《山地免耕播種機(jī)機(jī)架分析》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《山地免耕播種機(jī)機(jī)架分析（31頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

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)計制造及其自動化）摘要：本課題的2BFM5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)行建模，在有限元分析軟件AN

2、SYS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，同時借助計算機(jī)輔助設(shè)計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)就面臨著降雨少而集中、水土流失嚴(yán)重、土壤貧癮等

3、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，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)行各種旱地增產(chǎn)耕作技術(shù)的試驗研究。隨著人們對旱

4、地農(nóng)業(yè)認(rèn)識的逐步深入，以覆蓋或減少耕作為內(nèi)容的試驗研究工作，取得了顯著的效果。但是試驗研究仍主要著眼于增產(chǎn)方面，沒有同時對技術(shù)和環(huán)境保護(hù)功能開展系統(tǒng)性的試驗研究。因此，試驗研究能同時滿足生態(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。我國是一個多山的國家，全國 2330 多個縣級行政區(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 1625之間的耕地有 3214 萬公頃，約占耕地總面積的四分之一。我國也是一個干旱缺水的國家，水資源人均占有量僅占世界平均水平的 1/4，在全國耕地面積中有

5、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，高出全國人均占有耕地的近一倍。甘肅地形狹長，山

6、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，就要實施農(nóng)業(yè)機(jī)械化，但對于我省這種耕地現(xiàn)狀，實施大型播種機(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)計出的山地免耕播種機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、功率消耗小、體積小等特點，對在我省

7、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 production”。國內(nèi)定義為保護(hù)性耕作是最大限度地

8、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)項目、農(nóng)業(yè)部項目、澳大利亞國際農(nóng)業(yè)研究中心項目的支持下，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、河北兩省建立八個試驗區(qū)，經(jīng)過十年持續(xù)的試驗，完成了保護(hù)性耕作在我

9、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)過半個世紀(jì)的發(fā)展，保護(hù)性耕作己經(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

10、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)，

11、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)性耕作試驗研究，大致可以分為三個階段1955一1985年為初期試驗研究階段，經(jīng)歷了較長時間，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，由于試驗研究成功，除草劑價格下降、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)性耕作實驗站，吸收農(nóng)學(xué)、水土、農(nóng)機(jī)專家參與實驗研究工作，取得了顯著成果。80年代初開

12、始大規(guī)模推廣20世紀(jì)末，主要農(nóng)業(yè)區(qū)基本實現(xiàn)保護(hù)性耕作。同時，為了解決大功率拖拉機(jī)對土壤的壓實，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

13、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，是因為他們農(nóng)業(yè)實現(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、淮河以北的個省、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

14、、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)，沒有考慮同時解決生產(chǎn)效益和生態(tài)環(huán)境問題所研究的多數(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

15、，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、Great Plains、Case;加拿大的Flexi-coil;澳大利亞John Sheare

16、r;巴西的Semeato、Balda等著名公司經(jīng)過多年研究研發(fā)設(shè)計的免耕播種機(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型三個系列，最大基礎(chǔ)質(zhì)量2917一5969。經(jīng)試驗，該機(jī)性能可靠，但種、肥沒有分施，只能在播種同時施少量種肥，不能同時施足底肥，若需要施肥時，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

17、-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，使得用戶可以在前面或后面方便地調(diào)整開溝器。每一個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 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

18、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

19、 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)，每個梁上裝4-6個，每個開溝器的間隔較大，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

20、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，但價格只有美國產(chǎn)品的70%，性價比優(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

21、般都設(shè)計為懸掛式，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，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)計了2BQM-6型和它的改進(jìn)型2BQM-

22、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2BGM-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)行了大量試驗研究，取得了豐碩的成果，設(shè)計出適合我國國情、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

23、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)計了破茬松土器的刀頭，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

24、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。張云文(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，但這種分草器的實際分草作用并不明顯。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)計了行間壓草輪、輪齒撥草盤等機(jī)構(gòu)。在設(shè)計的樣機(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

25、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

26、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、播種的同時施肥量大要求;開溝器安裝在平行四連桿仿形機(jī)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，充分利用小四輪拖拉機(jī)實現(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，

27、在采用單體仿形和整體仿形中小型免耕播種機(jī)試驗成功的基礎(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)的最大特點是實行寬窄行播種，在兩個窄行小麥播種開溝器前面加裝了旋耕刀具，實行條帶旋耕，可以將開溝器前的秸稈旋耕粉碎并與土壤混

28、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-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)實際需要，另外不同地區(qū)、不

29、同條件下實施免耕播種作業(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)實際條件及要求開發(fā)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

30、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

31、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)可持續(xù)發(fā)展的唯一選擇。要實現(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

32、，其配套機(jī)具還處于試驗摸索階段，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：一是極大的發(fā)揮了機(jī)械的工作效能，提高了機(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，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

33、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。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

34、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、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）能實現(xiàn)單個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)

35、；（3）能同時播種多種作物；（4）能改善土壤狀況，上下層土壤不翻轉(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，設(shè)計播種機(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；（6）要做到種肥分施，避

36、免燒苗，播種深度要一致，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，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)來評價：

37、（1）排種量穩(wěn)定性：指排種器的排種量不隨時間變化而保持穩(wěn)定的程度，可用于評價播種機(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，土壤密實程度適合小麥的生長。設(shè)計山地播種機(jī)時，既

38、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)計方案以及各工作部件的設(shè)計方案。2.3山地播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計2.3.1整機(jī)設(shè)計原則（1）結(jié)合我國西北旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)的實際情況，參考小麥本身特性和國內(nèi)外的播種機(jī)，設(shè)計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，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

39、，減少整機(jī)的體積，盡量將整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊。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，要在滿足各項要求的基礎(chǔ)上，盡量簡化結(jié)構(gòu)，同時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680740mm（無級調(diào)節(jié)）間，旱地小麥行距一般取200mm，考慮到開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

40、開溝器布置在松散的土壤層中移動時開溝器前方會出現(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，因為必須保持相鄰開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，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成和種子覆土過程有較大影響，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，排間距取300mm。生產(chǎn)垂直分層種施開溝器5個，

41、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)采用單點懸掛方式懸掛在12馬力的小型拖拉機(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

42、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，實現(xiàn)種肥垂直分層種施，保證種肥土壤間層。每個開溝器后設(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，可以同時播種多

43、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。每個排種排肥器配置有一個插板，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，實現(xiàn)深施化肥的目的，在開溝器后角的作用下，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

44、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（） 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（） 35化肥深度（） 810漏播率（%） 32.4山地免耕播種機(jī)田間實驗情況于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

45、分別為154kg/和93 kg/。試驗器具：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)，一組記錄完成。圖2-3田間試驗2.4.1田間實驗出現(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)在正常工作時沒有發(fā)生任何損壞，各項性能指標(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

46、況下受力情況復(fù)雜，牽引臂折斷原因較多，結(jié)構(gòu)設(shè)計或材料選擇等設(shè)計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)的計算來進(jìn)行重新設(shè)計和驗證，效率和準(zhǔn)確性都較低。本課題采用計算機(jī)三維實體建模和有限元分析的方法來模擬實際工況下的受力情況，通過分析模擬試驗結(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)計與制造方式無法滿足這些要求。在傳統(tǒng)的設(shè)計與制造過

47、程中，首先是概念設(shè)計和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計。在設(shè)計完成后，為了驗證設(shè)計，通常要制造模型進(jìn)行實驗，有時這些實驗甚至是被壞性的。當(dāng)通過實驗發(fā)現(xiàn)缺陷時，又要回頭修改設(shè)計并再用模型驗證。只有通過周而復(fù)始的設(shè)計-實驗-設(shè)計過程，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)計周期無法縮短，更不用談對市場的靈活反應(yīng)了。同時模型的樣機(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)品按時投放市場而中斷這一過程，使產(chǎn)品在上市時便有先天不足的毛病。在激烈競爭的市場背景下，基于實際模型上的設(shè)計驗證過程嚴(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)

48、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)，在某一具體的機(jī)械系統(tǒng)或某一機(jī)具的設(shè)計與分析過程中，也稱為數(shù)字化樣機(jī)與仿真技術(shù)(Digitalportot即ingnadsimulation)。通過計算機(jī)的仿真結(jié)果，工程師和設(shè)計師便可以評價機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量。虛擬模型技術(shù)的應(yīng)用貫穿在整個設(shè)計過程當(dāng)中。在概念設(shè)計和方案論證中，設(shè)計師可以把自己的經(jīng)驗與想象結(jié)合在計算機(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際模型驗證設(shè)計時，開發(fā)周期縮短，設(shè)計質(zhì)量和效率得到了提高。虛擬

49、模型技術(shù)在技術(shù)與市場兩個方面的成熟與計算機(jī)輔助設(shè)計(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)計師們的精力集中在創(chuàng)造性設(shè)計上，把繪圖等煩雜的工作交給計算機(jī)去做。這樣設(shè)計師就有更多的精力關(guān)注設(shè)計的正確和優(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)計的快速修改成為可能。這樣，在計算機(jī)上的設(shè)計實驗、設(shè)計的反復(fù)過程才有時間上的實際意義。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)實現(xiàn)。作為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個分支的數(shù)值算法提供了求解這種問題的有

50、效的快速算法。近年來的計算機(jī)可視化技術(shù)及動畫技術(shù)的發(fā)展為這項技術(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。3.1.1 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、工業(yè)造型設(shè)計、二維模型設(shè)計、分析計算、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/A

51、M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)計領(lǐng)域的技術(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)計方式。具體設(shè)計過程中這兩種方法也可同時采用。本設(shè)計中同時用到了以上的兩種方式。以種肥箱總

52、成(圖3-1)這一部件為例，在設(shè)計開始階段繪制箱體、兩側(cè)護(hù)板等，可以通過基本設(shè)計理論設(shè)定基本尺寸的零件，將它們組裝在一起作為一個子裝配以供總裝時使用。這個過程是自底向上的。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)行分析計算和一些細(xì)節(jié)的完善。 圖3-1種肥

53、箱三維實體模型圖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際問題解決過程問題中，一般不能得到系統(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)在任何點上的精確行為，而數(shù)值解只在稱為節(jié)點的離散點上近似于解析解。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。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

54、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，這種方法假設(shè)代表每個元素的近似函數(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)時理論尚處于初級階段，計算機(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

55、方便、計算結(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)之上的，用有限元進(jìn)行分析時，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，最后在計算機(jī)上，使用圖形技術(shù)顯示計算結(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間內(nèi)分析實際的工程項目，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步驟：（

56、1）彈性體的離散化將結(jié)構(gòu)分割為有限個單元體，并在各單元體的指定點設(shè)置節(jié)點使相鄰單元的有關(guān)參數(shù)具有一定的連續(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)出計算單元的應(yīng)變、應(yīng)力、單元剛度矩陣和單元等效節(jié)點載荷向量的計算公式，利用平衡條件，建立單元節(jié)點力和節(jié)點位移之間的關(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)點的位移，最后由節(jié)點位移計算各單元的應(yīng)力。3.2.2 有限元計算軟件的選擇有限元法在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)

57、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

58、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、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、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)。實現(xiàn)了數(shù)

59、據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中不可或缺的高級CAE工具之一。3.2.3 ANSYS的三個主要計算過程及功能1.前處理模塊ANSYS軟件的前處理模塊主要實現(xiàn)三項功能即參數(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、單元實常數(shù)、材料的特性等。（2）實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

60、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，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、施加約束以及定義載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項，然后求解。3.后處理模塊ANSYS軟件的后處理過程包括兩個部分:通用后處理模塊POST和時間歷程后處理模塊POST26。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計算結(jié)果并

61、對其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果包括位移、溫度、應(yīng)力、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、單元、材料特性、實常數(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, 盡量在不影響分析精度的前提下對實際模型進(jìn)行簡化和假設(shè)忽略剛性

62、較差的支撐、連接等除對模型整體結(jié)構(gòu)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。單個開溝器的開溝阻力按320N計，開溝器鏟柄的力臂長為0.3m,每個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

63、率比較低。本課題采用目前廣泛使用的三維建模軟件Pro/E建立機(jī)架實體模型, 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)入的實體模型, 在有限元分析計算前須對其劃分實體單元, 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個節(jié)點，25個單元密度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個節(jié)點，38916個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