孫 科,張爭艷,陳定方

(武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院,湖北 武漢 430063)

玉米是我國主要農(nóng)作物之一,但現(xiàn)有的玉米播種機(jī)還不能在較低的投入之下完全實(shí)現(xiàn)高效率、全自動(dòng)大面積播種.本文提出新型單(多)排精密玉米播種機(jī)的設(shè)計(jì),采用相對(duì)地面靜止斜挖穴的連續(xù)自動(dòng)播種技術(shù),能最小限度擾動(dòng)土壤,對(duì)墑的破壞小,有利于種子的發(fā)芽,且播種效率高,系純機(jī)械設(shè)計(jì),有利于低成本的控制.

1 設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)玉米播種方式主要播種行為(如開溝)對(duì)土地的擾動(dòng)大,墑的破壞大,種子和挖穴異步,不能精確地保證玉米粒間距的一致性,且成本較高.針對(duì)這些問題,對(duì)傳統(tǒng)玉米播種機(jī)做進(jìn)一步改造,使玉米播種在較少的投入下獲得較高效益.

1.1 新型勺式分種機(jī)構(gòu)

玉米分種機(jī)構(gòu)由動(dòng)力軸、側(cè)轉(zhuǎn)盤、側(cè)蓋、內(nèi)置開口勺式取種環(huán)、圓柱種倉組成(圖1).動(dòng)力軸另一端與側(cè)轉(zhuǎn)盤中心孔固定連接,側(cè)轉(zhuǎn)盤內(nèi)側(cè)同軸線固定著內(nèi)置開口勺式取種環(huán)且與圓柱種倉端面微小間隙貼近;內(nèi)置開口勺式取種環(huán)套置在圓柱種倉的外圓柱面,在圓柱種倉的外圓柱面設(shè)有護(hù)環(huán)槽,護(hù)環(huán)槽外圈底部左側(cè)設(shè)有2個(gè)相距不遠(yuǎn)的開口,作為種子出倉口,開口勺式取種環(huán)可以在護(hù)環(huán)槽中旋轉(zhuǎn);靠近側(cè)轉(zhuǎn)盤的圓開柱種倉內(nèi)底部兩側(cè)各設(shè)有1對(duì)稱開口,對(duì)稱開口作為玉米粒從玉米種倉進(jìn)入取種勺的通道;內(nèi)置開口勺式取種環(huán)內(nèi)圓柱面開設(shè)2個(gè)開口勺,開口勺的容積恰好容下2～3個(gè)玉米粒,開口勺開口要稍小于圓柱種倉內(nèi)底部兩側(cè)的開口;側(cè)蓋中心孔與動(dòng)力軸固定有側(cè)轉(zhuǎn)盤的一端連接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副,側(cè)蓋與圓柱種倉外殼固定連接;圓柱種倉內(nèi)底部設(shè)有一定角度的斜坡,玉米粒在自身重力和振動(dòng)下往圓柱種倉內(nèi)底部開口處積聚,從而保證玉米粒比較容易進(jìn)入取種勺,而且圓柱種倉內(nèi)種子分種比較干凈.

圖1 新型玉米播種機(jī)構(gòu)

新型勺式分種機(jī)構(gòu)的工作流程:大儲(chǔ)倉的玉米粒通過種子進(jìn)倉口進(jìn)入圓柱種倉內(nèi),玉米粒一般情況下都是充滿圓柱種倉;在斜坡的作用下,玉米?？偸窃趫A柱種倉底部所設(shè)的開口處等候,當(dāng)內(nèi)置開口勺式取種環(huán)中的開口勺旋轉(zhuǎn)至圓柱種倉底部開口下方時(shí),種子出倉口和開口勺形成通道,2～3粒玉米下落到開口勺中,當(dāng)開口勺旋轉(zhuǎn)到種子出倉口時(shí),玉米粒落出圓柱種倉,進(jìn)入排中機(jī)構(gòu),完成一次分種;開口勺旋轉(zhuǎn)到下一個(gè)圓柱種倉底部所設(shè)的開口,玉米粒再次進(jìn)入開口勺,當(dāng)開口勺再次旋轉(zhuǎn)到下一個(gè)種子出倉口時(shí),玉米粒再次落出圓柱種倉,完成第二次分種;由于2個(gè)圓柱種倉底部的開口很近,兩次分種的時(shí)間間隔很短,可認(rèn)為同時(shí)落種,幾乎同時(shí)到達(dá)閥門式鏟頭33的閥門處,為播種做好準(zhǔn)備.

1.2 相對(duì)靜止斜插式雙鏟頭同步挖穴播種

新型玉米播種機(jī)如圖2所示.

圖2 新型玉米播種機(jī)的正視圖

雙排同步鏈16通過鏈傳遞的方式按照一定傳遞比分別與直流減速電機(jī)39和驅(qū)動(dòng)輪41連接,使雙排同步鏈的線速度和驅(qū)動(dòng)輪的線速度相等,在雙排同步鏈對(duì)應(yīng)的位置上固定多根推桿18,且可方便裝卸[2];兩個(gè)挖穴滑塊(滑塊I22、滑塊Ⅱ23)之間通過可調(diào)剛性連桿24連接,其距離為株距,2個(gè)挖穴滑塊套在兩根機(jī)架光滑導(dǎo)桿19上,機(jī)架光滑導(dǎo)桿安裝在雙排同步鏈輪的中間;整機(jī)以v的速度前進(jìn)作業(yè),雙排同步鏈輪的驅(qū)動(dòng)鏈輪也以v的線速度轉(zhuǎn)動(dòng),使固定在連上的推桿也以v速度運(yùn)動(dòng),下部分的鏈為緊邊;以整機(jī)前進(jìn)的方向?yàn)檎?推桿在緊邊上以-v的速度前進(jìn),其相對(duì)地面的速度為0;回位彈簧I20和減震彈簧21套在機(jī)架光滑導(dǎo)桿,挖穴滑塊的下部安裝齒輪25,與之嚙合的齒條26安裝在機(jī)架上,挖穴滑塊的一外側(cè)安裝曲柄圓盤28與齒輪同軸,并通過單向軸承27與軸連接,滑塊上裝有曲柄圓盤的一側(cè)安裝一回位彈簧Ⅱ與曲柄圓盤上表面正上部連接,回位彈簧Ⅱ?qū)⑶匚坏角ぷ鞒跏键c(diǎn);曲柄固定在曲柄圓盤上,曲柄末端鉸接方扁形連桿31,方扁形連桿末端鉸接圓柱鋼管滑桿,圓柱鋼管滑桿穿過與滑塊連成一體的導(dǎo)孔,導(dǎo)孔的軸線與豎直方向成30°,圓柱鋼管滑桿可以在導(dǎo)孔中做往復(fù)運(yùn)動(dòng),保證實(shí)現(xiàn)鏟頭斜向運(yùn)動(dòng);2根曲柄通過水平剛性細(xì)軸鉸接,保證同步;閥門式鏟頭通過螺栓與圓柱鋼管滑桿連接,閥門活動(dòng)板35通過細(xì)鋼絲繩34穿過引導(dǎo)孔連接到滑塊上;閥門活動(dòng)板通過細(xì)軸鉸接在鏟頭上,細(xì)軸上安裝回位彈簧III50,保證閥門活動(dòng)板在不受拉力的情況下及時(shí)關(guān)閉閥門.

1.3 自動(dòng)閥門式鏟頭的設(shè)計(jì)

如圖3所示,閥門式鏟頭由閥門活動(dòng)板、回位彈簧III、細(xì)鋼絲繩和鏟頭組成.細(xì)鋼絲繩穿過引導(dǎo)孔連接到滑塊上,閥門活動(dòng)板通過細(xì)軸鉸接在鏟頭上,細(xì)軸上安裝回位彈簧Ⅲ50,保證閥門活動(dòng)板在不受拉力的情況下及時(shí)關(guān)閉閥門.當(dāng)圓柱滑桿往下運(yùn)動(dòng)距運(yùn)動(dòng)最低點(diǎn)還有一定距離,細(xì)鋼絲繩受力繃緊,利用杠桿原理將閥門活動(dòng)板打開,玉米粒落入土中.

圖3 自動(dòng)閥門式鏟頭

2 基于虛擬設(shè)計(jì)理念

基于虛擬設(shè)計(jì)的理念,產(chǎn)品中所有設(shè)計(jì)均在計(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境中實(shí)現(xiàn),主要從虛擬樣機(jī)建模、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析與強(qiáng)度校核四個(gè)方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì),其過程如圖4所示[3].

圖4 虛擬設(shè)計(jì)過程

由于在虛擬的環(huán)境中完成所有的設(shè)計(jì),其可視化分析程度較高,可在很大的程度上分析樣機(jī)的實(shí)際作業(yè)情況,節(jié)約了設(shè)計(jì)資源,提高了設(shè)計(jì)效率,縮短設(shè)計(jì)周期,節(jié)約開發(fā)成本[4].新型多(單)排玉米播種機(jī)基于 solidworks的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)如圖 5所示[5].

圖5 基于solidworks的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

3 結(jié)束語

新型多(單)玉米播種機(jī)的設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)玉米播種方式的不足之處和存在的問題,在一定程度上提出了可靠的解決方案.與現(xiàn)有技術(shù)相比,該新型多(單)玉米播種機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn).

1)采用相對(duì)地面靜止挖穴的連續(xù)自動(dòng)播種技術(shù),能最小限度擾動(dòng)土壤,對(duì)墑的破壞小,有利于種子的發(fā)芽,且播種效率高;

2)采用自動(dòng)閥門式鏟頭,能精確地控制挖穴和播種同步;

3)分種機(jī)構(gòu)分種時(shí),大部分種子相對(duì)種倉是靜止的,最大程度減小機(jī)械對(duì)玉米粒的擾動(dòng),且分種效率高;

4)通過修改內(nèi)置開口勺式取種環(huán)中取種勺的容積和形狀,可適用于多種種子的播種.

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