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1、白明：山地免耕播種機(jī)機(jī)架分析 山地免耕播種機(jī)機(jī)架分析 白明 （甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 2006級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化） 摘要：本課題的2BFM—5型新型山地免耕播種機(jī)可以滿足山地、雨養(yǎng)地播種的農(nóng)藝要求，特別適用于旱農(nóng)平原區(qū)、山地和川塬臺地播種作業(yè)，可以一次完成分土、施肥、下種、覆土、鎮(zhèn)壓作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)種肥分施，能夠?qū)崿F(xiàn)深松、深施化肥、濕土覆蓋、種肥垂直分層種施、地面仿形和覆土鎮(zhèn)壓等功能。新型山地免耕播種機(jī)屬于牽引式耕作，故主機(jī)架和手扶拖拉機(jī)頭之間的動載荷大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定條件差，為尋求機(jī)架剛度特性差問題的解決辦法，在研究過程中對主機(jī)架和牽引臂采用三維建模軟件Pro/Engineer進(jìn)行建

2、模，在有限元分析軟件ANSYS環(huán)境下進(jìn)行了靜力結(jié)構(gòu)分析。在靜力分析的基礎(chǔ)上對播種機(jī)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。在結(jié)構(gòu)剛度可靠的基礎(chǔ)上對關(guān)鍵受力部位進(jìn)行強(qiáng)度校核，并對播種機(jī)主要部件出現(xiàn)的一些強(qiáng)度問題進(jìn)行分析和研究，同時(shí)借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和有限元理論對出現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn)論證。 關(guān)鍵詞：免耕播種機(jī) 機(jī)架分析 有限元 第一章 緒論 1.1引言 全球糧食危機(jī)、水資源緊缺等問題迫使人們通過提高單位水的糧食產(chǎn)量或者提高水分利用效率，以有效地利用水資源進(jìn)行糧食生產(chǎn)。兩種途徑似乎應(yīng)該結(jié)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。因此作物生產(chǎn)必需依賴于土壤中水分的貯藏量。在我國西北部的大面積地區(qū)就面臨

3、著降雨少而集中、水土流失嚴(yán)重、土壤貧癮等問題。我國是主要的干旱國家之一，旱區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)性發(fā)展的主要問題，一是降雨少、氣溫低、土壤貧瘠、抗旱能力弱，產(chǎn)量低而不穩(wěn)，農(nóng)民生活貧困；二是水土流失和風(fēng)蝕沙化嚴(yán)重，難以持續(xù)發(fā)展。以山西為例，每年隨雨水流入黃河、汾河的泥沙量達(dá)億噸，其中帶走有機(jī)質(zhì)萬噸，氮磷肥料萬噸，相當(dāng)于一年的化肥施用量。大量水土流失不僅導(dǎo)致土壤肥力下降，而且蠶食耕地。風(fēng)蝕沙化則是我國北方旱區(qū)近年來更為突出的問題，沙塵暴發(fā)生的頻率愈來愈高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國發(fā)生沙塵暴次數(shù)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。從20世紀(jì)90年代開始，我國就不斷進(jìn)行各種

4、旱地增產(chǎn)耕作技術(shù)的試驗(yàn)研究。隨著人們對旱地農(nóng)業(yè)認(rèn)識的逐步深入，以覆蓋或減少耕作為內(nèi)容的試驗(yàn)研究工作，取得了顯著的效果。但是試驗(yàn)研究仍主要著眼于增產(chǎn)方面，沒有同時(shí)對技術(shù)和環(huán)境保護(hù)功能開展系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究。因此，試驗(yàn)研究能同時(shí)滿足生態(tài)環(huán)境保護(hù)和增產(chǎn)增收的耕作技術(shù)就成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。我國是一個(gè)多山的國家，全國 2330 多個(gè)縣級行政區(qū)中，有 69%位于山區(qū)和山區(qū)，在山區(qū)居住著全國三分之一的人口，擁有全國 40%的耕地，生產(chǎn)三分之一的糧食。山地丘陵占土地總面積的三分之二，其中 16－25之間的耕地有 3214 萬公頃，約占耕地總面積的四分之一。我國也是一個(gè)干旱缺水的國家，水資源人均占有量僅占

5、世界平均水平的 1/4，在全國耕地面積中有一半左右屬于無灌溉條件的旱地，這些地區(qū)的農(nóng)作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展受到了較大的制約。因此，發(fā)展旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)已成為我國發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略任務(wù)。機(jī)械化旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展關(guān)系到中西部旱作地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)的保護(hù)和環(huán)境資源的進(jìn)一步開發(fā)與利用，也關(guān)系到這些地區(qū)農(nóng)民收入和生活水平的提高。我省地處西北內(nèi)陸地區(qū)，屬青藏、蒙新、黃土三大高原的交匯地帶，分屬長江、黃河、內(nèi)陸河三大流域，是地域遼闊、地形復(fù)雜、資源豐富的大省。土地總面積42.58萬平方公里，人口2561.5萬，截至2000年底，全省共有耕地7433.55萬畝，人均占有耕地2.9畝，高出

6、全國人均占有耕地的近一倍。甘肅地形狹長，山地和高原占全省國土面積的70%，戈壁和沙漠約占15% ，大部分地區(qū)干旱少雨，且蒸發(fā)量大，由于山地、坡地、薄地的比重大，數(shù)量上的優(yōu)勢被質(zhì)量上的劣勢所抵消，土地資源并不占優(yōu)。長期以來，由于擠占耕地、亂墾荒地的現(xiàn)象沒有得到有效制止，開墾的荒地由于粗放經(jīng)營和撂荒，造成新的植被破壞和水土流失。從60年代初期起，全省耕地面積每年減少約0.93萬，并隨著人口的增加，人均耕地面積仍在逐年下降。在這種形式下，我們要提高人均糧食產(chǎn)量，就要實(shí)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化，但對于我省這種耕地現(xiàn)狀，實(shí)施大型播種機(jī)械難度很大。為了適應(yīng)我省山區(qū)地貌，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院設(shè)計(jì)出的山地免耕播種機(jī)，具有結(jié)

7、構(gòu)簡單、功率消耗小、體積小等特點(diǎn)，對在我省山區(qū)推廣農(nóng)業(yè)機(jī)械化相當(dāng)有利。 1.2保護(hù)性耕作技術(shù)介紹 早期的傳統(tǒng)耕作是對土壤多次耕翻耙造成一個(gè)疏松的耕層，冬季裸露休閑，土壤得不到保護(hù)，這是我國水土流失和嚴(yán)重風(fēng)蝕的根源。因此要從改革耕作制度入手，對傳統(tǒng)耕作方法全面改進(jìn)，大力推廣保護(hù)性耕作。保護(hù)性耕作被聯(lián)合國糧農(nóng)組織命名為“Conservation Agriculture”，定義為“A set of principles to reduce losses of soil structure and fertility and improve water use efficiency and pro

8、duction”。國內(nèi)定義為保護(hù)性耕作是最大限度地減少土壤耕作和將作物秸稈殘茬留于地表的一種耕作體系，是一種改良的、集約的、防治水蝕和風(fēng)蝕的作物生產(chǎn)方法。保護(hù)性耕作的核心技術(shù)：一是殘茬覆蓋，淘汰鏵式犁，土壤不翻耕，秸稈覆蓋田面。二是使用茬地播種機(jī)播種，隨種子播種深施化肥。三是采用除草劑與淺除相結(jié)合清除雜草。對保護(hù)性耕作還有定義為保護(hù)性耕作是指以水土保持為中心，保持適量的地表覆蓋物，盡最少翻動土層，而又能保證作物正常生長的耕作方法。近年來，在國家科技攻關(guān)項(xiàng)目、農(nóng)業(yè)部項(xiàng)目、澳大利亞國際農(nóng)業(yè)研究中心項(xiàng)目的支持下，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和山西省農(nóng)機(jī)局、澳大利亞昆士蘭大學(xué)、中國農(nóng)科院等合作，在山西、河北兩省建立八

9、個(gè)試驗(yàn)區(qū)，經(jīng)過十年持續(xù)的試驗(yàn)，完成了保護(hù)性耕作在我國的適應(yīng)性研究。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，保護(hù)性耕作的休閑期蓄水量高于傳統(tǒng)耕作，對小麥出苗和根系發(fā)育十分有利保護(hù)性耕作的水分利用效率平均高于傳統(tǒng)耕作。這證明保護(hù)性耕作技術(shù)在我國是可行的，是適合在北方地區(qū)大面積推廣，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)、增產(chǎn)增收、促進(jìn)早區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的先進(jìn)耕作技術(shù)。 1.2.1國外保護(hù)性耕作發(fā)展?fàn)顩r 國外保護(hù)性耕作技術(shù)最早出現(xiàn)在美國，由于20世紀(jì)30年代的黑風(fēng)暴，美國在50年代逐步形成機(jī)械化免耕技術(shù)，60年代歐洲、北美等地的機(jī)械化發(fā)達(dá)國家開始采用免耕技術(shù)，70年代澳大利亞、拉丁美洲開始采用保護(hù)性耕作技術(shù)。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，保護(hù)性耕作己

10、經(jīng)成為這些國家的主體耕作技術(shù)。美國在20世紀(jì)30年代，發(fā)生了兩次震驚世界的黑風(fēng)暴，30萬公頃以上的良田遭到毀壞，土層變薄，土壤肥力大大降低，作物產(chǎn)量下降，無法耕種。為此，美國成立了土壤保護(hù)局，對各種保水、保土的耕作法進(jìn)行了大量研究。大量的試驗(yàn)測定表明采用以少耕免耕和秸稈覆蓋為中心的保護(hù)性耕作法，可以明顯地減少水分蒸發(fā)，減少徑流，增加土壤蓄水和提高產(chǎn)量。1977年以免耕為中心的保護(hù)性耕作法獲得美國政府一等獎，正式確立了保護(hù)性耕作的地位。1988年，美國以秸稈殘茬覆蓋量為主要依據(jù)，重新定義了傳統(tǒng)耕作、少耕和保護(hù)性耕作，用保護(hù)性耕作代替了免耕的提法。1994年美國聯(lián)邦立法，規(guī)定高侵蝕地必須采用保護(hù)性

11、耕作。進(jìn)入20世紀(jì)90年代美國的保護(hù)性耕作得到進(jìn)一步加強(qiáng)，成為世界上免耕面積最大的國家。加拿大從20世紀(jì)50年代后期開始保護(hù)性耕作試驗(yàn)研究，大致可以分為三個(gè)階段1955一1985年為初期試驗(yàn)研究階段，經(jīng)歷了較長時(shí)間，集中研究除草劑和免耕播種機(jī)。1985-1995為中期示范推廣階段，由于試驗(yàn)研究成功，除草劑價(jià)格下降、除草效率提高，保護(hù)性耕作得到大面積的推廣應(yīng)用。1995年至今由于糧食價(jià)格下降，這一階段集中研究降低生產(chǎn)成本，部分農(nóng)場在保護(hù)性耕作地采用多種方式除草、降低除草劑的用量，改進(jìn)機(jī)具、減少作業(yè)阻力，降低機(jī)械作業(yè)成本。 澳大利亞于20世紀(jì)70年代在全國各地建立了大量保護(hù)性耕作實(shí)驗(yàn)站，吸收農(nóng)學(xué)

12、、水土、農(nóng)機(jī)專家參與實(shí)驗(yàn)研究工作，取得了顯著成果。80年代初開始大規(guī)模推廣20世紀(jì)末，主要農(nóng)業(yè)區(qū)基本實(shí)現(xiàn)保護(hù)性耕作。同時(shí)，為了解決大功率拖拉機(jī)對土壤的壓實(shí)，以及大面積化學(xué)除草劑的重噴和漏噴，提出了固定道作業(yè)，目前澳大利亞的固定道保護(hù)性耕作體系已推廣到100萬公頃。 前蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代開始試驗(yàn)了馬爾采夫無壁犁耕作法，效果不理想，雜草太多。隨后，結(jié)合馬爾采夫耕作法和加拿大的抗旱留茬耕作法，配合施用除草劑，形成一套適合旱地的蓄水保墑保土耕作法，產(chǎn)生了良好效果，并因此獲得了列寧獎金。 拉丁美洲包括巴西、阿根廷、智利、巴拉圭等國家，是保護(hù)性耕作起步較晚但發(fā)展很快的地區(qū)。拉丁美洲屬于熱帶亞熱帶地

13、區(qū)，該地區(qū)農(nóng)業(yè)的一大問題是土壤肥力的持續(xù)下降，其主要原因是傳統(tǒng)耕作土壤裸露，長期暴露在風(fēng)、雨和高溫下，導(dǎo)致土壤侵蝕和向空中逃逸，有機(jī)質(zhì)迅速降低。拉丁美洲國家的保護(hù)性耕作面積不僅發(fā)展快，而且采用免耕的形式多，免耕面積已經(jīng)達(dá)到保護(hù)性耕作的95%。 從國外保護(hù)性耕作的發(fā)展可以看出，保護(hù)性耕作出現(xiàn)在西方發(fā)達(dá)國家，是因?yàn)樗麄冝r(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化較早，傳統(tǒng)的機(jī)械化耕作引起了生態(tài)環(huán)境破壞，為保護(hù)耕地、保護(hù)環(huán)境才研究產(chǎn)生了保護(hù)性耕作技術(shù)。目前保護(hù)性耕作在世界范圍內(nèi)正處于不斷發(fā)展的過程中。 1.2.2國內(nèi)保護(hù)性耕作的發(fā)展?fàn)顩r 我國是主要的干旱國家之一，旱地農(nóng)業(yè)面積占全國總耕地的40%，主要分布在昆侖山、秦嶺、淮

14、河以北的個(gè)省、市、自治區(qū)。旱區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要問題，一是降雨少、氣溫低、土壤貧瘠、自然條件惡劣、產(chǎn)量低而不穩(wěn)，農(nóng)民生活貧困；二是水土流失和風(fēng)蝕沙化嚴(yán)重，不僅導(dǎo)致土壤肥力下降，而且殘蝕可利用土地，導(dǎo)致旱區(qū)“旱、薄、粗、窮”的局面。我國保護(hù)性耕作研究開始于20世紀(jì)60年代，黑龍江國營農(nóng)場開始進(jìn)行免耕種植小麥的試驗(yàn)示范。60年代末到70年代初，江蘇太湖、徐州開展稻茬地上免耕播種小麥的研究。80年代開始，旱地農(nóng)業(yè)耕作體系的研究有向覆蓋和減少耕作發(fā)展的趨勢。這些研究以抗旱增產(chǎn)為目標(biāo)，從不同的方面推動了我國保護(hù)性耕作的前期進(jìn)展。但這些研究多數(shù)還沒有以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，沒有考慮同時(shí)解決生產(chǎn)效益和生態(tài)環(huán)境問

15、題所研究的多數(shù)技術(shù)體系以人畜力作業(yè)為主，關(guān)鍵的免耕施肥播種技術(shù)和機(jī)具等問題沒有解決，勞動強(qiáng)度大，大面積推廣有困難。 1.3國內(nèi)外免耕播種機(jī)研究現(xiàn)狀 機(jī)械化保護(hù)性耕作技術(shù)中，免耕播種技術(shù)是關(guān)鍵。保護(hù)性耕作體系推廣實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是需要性能完善、質(zhì)量可靠的保護(hù)性耕作專用機(jī)具，其中免耕播種機(jī)是最重要的配套機(jī)具，能夠完成在秸稈覆蓋的免少耕地上播種施肥。國內(nèi)外學(xué)者對免耕播種機(jī)的主要工作部件進(jìn)行了廣泛的研究，并開發(fā)研制出了許多類型的免耕播種機(jī)。 1.3.1國外免耕播種機(jī)研究現(xiàn)狀 國外從20世紀(jì)40年代初就開始保護(hù)性耕作的研究，已經(jīng)擁有相對成熟的保護(hù)性耕作技術(shù)和機(jī)具。目前美國的John Deere

16、、Great Plains、Case;加拿大的Flexi-coil;澳大利亞John Shearer;巴西的Semeato、Balda等著名公司經(jīng)過多年研究研發(fā)設(shè)計(jì)的免耕播種機(jī)，性能優(yōu)良，得到廣泛推廣應(yīng)用。 圖1-1為John Deere公司生產(chǎn)的1560免耕條播機(jī)，采用直徑460㎜波紋式單圓盤開溝，破土角度小，對土壤擾動小自身質(zhì)量大，機(jī)架離地間隙大，秸稈通過性好開溝壓力大（除自身質(zhì)量大外，還可通過液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)壓力）。該機(jī)按工作幅寬有3.05m型、4.6m型和6.1m型三個(gè)系列，最大基礎(chǔ)質(zhì)量2917㎏一5969㎏。經(jīng)試驗(yàn)，該機(jī)性能可靠，但種、肥沒有分施，只能在播種同時(shí)施少量種肥，不能同時(shí)施足

17、底肥，若需要施肥時(shí)，只能先在種箱中加入化肥，進(jìn)地作業(yè)一遍，將作業(yè)深度調(diào)到最大約（8㎝），然后二次進(jìn)地播種。 圖1-2為美國Case公司生產(chǎn)的SDX30型免耕播種機(jī)。該機(jī)采用單圓盤開溝器，排種方式為氣力式，可以在高茬覆蓋地作業(yè)。該機(jī)采用開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得用戶可以在前面或后面方便地調(diào)整開溝器。每一個(gè)開溝器都是通過氣力加壓，并且氣壓可單獨(dú)調(diào)節(jié)以滿足不同的播種深度要求。整機(jī)重量為11.9噸，整機(jī)結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)和很大的重量是高速播種和高效率的保證，難以在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。 圖1-1 John Deere 1560免耕條播機(jī) 圖1-2 Case

18、SDX30免耕播種機(jī) 圖1-3為美國Great-Plains公司生產(chǎn)的3P605NT型免耕播種機(jī)。該機(jī)為懸掛式，前端采用大波紋圓盤破茬、松土，在地表開出10-20㎜寬的溝，其后用單體仿形的雙圓盤開溝器播種施肥，種、肥混施。機(jī)具重量為1.034噸，工作幅寬為1.83米，行距為19.05㎝，共9行。大波紋圓盤需要的壓力為203㎏，雙圓盤需要40-80㎏，該機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工作過程中重心位置在大波紋圓盤上，切茬能力較強(qiáng)。 圖1-4為加拿大Flexi-Coil公司生產(chǎn)的5000型免耕播種機(jī)。整機(jī)長為17.4m，種行寬度可為18.3㎝，22.9㎝，30.5㎝和36.6㎝。氣力式排種裝置與鏟式開溝器組

19、合，鎮(zhèn)壓輪為多排結(jié)構(gòu)，開溝器也為多梁結(jié)構(gòu)，因而能夠較好地防堵，另外壓縮空氣與種子箱系統(tǒng)在最后方，其重量為自身的輪子支承，所以不論種子多少開溝器對土壤的壓力是一定的，以保證精確的開溝深度。 圖1-3 Great-Plains 3P605NT免耕播種機(jī) 圖1-4 Flexi-Coil5000免耕播種機(jī) 圖1-5為澳大利亞John Shearer公司生產(chǎn)的4BIN DIRECT DRILLS免耕條播機(jī)，其開溝器為單體仿形，雙彈簧結(jié)構(gòu)給開溝器以足夠的壓力進(jìn)行免耕作業(yè)，全液壓提升和兩側(cè)巨大的輪子能保證開溝器精確的開溝深度。開溝器為鏟式多梁結(jié)構(gòu)，每個(gè)梁上裝4

20、-6個(gè)，每個(gè)開溝器的間隔較大，以保證良好的防堵性育旨。 圖1-6為巴西Baldan公司生產(chǎn)的SPD3000玉米秸稈覆蓋地小麥播種機(jī)，該機(jī)采用雙圓盤開溝，整機(jī)質(zhì)量大，切土能力強(qiáng)，開溝深度最大可達(dá)12㎝。能在每畝2t玉米粉碎秸稈下順利播種，氣力排種裝置不損傷種子，其作業(yè)性能完全可以和美國John Deere等著名公司的產(chǎn)品相比，但價(jià)格只有美國產(chǎn)品的70%，性價(jià)比優(yōu)于美國，被稱為世界上最成功的免耕播種機(jī)。 圖1-5 John Shearer 4BIN免耕條播機(jī) 圖1-6 Baldan SPD3000小麥播種機(jī) 從以上分析可知，目前國外的免耕播

21、種機(jī)凡乎全都是聯(lián)合作業(yè)機(jī)，一次完成破茬、松土、開溝、施肥、播種、撒藥等多項(xiàng)作業(yè)。國外農(nóng)場的土地面積一般比較大，拖拉機(jī)的功率也較大，免耕播種機(jī)一般都是牽引式的，播種機(jī)橫梁多，多排安排開溝器，各開溝器之間間隔大，多用圓盤開溝器;機(jī)具寬而重，一般都是氣力式排種，土壤工作部件也做得比較復(fù)雜。 我國地塊較小，免耕播種機(jī)一般都設(shè)計(jì)為懸掛式，且質(zhì)量不能太大，否則國內(nèi)目前拖拉機(jī)的液壓機(jī)構(gòu)難提升播種機(jī);但是免耕地表有殘茬覆蓋，土壤容重一般較高，故要求播種機(jī)單體又必須有一定的質(zhì)量才能達(dá)到入土開溝的目的。同時(shí)，我國拖拉機(jī)功率有限，播行不能太多，否則由于播種機(jī)工作阻力太大拖拉機(jī)將拉不動。由于以上制約因素，國外的免耕

22、播種機(jī)從結(jié)構(gòu)和工作性能等方面均不能在我國目前條件下使用，這就要求我們在我國現(xiàn)有的條件下，選擇或設(shè)計(jì)合適的免耕播種機(jī)。 1.3.2國內(nèi)免耕播種機(jī)的研究現(xiàn)狀 20世紀(jì)90年代以前，我國科研工作者對免耕播種機(jī)的研究主要集中在玉米免耕播種機(jī)的研究。原北京農(nóng)業(yè)大學(xué)施森寶等(1990年)設(shè)計(jì)了2BQM-6型和它的改進(jìn)型2BQM-6D型(圖1-7)。大連農(nóng)牧機(jī)械制造廠生產(chǎn)的2BQM-6A型免耕播種機(jī)(圖1-8)是目前使用較多的一種。該機(jī)主要是采用了鑿形刀式破茬松土裝置，因其入土性能好，工作時(shí)不需增加配重，因此整機(jī)質(zhì)量小，可采用懸掛式。另外還有石家莊農(nóng)機(jī)廠生產(chǎn)的2BFY-3型，山西省新絳機(jī)械廠生產(chǎn)的2BG

23、M-3型等。 圖1-7 2BQM-6D免耕精量播種機(jī) 圖1-8 2BQM-6A玉米免耕播種機(jī) 20世紀(jì)90年代以后，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在玉米、小麥免耕播種機(jī)方面進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，取得了豐碩的成果，設(shè)計(jì)出適合我國國情、結(jié)構(gòu)合理的優(yōu)良免耕播種機(jī)。國內(nèi)研究人員對免耕播種機(jī)的各個(gè)關(guān)鍵部件及其工作原理進(jìn)行了深入的探索和研究。施森寶、胡洪烈(1990)等人研制了鑿形刀式破茬松土器，其工作原理為推力分茬，工作時(shí)秸稈在機(jī)具牽引力和地面摩擦力作用下沿鑿形刀斜面上移，在上移的過程中，因分草板的作用向兩側(cè)滑走。1992年又在此基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)了破茬松土器的刀頭

24、，由弧形狀改為片狀，以提高其入土性能和減小入土阻力。在小麥秸稈量為4500kg/h㎡，秸稈含水率為21.12%的地塊中播種，其通過系數(shù)可達(dá)0.97。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的免耕播種機(jī)2BQM-6D、2BQM-6A采用分置式種肥側(cè)位分施方式，用破茬松土器施肥、雙圓盤開溝器播種、雙斜鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓種行并合壟種溝。該機(jī)于1991年就已投產(chǎn)，是一種比較成熟的免耕播種機(jī)。蔣金琳(1990)等研制了鏟鋤式倒T形和圓盤式倒T形兩種夏玉米免耕播種機(jī)開溝器，通過試驗(yàn)表明兩種開溝器的開溝深度和播種深度均可滿足質(zhì)量要求。張?jiān)莆?1991)對免耕播種機(jī)防堵裝置和分草器的曲面形狀進(jìn)行了初步研究，但這種分草器的實(shí)際分草作用并不明顯。

25、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的高煥文、陳君達(dá)、李洪文(1994)等人研究了玉米免耕播種機(jī)的防堵裝置，設(shè)計(jì)了行間壓草輪、輪齒撥草盤等機(jī)構(gòu)。在設(shè)計(jì)的樣機(jī)上選用了引自澳大利亞的尖角型開溝器，這種開溝器入土能力強(qiáng)。試驗(yàn)表明，該機(jī)在粉碎的玉米秸稈地可正常工作。于麗娟、高煥文(1994)對傳統(tǒng)的單圓盤開溝器進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種肥側(cè)位分施機(jī)構(gòu)，可在小麥殘茬地里播小麥。并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析。王耀發(fā)、李問盈、杜兵(1995)等人對小麥免耕播種機(jī)的開溝器和種肥分施機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出一種整體式種肥正位分施機(jī)構(gòu)，并研制了小麥免耕播種機(jī)的樣機(jī)，可在小麥殘茬地里播小麥。蘇元升(1999)利用圖像處理技術(shù)，對播種機(jī)開溝器形狀與阻力

26、關(guān)系進(jìn)行了研究。張晉國、高煥文研制了帶狀粉碎防堵裝置，該裝置能高效解決華北一年兩熟高產(chǎn)區(qū)小麥?zhǔn)斋@后的直接播種玉米的防堵問題。這些試驗(yàn)研究，有力地促進(jìn)了國內(nèi)免耕播種機(jī)及其土壤工作部件的研究，對于改進(jìn)播種機(jī)的性能，提高播種質(zhì)量都起到了較大的作用。 圖1-9為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BMF-9型小麥免耕覆蓋播種機(jī)。采用了雙排梁結(jié)構(gòu)，使同一排梁上的開溝器間距達(dá)到40cm，在開溝器前安裝限深切草圓盤，能在一定的秸稈量覆蓋下順利播種(250㎏/畝產(chǎn)量的全部秸稈還田);采用專利產(chǎn)品“復(fù)合型開溝器”實(shí)現(xiàn)種肥垂直分施，肥、種間距可達(dá)5cm以上，適應(yīng)了我國地塊小、播種的同時(shí)施肥量大要求;開溝器安裝在平行四連桿仿形機(jī)

27、構(gòu)上，能在地表不平的條件下保證播種質(zhì)量。2BMF-9型小麥免耕覆蓋播種機(jī)為我國小麥免耕播種機(jī)的原型機(jī)，以后出現(xiàn)的其他免耕播種機(jī)均或多或少的采用了該機(jī)的設(shè)計(jì)思想和方案。 為了適應(yīng)我國農(nóng)村有大量小四輪拖拉機(jī)的現(xiàn)實(shí)，充分利用小四輪拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)性耕作，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)旱農(nóng)課題組研制開發(fā)了配套巧18馬力拖拉機(jī)的2BMF-6型小麥免耕覆蓋施肥播種機(jī)(圖1-10)。同樣是為了簡化結(jié)構(gòu)和降低制造成本，在采用單體仿形和整體仿形中小型免耕播種機(jī)試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，開發(fā)了2BMF一11型小麥免耕覆蓋播種機(jī)。采用固定的橡膠地輪，整體仿形，雙梁機(jī)架等，其中11行機(jī)型適應(yīng)于地塊大、較平整的地塊;9行則應(yīng)用于地塊小，平整度稍

28、差的地塊。 圖1-9 2BMF-9 小麥免耕覆蓋播種機(jī) 圖1-10 2BMF-6型小麥免耕覆蓋施肥播種機(jī) 圖1-11為2BMFS-6/12型帶狀淺旋小麥覆蓋施肥播種機(jī)，是為適應(yīng)一年兩區(qū)玉米收獲后直播小麥的要求，由河北省農(nóng)機(jī)局組織開發(fā)河北農(nóng)哈哈機(jī)械有限公司生產(chǎn)的。該機(jī)的最大特點(diǎn)是實(shí)行寬窄行播種，在兩個(gè)窄行小麥播種開溝器前面加裝了旋耕刀具，實(shí)行條帶旋耕，可以將開溝器前的秸稈旋耕粉碎并與土壤混合，因而可在大量的玉米秸稈覆蓋地上直播小麥。配套動力為鐵牛-65拖拉機(jī)，動力消耗較大，效率較低，同時(shí)對地表破壞嚴(yán)重，目前作為一種過度機(jī)型使用。 圖1-12為9MSB

29、-2.10型草地免耕松播聯(lián)合機(jī)組，由內(nèi)蒙古呼和浩特市得利新技術(shù)設(shè)備廠生產(chǎn)。該機(jī)采用倒靴角式破茬開溝器，能一次完成松土、播種、施肥、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)，適應(yīng)于大面積草原改良建設(shè)。主要適用于內(nèi)蒙古及周邊干旱、半干旱地區(qū)。 圖1-11 2BMFS-6/12型帶狀淺旋小麥覆蓋施肥播種機(jī) 圖1-12為9MSB-2.10 草地免耕松播聯(lián)合機(jī)組 我國小麥免耕播種機(jī)在產(chǎn)業(yè)規(guī)模上、品種上、質(zhì)量上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足推廣保護(hù)性耕作技術(shù)的生產(chǎn)實(shí)際需要，另外不同地區(qū)、不同條件下實(shí)施免耕播種作業(yè)對機(jī)具的要求也相差很大，所有的免耕播種機(jī)都有其適宜作業(yè)的條件，因而結(jié)合不同地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際條件及要求開發(fā)

30、研制適宜的免耕播種機(jī)，才能滿足在不同地區(qū)推廣保護(hù)性耕作技術(shù)的需要。 1.4山地免耕播種機(jī)的研究意義 中國水資源總量為2.8居世界第6位，但人均占有水資源量僅為2400/年，僅為世界平均水平的1/4，在世界上排第110位，被列為世界人均水資源最缺乏的13個(gè)國家之一。我國幅員遼闊，各地氣候條件差異較大，水資源的時(shí)空分布很不均勻，全國水資源量的80%集中在耕地面積僅占全國36%的長江流域及以南地區(qū)。我國北方耕地面積較大，但水資源量都很少，西北地區(qū)缺水尤為突出。缺乏與浪費(fèi)并存是我國農(nóng)業(yè)用水緊張的重要特性。一方面是農(nóng)業(yè)供水因水資源緊缺而難以增加，同時(shí)工業(yè)和城市的發(fā)展將進(jìn)一步削減已經(jīng)明顯不足的農(nóng)業(yè)灌溉

31、用水，農(nóng)業(yè)缺水問題將日益突出；另一方面是農(nóng)業(yè)水資源浪費(fèi)很嚴(yán)重，因而農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力很大。我國灌溉水的利用率僅為40%左右，而一些發(fā)達(dá)地區(qū)可達(dá)到80%以上，灌溉水的生產(chǎn)效率不足1.0kg/，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家2.0kg/的水平。發(fā)展以節(jié)水和提高水分利用率為中心的節(jié)水型農(nóng)業(yè)，將是提高農(nóng)業(yè)水資源利用率的根本途徑。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水問題在很大程度上要通過大幅度提高水的利用率和生產(chǎn)效率來解決，從整體上提高農(nóng)業(yè)用水效率是我國節(jié)水農(nóng)業(yè)研究的新突破點(diǎn)之一，發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)與節(jié)水農(nóng)業(yè)成為面向未來的積極對策。我國用水量的73%為農(nóng)田灌溉，而農(nóng)業(yè)灌溉水的利用率卻十分低下。面對這種嚴(yán)峻的形勢,發(fā)展資源節(jié)約型的輕型、高效農(nóng)業(yè)是糧食生產(chǎn)

32、可持續(xù)發(fā)展的唯一選擇。要實(shí)現(xiàn)節(jié)約型輕型高效農(nóng)業(yè)，就必須加快推進(jìn)和提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度。就目前我國特別是我省的情況來看，適應(yīng)山地播種農(nóng)業(yè)機(jī)具發(fā)展緩慢，而生產(chǎn)出的現(xiàn)有機(jī)具，轉(zhuǎn)彎半徑大，需要地頭長，不適宜我國小地塊特征。而國外引進(jìn)的機(jī)具施肥量少，一般每公頃在100kg左右，多采用種肥混施。而我國施肥量大，一般在400kg左右，多采用種肥分施。因此考慮到種植方式、作業(yè)地塊條件以及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等多種因素，現(xiàn)有大，中型播種機(jī)不適應(yīng)我國山區(qū)耕作體系的要求。目前，山地播種技術(shù)在我國剛剛起步，其配套機(jī)具還處于試驗(yàn)摸索階段，具有很大的發(fā)展空間和潛力。山地播種機(jī)具有以下特點(diǎn)：一是極大的發(fā)揮了機(jī)械的工作效能，提高了

33、機(jī)械利用率；二是節(jié)約成本；三是增收效益明顯；四是節(jié)省勞動工時(shí)，可使大批勞動力從土地中走出來，發(fā)展二、三產(chǎn)業(yè)和外出務(wù)工；五是機(jī)械播種作業(yè)速度快、效率高、質(zhì)量好。為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，農(nóng)民盡快致富發(fā)揮了重要作用，同時(shí)為山區(qū)的農(nóng)機(jī)化發(fā)展探索出一條新路子。山地播種機(jī)是在克服了傳統(tǒng)播種機(jī)諸多不利因素的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來的一種小型播種機(jī)。此播種機(jī)播種后使土壤表面由平面型變?yōu)槠鸱?，增加了土壤的表面積，增加了光的截獲量，改變了土壤的光、熱、水條件和微生物活動環(huán)境，提高了小麥的光合作用的能力，較好的協(xié)調(diào)了作物賴以生存的小氣候條件，最大限度的降低了不利因素的影響，產(chǎn)生了節(jié)能、低耗、高效的良好生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

34、 甘肅省耕地面積5112.93萬畝，其中旱地70%以上，水地不到三分之一，山地占25.97%，水平梯田達(dá)2309.83萬畝，是典型的山地型高原地區(qū)。這些地區(qū)自然條件惡劣，糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度較低，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和勞動力解放。這些地區(qū)的播種作業(yè)，基本靠人畜力，勞動強(qiáng)度大，效率低、作業(yè)質(zhì)量差。目前國內(nèi)外大中型播種機(jī)技術(shù)比較成熟，但受體積、轉(zhuǎn)彎半徑和配套動力等因素的制約，不適合山地小地塊作業(yè)。而實(shí)際生產(chǎn)中使用的各種小型播種機(jī)，功能單一，后續(xù)作業(yè)工序較多，很難完成山地、旱地播種作業(yè)的要求。為了滿足山地播種農(nóng)藝要求，本課題設(shè)計(jì)了一種新型山地播種機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)深松、深施化肥、濕土覆蓋

35、、種肥垂直分層種施、地面仿形和覆土鎮(zhèn)壓等功能： （1）適用于旱農(nóng)平原區(qū)、山地和川塬臺地播種作業(yè)，有較好的仿形能力。 （2）一次完成分土、施肥、下種、覆土、鎮(zhèn)壓作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)深松、深施化肥，種肥垂直分層種施，土層不亂，濕土覆蓋。 （3）深播淺覆，種子播在濕土上，播種后地表形成小壟溝。 （4）隨播隨壓，碎土清溝。 （5）能實(shí)現(xiàn)單個(gè)開溝器間播深的一致性調(diào)整和所有開溝器的播深調(diào)節(jié)。 第二章 山地免耕播種機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù) 2.1農(nóng)業(yè)耕作要求 2.1.1農(nóng)藝要求 （1）能按質(zhì)量完成播種作業(yè)； （2）適應(yīng)小地塊作業(yè)； （3）能同時(shí)播種多種作物； （4）能改善土壤狀況，上下層土壤不翻

36、轉(zhuǎn)，土壤側(cè)向位移小，減少水分蒸發(fā)， 保墑蓄水，提高地表積溫； （5）可以一次完成開溝，播種，施肥，覆土，鎮(zhèn)壓等工序。 2.1.2機(jī)具要求 （1）針對我國農(nóng)業(yè)動力機(jī)械馬力小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)播種機(jī)具，與AMEC-101型 手扶拖拉機(jī)匹配，機(jī)組作業(yè)速度3.08km/h； （2）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，盡量減輕機(jī)具質(zhì)量，便于懸掛和田間運(yùn)輸； （3）作業(yè)時(shí)穩(wěn)定性好，播深和播量均勻。易于操作，減少作業(yè)過程中機(jī)具的振動； （4）地輪滑移率應(yīng)該在農(nóng)藝要求的范圍之內(nèi)； （5）應(yīng)該有播深調(diào)節(jié)裝置，能實(shí)現(xiàn)整體和微量調(diào)節(jié)，并且調(diào)節(jié)方便，盡量減少非工作耗時(shí)； （6）要做到種肥分施，避免燒苗，播種深度要一致，

37、能將種子和肥料層播（施）入土壤，且種子與肥料之間至少用3cm的垂直土層隔開。 （7）要有很好的上下左右仿形功能，覆土鎮(zhèn)壓效果要好，播種作業(yè)后，仍然能保持良好的地形 2.2播種機(jī)的性能要求及性能指標(biāo) 2.2.1性能要求 播種機(jī)的性能要求，包括農(nóng)業(yè)技術(shù)要求和使用要求兩個(gè)方面。 （1）技術(shù)要求：要求條播機(jī)的播種量符合農(nóng)業(yè)技術(shù)要求，行距一致、播種均勻；種子播入濕土層中且用濕土覆蓋，播深一致且符合農(nóng)業(yè)技術(shù)要求，種子損傷率低。 （2）使用要求：通用性好，能播多種種子，不損傷種子，調(diào)整、換種方便可靠；在播種的同時(shí)，能進(jìn)行施肥、開溝、鎮(zhèn)壓等作業(yè)。 2.2.2性能指標(biāo) 播種質(zhì)量的高低常用性能指標(biāo)

38、來評價(jià)： （1）排種量穩(wěn)定性：指排種器的排種量不隨時(shí)間變化而保持穩(wěn)定的程度，可用于評價(jià)播種機(jī)播種質(zhì)量的穩(wěn)定性； （2）各行排種量穩(wěn)定性：指同一臺播種機(jī)上各排種器在相同條件下排種量的一致程度； （3）排種均勻性：指從排種器排種口排出種子的均勻程度； （4）播種均勻性：指播種時(shí)種子在種溝內(nèi)分布的均勻程度； （5）播深穩(wěn)定性：指種子上面覆土層厚度的穩(wěn)定程度，最大偏差為1cm； （6）種子破碎率：指排種器排出的種子中，受機(jī)械損傷種子量占排出種子量的百分比。小粒種子破碎率<0.5%，大粒種子破碎率<1%。 另外，對于種肥分施播種機(jī)來說，還要達(dá)到種子和肥料的間層保持一致，不燒傷種子，土壤密實(shí)

39、程度適合小麥的生長。設(shè)計(jì)山地播種機(jī)時(shí)，既要結(jié)合播種機(jī)的性能要求及播種機(jī)要達(dá)到的性能指標(biāo)，又要結(jié)合農(nóng)作物本身的特性，確定山地播種機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案以及各工作部件的設(shè)計(jì)方案。 2.3山地播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.3.1整機(jī)設(shè)計(jì)原則 （1）結(jié)合我國西北旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)的實(shí)際情況，參考小麥本身特性和國內(nèi)外的播種機(jī)，設(shè)計(jì)出一種既滿足功能要求又適合我國西北農(nóng)藝情況的山地播種機(jī)； （2）播種后要進(jìn)行鎮(zhèn)壓，因此在播種機(jī)上要設(shè)計(jì)相應(yīng)的鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)，以最大限度的保證農(nóng)田水分的要求，避免播種后土壤水分的流失； （3）為了避免土壤被壓實(shí)，盡量減少作業(yè)機(jī)器進(jìn)入土地作業(yè)的次數(shù)，因此采用復(fù)式作業(yè)，將開溝、施肥、播種、鎮(zhèn)壓等

40、作業(yè)一次性完成； （4）為了作業(yè)方便，要在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，減少整機(jī)的體積，盡量將整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊。另外，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，要減輕整機(jī)的重量，節(jié)約使用材料； （5）為了降低成本，要在滿足各項(xiàng)要求的基礎(chǔ)上，盡量簡化結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要考慮到零件的互換性和可裝配性。 2.3.2山地播種機(jī)的總體結(jié)構(gòu) 2.3.2.1幅寬匹配 播種幅寬應(yīng)滿足幅寬配套的要求，即農(nóng)具作業(yè)幅寬應(yīng)大于或等于拖拉機(jī)輪子外廓寬度，以避免拖拉機(jī)輪子壓已完成作業(yè)的地面，并保證農(nóng)具可以作業(yè)到地邊。該播種機(jī)采用的動力是AMEC-101型手扶拖拉機(jī)，輪距在680～740mm（無級調(diào)節(jié)）間，旱地小麥行距一般取200mm，考慮到開

41、溝器在前后梁架上的合理布局，開溝器數(shù)取5，則播種幅寬為1000mm。 2.3.2.2開溝器布置 在松散的土壤層中移動時(shí)開溝器前方會出現(xiàn)前丘，它們分布在開溝器前面和兩側(cè)并與之相隔一定距離。開溝器通過的土壤表面區(qū)域具有一定的形狀，其縱向和橫向尺寸取決與開溝器的結(jié)構(gòu)和土壤狀態(tài)。開溝器前丘的寬度決定了同一排開溝器中各開溝器之間的最小距離，因?yàn)楸仨毐３窒噜忛_溝器間距大于前丘寬度。當(dāng)一排開溝器間距逐漸靠近到前丘寬度時(shí)，開溝器前相鄰的前丘接合并形成連續(xù)的小田耕，開溝器開始壟土，種溝的形成過程被破壞。根據(jù)資料數(shù)據(jù)，帶銳入土角的鏟式開溝器間距要大于200mm，因此，將開溝器排成兩排，開溝器之間的間距對種溝形

42、成和種子覆土過程有較大影響，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，排間距取300mm。生產(chǎn)垂直分層種施開溝器5個(gè)，安裝在小型山地播種機(jī)上，如圖2-1所示。 圖2-1 開溝器的布局 圖中1.鏈條 2.銷孔 3.掛接板 4.播深調(diào)節(jié)絲桿 5.地輪梁架 6.地輪 7.鏈輪 8.開溝器 9.主梁架 10.彈簧 11.鎮(zhèn)壓輪 12.肥箱 13.種箱 14.鏈輪 15.調(diào)節(jié)手輪 16.排種器 17.排肥器 18.接種杯 19.排肥管 20.排種管 圖2-2山地播種機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖 2.3.3新型山地播種機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 本文所研究的山地播種機(jī)采用單點(diǎn)懸掛方式懸掛在12馬力的小

43、型拖拉機(jī)上，由于播種機(jī)機(jī)體較小，材質(zhì)較輕，由手工操作提升整機(jī)。該機(jī)主要由掛接板、播深調(diào)節(jié)絲桿、地輪梁架、地輪、鏈輪、開溝器、主梁架、鎮(zhèn)壓輪、肥箱、種箱、排種器、排肥器等部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。 播種機(jī)掛接板3通過銷孔2與拖拉機(jī)掛結(jié)盒聯(lián)結(jié)，利用掛接板上的U型孔以及掛接板與拖拉機(jī)掛接盒之間的間隙，可以實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的地面前后左右仿形。開溝器8通過U型槽均布安裝在前后主梁上，開溝器在U型槽內(nèi)可上下調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)開溝器間的播深一致性調(diào)節(jié)。地輪梁架5與主梁架9鉸接，通過播深調(diào)節(jié)絲桿4可以調(diào)節(jié)播種深度。開溝器能迅速破茬入土開溝，土層從下到上順序回落覆土，實(shí)現(xiàn)種肥垂直分層種施，保證種肥土壤間層。每個(gè)開

44、溝器后設(shè)置一鎮(zhèn)壓輪11，在正常作業(yè)中，鎮(zhèn)壓輪在拉簧10作用下始終對地面有壓力，鎮(zhèn)壓土壤。種箱13、肥箱12通過隔板分成格狀，盛裝不同的種子和化肥，可以同時(shí)播種多種作物、深施多種化肥；地輪軸鏈輪7通過鏈條1驅(qū)動排種、排肥軸。通過手輪15調(diào)節(jié)箱底的多功能排種器16和排肥器17的工作槽輪有效長度，調(diào)節(jié)排種、排肥量以及適應(yīng)種子的類型。每個(gè)排種排肥器配置有一個(gè)插板，可以改變行距。 手扶拖拉機(jī)帶動播種機(jī)前進(jìn)，地輪通過鏈輪驅(qū)動排種軸，由排種盒排下的種子順著導(dǎo)種管、開溝器播下種子。導(dǎo)肥管末端緊跟開溝器鏟尖，通過開溝器尖角部開出的種溝，將經(jīng)過排肥器、輸肥管送至開溝器的肥料鋪撒在溝底，實(shí)現(xiàn)深施化肥的目的，在開溝

45、器后角的作用下，肥溝溝壁回落覆土，覆土5-6cm后種子落下，實(shí)現(xiàn)種肥垂直分層種施的目的；緊接著再將由排種器、輸種管送到開溝器的種子通過散種板使種子在種溝內(nèi)散開到肥料上層的土壤上，種子落下后土層從下到上順序回落覆土，保證播種深度4-5cm，實(shí)現(xiàn)了濕土覆蓋，有利于種子發(fā)芽出苗。跟進(jìn)的鎮(zhèn)壓輪壓實(shí)肥料、土壤、種子，使肥料與土壤、種子與土壤緊密接觸，完成播種作業(yè)。 2.3.4山地免耕播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 外形尺寸（長寬高）（mm） 9001000650 機(jī)具質(zhì)量（㎏） <

46、100 作業(yè)行數(shù) 5 行距（mm） 200 種子箱容積（m3） 0.2 化肥箱容積（m3） 0.2 播深（㎝） 3~5 化肥深度（㎝）

47、 8~10 漏播率（%） <3 2.4山地免耕播種機(jī)田間實(shí)驗(yàn)情況 于2009年3月14至3月16日在甘肅定西李家堡鎮(zhèn)進(jìn)行了試播，當(dāng)?shù)赝临|(zhì)為黃綿土，種子用定西35號，播量180kg/；化肥用二銨和尿素，播量分別為154kg/和93 kg/。試驗(yàn)器具：毛刷、刮板、鋼板尺和天平。在已播地不同行隨機(jī)取樣，取樣長度為300mm。取樣方法：從種溝上表面開始，每10mm深度覆蓋層取樣一次，記錄覆蓋層內(nèi)的種子顆粒數(shù)，直至化肥層出現(xiàn)，

48、一組記錄完成。 圖2-3田間試驗(yàn) 2.4.1田間實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問題 圖2-4主機(jī)架牽引桿斷裂 2.4.2毀壞原因分析 播種機(jī)在正常工作時(shí)沒有發(fā)生任何損壞，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合要求，造成上圖損壞的原因主要是突然承受了較大的沖擊載荷，導(dǎo)致牽引臂折斷，按照設(shè)計(jì)要求牽引臂采用40mm *25mm空腹異型管制造,厚度1.2mm,并且呈40角的三角型排列，理論上滿足正常工作的強(qiáng)度需求。 2.4.3解決方案 由于工況下受力情況復(fù)雜，牽引臂折斷原因較多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或材料選擇等設(shè)計(jì)缺陷可能都會造成折斷，傳統(tǒng)上需要通過理論力學(xué)和材料力學(xué)的計(jì)算來進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，效率和準(zhǔn)確性都較低。本課題采用計(jì)

49、算機(jī)三維實(shí)體建模和有限元分析的方法來模擬實(shí)際工況下的受力情況，通過分析模擬試驗(yàn)結(jié)果最終確定改進(jìn)方案。 第三章 山地免耕播種機(jī)三維建模和有限元分析 3.1Pro/Engineer環(huán)境下的虛擬模型建立 隨著經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的全球化，要想在競爭日趨激烈的市場中取勝，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本以及對市場的靈活反應(yīng)成為競爭者們所追求的目標(biāo)。同一產(chǎn)品誰早推出，誰就占有市場。然而，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造方式無法滿足這些要求。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程中，首先是概念設(shè)計(jì)和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)，通常要制造模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有時(shí)這些實(shí)驗(yàn)甚至是被壞性的。當(dāng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，又要回頭修改

50、設(shè)計(jì)并再用模型驗(yàn)證。只有通過周而復(fù)始的設(shè)計(jì)-實(shí)驗(yàn)-設(shè)計(jì)過程，產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。這一過程是冗長的，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)周期無法縮短，更不用談對市場的靈活反應(yīng)了。同時(shí)模型的樣機(jī)手工制造增加了成本。在大多數(shù)情況下，工程師為了保證產(chǎn)品按時(shí)投放市場而中斷這一過程，使產(chǎn)品在上市時(shí)便有先天不足的毛病。在激烈競爭的市場背景下，基于實(shí)際模型上的設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高，成本的降低和對市場的占有。 機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動一般遵循物理規(guī)律，只要掌握了這些規(guī)律并定義了描述機(jī)械系統(tǒng)的方法，計(jì)算機(jī)不僅會像搭積木一樣把機(jī)械系統(tǒng)組裝起來，形成虛擬模型，而且會形象的演示其運(yùn)動過程，這就是所謂的虛擬模型技術(shù)

51、，在某一具體的機(jī)械系統(tǒng)或某一機(jī)具的設(shè)計(jì)與分析過程中，也稱為數(shù)字化樣機(jī)與仿真技術(shù)(Digitalportot即ingnadsimulation)。通過計(jì)算機(jī)的仿真結(jié)果，工程師和設(shè)計(jì)師便可以評價(jià)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。虛擬模型技術(shù)的應(yīng)用貫穿在整個(gè)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中。在概念設(shè)計(jì)和方案論證中，設(shè)計(jì)師可以把自己的經(jīng)驗(yàn)與想象結(jié)合在計(jì)算機(jī)里的虛擬模型里，讓想象力和創(chuàng)造力充分發(fā)揮。當(dāng)虛擬模型用來代替實(shí)際模型驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)，開發(fā)周期縮短，設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率得到了提高。虛擬模型技術(shù)在技術(shù)與市場兩個(gè)方面的成熟與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的成熟及大規(guī)模推廣應(yīng)用是分不開的。首先，CAD中的三維幾何造型技術(shù)能夠使設(shè)計(jì)師們的精力集中在創(chuàng)造

52、性設(shè)計(jì)上，把繪圖等煩雜的工作交給計(jì)算機(jī)去做。這樣設(shè)計(jì)師就有更多的精力關(guān)注設(shè)計(jì)的正確和優(yōu)化問題。其次，三維造型技術(shù)使虛擬模型技術(shù)中的機(jī)械系統(tǒng)描述問題變得簡單。第三，由于CAD強(qiáng)大的三維幾何編輯修改技術(shù)，使機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的快速修改成為可能。這樣，在計(jì)算機(jī)上的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)的反復(fù)過程才有時(shí)間上的實(shí)際意義。虛擬模型技術(shù)是許多技術(shù)的綜合，它的核心部分是多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)。作為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)分支的數(shù)值算法提供了求解這種問題的有效的快速算法。近年來的計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)及動畫技術(shù)的發(fā)展為這項(xiàng)技術(shù)提供了友好的用戶界面。CAD、FEA等技術(shù)的發(fā)展為虛擬模型技術(shù)的應(yīng)用提供了技術(shù)環(huán)境。 3.1.

53、1 Pro/Engineer簡介 Pro/Engineer(以下簡稱Por/E)是由美國參數(shù)科技公司推出的一套博大精深的三維CAD/CAM參數(shù)化軟件系統(tǒng)，它的內(nèi)容涵蓋產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、二維模型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖的輸出到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程，其中還包括了大量的電纜和管道布線、模具設(shè)計(jì)與分析等模塊。應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、汽車、機(jī)械、NC加工、電子等諸多行業(yè)。 由于其強(qiáng)大而完美的功能Por/E幾乎成為三維CADC/AM領(lǐng)域的一面旗幟和標(biāo)準(zhǔn)。它在國內(nèi)外許多大學(xué)院校里已成為學(xué)生工程必修的專業(yè)課程，也成為工程技術(shù)人員必備的技術(shù)。隨著我國加入WTO，一場新的工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域

54、的技術(shù)革命正在興起，作為提高生產(chǎn)率和競爭力的有效手段，Por/E也正在國內(nèi)形成一個(gè)廣泛應(yīng)用的熱潮。 3.1.2 三維建模過程簡述 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法按建模過程的步驟一般可分為自底向上(Down-Top)和自頂向下(Top -Down)兩種方式。自底向上是指從零件開始，然后到子裝配、總裝配、整體外觀的設(shè)計(jì)方式。自頂向下是指從整體外觀(或總裝配)開始，然后到子裝配、零件的設(shè)計(jì)方式。具體設(shè)計(jì)過程中這兩種方法也可同時(shí)采用。本設(shè)計(jì)中同時(shí)用到了以上的兩種方式。以種肥箱總成(圖3-1)這一部件為例，在設(shè)計(jì)開始階段繪制箱體、兩側(cè)護(hù)板等，可以通過基本設(shè)計(jì)理論設(shè)定基本尺寸的零件，將它們組裝在一起作為一個(gè)子裝配以供總

55、裝時(shí)使用。這個(gè)過程是自底向上的。然后在裝配環(huán)境下通過“從裝配中生成零件(Create a component in assembly mode)”的方式創(chuàng)建排種器下料口、螺栓連接孔等基本尺寸以及預(yù)先不容易確定的零部件。這就是自頂向下的建模方法。兩種方法相互配合，大大提高了建模速度并保證了尺寸的準(zhǔn)確性。該模型的建立與完善是通過在Por/E環(huán)境下的三維建模與下文中將要敘述的有限元分析相結(jié)合的，對此處得到模型還要在下文進(jìn)行分析計(jì)算和一些細(xì)節(jié)的完善。 圖3-1種肥箱三維實(shí)體模型 圖3-2總裝完成后效果圖 3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元分析理論概述 在許多實(shí)際問題解決過程問題中，一般不能得到

56、系統(tǒng)的精確解。這要?dú)w因于微分方程組的復(fù)雜性或邊界條件和初值條件的難以確定性。為解決這些問題，需要借助于數(shù)值方法來近似。析解表明了系統(tǒng)在任何點(diǎn)上的精確行為，而數(shù)值解只在稱為節(jié)點(diǎn)的離散點(diǎn)上近似于解析解。任何數(shù)值解法的第一步都是離散化。這一過程將系統(tǒng)分為一些子區(qū)域和節(jié)點(diǎn)。數(shù)值解法可以分為兩大類:有限差分方法和有限元方法。使用有限差分法，需要針對每一節(jié)點(diǎn)寫微分方程，而后用差分方程代替導(dǎo)數(shù)，這一過程產(chǎn)生一組線性方程。有限差分方法對于簡單問題的求解是易于理解和應(yīng)用的，但是使用該方法難以解決帶有復(fù)雜集合條件和邊界條件的問題。相比之卜，有限元方法使用公式方法而不是微分方法來建立系統(tǒng)的代數(shù)方程組。而且，這種方法

57、假設(shè)代表每個(gè)元素的近似函數(shù)是連續(xù)的。假設(shè)元素間的邊界是連續(xù)的，通過結(jié)合各單獨(dú)的解產(chǎn)生系統(tǒng)的完全解。有限元法及其在機(jī)械結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用有限元方法簡述20世紀(jì)50年代波音公司(Boeing)采用二角元對機(jī)翼進(jìn)行建模，大大推動了有限元方法的應(yīng)用。但由于當(dāng)時(shí)理論尚處于初級階段，計(jì)算機(jī)的硬件及軟件也無法滿足需求，有限元法和有限元程序很難在工程上普及。60年代在Cluohg等人的努力下人們才開始接受“有限元”這一術(shù)語。直到60年代末70年代初才出現(xiàn)了大型通用有限元程序，它們以功能強(qiáng)、用戶使用方便、計(jì)算結(jié)果可靠和效率高而逐漸形成新的技術(shù)商品，成為結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)有力的分析工具。有限元法是建立在固體流動變分原理基礎(chǔ)

58、之上的，用有限元進(jìn)行分析時(shí)，首先將被分析物體離散成為許多小單元，其次給定邊界條件、載荷和材料特性，再求解線性或非線性方程組，得到位移、應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力等結(jié)果，最后在計(jì)算機(jī)上，使用圖形技術(shù)顯示計(jì)算結(jié)果。目前的商用有限元程序不但分析功能兒乎覆蓋了所有的工程領(lǐng)域，其程序使用也非常方便，只要有一定基礎(chǔ)的工程師都可以在不長的時(shí)間內(nèi)分析實(shí)際的工程項(xiàng)目，這是它能被迅速推廣的主要原因之一。 3.2.1 有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中的應(yīng)用 (一)、有限元法求解結(jié)構(gòu)力學(xué)問題，概括起來分為以下三個(gè)步驟： （1）彈性體的離散化將結(jié)構(gòu)分割為有限個(gè)單元體，并在各單元體的指定點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連

59、續(xù)性，以這些單元代替原來的結(jié)構(gòu)，并把彈性體邊界的約束用位于彈性體節(jié)點(diǎn)上的約束代替。 （2）單元分析用固體力學(xué)理論分析各單元的性質(zhì)，從建立單元位移模式入手，導(dǎo)出計(jì)算單元的應(yīng)變、應(yīng)力、單元剛度矩陣和單元等效節(jié)點(diǎn)載荷向量的計(jì)算公式，利用平衡條件，建立單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，即建立各單元的平衡方程。 （3）整體分析基于單元分析的結(jié)果根據(jù)最小勢能原理建立有限元基本方程，添加邊界條件，求解有限元方程，得到各節(jié)點(diǎn)的位移，最后由節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算各單元的應(yīng)力。 3.2.2 有限元計(jì)算軟件的選擇 有限元法在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)和電磁學(xué)等許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前在我國工程界比較流行，廣泛

60、使用的大型有限元分析軟件有MSC/Nastran、ANSYS、Abaqus、Macr、SAP、Adina和Algor等，國內(nèi)研制的如JIGFEX，HAJIF，F(xiàn)EPs等。ANSYS是目前世界范圍內(nèi)用量增長最快的CAE軟件，是迄今為止世界范圍內(nèi)唯一通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的分析設(shè)計(jì)軟件，是美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)、美國國家核安全局(NQA)及近20種專業(yè)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在中國，它是第一個(gè)遭過中國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會認(rèn)證，并在17個(gè)部委推廣使用的分析軟件。結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)城。根據(jù)力學(xué)性質(zhì)的不同，ANSYS的結(jié)構(gòu)分析可分為靜力分析、動力學(xué)分析(模態(tài)分析、

61、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析、譜分析)、非線性分析(幾何非線性分析、材料非線性分析、狀態(tài)非線性分析)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性分析等幾類。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元軟件。從1971年的.20版本到今天的10.0版本，ANSYS從操作界面到分析功能等各方面都有巨大改進(jìn)。它由世界上最大的有限元分析軟件公司—美國ANSYS公司開發(fā),具備與多數(shù)CAD/CAE軟件的接口(如Pro/E、NASTRAN、Algor、I-DEAS、UG、SolidWorks、Inventor等)。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不可或缺的高級CAE工具之一。 3.2.3 ANS

62、YS的三個(gè)主要計(jì)算過程及功能 1.前處理模塊 ANSYS軟件的前處理模塊主要實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)功能即參數(shù)定義、建模和網(wǎng)格劃分。 （1）參數(shù)定義是指ANSYS程序在進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模的過程中，首先要對鎮(zhèn)維的材料進(jìn)行參數(shù)定義。包括定義單元類型、單元實(shí)常數(shù)、材料的特性等。 （2）實(shí)體建模即建立被分析模型。ANSYS程序本身具有強(qiáng)大的建模功能，提供了兩種實(shí)體建模方法:自頂向下與自底向上。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均可以使用布爾運(yùn)算來完善模型。另外ANSYS還帶有與多種軟件的接口，以及對(*.igs、*.stp)等格式文件的接口，對于不熟悉ANSYS建模的技術(shù)人員可以通過其他熟悉的軟件進(jìn)行建模，

63、然后以相應(yīng)的格式導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析。 （3）網(wǎng)格劃分 ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法:延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。 2.分析求解模塊 求解模塊是程序用來完成對己生成的有限元模型進(jìn)行分析和有限元求解運(yùn)算的。在此階段，用戶可以選擇分析類型、定義分析選項(xiàng)、施加約束以及定義載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后求解。 3.后處理模塊 ANSYS軟件的后處理過程包括兩個(gè)部分:通用后處理模塊POST和時(shí)間歷程后處理模塊POST26。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計(jì)算結(jié)果并對其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果包括位移、溫度、應(yīng)力

64、、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表等形式。 3.3 有限元靜力結(jié)構(gòu)分析簡介 有限元靜態(tài)分析是計(jì)算在固定不變的載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng), 它不考慮慣性和阻尼的影響,如結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化載荷的情況, 靜態(tài)分析主要是結(jié)合有限元理論, 從靜力學(xué)、幾何學(xué)、物理學(xué)三方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。機(jī)架有限元模型建立的目的是要能夠精確反映模型系統(tǒng)的物理特性的數(shù)學(xué)模型。從最廣泛的意義來講, 有限元模型包括節(jié)點(diǎn)、單元、材料特性、實(shí)常數(shù)、邊界條件以及其它一些反映模型系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)。根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn), 盡量在不影響分析精度的前提下對實(shí)際模型進(jìn)行簡化和假設(shè)忽略剛性較差的支撐、連接等除對模型整體結(jié)構(gòu)

65、應(yīng)力分布不產(chǎn)生太大影響的零部件，對結(jié)構(gòu)中細(xì)小的結(jié)構(gòu)如細(xì)小的折彎、圓角等進(jìn)行簡化和忽略。之后對模型進(jìn)行單元劃分，求解，進(jìn)而得出所需的力學(xué)分析數(shù)據(jù)。 3.4 山地免耕播種機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的靜力分析 3.4.1 機(jī)架的受力分析： 機(jī)架是本播種機(jī)中的主要受力部件。播種機(jī)的5個(gè)開溝器全部安裝在梁上，所以梁的載荷主要來自于開溝器。單個(gè)開溝器的開溝阻力按320N計(jì)，開溝器鏟柄的力臂長為0.3m,每個(gè)鏟柄所受的開溝阻力對梁施加86Nm的轉(zhuǎn)矩。梁的約束由側(cè)板和加強(qiáng)板提供,梁兩端與側(cè)板焊接. 3.4.2 對機(jī)架建立模型并劃分網(wǎng)格 機(jī)架結(jié)構(gòu)和形狀都比較復(fù)雜, 而在ANSYS中建模比較繁瑣, 建模效率比較低。本課

66、題采用目前廣泛使用的三維建模軟件Pro/E建立機(jī)架實(shí)體模型, 再通過與軟件的接口導(dǎo)入到ANSYS環(huán)境中。根據(jù)以上方法建模導(dǎo)入的實(shí)體模型, 在有限元分析計(jì)算前須對其劃分實(shí)體單元, 因此要充分考慮劃分單元的密度和質(zhì)量。梁材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，設(shè)定其彈性模量為206GPa、泊松比為0.3。材料的屈服極限235MPa。選用Shell 8node93單元，劃分網(wǎng)格得到76個(gè)節(jié)點(diǎn)，25個(gè)單元密度7.8g/㎝*㎝，網(wǎng)格劃分采用軟件自帶工具，自由劃分網(wǎng)格，設(shè)置元長是10,得到10226個(gè)節(jié)點(diǎn)，38916個(gè)單元加載全部為均布載荷。該有限元模型基本上準(zhǔn)確地反映了結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，如圖3-3所示。 圖3-3 機(jī)架劃分網(wǎng)格效果圖 3.4.3 定義約束和載荷并查看分析結(jié)果 機(jī)架全部為Q235結(jié)構(gòu)鋼焊接，將開溝器產(chǎn)生的力矩加載在開溝器柄安裝位置，限定機(jī)架兩側(cè)自由度，在機(jī)架牽引部位加載拖拉機(jī)牽引力8000N，在當(dāng)前坐標(biāo)系下進(jìn)行分析計(jì)算。 在POST1中查看平均應(yīng)力。最大應(yīng)力出現(xiàn)在牽引力焊接位置附近，最大應(yīng)力值為90MPa，仍有較大的安全空間。分析表明梁的強(qiáng)度可靠，但需要保證梁的焊接