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1、山地免耕播种机机架分析白明（甘肃农业大学工学院 2006级机械设计制造及其自动化）摘要：本课题的2BFM5型新型山地免耕播种机可以满足山地、雨养地播种的农艺要求，特别适用于旱农平原区、山地和川塬台地播种作业，可以一次完成分土、施肥、下种、覆土、镇压作业，能够实现种肥分施，能够实现深松、深施化肥、湿土覆盖、种肥垂直分层种施、地面仿形和覆土镇压等功能。新型山地免耕播种机属于牵引式耕作，故主机架和手扶拖拉机头之间的动载荷大，结构稳定条件差，为寻求机架刚度特性差问题的解决办法，在研究过程中对主机架和牵引臂采用三维建模软件Pro/Engineer进行建模，在有限元分析软件ANSYS环境下进行了静力结构分
2、析。在静力分析的基础上对播种机模型进行了适当的改进。在结构刚度可靠的基础上对关键受力部位进行强度校核，并对播种机主要部件出现的一些强度问题进行分析和研究，同时借助计算机辅助设计和有限元理论对出现的问题进行改进论证。关键词：免耕播种机 机架分析 有限元第一章 绪论1.1引言全球粮食危机、水资源紧缺等问题迫使人们通过提高单位水的粮食产量或者提高水分利用效率，以有效地利用水资源进行粮食生产。两种途径似乎应该结合在一起，但是在很多地方降雨和作物水分需求是不同步的。因此作物生产必需依赖于土壤中水分的贮藏量。在我国西北部的大面积地区就面临着降雨少而集中、水土流失严重、土壤贫瘾等问题。我国是主要的干旱国家之
3、一，旱区农业持续性发展的主要问题，一是降雨少、气温低、土壤贫瘠、抗旱能力弱，产量低而不稳，农民生活贫困；二是水土流失和风蚀沙化严重，难以持续发展。以山西为例，每年随雨水流入黄河、汾河的泥沙量达亿吨，其中带走有机质万吨，氮磷肥料万吨，相当于一年的化肥施用量。大量水土流失不仅导致土壤肥力下降，而且蚕食耕地。风蚀沙化则是我国北方旱区近年来更为突出的问题，沙尘暴发生的频率愈来愈高。据统计，我国发生沙尘暴次数逐年上升，50年代五次，60年代八次，70年代十三次，80年代十四次，90年代二十二次。从20世纪90年代开始，我国就不断进行各种旱地增产耕作技术的试验研究。随着人们对旱地农业认识的逐步深入，以覆盖
4、或减少耕作为内容的试验研究工作，取得了显著的效果。但是试验研究仍主要着眼于增产方面，没有同时对技术和环境保护功能开展系统性的试验研究。因此，试验研究能同时满足生态环境保护和增产增收的耕作技术就成为当前迫切需要解决的问题。我国是一个多山的国家，全国 2330 多个县级行政区中，有 69%位于山区和山区，在山区居住着全国三分之一的人口，拥有全国 40%的耕地，生产三分之一的粮食。山地丘陵占土地总面积的三分之二，其中 1625之间的耕地有 3214 万公顷，约占耕地总面积的四分之一。我国也是一个干旱缺水的国家，水资源人均占有量仅占世界平均水平的 1/4，在全国耕地面积中有一半左右属于无灌溉条件的旱地
5、，这些地区的农作物产量低而不稳，农村经济的发展受到了较大的制约。因此，发展旱作节水农业已成为我国发展可持续农业生产中的一项重要战略任务。机械化旱作农业技术的进步和发展关系到中西部旱作地区农业生态的保护和环境资源的进一步开发与利用，也关系到这些地区农民收入和生活水平的提高。我省地处西北内陆地区，属青藏、蒙新、黄土三大高原的交汇地带，分属长江、黄河、内陆河三大流域，是地域辽阔、地形复杂、资源丰富的大省。土地总面积42.58万平方公里，人口2561.5万，截至2000年底，全省共有耕地7433.55万亩，人均占有耕地2.9亩，高出全国人均占有耕地的近一倍。甘肃地形狭长，山地和高原占全省国土面积的70
6、%，戈壁和沙漠约占15% ，大部分地区干旱少雨，且蒸发量大，由于山地、坡地、薄地的比重大，数量上的优势被质量上的劣势所抵消，土地资源并不占优。长期以来，由于挤占耕地、乱垦荒地的现象没有得到有效制止，开垦的荒地由于粗放经营和撂荒，造成新的植被破坏和水土流失。从60年代初期起，全省耕地面积每年减少约0.93万，并随着人口的增加，人均耕地面积仍在逐年下降。在这种形式下，我们要提高人均粮食产量，就要实施农业机械化，但对于我省这种耕地现状，实施大型播种机械难度很大。为了适应我省山区地貌，甘肃农业大学工学院设计出的山地免耕播种机，具有结构简单、功率消耗小、体积小等特点，对在我省山区推广农业机械化相当有利。
7、1.2保护性耕作技术介绍早期的传统耕作是对土壤多次耕翻耙造成一个疏松的耕层，冬季裸露休闲，土壤得不到保护，这是我国水土流失和严重风蚀的根源。因此要从改革耕作制度入手，对传统耕作方法全面改进，大力推广保护性耕作。保护性耕作被联合国粮农组织命名为“Conservation Agriculture”，定义为“A set of principles to reduce losses of soil structure and fertility and improve water use efficiency and production”。国内定义为保护性耕作是最大限度地减少土壤耕作和将作物秸秆残茬
8、留于地表的一种耕作体系，是一种改良的、集约的、防治水蚀和风蚀的作物生产方法。保护性耕作的核心技术：一是残茬覆盖，淘汰铧式犁，土壤不翻耕，秸秆覆盖田面。二是使用茬地播种机播种，随种子播种深施化肥。三是采用除草剂与浅除相结合清除杂草。对保护性耕作还有定义为保护性耕作是指以水土保持为中心，保持适量的地表覆盖物，尽最少翻动土层，而又能保证作物正常生长的耕作方法。近年来，在国家科技攻关项目、农业部项目、澳大利亚国际农业研究中心项目的支持下，中国农业大学和山西省农机局、澳大利亚昆士兰大学、中国农科院等合作，在山西、河北两省建立八个试验区，经过十年持续的试验，完成了保护性耕作在我国的适应性研究。监测数据表明
9、，保护性耕作的休闲期蓄水量高于传统耕作，对小麦出苗和根系发育十分有利保护性耕作的水分利用效率平均高于传统耕作。这证明保护性耕作技术在我国是可行的，是适合在北方地区大面积推广，有利于生态环境保护、增产增收、促进早区农业可持续发展的先进耕作技术。1.2.1国外保护性耕作发展状况国外保护性耕作技术最早出现在美国，由于20世纪30年代的黑风暴，美国在50年代逐步形成机械化免耕技术，60年代欧洲、北美等地的机械化发达国家开始采用免耕技术，70年代澳大利亚、拉丁美洲开始采用保护性耕作技术。经过半个世纪的发展，保护性耕作己经成为这些国家的主体耕作技术。美国在20世纪30年代，发生了两次震惊世界的黑风暴，30
10、万公顷以上的良田遭到毁坏，土层变薄，土壤肥力大大降低，作物产量下降，无法耕种。为此，美国成立了土壤保护局，对各种保水、保土的耕作法进行了大量研究。大量的试验测定表明采用以少耕免耕和秸秆覆盖为中心的保护性耕作法，可以明显地减少水分蒸发，减少径流，增加土壤蓄水和提高产量。1977年以免耕为中心的保护性耕作法获得美国政府一等奖，正式确立了保护性耕作的地位。1988年，美国以秸秆残茬覆盖量为主要依据，重新定义了传统耕作、少耕和保护性耕作，用保护性耕作代替了免耕的提法。1994年美国联邦立法，规定高侵蚀地必须采用保护性耕作。进入20世纪90年代美国的保护性耕作得到进一步加强，成为世界上免耕面积最大的国家
11、。加拿大从20世纪50年代后期开始保护性耕作试验研究，大致可以分为三个阶段1955一1985年为初期试验研究阶段，经历了较长时间，集中研究除草剂和免耕播种机。1985-1995为中期示范推广阶段，由于试验研究成功，除草剂价格下降、除草效率提高，保护性耕作得到大面积的推广应用。1995年至今由于粮食价格下降，这一阶段集中研究降低生产成本，部分农场在保护性耕作地采用多种方式除草、降低除草剂的用量，改进机具、减少作业阻力，降低机械作业成本。澳大利亚于20世纪70年代在全国各地建立了大量保护性耕作实验站，吸收农学、水土、农机专家参与实验研究工作，取得了显著成果。80年代初开始大规模推广20世纪末，主要
12、农业区基本实现保护性耕作。同时，为了解决大功率拖拉机对土壤的压实，以及大面积化学除草剂的重喷和漏喷，提出了固定道作业，目前澳大利亚的固定道保护性耕作体系已推广到100万公顷。前苏联在20世纪50年代开始试验了马尔采夫无壁犁耕作法，效果不理想，杂草太多。随后，结合马尔采夫耕作法和加拿大的抗旱留茬耕作法，配合施用除草剂，形成一套适合旱地的蓄水保墒保土耕作法，产生了良好效果，并因此获得了列宁奖金。拉丁美洲包括巴西、阿根廷、智利、巴拉圭等国家，是保护性耕作起步较晚但发展很快的地区。拉丁美洲属于热带亚热带地区，该地区农业的一大问题是土壤肥力的持续下降，其主要原因是传统耕作土壤裸露，长期暴露在风、雨和高温
13、下，导致土壤侵蚀和向空中逃逸，有机质迅速降低。拉丁美洲国家的保护性耕作面积不仅发展快，而且采用免耕的形式多，免耕面积已经达到保护性耕作的95%。从国外保护性耕作的发展可以看出，保护性耕作出现在西方发达国家，是因为他们农业实现机械化较早，传统的机械化耕作引起了生态环境破坏，为保护耕地、保护环境才研究产生了保护性耕作技术。目前保护性耕作在世界范围内正处于不断发展的过程中。1.2.2国内保护性耕作的发展状况我国是主要的干旱国家之一，旱地农业面积占全国总耕地的40%，主要分布在昆仑山、秦岭、淮河以北的个省、市、自治区。旱区农业持续发展的主要问题，一是降雨少、气温低、土壤贫瘠、自然条件恶劣、产量低而不稳
14、，农民生活贫困；二是水土流失和风蚀沙化严重，不仅导致土壤肥力下降，而且残蚀可利用土地，导致旱区“旱、薄、粗、穷”的局面。我国保护性耕作研究开始于20世纪60年代，黑龙江国营农场开始进行免耕种植小麦的试验示范。60年代末到70年代初，江苏太湖、徐州开展稻茬地上免耕播种小麦的研究。80年代开始，旱地农业耕作体系的研究有向覆盖和减少耕作发展的趋势。这些研究以抗旱增产为目标，从不同的方面推动了我国保护性耕作的前期进展。但这些研究多数还没有以可持续发展为目标，没有考虑同时解决生产效益和生态环境问题所研究的多数技术体系以人畜力作业为主，关键的免耕施肥播种技术和机具等问题没有解决，劳动强度大，大面积推广有困
15、难。1.3国内外免耕播种机研究现状机械化保护性耕作技术中，免耕播种技术是关键。保护性耕作体系推广实施的关键环节之一是需要性能完善、质量可靠的保护性耕作专用机具，其中免耕播种机是最重要的配套机具，能够完成在秸秆覆盖的免少耕地上播种施肥。国内外学者对免耕播种机的主要工作部件进行了广泛的研究，并开发研制出了许多类型的免耕播种机。1.3.1国外免耕播种机研究现状国外从20世纪40年代初就开始保护性耕作的研究，已经拥有相对成熟的保护性耕作技术和机具。目前美国的John Deere、Great Plains、Case;加拿大的Flexi-coil;澳大利亚John Shearer;巴西的Semeato、B
16、alda等著名公司经过多年研究研发设计的免耕播种机，性能优良，得到广泛推广应用。图1-1为John Deere公司生产的1560免耕条播机，采用直径460波纹式单圆盘开沟，破土角度小，对土壤扰动小自身质量大，机架离地间隙大，秸秆通过性好开沟压力大（除自身质量大外，还可通过液压系统调节压力）。该机按工作幅宽有3.05m型、4.6m型和6.1m型三个系列，最大基础质量2917一5969。经试验，该机性能可靠，但种、肥没有分施，只能在播种同时施少量种肥，不能同时施足底肥，若需要施肥时，只能先在种箱中加入化肥，进地作业一遍，将作业深度调到最大约（8），然后二次进地播种。图1-2为美国Case公司生产的
17、SDX30型免耕播种机。该机采用单圆盘开沟器，排种方式为气力式，可以在高茬覆盖地作业。该机采用开放式结构设计，使得用户可以在前面或后面方便地调整开沟器。每一个开沟器都是通过气力加压，并且气压可单独调节以满足不同的播种深度要求。整机重量为11.9吨，整机结实的结构和很大的重量是高速播种和高效率的保证，难以在我国农业生产中应用。 图1-1 John Deere 1560免耕条播机 图1-2 Case SDX30免耕播种机图1-3为美国Great-Plains公司生产的3P605NT型免耕播种机。该机为悬挂式，前端采用大波纹圆盘破茬、松土，在地表开出10-20宽的沟，其后用单体仿形的双圆盘开沟器播种
18、施肥，种、肥混施。机具重量为1.034吨，工作幅宽为1.83米，行距为19.05，共9行。大波纹圆盘需要的压力为203，双圆盘需要40-80，该机结构设计合理，工作过程中重心位置在大波纹圆盘上，切茬能力较强。图1-4为加拿大Flexi-Coil公司生产的5000型免耕播种机。整机长为17.4m，种行宽度可为18.3，22.9，30.5和36.6。气力式排种装置与铲式开沟器组合，镇压轮为多排结构，开沟器也为多梁结构，因而能够较好地防堵，另外压缩空气与种子箱系统在最后方，其重量为自身的轮子支承，所以不论种子多少开沟器对土壤的压力是一定的，以保证精确的开沟深度。 图1-3 Great-Plains
19、3P605NT免耕播种机 图1-4 Flexi-Coil5000免耕播种机图1-5为澳大利亚John Shearer公司生产的4BIN DIRECT DRILLS免耕条播机，其开沟器为单体仿形，双弹簧结构给开沟器以足够的压力进行免耕作业，全液压提升和两侧巨大的轮子能保证开沟器精确的开沟深度。开沟器为铲式多梁结构，每个梁上装4-6个，每个开沟器的间隔较大，以保证良好的防堵性育旨。图1-6为巴西Baldan公司生产的SPD3000玉米秸秆覆盖地小麦播种机，该机采用双圆盘开沟，整机质量大，切土能力强，开沟深度最大可达12。能在每亩2t玉米粉碎秸秆下顺利播种，气力排种装置不损伤种子，其作业性能完全可以
20、和美国John Deere等著名公司的产品相比，但价格只有美国产品的70%，性价比优于美国，被称为世界上最成功的免耕播种机。 图1-5 John Shearer 4BIN免耕条播机 图1-6 Baldan SPD3000小麦播种机从以上分析可知，目前国外的免耕播种机凡乎全都是联合作业机，一次完成破茬、松土、开沟、施肥、播种、撒药等多项作业。国外农场的土地面积一般比较大，拖拉机的功率也较大，免耕播种机一般都是牵引式的，播种机横梁多，多排安排开沟器，各开沟器之间间隔大，多用圆盘开沟器;机具宽而重，一般都是气力式排种，土壤工作部件也做得比较复杂。我国地块较小，免耕播种机一般都设计为悬挂式，且质量不能
21、太大，否则国内目前拖拉机的液压机构难提升播种机;但是免耕地表有残茬覆盖，土壤容重一般较高，故要求播种机单体又必须有一定的质量才能达到入土开沟的目的。同时，我国拖拉机功率有限，播行不能太多，否则由于播种机工作阻力太大拖拉机将拉不动。由于以上制约因素，国外的免耕播种机从结构和工作性能等方面均不能在我国目前条件下使用，这就要求我们在我国现有的条件下，选择或设计合适的免耕播种机。1.3.2国内免耕播种机的研究现状20世纪90年代以前，我国科研工作者对免耕播种机的研究主要集中在玉米免耕播种机的研究。原北京农业大学施森宝等(1990年)设计了2BQM-6型和它的改进型2BQM-6D型(图1-7)。大连农牧
22、机械制造厂生产的2BQM-6A型免耕播种机(图1-8)是目前使用较多的一种。该机主要是采用了凿形刀式破茬松土装置，因其入土性能好，工作时不需增加配重，因此整机质量小，可采用悬挂式。另外还有石家庄农机厂生产的2BFY-3型，山西省新绛机械厂生产的2BGM-3型等。 图1-7 2BQM-6D免耕精量播种机 图1-8 2BQM-6A玉米免耕播种机20世纪90年代以后，中国农业大学在玉米、小麦免耕播种机方面进行了大量试验研究，取得了丰硕的成果，设计出适合我国国情、结构合理的优良免耕播种机。国内研究人员对免耕播种机的各个关键部件及其工作原理进行了深入的探索和研究。施森宝、胡洪烈(1990)等人研制了凿形
23、刀式破茬松土器，其工作原理为推力分茬，工作时秸秆在机具牵引力和地面摩擦力作用下沿凿形刀斜面上移，在上移的过程中，因分草板的作用向两侧滑走。1992年又在此基础上作了改进，重新设计了破茬松土器的刀头，由弧形状改为片状，以提高其入土性能和减小入土阻力。在小麦秸秆量为4500kg/h，秸秆含水率为21.12%的地块中播种，其通过系数可达0.97。在此基础上设计的免耕播种机2BQM-6D、2BQM-6A采用分置式种肥侧位分施方式，用破茬松土器施肥、双圆盘开沟器播种、双斜镇压轮镇压种行并合垄种沟。该机于1991年就已投产，是一种比较成熟的免耕播种机。蒋金琳(1990)等研制了铲锄式倒T形和圆盘式倒T形两
24、种夏玉米免耕播种机开沟器，通过试验表明两种开沟器的开沟深度和播种深度均可满足质量要求。张云文(1991)对免耕播种机防堵装置和分草器的曲面形状进行了初步研究，但这种分草器的实际分草作用并不明显。中国农业大学的高焕文、陈君达、李洪文(1994)等人研究了玉米免耕播种机的防堵装置，设计了行间压草轮、轮齿拨草盘等机构。在设计的样机上选用了引自澳大利亚的尖角型开沟器，这种开沟器入土能力强。试验表明，该机在粉碎的玉米秸秆地可正常工作。于丽娟、高焕文(1994)对传统的单圆盘开沟器进行了改进，设计了一种肥侧位分施机构，可在小麦残茬地里播小麦。并对相关参数进行了分析。王耀发、李问盈、杜兵(1995)等人对小
25、麦免耕播种机的开沟器和种肥分施机构进行了研究，设计出一种整体式种肥正位分施机构，并研制了小麦免耕播种机的样机，可在小麦残茬地里播小麦。苏元升(1999)利用图像处理技术，对播种机开沟器形状与阻力关系进行了研究。张晋国、高焕文研制了带状粉碎防堵装置，该装置能高效解决华北一年两熟高产区小麦收获后的直接播种玉米的防堵问题。这些试验研究，有力地促进了国内免耕播种机及其土壤工作部件的研究，对于改进播种机的性能，提高播种质量都起到了较大的作用。图1-9为中国农业大学研制的2BMF-9型小麦免耕覆盖播种机。采用了双排梁结构，使同一排梁上的开沟器间距达到40cm，在开沟器前安装限深切草圆盘，能在一定的秸秆量覆
26、盖下顺利播种(250/亩产量的全部秸秆还田);采用专利产品“复合型开沟器”实现种肥垂直分施，肥、种间距可达5cm以上，适应了我国地块小、播种的同时施肥量大要求;开沟器安装在平行四连杆仿形机构上，能在地表不平的条件下保证播种质量。2BMF-9型小麦免耕覆盖播种机为我国小麦免耕播种机的原型机，以后出现的其他免耕播种机均或多或少的采用了该机的设计思想和方案。为了适应我国农村有大量小四轮拖拉机的现实，充分利用小四轮拖拉机实现保护性耕作，中国农业大学旱农课题组研制开发了配套巧18马力拖拉机的2BMF-6型小麦免耕覆盖施肥播种机(图1-10)。同样是为了简化结构和降低制造成本，在采用单体仿形和整体仿形中小
27、型免耕播种机试验成功的基础上，开发了2BMF一11型小麦免耕覆盖播种机。采用固定的橡胶地轮，整体仿形，双梁机架等，其中11行机型适应于地块大、较平整的地块;9行则应用于地块小，平整度稍差的地块。 图1-9 2BMF-9 小麦免耕覆盖播种机 图1-10 2BMF-6型小麦免耕覆盖施肥播种机图1-11为2BMFS-6/12型带状浅旋小麦覆盖施肥播种机，是为适应一年两区玉米收获后直播小麦的要求，由河北省农机局组织开发河北农哈哈机械有限公司生产的。该机的最大特点是实行宽窄行播种，在两个窄行小麦播种开沟器前面加装了旋耕刀具，实行条带旋耕，可以将开沟器前的秸秆旋耕粉碎并与土壤混合，因而可在大量的玉米秸秆覆
28、盖地上直播小麦。配套动力为铁牛-65拖拉机，动力消耗较大，效率较低，同时对地表破坏严重，目前作为一种过度机型使用。图1-12为9MSB-2.10型草地免耕松播联合机组，由内蒙古呼和浩特市得利新技术设备厂生产。该机采用倒靴角式破茬开沟器，能一次完成松土、播种、施肥、覆土镇压等作业，适应于大面积草原改良建设。主要适用于内蒙古及周边干旱、半干旱地区。 图1-11 2BMFS-6/12型带状浅旋小麦覆盖施肥播种机 图1-12为9MSB-2.10 草地免耕松播联合机组我国小麦免耕播种机在产业规模上、品种上、质量上，远远不能满足推广保护性耕作技术的生产实际需要，另外不同地区、不同条件下实施免耕播种作业对机
29、具的要求也相差很大，所有的免耕播种机都有其适宜作业的条件，因而结合不同地区农业生产实际条件及要求开发研制适宜的免耕播种机，才能满足在不同地区推广保护性耕作技术的需要。1.4山地免耕播种机的研究意义中国水资源总量为2.8居世界第6位，但人均占有水资源量仅为2400/年，仅为世界平均水平的1/4，在世界上排第110位，被列为世界人均水资源最缺乏的13个国家之一。我国幅员辽阔，各地气候条件差异较大，水资源的时空分布很不均匀，全国水资源量的80%集中在耕地面积仅占全国36%的长江流域及以南地区。我国北方耕地面积较大，但水资源量都很少，西北地区缺水尤为突出。缺乏与浪费并存是我国农业用水紧张的重要特性。一
30、方面是农业供水因水资源紧缺而难以增加，同时工业和城市的发展将进一步削减已经明显不足的农业灌溉用水，农业缺水问题将日益突出；另一方面是农业水资源浪费很严重，因而农业节水潜力很大。我国灌溉水的利用率仅为40%左右，而一些发达地区可达到80%以上，灌溉水的生产效率不足1.0kg/，远远低于发达国家2.0kg/的水平。发展以节水和提高水分利用率为中心的节水型农业，将是提高农业水资源利用率的根本途径。农业生产缺水问题在很大程度上要通过大幅度提高水的利用率和生产效率来解决，从整体上提高农业用水效率是我国节水农业研究的新突破点之一，发展旱作农业与节水农业成为面向未来的积极对策。我国用水量的73%为农田灌溉，
31、而农业灌溉水的利用率却十分低下。面对这种严峻的形势,发展资源节约型的轻型、高效农业是粮食生产可持续发展的唯一选择。要实现节约型轻型高效农业，就必须加快推进和提高农业机械化程度。就目前我国特别是我省的情况来看，适应山地播种农业机具发展缓慢，而生产出的现有机具，转弯半径大，需要地头长，不适宜我国小地块特征。而国外引进的机具施肥量少，一般每公顷在100kg左右，多采用种肥混施。而我国施肥量大，一般在400kg左右，多采用种肥分施。因此考虑到种植方式、作业地块条件以及农村经济发展水平等多种因素，现有大，中型播种机不适应我国山区耕作体系的要求。目前，山地播种技术在我国刚刚起步，其配套机具还处于试验摸索阶
32、段，具有很大的发展空间和潜力。山地播种机具有以下特点：一是极大的发挥了机械的工作效能，提高了机械利用率；二是节约成本；三是增收效益明显；四是节省劳动工时，可使大批劳动力从土地中走出来，发展二、三产业和外出务工；五是机械播种作业速度快、效率高、质量好。为农村经济快速发展，农民尽快致富发挥了重要作用，同时为山区的农机化发展探索出一条新路子。山地播种机是在克服了传统播种机诸多不利因素的基础上设计出来的一种小型播种机。此播种机播种后使土壤表面由平面型变为起伏型，增加了土壤的表面积，增加了光的截获量，改变了土壤的光、热、水条件和微生物活动环境，提高了小麦的光合作用的能力，较好的协调了作物赖以生存的小气候
33、条件，最大限度的降低了不利因素的影响，产生了节能、低耗、高效的良好生态、经济效益和社会效益。甘肃省耕地面积5112.93万亩，其中旱地70%以上，水地不到三分之一，山地占25.97%，水平梯田达2309.83万亩，是典型的山地型高原地区。这些地区自然条件恶劣，粮食产量低而不稳，农业机械化程度较低，严重制约着当地的经济发展和劳动力解放。这些地区的播种作业，基本靠人畜力，劳动强度大，效率低、作业质量差。目前国内外大中型播种机技术比较成熟，但受体积、转弯半径和配套动力等因素的制约，不适合山地小地块作业。而实际生产中使用的各种小型播种机，功能单一，后续作业工序较多，很难完成山地、旱地播种作业的要求。为
34、了满足山地播种农艺要求，本课题设计了一种新型山地播种机，能够实现深松、深施化肥、湿土覆盖、种肥垂直分层种施、地面仿形和覆土镇压等功能：（1）适用于旱农平原区、山地和川塬台地播种作业，有较好的仿形能力。（2）一次完成分土、施肥、下种、覆土、镇压作业，能够实现深松、深施化肥，种肥垂直分层种施，土层不乱，湿土覆盖。（3）深播浅覆，种子播在湿土上，播种后地表形成小垄沟。（4）随播随压，碎土清沟。（5）能实现单个开沟器间播深的一致性调整和所有开沟器的播深调节。第二章 山地免耕播种机主要设计参数2.1农业耕作要求2.1.1农艺要求（1）能按质量完成播种作业；（2）适应小地块作业；（3）能同时播种多种作物；
35、（4）能改善土壤状况，上下层土壤不翻转，土壤侧向位移小，减少水分蒸发，保墒蓄水，提高地表积温；（5）可以一次完成开沟，播种，施肥，覆土，镇压等工序。2.1.2机具要求（1）针对我国农业动力机械马力小的特点，设计播种机具，与AMEC-101型手扶拖拉机匹配，机组作业速度3.08km/h；（2）结构简单，使用方便，尽量减轻机具质量，便于悬挂和田间运输；（3）作业时稳定性好，播深和播量均匀。易于操作，减少作业过程中机具的振动；（4）地轮滑移率应该在农艺要求的范围之内；（5）应该有播深调节装置，能实现整体和微量调节，并且调节方便，尽量减少非工作耗时；（6）要做到种肥分施，避免烧苗，播种深度要一致，能将
36、种子和肥料层播（施）入土壤，且种子与肥料之间至少用3cm的垂直土层隔开。（7）要有很好的上下左右仿形功能，覆土镇压效果要好，播种作业后，仍然能保持良好的地形2.2播种机的性能要求及性能指标2.2.1性能要求播种机的性能要求，包括农业技术要求和使用要求两个方面。（1）技术要求：要求条播机的播种量符合农业技术要求，行距一致、播种均匀；种子播入湿土层中且用湿土覆盖，播深一致且符合农业技术要求，种子损伤率低。（2）使用要求：通用性好，能播多种种子，不损伤种子，调整、换种方便可靠；在播种的同时，能进行施肥、开沟、镇压等作业。2.2.2性能指标播种质量的高低常用性能指标来评价：（1）排种量稳定性：指排种器
37、的排种量不随时间变化而保持稳定的程度，可用于评价播种机播种质量的稳定性；（2）各行排种量稳定性：指同一台播种机上各排种器在相同条件下排种量的一致程度；（3）排种均匀性：指从排种器排种口排出种子的均匀程度；（4）播种均匀性：指播种时种子在种沟内分布的均匀程度；（5）播深稳定性：指种子上面覆土层厚度的稳定程度，最大偏差为1cm；（6）种子破碎率：指排种器排出的种子中，受机械损伤种子量占排出种子量的百分比。小粒种子破碎率0.5%，大粒种子破碎率1%。另外，对于种肥分施播种机来说，还要达到种子和肥料的间层保持一致，不烧伤种子，土壤密实程度适合小麦的生长。设计山地播种机时，既要结合播种机的性能要求及播种
38、机要达到的性能指标，又要结合农作物本身的特性，确定山地播种机的总体设计方案以及各工作部件的设计方案。2.3山地播种机整体结构的设计2.3.1整机设计原则（1）结合我国西北旱作农业地区的实际情况，参考小麦本身特性和国内外的播种机，设计出一种既满足功能要求又适合我国西北农艺情况的山地播种机；（2）播种后要进行镇压，因此在播种机上要设计相应的镇压机构，以最大限度的保证农田水分的要求，避免播种后土壤水分的流失；（3）为了避免土壤被压实，尽量减少作业机器进入土地作业的次数，因此采用复式作业，将开沟、施肥、播种、镇压等作业一次性完成；（4）为了作业方便，要在满足功能要求的基础上，减少整机的体积，尽量将整机
39、结构设计紧凑。另外，在满足强度要求的前提下，要减轻整机的重量，节约使用材料；（5）为了降低成本，要在满足各项要求的基础上，尽量简化结构，同时还要考虑到零件的互换性和可装配性。2.3.2山地播种机的总体结构2.3.2.1幅宽匹配播种幅宽应满足幅宽配套的要求，即农具作业幅宽应大于或等于拖拉机轮子外廓宽度，以避免拖拉机轮子压已完成作业的地面，并保证农具可以作业到地边。该播种机采用的动力是AMEC-101型手扶拖拉机，轮距在680740mm（无级调节）间，旱地小麦行距一般取200mm，考虑到开沟器在前后梁架上的合理布局，开沟器数取5，则播种幅宽为1000mm。2.3.2.2开沟器布置在松散的土壤层中移
40、动时开沟器前方会出现前丘，它们分布在开沟器前面和两侧并与之相隔一定距离。开沟器通过的土壤表面区域具有一定的形状，其纵向和横向尺寸取决与开沟器的结构和土壤状态。开沟器前丘的宽度决定了同一排开沟器中各开沟器之间的最小距离，因为必须保持相邻开沟器间距大于前丘宽度。当一排开沟器间距逐渐靠近到前丘宽度时，开沟器前相邻的前丘接合并形成连续的小田耕，开沟器开始垄土，种沟的形成过程被破坏。根据资料数据，带锐入土角的铲式开沟器间距要大于200mm，因此，将开沟器排成两排，开沟器之间的间距对种沟形成和种子覆土过程有较大影响，根据试验数据，排间距取300mm。生产垂直分层种施开沟器5个，安装在小型山地播种机上，如图
41、2-1所示。图2-1 开沟器的布局图中1.链条 2.销孔 3.挂接板 4.播深调节丝杆 5.地轮梁架 6.地轮 7.链轮 8.开沟器 9.主梁架 10.弹簧 11.镇压轮 12.肥箱 13.种箱 14.链轮 15.调节手轮 16.排种器 17.排肥器 18.接种杯 19.排肥管 20.排种管图2-2山地播种机总体结构图2.3.3新型山地播种机的结构及工作原理本文所研究的山地播种机采用单点悬挂方式悬挂在12马力的小型拖拉机上，由于播种机机体较小，材质较轻，由手工操作提升整机。该机主要由挂接板、播深调节丝杆、地轮梁架、地轮、链轮、开沟器、主梁架、镇压轮、肥箱、种箱、排种器、排肥器等部分组成，具体结
42、构如图2-2所示。播种机挂接板3通过销孔2与拖拉机挂结盒联结，利用挂接板上的U型孔以及挂接板与拖拉机挂接盒之间的间隙，可以实现播种机的地面前后左右仿形。开沟器8通过U型槽均布安装在前后主梁上，开沟器在U型槽内可上下调节，以实现开沟器间的播深一致性调节。地轮梁架5与主梁架9铰接，通过播深调节丝杆4可以调节播种深度。开沟器能迅速破茬入土开沟，土层从下到上顺序回落覆土，实现种肥垂直分层种施，保证种肥土壤间层。每个开沟器后设置一镇压轮11，在正常作业中，镇压轮在拉簧10作用下始终对地面有压力，镇压土壤。种箱13、肥箱12通过隔板分成格状，盛装不同的种子和化肥，可以同时播种多种作物、深施多种化肥；地轮轴
43、链轮7通过链条1驱动排种、排肥轴。通过手轮15调节箱底的多功能排种器16和排肥器17的工作槽轮有效长度，调节排种、排肥量以及适应种子的类型。每个排种排肥器配置有一个插板，可以改变行距。手扶拖拉机带动播种机前进，地轮通过链轮驱动排种轴，由排种盒排下的种子顺着导种管、开沟器播下种子。导肥管末端紧跟开沟器铲尖，通过开沟器尖角部开出的种沟，将经过排肥器、输肥管送至开沟器的肥料铺撒在沟底，实现深施化肥的目的，在开沟器后角的作用下，肥沟沟壁回落覆土，覆土5-6cm后种子落下，实现种肥垂直分层种施的目的；紧接着再将由排种器、输种管送到开沟器的种子通过散种板使种子在种沟内散开到肥料上层的土壤上，种子落下后土层
44、从下到上顺序回落覆土，保证播种深度4-5cm，实现了湿土覆盖，有利于种子发芽出苗。跟进的镇压轮压实肥料、土壤、种子，使肥料与土壤、种子与土壤紧密接触，完成播种作业。2.3.4山地免耕播种机主要技术参数外形尺寸（长宽高）（mm） 9001000650机具质量（） 100作业行数 5行距（mm） 200种子箱容积（m3） 0.2化肥箱容积（m3） 0.2播深（） 35化肥深度（） 810漏播率（%） 32.4山地免耕播种机田间实验情况于2009年3月14至3月16日在甘肃定西李家堡镇进行了试播，当地土质为黄绵土，种子用定西35号，播量180kg/；化肥用二铵和尿素，播量分别为154kg/和93 k
45、g/。试验器具：毛刷、刮板、钢板尺和天平。在已播地不同行随机取样，取样长度为300mm。取样方法：从种沟上表面开始，每10mm深度覆盖层取样一次，记录覆盖层内的种子颗粒数，直至化肥层出现，一组记录完成。图2-3田间试验2.4.1田间实验出现的问题图2-4主机架牵引杆断裂2.4.2毁坏原因分析播种机在正常工作时没有发生任何损坏，各项性能指标均符合要求，造成上图损坏的原因主要是突然承受了较大的冲击载荷，导致牵引臂折断，按照设计要求牵引臂采用40mm *25mm空腹异型管制造,厚度1.2mm,并且呈40角的三角型排列，理论上满足正常工作的强度需求。2.4.3解决方案由于工况下受力情况复杂，牵引臂折断
46、原因较多，结构设计或材料选择等设计缺陷可能都会造成折断，传统上需要通过理论力学和材料力学的计算来进行重新设计和验证，效率和准确性都较低。本课题采用计算机三维实体建模和有限元分析的方法来模拟实际工况下的受力情况，通过分析模拟试验结果最终确定改进方案。第三章 山地免耕播种机三维建模和有限元分析3.1Pro/Engineer环境下的虚拟模型建立随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场中取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。同一产品谁早推出，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论
47、证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造模型进行实验，有时这些实验甚至是被坏性的。当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用模型验证。只有通过周而复始的设计-实验-设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。同时模型的样机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在激烈竞争的市场背景下，基于实际模型上的设计验证过程严重地制约了产品质量的提高，成本的降低和对市场的占有。机械系统的运动一般遵循物理规律，只要掌握了这些规律并定义了描述机械系统的方法，计算机不仅会像搭积木一样把机械系统组装起来，形成虚拟模型，而且会形象的演示其运动过程，这就是所谓的虚拟模型技术，在某一具体的
