盧煜海，葉才福，張　健，劉　碩，王獻(xiàn)澤

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004)

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自行式牛蒡播種機(jī)的設(shè)計(jì)

盧煜海，葉才福，張健，劉碩，王獻(xiàn)澤

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有牛蒡播種機(jī)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走、播種效果不理想等問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了自行式牛蒡播種機(jī)。該機(jī)由工作臺(tái)、動(dòng)力傳動(dòng)部分、雙離合控制裝置及播種機(jī)構(gòu)組成。動(dòng)力傳動(dòng)部分通過直流電機(jī)調(diào)速器實(shí)現(xiàn)行走速度可調(diào)，雙離合控制裝置可方便地實(shí)現(xiàn)行走車輪與播種機(jī)構(gòu)動(dòng)力的接入斷開，播種裝置拆卸方便。試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)播種合格率可達(dá)85%以上，作業(yè)質(zhì)量符合農(nóng)藝要求；機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，為推動(dòng)牛蒡機(jī)械化種植的發(fā)展提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：牛蒡播種機(jī);自行式；雙離合

0引言

牛蒡?yàn)樗幉思嬗弥参?，營(yíng)養(yǎng)豐富，具有較高的藥用價(jià)值，是我國(guó)出口創(chuàng)匯的主要農(nóng)作物之一[1]。牛蒡子，一種中藥，長(zhǎng)5～7mm、寬2～3mm，表面灰褐色，帶紫黑色斑點(diǎn)，有數(shù)條縱棱，通常中間1～2條縱棱較明顯，分布于我國(guó)臺(tái)灣、山東、江蘇、陜西、河南、湖北、安徽及浙江等地[2]。牛蒡在5月和9月中下旬播種，播種方式分穴播和條播。穴播是按株行距30cm×60cm開穴播種，每穴播4~6粒；條播按行距60cm成條播種，播深2cm，株距5～6cm[3]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)牛蒡相關(guān)的機(jī)具研究主要集中在牛蒡收獲機(jī)、打溝機(jī)上[4-5]，對(duì)牛蒡播種機(jī)的研究較少。市場(chǎng)上的牛蒡播種機(jī)需要人工推動(dòng)前進(jìn)，且每次掉落的牛蒡子種子數(shù)目不止1粒，容易造成重播和漏播。因此，現(xiàn)有的牛蒡播種機(jī)械所需的人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，經(jīng)濟(jì)成本較高，播種效果不理想。

針對(duì)現(xiàn)有的牛蒡播種機(jī)的不足，設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)現(xiàn)行走速度可調(diào)、精確播種的自行式牛蒡播種機(jī)，可較好地實(shí)現(xiàn)牛蒡子均勻成條播種，播種合格率達(dá)85%以上。

1整體結(jié)構(gòu)及工作原理

自行式牛蒡播種機(jī)主要由工作臺(tái)、動(dòng)力傳動(dòng)部分、雙離合控制裝置及播種機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。該設(shè)備外形尺寸(L×W×H)為1 050mm×620mm×620mm，總質(zhì)量約60kg，設(shè)計(jì)播種效率為0.12hm2/h。

1.車輪　2.減速機(jī)　3.轉(zhuǎn)速手柄　4.播種機(jī)構(gòu)　5.萬向輪

整機(jī)由蓄電池提供動(dòng)力，電機(jī)和蓄電池通過導(dǎo)線連接在一起，電機(jī)與減速機(jī)直接連接在一起，減速機(jī)通過聯(lián)軸器將動(dòng)力輸送到雙離合控制裝置上。播種時(shí),合上雙離合控制裝置的右側(cè)操縱桿，主傳動(dòng)軸上的離合大齒輪與行走鏈輪連接，動(dòng)力輸送到車輪上從而帶動(dòng)整機(jī)行走；合上雙離合控制裝置的左側(cè)操縱桿，主傳動(dòng)軸上的離合小齒輪與播種鏈輪連接，動(dòng)力輸送到播種機(jī)構(gòu)上從而實(shí)現(xiàn)播種。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速把手，控制直流電機(jī)調(diào)速器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)整行走速度和播種速度，行走速度可控范圍為0.2～0.6m/s。

2主要部件的設(shè)計(jì)

2.1　工作臺(tái)

工作臺(tái)由車架、車輪、萬向輪和轉(zhuǎn)速把手組成，如圖1所示。車架為動(dòng)力傳動(dòng)部分、雙離合控制裝置及播種機(jī)構(gòu)提供支撐，車架采用截面為∠40×40×4的角鋼和∠30×30×4的角鋼焊接而成，角鋼材料為Q235。角鋼能很好地滿足播種機(jī)剛度和強(qiáng)度的要求，減小整機(jī)工作中產(chǎn)生的振動(dòng)和變形。扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速把手可以控制行走速度和播種速度，萬向輪可以360°旋轉(zhuǎn)，方便轉(zhuǎn)向及提供輔助支撐。

2.2　動(dòng)力傳動(dòng)部分

自行式牛蒡播種機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2所示。動(dòng)力傳動(dòng)部分的作用是為整個(gè)播種機(jī)提供行走動(dòng)力和播種的動(dòng)力，從減小整機(jī)振動(dòng)和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，整個(gè)動(dòng)力裝置選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了增大電機(jī)輸出的扭矩，將電機(jī)通過電機(jī)聯(lián)軸器與減速器連接，減速機(jī)將動(dòng)力輸入到主傳動(dòng)軸上。

1.行走大鏈輪　2.行走鏈條　3.行走小鏈輪　4.主傳動(dòng)軸

2.2.1電機(jī)的選擇

電機(jī)為整機(jī)行走、播種裝置播種作業(yè)提供動(dòng)力，因此電機(jī)的功率和類型的選擇至關(guān)重要。根據(jù)工作需要及工作條件應(yīng)選用直流電機(jī)，自走式牛蒡播種機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：整車質(zhì)量m=60kg，爬坡角度α=25°，工作時(shí)最高行走速度V=0.6m/s。

1)播種機(jī)所受的牽引力為

Fk=Ff+Fα+Fx=Gfcosα+Gsinα+Fx

2)電機(jī)至行走車輪的傳動(dòng)總效率為

η=η12·η25·η33·η4·η5

其中，η1、η2、η3、η4、η5分別是聯(lián)軸器、軸承、齒輪傳動(dòng)、鏈輪傳動(dòng)和車輪傳動(dòng)效率。

3)電機(jī)輸出功率為

式中Fk—切線牽引力；

Fα—坡度阻力；

Fx—工作阻力；

f—滾動(dòng)阻力系數(shù)。

由于播種機(jī)行走速度較低，播種機(jī)構(gòu)質(zhì)量較輕，因此播種裝置的工作阻力遠(yuǎn)小于滾動(dòng)阻力和坡度阻力，計(jì)算時(shí)可將工作阻力忽略不計(jì)。查設(shè)計(jì)手冊(cè)[6],分別取η1=0.99、η2=0.99、η3=0.97、η4=0.95、η5=0.95、f=0.08。

計(jì)算得出：電機(jī)輸出功率P=231.5W。經(jīng)過對(duì)比現(xiàn)有市場(chǎng)上的直流電機(jī)種類，最終選取的電機(jī)型號(hào)為MY1020ZXD,額定轉(zhuǎn)速3 100 r/min，額定功率450W，額定電壓36V。

2.2.2減速器的選擇

本設(shè)計(jì)選用的電機(jī)額定功率只有450W，但額定轉(zhuǎn)速較高，因此在減速器的選擇上，對(duì)其承載能力要求較低，應(yīng)選用較高傳動(dòng)比的減速器，以達(dá)到降低轉(zhuǎn)速提高輸出扭矩的目的。為了節(jié)省制造成本，選用兩級(jí)圓錐—圓錐齒輪減速器，傳動(dòng)比i=30。

2.2.3行走車輪滾子鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)

1)傳動(dòng)比初算。主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為

n1=n/i

行走車輪軸轉(zhuǎn)速為

主傳動(dòng)軸到行走車輪軸通過滾子鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比為

其中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；D為行走車輪直徑，D=400mm。

計(jì)算結(jié)果：n1=103r/min, n2=29r/min, i1=3.55。

2)鏈輪齒數(shù)。行走小鏈輪齒數(shù)為

z1=25

行走大鏈輪齒數(shù)為

z2=i1·z1=88.75,取z2=88

3)實(shí)際傳動(dòng)比為

4)修正功率。主傳動(dòng)軸功率為

P1=P·η12·η25·η33=196.9W

查設(shè)計(jì)手冊(cè)[7],得工況系數(shù)f1=1.4，行走小鏈輪齒輪系數(shù)f2=0.76。

修正功率為

Pc=P1·f1·f2=209.5W

5)鏈條節(jié)距。由修正功率和行走小鏈輪轉(zhuǎn)速，選得節(jié)距p的型號(hào)為08A，即12.70mm。

6)初定中心距。因結(jié)構(gòu)上未限定，初取

a0p=35p

7)鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)為

8)鏈條長(zhǎng)度為

9)鏈速為

10)作用于軸上的拉力為

FQ=1.2KA·P/v=457N

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，采用單排08A滾子鏈，節(jié)距為12.70mm，節(jié)數(shù)為227節(jié)，標(biāo)記為：08A-1×227 GB/T1243-2006。

2.3　雙離合控制裝置

雙離合控制裝置由右側(cè)操縱桿、左側(cè)操縱桿、離合大齒輪、離合小齒輪、行走小鏈輪、播種大鏈輪組成，如圖3所示。其中，行走小鏈輪、播種大鏈輪均是齒輪和鏈輪的組合件。雙離合控制裝置的作用是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力與行走車輪、播種裝置的接觸分離，從而達(dá)到控制行走和播種的目的。雙離合控制裝置中右側(cè)操縱桿控制自行式牛蒡播種機(jī)的行走。右側(cè)操縱桿向外側(cè)扳動(dòng)時(shí)使得離合大齒輪與行走小鏈輪齒輪端嚙合在一起，動(dòng)力傳遞到行走小鏈輪上。通過行走鏈條將動(dòng)力最后傳遞到行走車輪軸上，帶動(dòng)自行式牛蒡播種機(jī)的行走。右側(cè)操縱桿向外側(cè)扳動(dòng)時(shí)使得離合大齒輪與行走小鏈輪齒輪端分開，動(dòng)力無法傳遞到行走車輪軸上，自行式牛蒡播種機(jī)無法自動(dòng)行走。

雙離合控制裝置左側(cè)操縱桿向外扳動(dòng)時(shí)使得離合小齒輪與播種大鏈輪齒輪端嚙合在一起。播種大鏈輪通過播種鏈條與播種傳動(dòng)軸連接在一起，動(dòng)力經(jīng)過播種傳動(dòng)軸傳遞到播種裝置上。將左側(cè)操縱桿向內(nèi)扳動(dòng)時(shí)使得離合小齒輪與播種大鏈輪齒輪端分開，動(dòng)力無法傳遞到播種裝置，此時(shí)自行式牛蒡播種機(jī)無法進(jìn)行播種工作。雙離合控制裝置操作簡(jiǎn)單，操作員只需要俯身操作右側(cè)操縱桿和左側(cè)操縱桿，就可以控制行走和播種。

1.右側(cè)操縱桿　2.離合大齒輪　3.行走小鏈輪　4.播種大鏈輪

2.4　播種裝置

播種裝置是自行式牛蒡播種機(jī)的重要部件，其設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系到整機(jī)的作業(yè)效果。牛蒡子質(zhì)量小、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，因此播種裝置的設(shè)計(jì)需要滿足精確播種、方便拆裝的設(shè)計(jì)要求，如圖4所示。

1.定位螺栓孔　2.定位銷軸　3.旋轉(zhuǎn)銷軸　4.播種盒子下半部

播種裝置由定位螺栓孔、定位銷軸、旋轉(zhuǎn)銷軸、播種盒子下半部、連接軸、播種滾子和播種盒子上半部構(gòu)成。播種盒子底座固定在工作臺(tái)上，下半部通過定位銷軸安裝在播種盒子底座上，上半部與播種盒子下半部通過旋轉(zhuǎn)銷軸鉸連，播種盒子上半部與播種盒子底座通過定位螺栓孔固定連接。播種盒子每次最多可裝填1kg牛蒡子，播種裝置發(fā)生堵塞時(shí)，只需要向外扳動(dòng)左側(cè)操縱桿，斷開播種動(dòng)力，擰開定位螺栓孔上的定位螺栓，即可依次拆卸下播種盒子上半部、播種滾子及播種盒子下半部，整個(gè)拆裝清理過程簡(jiǎn)單方便。播種時(shí)，播種滾子在傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，播種盒子上半部中的牛蒡子可以順利流入播種滾子凹槽內(nèi)，進(jìn)而掉入到播種盒子下半部中，牛蒡子掉入種植穴中完成播種。通過控制播種滾子的轉(zhuǎn)速與整車的行走速度，達(dá)到精確播種的要求。

3結(jié)論

該自行式牛蒡播種機(jī)構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走、精確播種，行走速度可控范圍為0.2～0.6m/s。實(shí)地試驗(yàn)表明：該機(jī)播種合格率可達(dá)85%以上，作業(yè)質(zhì)量符合農(nóng)藝要求，工作性能可靠。該機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)能夠極大地降低牛蒡播種的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)推動(dòng)牛蒡機(jī)械化種植的發(fā)展有積極作用。

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The Design of the Self-propelled Burdock Seeder

Lu Yuhai, Ye Caifu, Zhang Jian, Liu Shuo, Wang Xianze

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：A new design of the burdock seeder has been accomplished aimed to solve the extremely important problem of the burdock seeder cannot achieve automatic walking and low efficiency in recent research. The machine composed of the working table, power transmission part, dual clutch control device and seeding mechanism.Power transmission part through the DC motor speed regulator can adjust the speed.Double clutch control device can realize the access and power off for dynamic walking wheel and seeding convenient.Seeding mechanism can be easily filling seed and disassemble. Field test shows that the qualified rate reaches up to over 85% and work quality satisfies the requirement of agronomy and the design of structure is completely in reason, which provides technology support for promote the development of burdock planting mechanization.

Key words：burdock seeder;self-propelled; dual clutch

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0104-04

作者簡(jiǎn)介：盧煜海(1970-)，女，廣西桂平人，講師，(E-mail)lyhai@163.com。通訊作者：葉才福(1990-)，男，江西贛州人，碩士研究生，(E-mail)yecaifu77@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(141059304)

收稿日期：2015-10-27