劉文亮，劉 楓，胡 浩，姜彩宇，王新陽，李 健

(吉林省農業(yè)機械研究院，吉林 長春 130022)

0 引言

我國甘蔗種植面積230萬hm2，然而我國甘蔗種植機械化水平僅為2.83%[1-2]。巴西、美國、印度和澳大利亞等甘蔗產業(yè)大國，已基本上實現了甘蔗播種、收獲的全程機械化作業(yè)。巴西是世界最大的甘蔗種植國，甘蔗生產機械化率高達87%，但是其使用的甘蔗種植機只有少部分由巴西國內公司研發(fā)制造，更多是由美國和澳大利亞引進[3-4]。美國的甘蔗種植普遍采用大農場模式，甘蔗種植機以整稈式為主，一次可裝載大量種塊，大大縮減蔗種的田間裝載時間，機械化程度高，非常適應美國甘蔗種植區(qū)成片遼闊的土地情況[5-7]。整稈式甘蔗種植機自動化程度高，不容易出現漏播，且對操作工人數量依賴少，但是存在發(fā)芽率偏低、對土地規(guī)劃要求嚴苛和蔗種使用量大的問題，因此在其他國家和地區(qū)使用較少。澳大利亞是目前世界上甘蔗種植機械化程度最高的國家，其境內甘蔗種植普遍采用農場種植模式，甘蔗種植區(qū)的面積大都在100 hm2以上[8-9]。澳大利亞在一開始使用的是整稈式甘蔗種植機，自20世紀50年代預切種式甘蔗種植機出現后，整稈式甘蔗種植機逐漸被切段式甘蔗種植機取代[10-11]。預切種的種植方式，每組只需操作工人2～3名[12]。我國甘蔗種植面積排名世界第3位，僅次于巴西和印度[13]。但甘蔗種植機械發(fā)展速度較慢，人工種植和機械開溝、人工擺種的種植方式較為普遍，以至于我國蔗糖價格遠高于國際市場價格，難以在國際蔗糖市場上競爭[14]。從國外引進的甘蔗種植機不適應我國丘陵地形多、地塊分散的土地現狀，在田間工作時會經常出現各種問題，且國外大多采用寬行距種植，與國內的窄行距也存在差異，推廣應用困難。國內研發(fā)的甘蔗種植機普遍存在播種不均勻、行距不均勻和易傷蔗種等問題[15-16]。因此，我國必須加快甘蔗種植技術的研發(fā)和適用機具的推廣使用。

1 方案設計

機械化種植甘蔗時，為保證甘蔗的發(fā)芽率，要根據芽苞的位置將整根甘蔗預切成多個甘蔗種塊，芽苞位于甘蔗節(jié)處。在播種時，按農藝要求的株距將種塊依次播種到土中。本文針對目前國內使用的預切種式甘蔗種植機尚無供料裝置的現狀，擬研發(fā)可均勻供料的甘蔗種箱，提高甘蔗播種時均勻性和連續(xù)性，為實現甘蔗精量播種提供必要的技術和裝置支撐。為實現對甘蔗種箱的均勻供料，在查閱相關資料后，擬采用以下3種傳動方案：①采用帶式輸送機構輸送蔗種；②采用螺旋輸送機構輸送蔗種；③采用斗式提升機構輸送蔗種。

方案①使用帶式輸送結構輸送蔗種，帶式輸送機構具有輸送能力大、輸送距離長、結構簡單、工作可靠和能量消耗少等一系列優(yōu)點。但是，帶式輸送機構也有一些缺點：帶式輸送傾斜角度不宜過大，需要設置較小的輸送角度，因此機器的體積會比較大；帶式輸送機構料層厚度難以控制，物料輸送均勻性差；帶式輸送機構受振動易產生打滑，影響供料均勻度。

方案②采用螺旋輸送機構輸送蔗種，螺旋輸送機構工作可靠穩(wěn)定。其缺點：螺旋輸送機構輸送物料時需要調整螺旋葉片和弧板的間隙，若間隙調整不合適，容易破壞甘蔗種內部組織結構，影響出芽率；螺旋輸送機構輸送物料時需要保證物料充滿量，輸送蔗種時難以保證長期穩(wěn)定供料。

方案③使用斗式提升機構輸送蔗種，斗式提升機構結構簡單，工作可靠，且可以垂直布置，能夠減小機器占地面積。此外，斗式提升機構帶有容積相同的料斗，可以保證每次盛種的數量基本一致，能夠很好地實現均勻供種的功能。

經上述對比分析，斗式提升機構均勻輸送蔗種的效果優(yōu)于帶式輸送機構和螺旋輸送機構，最終選擇方案③。設計的斗式提升機構如圖1所示。

1.種箱 2.立桶蓋板 3.立桶 4.提升裝置 5.底圍 6.傳動鏈條 7.布料器總成圖1 斗式提升機構Fig.1 Bucket hoisting mechanism

2 傳動系統設計

設計的傳動系統由電動機驅動，輸入功率P=0.23 kW，轉速n=93.33 r/min，傳動比i=1.41。

2.1 鏈輪齒數

先取小鏈輪齒數z1=17，于是大鏈輪齒數z2=iz1=23.97，取z2=24。

2.2 計算功率

計算功率的計算方法如式(1)所示。

Pc=KAKzP

(1)

式中Pc——計算功率，kW

KA——工況系數

Kz——齒輪系數

工況系數KA選擇依據如表1所示，本設計選擇工況系數KA=1.0，齒數系數取KZ=1.14，于是求得Pc=0.26 kW[17-18]。

表1 工況系數KATab.1 Working condition coefficient KA

2.3 鏈節(jié)距與排數

已知n=93.33 r/min，擬定2種節(jié)距與排數的組合方案作為選擇依據。①采用08B單排鏈，其額定功率P0=0.5 kW，能夠滿足傳動條件。②選用06B雙排鏈，06B單排鏈的額定功率P0=0.20 kW，雙排鏈額定功率為1.7P0，即0.34 kW>PC，也可滿足傳動條件[18]。

為保證傳動安全性和穩(wěn)定性，采用08B單排滾子鏈，08B滾子鏈的節(jié)距p=12.7 mm[18]。

2.4 中心距和鏈節(jié)數

初選中心距a0=32p，則鏈節(jié)數可按式(2)計算。

(2)

式中Lp——鏈節(jié)數

計算得Lp=84.53，因Lp應取整數，且最好取偶數，以免使用過渡鏈節(jié)，因此確定取Lp=84。

理論中心距計算如式(3)所示。

(3)

取Δa=0.003a=1.21 mm，則實際中心距為

a′=a-Δa≈402 mm

(4)

2.5 潤滑方式

鏈速計算如式(5)所示。

(5)

式中V——鏈速，m/s

根據鏈速和鏈號，選擇潤滑方式為人工定期潤滑即可[18]。

2.6 受力計算

有效圓周力計算如式(6)所示。

(6)

式中F——有效圓周力， N

對于傾斜布置的鏈傳動，作用于軸上的拉力計算如式(7)所示。

FQ=1.15KAF=801.52 N

(7)

式中FQ——作用于軸上的拉力，N

2.7 鏈輪設計

鏈輪是鏈傳動的關鍵部件，因此選取鏈輪的材料為40鋼，要求熱處理后硬度40～50 HRC[18]。

鏈輪分度圓直徑計算如式(8)～(9)所示。

(8)

(9)

式中d1——小鏈輪分度圓直徑，mm

d2——大鏈輪分度圓直徑，mm

大小鏈輪齒頂圓直徑的最大值與最小值計算如式(10)～(13)所示。

damax1=d1+1.25p-d0=76.49 mm

(10)

(11)

damax2=d2+1.25p-d0=104.67 mm

(12)

(13)

式中damax1——小鏈輪齒頂圓直徑最大值，mm

damin1——小鏈輪齒頂圓直徑最小值，mm

damax2——大鏈輪齒頂圓直徑最大值，mm

damin2——大鏈輪齒頂圓直徑最小值，mm

d0——滾子直徑，d0=8.51 mm

取小鏈輪齒頂圓直徑da1=74.6 mm，大鏈輪齒頂圓直徑da2=102.8 mm。

大小鏈輪分度圓弦齒高的最大值與最小值計算如式(14)～(17)所示。

(14)

hamin1=0.5(p-d0)=2.10 mm

(15)

(16)

hamin2=0.5(p-d0)=2.10 mm

(17)

式中hamax1——小鏈輪分度圓弦齒高的最大值，mm

hamin1——小鏈輪分度圓弦齒高的最小值，mm

hamax2——大鏈輪分度圓弦齒高的最大值，mm

hamin2——大鏈輪分度圓弦齒高的最小值，mm

大小鏈輪齒根圓直徑計算如式(18)～(19)所示。

df1=d1-d0=60.61 mm

(18)

df2=d2-d0=88.79 mm

(19)

式中df1——小鏈輪齒根圓直徑，mm

df2——大鏈輪齒根圓直徑，mm

大小鏈輪齒側凸緣直徑計算如式(20)～(21)所示。

(20)

(21)

式中dg1——小鏈輪齒側凸緣直徑，mm

dg2——大鏈輪齒側凸緣直徑，mm

h2——內鏈板高度，h2=11.81 mm

由計算結果，取齒側凸緣直徑dg1=dg2=42 mm。

3 臺架試驗

為檢驗作業(yè)效果，設計制作了斗式提升機構試驗臺架，如圖2所示。將斗式提升機構與電磁扭擺振動排種器垂直布置。電磁扭擺振動排種器通過脈沖式電磁鐵帶動種盤作垂直方向振動，分布在電磁鐵周邊的彈簧片受種盤向下作用力發(fā)生變形和位移，進而帶動種盤繞其垂直軸做扭擺運動，種盤內的蔗種受多種振動的共同作用，沿螺旋軌道上升并從出口排出。整套試驗臺架通過調頻式控制器控制排種器的轉速和出料速度。開展多次重復試驗，試驗結果表明，斗式提升機構在輸入功率0.23 kW，提升鏈速度0.1 m/s時，供種量可達3.7個/s。

1.斗式提升機構 2.支架 3.電控箱 4.接料斗 5.電磁振動式排種器圖2 試驗臺架Fig.2 Test bench

4 結束語

國內目前使用的甘蔗種植機沒有供料裝置，只能靠排種器在種箱內取種，種子的流動性直接影響了取種效果。基于物料斗提式輸送機理，研發(fā)了具有均勻供料功能的甘蔗種箱。設計方案能夠使甘蔗種塊被不斷翻動，避免了大量甘蔗種塊淤積，從而使甘蔗種塊順利進入連接的排種器內，大大提高了播種和工作效率。本方案的供種速度可以通過調頻式控制器進行調節(jié)，提高了對排種器的適應能力，可防止出現供種過量或不足情況。研究對于實現和推廣甘蔗機械化精量播種技術具有重要現實意義。