1)覆土器的设计

  ①主要参数

  圆盘片直径D在不同工作环境下是不一样的,可按下式计算:

  (4—1)

  式中:

  K—各种不同环境下设计的径深比值,可选取范围在3~5之间;

  a—预设的覆土的大致深度。

  圆盘片曲率半径ρ的计算方式如下:

  (4—2)

  式中:

  ρ--圆盘片曲率半径

  D--圆盘片直径

  K--径深比

  --偏角角度

  圆盘片刃角i刃口强度比较适宜的情况下,尽最大可能的选取刃角的小值,从而可以将切土阻力降到最低。常用圆盘片刃角i的取值范围为14.5°~21.5°。

  图4-2:圆盘片的结构参数图

  4.1.3刮平器的选型设计

  刮平器主要是将开沟后的垄表面进行刮平并且压实。刮平器的主要尺寸大小为尺寸700mm×3mm×10mm。弯曲的地方角度为140。,上侧钢材焊接,下侧钻孔并且并安装在机架上。在安装的过程中,弹簧和铰链是重要的连接方式,利用二者的相互连接将刮平器固定在机架上,将土壤刮平并且平稳运行。弹簧的设计计算和选用要求比较严格,其中圆柱螺旋拉伸弹簧是比较好的选择,弹簧高度为80mm,中径为35mm,截面直径为6mm。为了在安装的时候比较方便,所以选用半圆钩环形。

  4.1.4镇压轮的选型设计

  由《农业机械设计手册》[10]第388页知,农业机械在工作的同时,种子下地,肥料下地,铺膜,镇压等工序同时进行,整个过程中土壤可以完全覆盖种子,这样就给后续的育苗育种等制造了良好的环境。土壤中的大空隙可以因此填补,这样一来水分就可以保留而不至于大量流失,土壤砂泥具有保存水分的作用;在幼苗或者植物内部,可以充分利用水分来补给自身成长,这样既可以水分得以节约再利用,也可以保存水分和滞留土壤。

  镇压轮的设计和制造也有一定的要求,主要依据是土壤性质的好坏、水质量和数量的多少、密度大小和马铃薯种块形状大小和质量轻重等一系列的播种要求决定,其压强大小一般为。本设计采用圆柱镇压轮,采用3mm厚钢板焊接,半径7cm,安装处长50mm,直径为10mm。

  4.1.5农药喷洒机构的选型设计

  图4-3:农药喷洒机构示意图

  1、外壳2、开关3、顶盖4、推杆5、轮子6、喷管

  新型农药喷洒器的组成部件非常多。其中,外壳的作用是固定和保护内部器件、开关控制电源、其余部分包括顶盖、推杆和轮子等。喷管是专用于药水的运送、支座是专用于固定整个盒子、齿轮齿条传动、电机提供动力源。储药箱的内部结构比较单一,只用于活塞间隙配合。可以利用控制储药箱大小来控制压力大小从而从外部给农药水加压;设计了齿轮齿条机构,在此基础上可推动活塞;设计了喷管,药水可从喷管中顺着导壁很好地喷出。

  4.2种子测漏自动补偿装置

  在整个机器工作的过程中,机器都会发生震动,取种勺就会不稳定,从而发生漏取漏播的现象,马铃薯的产量就会受到严重影响。在传统的装置中,人们会常常选择通过人工坐在拖拉机后部自己检测播种是否遗漏的方式,指定专门人员进行补种,这样既浪费劳动力,既费时费力,又增加拖拉机的负载,操作的过程中又会有一定的危险,如果工作环境非常恶劣,机械化生产加上人工补种,就会带来很大的危险。故而在以往的基础上增加了种子测漏补偿装置。

  (1)设计原理

  目前的传感器自动检测技术非常多。由《测试技术》[21]第122页知,在光电元件的作用下,如果光亮的变化在这个范围内,光电元件就会将其捕捉并进行检测,如果一个物体的长度大于一个马铃薯种块的长度,并且该物体被遮蔽,马铃薯薯种取得成功,就没必要再一次进行取种操作。而如果如果一个被遮蔽物体的长度等于或者小于一个取薯勺的所对应的长度,这种情况下,说明马铃薯薯种索取没有成功,则必须再一次进行取种操作。放大器和信号处理器处理完一系列的信息光源后,信号就会从光电元件进行传输,通过相关介质传递给步进电动机。信号到达电动机后,就会使得电动机作为动力源,通过链条传送带将薯种传送到取种道内,这样,再一次取种的过程就完成了,实现了自动补偿。

  图4-4:检测装置原理图

  1、光源2、取种勺及种薯3、光电元件

  图4-5:检测装置传动简图

  1、种薯2、塑料挡板3、带轮4、皮带5、电动机轴6、带轮

  (2)步进电动机的选择

  在整个排种器上,取薯勺的数量并不是太多,查《机械设计手册》[22]第2689页,选择步进电动机型号为70BF1—3。

  (3)皮带的选择

  根据已经设计的机架结构,结合种薯的实际大小,选择皮带的宽度为60mm,平带长度为1400mm,带轮直径80mm。

  第五章整机装配及三维建模

  5.1整机装配与调整

  经设计确定机器总体参数:

  1)该马铃薯播种机所需零部件过多,分成多个子装配体进行装配,机架上安装肥箱和种箱,中间又安装相应的排肥机构和排种机构。为了节约成本和使用方便,链轮处尽量采用螺栓进行紧固定位,装配的时候应该灵活放置每一个零部件,尽量将各个零部件合理安装,配合处做到不出现松动的状况[23]。

  2)起垄单向铧式犁安装

  图5-1:起垄单向犁安装方式

  为了便于安装,犁在机架上采用方钢管安装,U型螺栓紧固。

  3)开沟器安装

  图5-2:开沟器安装方式

  为了使得排肥器和排种器有较大的运动空间以及在紧急状况下可以缓冲,播种开沟器不能直接安装在支架上,而在排肥器之前进行焊接安装。播种开沟器,施肥开沟器和起垄开沟器三者之间公用一个安装架[24]。

  4)刮平板的安装方式可以利用铰链进行结合。

  5)镇压轮主要放置在机架的下部,分两个部分,其中一个部分采用焊接,另一部分采用螺栓紧固。

  6)挂膜辊安装与压膜轮之前,中心轴必须灵活可转动。

  7)下图是覆土圆盘犁以及压膜辊安装架示意图:

  图5-3:覆土圆盘犁、压膜辊安装

  8)膜上覆土器也通过一圆管与机架相接,圆管总长430mm,在中心处弯折下,角度

  为。

  5.2三维建模与分析

  5.2.1肥箱的建模与装配

  根据设计的大概尺寸将肥箱建模尺寸设置为:长1060cm,宽480cm,高680cm,其总成是由链轮,链轮轴,排药器组件,拨量调节手柄等零部件组成。