陸秋懿,李 瑞,鄭再象,洪世俊,王世楠

(揚州大學 機械工程學院,江蘇 揚州 225127)

0 引言

我國是世界甘蔗生產第三大國,但甘蔗種植機械化相對低下,幾乎為0[1]。目前,國內外不乏有對甘蔗種植機深入研究的學者,并取得了一些成果。AGPRO在美國開發(fā)了B110型自動甘蔗種植機,國內研發(fā)了邊切邊種、預切種等甘蔗種植機械。美國M.J.Naquinic公司將遙感遙控技術運用到甘蔗種植機上,實現(xiàn)了高度機械化和自動化[2-6]。本文根據某企業(yè)的實際需求,共同研制出一款突破傳統(tǒng)液壓驅動且符合我國國情的地輪驅動甘蔗種植機,并制造出初代樣機,進行了試驗,為后續(xù)的改進和優(yōu)化提供了參考。

1 新型甘蔗種植機的總體設計

1.1 農藝要求和設計參數要求

甘蔗種植的農藝要求有4個,即種植間距、種植密度、甘蔗種子長度和種植深度。

考慮到機械化采伐的需求,將種植間距選擇在1.1～1.4m之間,種植密度為10～12芽/m。甘蔗種子長度一般為380mm,種植深度在250～300mm之間,開溝寬度采用280mm。

甘蔗種植機理論上屬于農業(yè)機械的一種,其設計參照的相關技術指標如表1所示。

表1 甘蔗種植機設計指標標準

1.2 甘蔗種植機的關鍵結構方案設計

1.2.1 驅動形式

從播種機的性能、經濟性、安全性、可靠性及后期維護成本等方面綜合考慮,播種機選取地輪驅動。

工作時,由拖拉機驅動,地輪與土壤之間的摩擦產生的扭矩驅動地輪旋轉,動力通過鏈輪和鏈條傳遞,并分配到甘蔗切割部件、施肥部件和施水部件上[7]。地輪驅動種植株距均勻,成本低、后期維護方便簡單,但地輪質量很大,使機器的重心稍高,穩(wěn)定性降低。

1.2.2 蔗種制備方式

甘蔗種子制備方法包括整桿式、預切割式和實時切割式3種。綜合考慮我國甘蔗種植業(yè)國情,采用實時切割式。與其他兩種甘蔗種子制備方式相比,其優(yōu)點是:結構簡易,制備成本低;結構小,田間轉動調頭、操作方便等。缺點是:勞動力成本高,甘蔗種子載荷量少,種植效率會有一定程度的降低。

1.2.3 與拖拉機的連接方式

目前,甘蔗種植機與拖拉機有三點懸掛式和牽引式兩種連接方式。牽引式只具有牽引功能,三點懸掛式還有提升功能。考慮到實際生產,甘蔗種植機應具有4個基本工功能,即開溝、薄膜覆蓋、土壤覆蓋和鎮(zhèn)壓。這就要求播種機的各個部件具備深入和提升的功能,因此甘蔗種植機使用三點懸掛連接。

1.3 功能模塊功能分析及設計

1.3.1 開溝部件的功能分析及設計

目前,甘蔗種植主要運用的有兩種開溝器,即芯鏵式開溝器和鑿形開溝器。芯鏵式開溝器的開溝寬度大、入土性能好[8-9]。考慮實際生產,選擇芯鏵式開溝器,其犁頭主梁和主梁套分別以為50mm的間距穿孔并用螺栓固定。圖1和圖2為開溝器的三維模型和二維圖。

圖1 開溝器三維模型

圖2 開溝器二維圖

1.3.2 施水施肥部件的功能分析及設計

施水部件包括水箱、噴灑器和驅動控制裝置。一般情況下,水箱選用壁厚的塑料水桶,頂部桶蓋需留有透氣孔,底部設計與下水管及驅動裝置相連的下排水孔。噴灑器可選用塑料低壓扇形噴頭,結構相對簡單,更換和維修成本低。驅動控制由帶有調節(jié)切換閥的微型低壓電動水泵驅動。

從經濟、緊湊和易操作的角度來看,施肥部件選用外槽輪式肥料卸料器。肥料箱為鐵箱式,箱體底部結構為雙錐形。

1.3.3 切種排種部件的功能分析及設計

本機型為兩行種植,滾刀軸轉1圈進行兩次切斷,則求得r=242mm。在用橡膠輥夾持的過程中,發(fā)生30～35mm的滑動,滾刀間保留2mm的間隙,故滾刀理論的滾切半徑為140mm,兩個滾刀軸之間的中心距離為282mm,如圖3所示。

圖3 切斷示意圖

滾刀的材料特性與普通刀具的材料特性相當,選用40Cr材料,調質處理切削刃口,使用中空圓形橡膠輥,并由半圓形弧狀固定板用螺栓進行固定,然后將固定板安裝于滾刀軸上,如圖4所示。

圖4 夾持橡膠輥三維模型

切蔗箱箱體的刀軸安裝孔位置精度和平行度要高,箱體空間分為兩個獨立的切蔗倉和1個傳動齒輪倉,在入口處添加漏斗形滑道以便進給,并在箱體底部表面設計防堵塞的下滑道,如圖5所示。

圖5 切蔗箱內部結構圖

1.3.4 覆膜覆土鎮(zhèn)壓部件的功能分析及選擇

覆膜覆土鎮(zhèn)壓部件的組成部分主要包括薄膜覆蓋、土壤覆蓋和鎮(zhèn)壓3個裝置。

薄膜覆蓋裝置是蔗種落入溝中,在施水和施肥后進行覆膜的裝置。本機薄膜覆蓋裝置結構較為簡單,調節(jié)寬度的限位措施選用限位插銷,三維模型如圖6所示。

土壤覆蓋裝置是在鋪好薄膜后覆蓋土壤的裝置。同時,土壤覆蓋裝置還能防止薄膜被吹起,使甘蔗種植機完成自動抽膜。本機采用雙圓盤土壤覆蓋裝置,三維模型如圖7所示。

圖7 土壤覆蓋裝置三維模型

鎮(zhèn)壓裝置的作用是為了減少土壤中空隙及土壤中水分的蒸發(fā),有助于甘蔗的發(fā)育。目前,輪式鎮(zhèn)壓裝置被普遍運用于同行業(yè)中。本機采用鋼圈輪式,三維模型如圖8所示。

1.3.5 整機機架的設計

根據不同功能的要求,整機架由主機架、小機架、甘蔗堆疊平臺和操作平臺組成。整機機架的三維模型圖和二維圖如圖9～圖12所示。

圖8 鎮(zhèn)壓裝置三維模型

1.小機架 2.主機架 3.甘蔗堆疊平臺 4.操作平臺

圖10 整機機架主視圖

圖11 整機機架俯視圖

圖12 整機機架側視圖

主機架要連接拖拉機的三點懸掛,結合對各功能部件進行合理化布置,使重心位置最低,以對稱方式排列。

小機架結構選用框架式,用加裝油尼龍滑板的橫托板將小機架托起,與主機架采用螺栓固定,用絲杠手搖輪來實現(xiàn)行距調節(jié)。

甘蔗堆疊平臺設計為可折疊收攏的結構,為了防止甘蔗從側面掉落,在外側加裝了護欄。

操作平臺應有1個座位,并在座位后面和側向位置安裝護欄。本文采用框架結構,覆蓋5mm粗的鋼網并用角鋼加固。

1.3.6 傳動系統(tǒng)的功能分析及設計

本機采用基于地輪驅動的鏈輪傳動系統(tǒng)。滿載狀態(tài)下,預計整機負荷為1 250kg,整機各功能模塊質量約為1 270kg,傳動系統(tǒng)質量為300kg,整機質量為2 800kg。地輪載荷為整機質量的70%,約為1 960kg。取載荷大的狀態(tài),每個輪胎需要承受至少980kg的載荷,通過查閱中國國標《農業(yè)輪胎系列》,最終選用層級為8級的9.5-24型號輪胎。

甘蔗機械化種植拖拉機的實際行駛速度約為0.6m/s,滾刀的理論滾切直徑為280mm,根據選定的地輪型號,地輪的理論速度公式為

v=π×D×n

其中,D為地輪直徑;n為地輪轉速。

由此得地輪的轉速n1=0.182r/s,刀盤的轉速n2=0.683r/s。滾刀軸與地輪軸的轉速之比為3.75,采用二級增速鏈傳動。肥料卸料器驅動軸的轉速為0.934r/s,肥料卸料器的驅動軸與地輪軸的轉速之比約為5.13,采用三級增速齒輪傳動。表2為每個鏈輪相關參數,傳動系統(tǒng)示意圖如圖13所示。

表2 傳動系統(tǒng)鏈輪參數

續(xù)表2

1.地輪 2.切蔗箱 3.肥料卸料器

1.3.7 整機的三維模型建立

使用三維繪圖軟件SolidWorks構建整機的三維模型,直接從Madi標準零件庫工具箱導入各種標準零件模型,然后組裝所有功能模塊,完成樣機的初始設計,如圖14所示。

圖14 整機三維模型

整機的基本結構采用Q235,主軸為調制處理后的45鋼,滾刀材料為40Cr等。經軟件計算,整機的空載質量約為1 541kg,滿載質量約為2 839kg,非常接近估計的空載質量1 570kg和滿載質量2 800kg,故可保證與地輪載荷相關的計算數據的準確性。

1.4 牽引力的分析及參數計算

1.4.1 田間運輸狀態(tài)

在田間運輸時,甘蔗種植機所受的阻力有滾動阻力、坡道阻力和風阻等[8]。

《農業(yè)機械設計手冊》中,輪式拖拉機滾動阻力的計算公式為

Ff=f×G

(1)

其中,G為拖拉機輪胎的附加載荷的重力。

運輸狀態(tài)下,整機質量略大于空載狀態(tài)時,G值為

G=mg=1.764×104N

f為輪胎滾動阻力系數,選取地面為已耕地,故f=0.18,得到滾動阻力Ff=3.18×103N。

坡道阻力的計算公式為

Fα=sinα×G

(2)

其中,G為運輸狀態(tài)下的空載質量;α為耕地坡度,查閱資料得知蔗田坡度>15°,故選用α=15°。

由此得坡道阻力為Fα=4.56×103N。

由于整機在現(xiàn)場運輸時速度低,風阻接近0,即Fw=0,因此甘蔗種植機在田間運輸的總阻力為

∑F1=Ff+Fα+Fw=7.74×103N

1.4.2 種植作業(yè)狀態(tài)

種植作業(yè)時,甘蔗種植機所受的阻力包括滾動阻力、坡道阻力、風阻、開溝阻力及作業(yè)阻力等。

種植作業(yè)狀態(tài)下,地輪載荷為70%的整機質量,約為1 987kg。同樣選取已耕地,則f為0.18,代入公式(1)中,計算得Ff= 3.51×103N。

甘蔗種植機處于滿載,故G=2839kg×9.8m/s2,代入公式(2),計算得Fα=7.2×103N。

整機的運行速度v為0.6m/s,風阻接近0,即Fw=0。

開溝阻力采用耕作阻力經驗計算公式為

FR=k×a×b

(3)

其中,a為開溝的最大深度;b為溝寬;k為土壤的耕作比阻。

種植前需要深耕,取k=2N/cm2,由開溝器尺寸得開溝的深度和溝寬為a=30cm、b=28cm,代入公式(3)得FR=3.36×103N。

本機為雙排,因此總開溝阻力為6.72×103N。

作業(yè)阻力由切種部件扭矩損耗和施肥部件扭矩消耗兩部分組成。

滾刀甘蔗切斷功率和地輪扭矩計算公式為

9950×P=T×n×η2

(4)

其中,P為切斷甘蔗的功率;T為地輪扭矩;n為地輪轉速;η為鏈傳動的傳動效率。

地輪扭矩公式為

T=Fβ×r

(5)

其中,Fβ為驅動地輪摩擦力;r為輪胎半徑。

最終得到驅動地輪摩擦力Fβ=4.06×103N,因此種植作業(yè)時的總阻力為∑F1=2.16×104N。

1.5 整機功率的計算及拖拉機匹配

1.5.1 整機功率計算

在正常作業(yè)狀態(tài)下,整機的最小牽引力為2.16×104N,整機功率的計算公式為

P=F×v

(6)

其中,F為整機最小牽引力;v為整機運行速度。

將v=0.6m/s帶入公式(6),則P=1.296×104W。

1.5.2 拖拉機匹配

在田間運輸時,空載條件下計算的質量為1 541kg,三點懸掛的下懸掛中心和整機重心之間的距離為976mm,位于懸掛點后610mm為最大提升力,則拖拉機的提升力計算公式為

F=G×L/610

(7)

其中,G為播種機空載重力;L為三點懸掛的下掛點中心與重心的距離。

計算得F=2.42×104N。

綜上所述,甘蔗種植機需要的最小牽引力為2.16×104N,最小牽引功率1.296×104W,液壓提升裝置提升力2.42×104N。根據目前中國的拖拉機型號,選用東方紅型號“LX1204”拖拉機。

2 甘蔗種植機樣機試驗

2.1 試驗條件

甘蔗收獲后20天左右,在廣西農科院甘蔗研究所的隆安實驗基地進行甘蔗種植機樣機(見圖15)性能試驗,使用直徑為23～28mm、平均長度為1.5m的整根臺農25號甘蔗。試驗采用東方紅“LX1204”拖拉機,增加前配重200kg,試驗歷時5天。

圖15 甘蔗種植機樣機

2.2 試驗方案

重復5次進行試驗,記錄種植作業(yè)時間。取10個長度為1m、間隔為5m的樣品進行一次測試,共完成50次測試。

2.3 試驗數據及結果分析

蔗種除去頭尾,長度在370～390mm為長度合格。相關試驗數據如表3所示。

表3 試驗數據匯總表

由試驗數據可知:變異系數為3.9%,穩(wěn)定性系數為96.1%,傷芽率為2.9%,切口破裂率為2.4%,平均密度為4.1根/m,漏株率為4.8%,深度合格率為97.6%,露芽率為1.5%,段長合格率為100%,作業(yè)效率為0.61hm2/h。

根據表1中各個指標的判定標準可得:該甘蔗種植機樣機各個試驗指標均達到標準,且在非常良好地控制切種長度、具有高穩(wěn)定性系數的前提下,種植密度達到標準,作業(yè)效率超過設計目標值。

3 結論

1) 整機能夠在重復的性能測試中,各項試驗指標均達到較高的水準,播種質量滿足甘蔗種植的農藝要求。

2)整機采用分體式連接機構,由拖拉機牽引,提高了機具的通過性,可以實現(xiàn)一機多用,雙排播種可大幅提高播種效率。

3)整機穩(wěn)定性高,可實現(xiàn)開溝、施肥、播種、覆土及鎮(zhèn)壓等聯(lián)合作業(yè),可減少投入成本和作業(yè)工序。試驗中發(fā)現(xiàn):整機質量較大,后續(xù)可對機架進行輕量化研究,進一步優(yōu)化整機結構,減少整機質量。