【勺鉤式水稻直播機(jī)總體方案設(shè)計(jì)與研究13000字（論文）】

勺鉤式水稻直播機(jī)總體方案設(shè)計(jì)與研究目錄TOC\o"1-3"\h\u22243第一章緒論 第一章緒論1.1研究背景水稻是世界上人口最多、最古老的作物。它是世界上約一半人口和六層以上的中國人的主食來源。水稻是我國播種面積最大、總產(chǎn)量最大、單產(chǎn)最高的糧食品種。據(jù)資料顯示，我國多年生水稻種植面積小于全國糧食種植面積的三層左右，但水稻年產(chǎn)量約為我國糧食總產(chǎn)量的四層左右。水稻在國民生活和經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。隨著物質(zhì)生活水平的提高和人口總量的逐年增加，人們對(duì)食物的需求也與日俱增。插秧是目前我國水稻種植的主要方式，可分為人工插秧和機(jī)械化插秧兩種。人工插秧是一種傳統(tǒng)的插秧方式，也是目前我國大部分地區(qū)水稻種植的主要方式之一。人工移栽是通過人工移栽將栽培水稻秧苗移栽到田間的一種種植方法。人工插秧的農(nóng)藝要求是秧苗分布均勻，每行秧苗間距均勻，秧苗栽于適當(dāng)深度。過深或過淺都會(huì)影響幼苗的生長，移栽后不能出現(xiàn)浮苗現(xiàn)象。但在實(shí)踐中，人工移栽方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且容易對(duì)苗木造成一定程度的損傷。水稻機(jī)械化插秧是利用插秧機(jī)插秧的一種機(jī)械化生產(chǎn)方法。機(jī)械化插秧比人工插秧效率高，插秧更有序，行距更均勻，更符合水稻種植的農(nóng)藝要求。機(jī)插有利于秧苗的生長，可以更好地提高水稻的產(chǎn)量，但由于機(jī)插的工作原理特點(diǎn)，機(jī)具工作部門會(huì)在一定程度上損害秧苗。1.2研究意義水稻直播是一種通過機(jī)械操作，將預(yù)處理后的芽直接撒播或種在田間的種植方式。與傳統(tǒng)的插秧方式相比，水稻直播省去了育秧和插秧的環(huán)節(jié)，在一定程度上節(jié)約了時(shí)間成本，減少了資源的浪費(fèi)。研究表明，直播水稻具有以下生長特點(diǎn)和優(yōu)勢:（1）秧苗整體素質(zhì)好，種子直播的方式能避免傳統(tǒng)作業(yè)時(shí)拔秧、插秧環(huán)節(jié)對(duì)苗根造成的損傷；（2）秧苗根系發(fā)達(dá)，吸收能力強(qiáng)，單株受光面積和營養(yǎng)面積大；（3）分蘗早且位置低，更有利于成穗；抽穗整齊，蘗穗差異小，穗型大小勻稱；（4）稻株健壯，具有良好的抗倒伏能力；（5）總?cè)~齡減少，單株綠葉數(shù)增多，功能期長，有利于增穗，提高產(chǎn)量。水稻直播的種植方式具有經(jīng)濟(jì)效益高、省時(shí)省力、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)適應(yīng)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的種植技術(shù)。然而，目前我國水稻直播技術(shù)在水稻生產(chǎn)中的應(yīng)用還不夠。首先，由于中國地理環(huán)境的多樣性，機(jī)器和工具不能適應(yīng)不同地形同時(shí)作業(yè)的要求。二是沒有對(duì)農(nóng)民進(jìn)行系統(tǒng)、規(guī)范的水稻直播技術(shù)培訓(xùn)，農(nóng)民對(duì)直播技術(shù)的掌握和使用還不夠成熟。第三，水稻直播技術(shù)價(jià)格高、維護(hù)成本高、運(yùn)行效果不佳，阻礙了水稻直播技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用。因此，針對(duì)我國水稻直播機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和實(shí)際種植生產(chǎn)情況，研制一種既能滿足農(nóng)藝要求又能有效解決農(nóng)民生產(chǎn)需要的水稻直播機(jī)，是推廣和發(fā)展水稻直播技術(shù)的關(guān)鍵。結(jié)合現(xiàn)階段水稻直播農(nóng)藝的要求，針對(duì)以上問題的難點(diǎn)，進(jìn)行了本文設(shè)計(jì)研究的水稻直播機(jī)，對(duì)水稻水直播技術(shù)的推廣和研究具有一定的指導(dǎo)作用和應(yīng)用意義。第二章勺鉤式水稻直播機(jī)總體方案設(shè)計(jì)與研究2.1直播機(jī)的配套動(dòng)力和設(shè)計(jì)要求2.1.1直播機(jī)的配套動(dòng)力獨(dú)輪驅(qū)動(dòng)行走底盤目前多被用于直播機(jī)行走底盤，后有萬向節(jié)輸出軸連接排種裝置，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。但考慮到獨(dú)輪驅(qū)動(dòng)行走底盤存在作業(yè)速度低和雍泥水嚴(yán)重等問題，而四輪驅(qū)動(dòng)行走底盤很好地克服了這一缺點(diǎn)，故本文所設(shè)計(jì)的水稻直播機(jī)采用四輪驅(qū)動(dòng)行走底盤，采用的是久保田坐式插秧機(jī)為動(dòng)力裝置，其主要參數(shù)如表2.1所示:表2.1直播機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)底盤主要性能參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)標(biāo)定功率kw12.7額定轉(zhuǎn)速r/min3000輪距(前輪)1200輪距(后輪)1200最小離地間隙430總排氣量cc0.778燃料箱容量L17變速方式液壓無極變速器(HST)2.1.2機(jī)具設(shè)計(jì)技術(shù)要求現(xiàn)階段應(yīng)用于水稻水直播的整地方式有兩種:旱整和水整。旱整是先將田塊平整后再灌滿水整平，等田塊沉淀一段時(shí)間后排水，再進(jìn)行播種作業(yè)，此種整地方式有利于提高秧苗存活率。而水整則是先灌水然后在將田塊整平，再進(jìn)行播種作業(yè)，此種方式具有省時(shí)省力的特點(diǎn)，但土壤養(yǎng)分容易流失，對(duì)水資源的浪費(fèi)較大。針對(duì)不同的田塊環(huán)境來選擇整地方式，田塊較為平整，高低起伏較小時(shí)以旱整為主，反之則以水整為主。由于本文設(shè)計(jì)的水稻直播機(jī)是適用于水直播播種方式的機(jī)具，其設(shè)計(jì)技術(shù)要求主要包含兩個(gè)方面:機(jī)具的農(nóng)藝要求(a)能滿足水稻播種作業(yè)要求;b）播種后，種子應(yīng)處于合適的土壤位置且深度要保持一致，田塊地表平整;(c)機(jī)具作業(yè)質(zhì)量不應(yīng)受種箱種子存量多少、作業(yè)田塊地勢高低等因素的影響，播種均勻性要好;（d）機(jī)具適應(yīng)性和通用性要好，能適應(yīng)不同地域的作業(yè)環(huán)境和不同品種種子的播種農(nóng)藝要求，不出現(xiàn)空穴重播，能為后續(xù)田間管理創(chuàng)造良好條件機(jī)具的設(shè)計(jì)要求:表2.2機(jī)具設(shè)計(jì)要求項(xiàng)目工作參數(shù)工作幅寬/cm250播種行數(shù)8、10播種行距/mm250播種穴距/mm120、140、160、180、210傳動(dòng)機(jī)構(gòu)型式傳動(dòng)軸傳動(dòng)播種深度/cm1~2生產(chǎn)效率（畝//h）1~22.2排種裝置的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)2.2.1排種器的設(shè)計(jì)要求排種器是排種裝置進(jìn)行播種作業(yè)的核心部件，其性能的優(yōu)劣將會(huì)直接影響直播機(jī)的播種效率和質(zhì)量。在滿足直播機(jī)作業(yè)要求的前提下，排種器必須滿足下列設(shè)計(jì)要求，排種器排種時(shí)須能均勻連續(xù)排種，種子流應(yīng)均勻分布，不能出現(xiàn)斷流或脈動(dòng)現(xiàn)象，在不同作業(yè)速度下種子播量要穩(wěn)定;排種器播種量的均勻性和穩(wěn)定性不因種箱內(nèi)種子堆的高低、機(jī)具的振動(dòng)、田間地面的起伏等因素而受到影響。（2)機(jī)具上每行的排種器播種量應(yīng)保持一致。（3)排種器要有良好的通用性，能適應(yīng)播谷類、豆類等不同大小形狀的種子。（4)盡量減少播種作業(yè)對(duì)種子造成的損傷，要易于清種。（5）播量可選性大，調(diào)節(jié)應(yīng)準(zhǔn)確方便，能滿足不同類型作物的播量要求。（6）機(jī)具使用維護(hù)方便、壽命長，且能適用于高速播種的作業(yè)要求。2.2.2排種器的選型1.現(xiàn)有排種器結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)近年來，水稻直播機(jī)己成為各高校與研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的排種器也千差萬別。以結(jié)構(gòu)類型來分，排種器主要可分為機(jī)械式、氣力式與振動(dòng)式三種。排種器作為直播機(jī)的核心部件，其性能的好壞影響著整機(jī)的工作質(zhì)量。本節(jié)主要針對(duì)三種類型排種器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，為排種器選型提供參考。（a）外槽輪式排種器外槽輪式排種器主要由外槽輪、阻塞輪、清種軸、排種軸、排種舌、彈簧等部分構(gòu)成，其整體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。以排種槽形狀來分外槽輪式排種器可分為弧形槽和齒形槽兩種形式。斜槽和直槽是弧形槽的另外兩種表現(xiàn)形式，斜槽制作工藝較為復(fù)雜，但能夠減少排種時(shí)的脈動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)而提高排種器排種的均勻性;而直槽因制作工藝相對(duì)簡單，故對(duì)其應(yīng)用較廣。總的來說，外槽輪式排種器具有易于制造和使用，通用性好適應(yīng)性高的優(yōu)點(diǎn)，但由于本身結(jié)構(gòu)問題容易出現(xiàn)種子流脈動(dòng)象，導(dǎo)致其排種均勻性較差。1.排種盒2.阻塞輪3.擋圈4.清種軸5.彈簧6.排種舌7.排種軸8.外槽輪（b)窩眼輪式排種器窩眼輪式排種器主要由種箱、排種輪、刮種輪組成，其結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。其工作原理是，排種輪在排種軸的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，種子在自身重力和周圍種子的力的綜合作用下進(jìn)入排種輪型孔內(nèi)，隨著排種輪做圓周運(yùn)動(dòng)到達(dá)排種口，在自身重力作用下由排種管落入種溝，完成播種作業(yè)。理論上來說，對(duì)于同一排種輪，其設(shè)置的型孔數(shù)越多，則型孔處的線速度越低，這樣更能有利于種子的充填，提高作業(yè)質(zhì)量。實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，水稻直播機(jī)上多使用型孔形狀為半球形的單排窩眼輪，其型孔大小和深度與每穴播種數(shù)和種子的大小有關(guān)。1.種箱2.刮種輪3.種子4.排種輪圖2.2窩眼輪式排種器（c)電磁振動(dòng)式排種器電磁振動(dòng)式排種器結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，主要由振動(dòng)盈、電磁鐵、拉桿、片彈簧組成。作業(yè)時(shí)，通過對(duì)電磁鐵施加固定頻率的通斷電流，使與電磁鐵相連的拉桿對(duì)振動(dòng)盈不斷施加力，再在片彈簧的作用下，使排種盤產(chǎn)生振動(dòng)。種子在排種盤的振動(dòng)下，逐漸分流至V型槽內(nèi)，形成種子流并向前移動(dòng)。但由于其工作特性，電磁振動(dòng)式排種器排種均勻性較差，對(duì)電能的消耗較大，主要用于工廠化育苗作業(yè)。底座2.電磁鐵圖2.33.拉桿4.振動(dòng)盈5.片彈簧電磁振動(dòng)式排種器（d）氣力式排種器氣力式排種器按工作原理來分主要分為氣吸式與氣吹式兩種，其結(jié)構(gòu)分別如圖2.4與圖2.5所示。氣吸式排種器是利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓吸力來進(jìn)行工作的，從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上可分為滾筒式和垂直圓盤式兩種。滾筒式排種器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工難度較大，滾筒內(nèi)部真空的均勻性會(huì)影響排種作業(yè)的穩(wěn)定性，故而在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用得較少;垂直圓盤式排種器較滾筒式來說結(jié)構(gòu)更為緊湊，具有良好的通用性，排種性能更好，能滿足高速精密播種的農(nóng)藝要求，應(yīng)用得更為廣泛。但這兩種排種器對(duì)腔體室的密閉性有特殊要求，排種器的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。氣吹式排種器的工作原理類似于窩眼輪式排種器，其最大的不同在于氣吹式排種器是利用氣流進(jìn)行清種的。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣壓差使種子填充于排種器型孔內(nèi)，通過高壓氣流的作用除去多余種子，使型孔內(nèi)種子數(shù)符合播種要求，在轉(zhuǎn)動(dòng)至排種區(qū)域時(shí)種子在推種器和自身重力的綜合作用下被排出，沿排種管落入種溝[[36]0氣吹式排種器在國內(nèi)外大中型直播機(jī)上的應(yīng)用最多，但由于需要風(fēng)機(jī)參與充種和清種過程，功耗較大，且對(duì)密閉性有較高要求。1.吸種盤2.攪拌輪3.吸氣管4.刮種片圖2.4氣吸式排種器1.排種輪2.噴嘴3.種子圖2.5氣吹式排種器2.總結(jié)對(duì)比由上文中的論述可以對(duì)常見的幾種典型的排種器作出如表2.3的對(duì)比。通過對(duì)各類排種器進(jìn)行分析對(duì)比，指出它們的優(yōu)點(diǎn)和不足，針對(duì)本課題設(shè)計(jì)的直播機(jī)的設(shè)計(jì)需求選擇一種排種器進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)?？偟膩碚f，近年來國內(nèi)各高校對(duì)水稻直播機(jī)排種裝置的研究主要以氣力式、電磁振動(dòng)式、機(jī)械式為主。雖然氣力式排種器在精密播種上優(yōu)于其他類型排種器，但由于其本身的工作特性的限制，對(duì)工作腔體部分的密閉性要求高，整體結(jié)構(gòu)不易加工，實(shí)際生產(chǎn)過程中功率消耗較大且不能適應(yīng)多行播種的作業(yè)需求。電磁振動(dòng)式排種器雖然減少了加工難度，但在實(shí)際播種過程中，種子的均勻性較差。機(jī)械式排種器多以外槽輪式排種器為主，前人對(duì)外槽輪式排種器的研究多是聚焦于排種器的均勻性問題上，對(duì)精量播種卻少有研究。2.2.3排種裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)與工作原理外槽輪排種器因?yàn)槠浔旧斫Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，槽輪在排種時(shí)，槽輪轉(zhuǎn)至凹槽處時(shí)排出的種子較多，而在齒脊處排出的種子較少，種子流因此呈現(xiàn)脈動(dòng)現(xiàn)象，直接影響了播種的均勻度，如圖2.6。圖2.6外槽輪排種器工作原理示意圖在對(duì)外槽輪式排種器種子脈動(dòng)流現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行分析后，結(jié)合本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)出一種勺鉤式排種裝置，其整體結(jié)構(gòu)如圖2.7所示，主要由種箱、排種輪組件、清種刷組件、微調(diào)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)齒輪、傳動(dòng)齒輪、排種軸、排種管組成。當(dāng)播種裝置開始工作時(shí)，排種輪組件在在六角軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，排種輪組件上的凹槽到達(dá)稻種填充區(qū)時(shí)，種子在力的作用下進(jìn)入凹槽。排種輪組件繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，離開種子填充區(qū)域，清種刷組件將多余的稻種阻擋在填充區(qū)，隨后凹槽內(nèi)的種子隨著排種輪的轉(zhuǎn)動(dòng)下被排進(jìn)排種管，完成排種。2.3傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的排種裝置的動(dòng)力是由久保田乘坐式發(fā)動(dòng)機(jī)提供的，該機(jī)器的動(dòng)力輸出在機(jī)器的后端的萬向軸，其轉(zhuǎn)速較高，不能直接連接執(zhí)行元件的輸入軸，必須通過傳動(dòng)裝置減速。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置的動(dòng)力輸出總軸位于中部，為一根與機(jī)架垂直的長傳動(dòng)軸。考慮到傳動(dòng)軸與機(jī)架的輸入軸方向垂直，故采用錐齒輪傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)方向的換向，并使動(dòng)力傳入播種裝置的輸入軸。因傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速較低，鏈傳動(dòng)平均傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，故可用于中間的二級(jí)傳動(dòng)。傳動(dòng)路線圖如下圖所示：總輸入軸2.傳動(dòng)軸3.鏈傳動(dòng)箱4.播種裝置輸入軸圖2.8排種裝置動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng).發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出軸2.總輸入軸3.傳動(dòng)軸4.播種裝置輸入軸5.排種輪工作轉(zhuǎn)軸圖2.9傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖直播機(jī)播種穴距有120mm、140mm、160mm、180mm、210mm五種檔位選擇，通過原動(dòng)機(jī)的穴距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)節(jié)手柄置于某一擋時(shí)，無論原動(dòng)機(jī)后輪軸轉(zhuǎn)速的快慢如何變化，直播機(jī)的播種穴距保持不變，即原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出與直播機(jī)執(zhí)行元件之間的傳動(dòng)比為一定值。直播機(jī)的播種穴距只與原動(dòng)機(jī)的穴距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)有關(guān)。原動(dòng)機(jī)后輪軸與播種裝置之間的總傳動(dòng)比為：（2-1）其中為行走輪直徑，為播種裝置每轉(zhuǎn)一圈所播種的次數(shù)，與排種器結(jié)構(gòu)有關(guān)，本文中，為直播機(jī)的播種穴距。將總傳動(dòng)比分配到各級(jí)傳動(dòng)中，則有:（2-2）其中，為原動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)軸與原動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出軸之間的傳動(dòng)比，可由穴距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，為總輸入軸與機(jī)架傳動(dòng)軸之間傳動(dòng)比，為錐齒輪傳動(dòng)。為機(jī)架傳動(dòng)軸與播種裝置輸入軸的傳動(dòng)比，該傳動(dòng)為鏈傳動(dòng)。為播種裝置動(dòng)力輸入軸與排種輪工作轉(zhuǎn)軸之間的傳動(dòng)比，該傳動(dòng)為直齒輪傳動(dòng)。由于直齒輪傳動(dòng)主要用于排種輪的傳動(dòng)，故取，將整數(shù)傳動(dòng)比配置給錐齒輪傳動(dòng)，取，鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比。取時(shí)，依次可得出當(dāng)分別為120mm、140mm、160mm、180mm和210mm時(shí)，分別為0.75、0.875、0.998、1.125、1.312。第三章排種裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力分析第二章對(duì)直播機(jī)排種裝置進(jìn)行了選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)，本章將在第二章的基礎(chǔ)上對(duì)排種裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)排種裝置工作過程中各階段種子的運(yùn)動(dòng)與受力情況進(jìn)行具體分析，為后續(xù)的優(yōu)化提供理論參考。3.1排種裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)排種裝置的整體結(jié)構(gòu)如第二章圖2.7所示，主要包含排種輪組件、清種刷組件與微調(diào)機(jī)構(gòu)。本小節(jié)將針對(duì)上述三部分進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。3.1.1排種輪組件排種器是排種裝置的核心部分，主要由排種輪、四爪輪、轉(zhuǎn)軸、六角軸組成，如圖3.1所示。六角軸與排種輪為型面連接，可帶動(dòng)排種輪一起旋轉(zhuǎn)，排種輪上沿圓周開了四條凹槽，與四爪輪的凸緣相配合，形成長度可調(diào)節(jié)的凹槽。轉(zhuǎn)軸與四爪輪為螺紋配合，形成螺紋傳動(dòng)，固定六角軸，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，四爪輪沿軸向滑動(dòng)，可調(diào)節(jié)凹槽的長度，從而實(shí)現(xiàn)播種量的調(diào)節(jié)。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：六角軸2.排種輪3.四爪輪4.轉(zhuǎn)軸圖3.1排種器結(jié)構(gòu)圖圖3.2排種器剖面圖排種輪直徑在排種輪其它參數(shù)保持定值的情況下，槽輪直徑D變化會(huì)導(dǎo)致槽輪的轉(zhuǎn)速ω與有效工作長度L也必須作相應(yīng)的變化。結(jié)合水稻播種的農(nóng)藝要求，查閱農(nóng)機(jī)手冊可知，水稻直播機(jī)排種器槽輪直徑不能小于30mm，且排種輪有效工作長度最小值不應(yīng)小于種子長度的1.5~2.0倍，否則會(huì)影響排種器充種質(zhì)量。本文所設(shè)計(jì)的槽輪外徑為64mm，一是為了滿足設(shè)計(jì)的要求，二是與其他水稻直播機(jī)排種輪外部尺寸接近，增加機(jī)具的通用性，提高對(duì)機(jī)具的使用率，節(jié)省成本。根據(jù)前人試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)得到排種輪排量穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速在9~60r/min。若排種輪轉(zhuǎn)速過低，容易出現(xiàn)漏播的現(xiàn)象，很難達(dá)到均勻播種，若轉(zhuǎn)速太高，則會(huì)降低凹槽的充種性能，無法保證穴粒數(shù)符合農(nóng)藝要求。排種輪凹槽數(shù)在作業(yè)速度一定的條件下，同一排種輪其面上分布的凹槽數(shù)越多，則槽輪的線速度越小，所播種的種子穴距越短，但排種輪上凹槽數(shù)過多則會(huì)導(dǎo)致排種輪加工的難度。因此，在保證排種器工作性能的條件下，排種輪上應(yīng)設(shè)置數(shù)量合適的凹槽。查閱資料，有如下公式：聯(lián)立上式，整理可得：（3-2）式子中：n——凹槽數(shù)——穴距——地輪前進(jìn)速度——?jiǎng)恿喒ぷ鲿r(shí)的角速度——排種輪工作時(shí)的角速度——?jiǎng)恿啺霃絠——?jiǎng)恿敵鲚S與排種裝置輸入軸傳動(dòng)比根據(jù)農(nóng)藝要求，水稻播種穴距取值范圍為120～250mm。結(jié)合實(shí)際，取為0.6m，i為1，穴距為0.12m，計(jì)算可知n=3。在本文的設(shè)計(jì)中，直播機(jī)的動(dòng)力輸出在機(jī)器的后端，轉(zhuǎn)速較高，不能直接連接播種裝置的執(zhí)行元件的輸入軸，必須通過傳動(dòng)裝置減速，再傳遞到執(zhí)行元件，故i≥1，取n=4。凹槽形狀考慮到現(xiàn)有的外槽輪式排種器的間接性沖擊問題，本文對(duì)凹槽的輪廓曲線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，輪廓曲線的尺寸如圖3.3所示，將凹槽的輪廓設(shè)計(jì)成曲面，將直邊改成斜邊，形似“勺鉤”狀，雖然增加了制作成本，但能更有效地減少工作時(shí)種子因摩擦而造成的沖擊和損傷，既增大了種子的流動(dòng)性，又有利于種子的填充和排出。凹槽最小的深度要大于種子自身高度的一半，凹槽的深度取值范圍一般在2～9mm，本文設(shè)計(jì)的勺鉤狀凹槽深度最大值為9mm。圖3.3排種輪凹槽形狀3.1.2微調(diào)機(jī)構(gòu)排種量的調(diào)節(jié)是通過螺旋傳動(dòng)的方式，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)齒輪，使四爪輪相對(duì)排種輪相對(duì)滑動(dòng)，從而調(diào)節(jié)凹槽的長度，其結(jié)構(gòu)如圖3.4所示?？紤]到在轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的過程中無法量化凹槽長度變化，故在設(shè)計(jì)上增加了微調(diào)機(jī)構(gòu)。圖3.4所示的轉(zhuǎn)軸端面上均布有10個(gè)凹圓槽，排種輪的內(nèi)部槽孔中安裝有彈簧和鋼球。裝配時(shí)，鋼球與轉(zhuǎn)軸的凹圓槽相配合，彈簧處于壓縮狀態(tài)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，每當(dāng)鋼球與凹圓槽重新接觸時(shí)，便會(huì)在沖擊的作用下產(chǎn)生聲音，因此，可在通過微調(diào)機(jī)構(gòu)的聲音次數(shù)判斷凹槽調(diào)節(jié)的長度。排種輪2.彈簧3.鋼珠4.轉(zhuǎn)軸5.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸6.四爪輪圖3.4微調(diào)機(jī)構(gòu)對(duì)于轉(zhuǎn)軸端面上圓槽來說，鋼球每次從當(dāng)前位置移動(dòng)到相鄰的圓槽時(shí)，所轉(zhuǎn)過的角度θ為：（3-3）當(dāng)鋼珠每移動(dòng)一格圓凹槽，排種輪凹槽長度變量為：（3-4）當(dāng)鋼珠移動(dòng)格（即調(diào)節(jié)過程中聽到聲音次數(shù)為）時(shí)，排種輪凹槽的長度變量為：（3-5）聯(lián)立式（3-3）、（3-4）、（3-5），整理可得：（3-6）上述式子中：θ——鋼球每轉(zhuǎn)動(dòng)一格調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度——調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸的端面上凹槽的個(gè)數(shù)n1——調(diào)節(jié)過程中鋼珠移動(dòng)的格數(shù)——調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸上螺紋的導(dǎo)程3.1.3清種刷組件清種刷的作用是通過毛刷將排種輪凹槽外的多余的種子清除，在清種的同時(shí)又能使種子不受到損傷，其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。刷種塊由毛刷和塑料塊組成，刷種塊與方桿為型孔配合，圓桿與方桿為孔軸配合并焊接在一起，轉(zhuǎn)動(dòng)圓桿可調(diào)整毛刷的位置，清種刷整體通過方桿與箱體相連接，當(dāng)彈片1與箱體接觸時(shí)，清種刷處于正確位置，彈片2可防止種子飛濺，順利排入排種管中。清種刷在工作時(shí)會(huì)與大量的種子產(chǎn)生力的作用，因此需要給它施加一定的壓力以保證清種刷清種時(shí)的可靠性，故將卡槽的位置相對(duì)于正確位置往內(nèi)偏離了一定的角度，使彈片1在限位時(shí)產(chǎn)生一定的形變，從而產(chǎn)生一定的彈力，保證了清種的可靠性?？紤]到彈片1的形狀不規(guī)則，彈力的計(jì)算較為復(fù)雜，需通過試驗(yàn)得出合適的偏轉(zhuǎn)角度。刷子組合2.彈片13.彈片2圖3.5清種組件結(jié)構(gòu)示意圖3.1.4排種器排種性能計(jì)算排種量的準(zhǔn)確控制是體現(xiàn)排種器排種性能的重要部分，在完成排種裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)后，需要對(duì)排種器的排種能力進(jìn)行計(jì)算。查閱資料可知，對(duì)于外槽輪式排種器的排種能力有如下計(jì)算公式：強(qiáng)制層每轉(zhuǎn)排量：（3-7）式（3-7）中有，（3-8）故整理上式可得，（3-9）其中：Z——外槽輪齒數(shù)L——外槽輪有效工作長度d——外槽輪直徑γ——種子容重α——種子充滿系數(shù)f——凹槽斷面積t——槽齒間距2.帶動(dòng)層每轉(zhuǎn)排量：（3-10）其中C為帶動(dòng)層厚度，太小可忽略，重新整理式子可得，(3-11)故排種輪每轉(zhuǎn)排量為:(3-12)本文設(shè)計(jì)的排種器是基于外槽輪式排種器改進(jìn)而來。相較于傳統(tǒng)外槽輪式排種器改進(jìn)了充種的凹槽部分，同時(shí)增加了清種刷。在排種過程中，種子帶動(dòng)層在清種刷的作用下不隨排種輪繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)層排種量視為0。故修改后的排種器排種能力理論計(jì)算公式為：(3-13)其中n為排種輪上凹槽的個(gè)數(shù)，V1為單個(gè)凹槽的體積，V2為單個(gè)種子的體積。由于凹槽的斷面輪廓為勺鉤狀，不便于直接計(jì)算凹槽斷面積，故將曲線輪廓簡化成直線，進(jìn)行分割計(jì)算面積。對(duì)于單個(gè)凹槽體積V1有：(3-14)由于單個(gè)種子體積V2不便于計(jì)算，故引入種子容重系數(shù)γ（即單位體積的種子的質(zhì)量，g/cm3）。m為N個(gè)種子重量的平均值。對(duì)于種子的容重系數(shù)γ（一般取0.75~0.79）有如下計(jì)算公式：(3-15)考慮到種子的形狀，在排種器填充過程中無法完全充滿凹槽部分，故引入種子的充滿系數(shù)α（一般取0.6~0.8）對(duì)公式進(jìn)行修正。聯(lián)立以上式整理可得排種器的排種能力計(jì)算公式為：(3-16)3.2其它部件設(shè)計(jì)3.2.1箱體的設(shè)計(jì)箱體主要起支撐排種裝置和容納稻種的作用，由工程塑料鑄造而成，具有良好的耐低、高溫性能，保證了箱體的耐用性。由于功能的需要，其形狀較為復(fù)雜，如圖3.6所示。箱體左右兩端與端蓋配合，上部與種箱通過螺釘連接，箱體上部的進(jìn)種口呈漏斗狀，種子在力的作用下通過斜面落入填充區(qū)，斜面的傾角均大于當(dāng)量摩擦角，能夠防止種子滯留在斜面上。箱體背部有開有螺釘孔，與機(jī)架之間使用螺釘連接。箱體前部開有較大的矩形孔，便于安裝清種刷組件。圖3.6箱體的結(jié)構(gòu)示意圖隔梳處于種子箱下部，介于種箱與排種器之間，其結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。隔梳上分布著橫向與縱向的隔梳條，隔梳條為三棱柱形狀。其主要作用是在種子堆下落充種過程中對(duì)種子起到一定的擾動(dòng)與分隔作用，防止種子成團(tuán)，提高排種器凹槽的充種效率。圖3.7隔梳3.2.2排種管實(shí)際播種作業(yè)過程中，機(jī)具自身的振動(dòng)、外界風(fēng)力等因素會(huì)影響播種時(shí)種子的運(yùn)動(dòng)軌跡。為了防止因種子直接暴露在外界環(huán)境中而影響播種成穴性，提高播種作業(yè)的質(zhì)量，故而需要在排種裝置下部安裝排種管。針對(duì)不同的水稻品種，其播量要求也不盡相同。雜交水稻的播量要求較小，一般每穴種子粒數(shù)為1~3粒，使用常規(guī)的直筒式排種管就能避免稻種在離開排種器后受到外界環(huán)境因素的影響，能有效提高種子的成穴性。但常規(guī)水稻的播量要求遠(yuǎn)大于雜交水稻，若采用直筒式排種管，種子在作業(yè)過程中就無法聚攏，將會(huì)影響播種合格率。綜合考慮實(shí)際情況，本文將排種管設(shè)計(jì)為上粗下細(xì)帶有一定斜度的形狀，如圖3.8所示。這樣既能提高播量較大的常規(guī)水稻時(shí)排種的成穴性，又能同時(shí)滿足播量小的雜交水稻種子的成穴性要求，減少了生產(chǎn)成本，增加了機(jī)具的通用性。圖3.8排種管3.3排種器工作過程動(dòng)力學(xué)分析3.3.1充種過程為了便于分析充種過程中種子的受力情況，本文簡化了種子的受力模型。在整個(gè)充種過程中，種子進(jìn)入凹槽的方式有兩種，一種是排種器凹槽內(nèi)的空間充足，此時(shí)種箱內(nèi)的種子會(huì)迅速落入凹槽內(nèi)，此種情形下種子的受力較為簡單，本文不多作分析；另一種方式是種子沿著排種輪邊緣進(jìn)入凹槽。此種充種方式種子的受力情況如圖3.9所示，為了便于分析，此種情況下將種子視作已具有排種輪外徑處的線速度，且只考慮種子沿排種輪切線方向上的滑動(dòng)。圖3.9沿排種輪邊緣進(jìn)入凹槽時(shí)種子受力情況以種子的質(zhì)心為原點(diǎn)，建立如圖3.9所示的直角坐標(biāo)系。在各種力的共同作用下，種子在X軸方向上是平衡的，種子的填充是由Y軸方向的合力引起的，則有以下受力分析公式:在X、Y軸方向上分力FX、FY：(3-17)對(duì)于式（3-17），其中有：(3-18)上述式中：f——種子所受摩擦力γ——種子與排種輪的摩擦角r——種子質(zhì)心與排種輪質(zhì)心之間的距離F1——種子所受離心力F2——種子運(yùn)動(dòng)時(shí)的科氏力由牛頓第二定律可知，種子在X、Y軸方向的加速度為：(3-19)若將種子視作實(shí)軸為a、虛軸為b的橢圓體，則排種輪的最大理論充種速度：(3-20)式（3-20）中，d為排種輪凹槽的有效長度。根據(jù)播種原理，當(dāng)種子和排種輪邊緣間的相對(duì)速度處于較小值時(shí)，排種器的充種效果則好。排種輪轉(zhuǎn)速大小對(duì)相對(duì)速度為零的位置產(chǎn)生直接影響。當(dāng)β較大時(shí)，則更有利于排種輪充種。3.3.2排種過程排種輪在排種時(shí)，種子脫離凹槽時(shí)的運(yùn)動(dòng)由兩部分組成，一部分是水平方向上的運(yùn)動(dòng)，其大小為直播機(jī)前進(jìn)速度與排種輪線速度在垂直于重力方向上的分速度的矢量和；另一部分運(yùn)動(dòng)是排種輪線速度在重力方向上的分速度，這部分運(yùn)動(dòng)為加速運(yùn)動(dòng)。排種輪即將排種時(shí)，種子的受力情況如圖3.10所示。圖3.10排種過程中種子受力圖其中：——種子離開排種輪運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的空氣阻力，N；——種子受到的空氣阻力在x軸方向上的分力，N；——種子受到的空氣阻力在y軸方向上的分力，N；G——種子自身重力，N；ω—排種輪工作時(shí)的角速度，rad/s；以種子下落運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较?，根?jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，則種子在脫離凹槽運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力情況可列以下方程：(3-21)假設(shè)直播機(jī)的作業(yè)速度為V0，則種子在投種過程的速度分析如圖3．11所示：圖3.11排種階段種子速度情況根據(jù)理想狀態(tài)下空氣阻力的大小與物體速度大小的平方呈正比例關(guān)系，即物體速度越大，所受空氣阻力越大，則種子在水平方向和豎直方向所受空氣阻力為：(3-22)上述式中：(3-23)K為種子速度與空氣阻力比例系數(shù)，則排種時(shí)種子的速度方程可寫為：(3-24)將式（3-23）帶入上述式子中，則有：(3-25)忽略種子下落過程中空氣阻力影響，上式可變?yōu)椋?3-26)整理可得，其位移方程為：(3-27)式（3-27）說明種子的投種位移大小與直播機(jī)的工作速度、排種輪凹槽內(nèi)種子中心半徑以及排種輪轉(zhuǎn)速有關(guān)。同時(shí)，種子在排種階段的位移方程可為排種管的設(shè)計(jì)提供一定理論參考。第四章機(jī)架與排種裝置仿真4.1基于ANSYSWorkbench的機(jī)架模態(tài)分析4.1.1模態(tài)分析理論基礎(chǔ)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析中，N自由度線性定常系統(tǒng)的基本振動(dòng)方程可寫作：(4-1)上述式子中：[M]——彈性系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣——?jiǎng)偠染仃嚒枘峋仃嚒獎(jiǎng)蛹?lì)載荷向量——廣義加速度——廣義速度—廣義位移結(jié)構(gòu)自身的固有頻率與模態(tài)振型是利用結(jié)構(gòu)模態(tài)分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究時(shí)的重要依據(jù)。在使用結(jié)構(gòu)模態(tài)分析法對(duì)機(jī)架進(jìn)行分析時(shí)，由于機(jī)架結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)機(jī)架的模態(tài)振型與固有頻率的影響微乎其微，故而可將模態(tài)分析的求解問題轉(zhuǎn)化為對(duì)特征向量和特征值的求解問題。換言之，在振動(dòng)方程（4-1）中，將動(dòng)激勵(lì)載荷向量、阻尼矩陣和廣義速度的值視作為0。故振動(dòng)方程可改寫為：(4-2)在對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，將機(jī)架視作由許多簡諧振動(dòng)疊加起來的自由振動(dòng)系統(tǒng)，則有：(4-3)將式（4-3）帶入式（4-2）中，(4-4)在彈性體自由振動(dòng)系統(tǒng)中，由于機(jī)架中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的振幅{x0}的值不都是零，故式（4-4）改寫成：(4-5)在機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)系統(tǒng)中，矩陣[K]和矩陣[M]均為n行n列的方陣，故式（4-5）可視作是關(guān)于廣義特征值ω2的n次方程，對(duì)公式進(jìn)行求解即可得出廣義特征值ω2以及廣義特征向量x0，x0、ω2分別對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的各節(jié)點(diǎn)的振幅值與固有頻率。4.1.2機(jī)架的模態(tài)分析本文中機(jī)架材料選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，其材料屬性為密度ρ=7850kg/m3，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3。由于機(jī)架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了提高建模效率，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，故先利用Solidworks進(jìn)行三維建模再將模型導(dǎo)入Workbench中。為了減少仿真時(shí)間，提高效率，在建模時(shí)對(duì)機(jī)架進(jìn)行合理簡化，在保證能正確反映機(jī)架機(jī)構(gòu)特性的情況下，省去不影響機(jī)架仿真結(jié)果的部分。完成三維建模后，將模型以x_t格式導(dǎo)入Workbench中，以減小模型的失真。導(dǎo)入機(jī)架模型并定義好材料屬性后，對(duì)機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得如圖4.1所示的有限元模型，該模型包含492155個(gè)單元，1946924個(gè)節(jié)點(diǎn)。扭轉(zhuǎn)和彎曲振動(dòng)是機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的兩種表征形式，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以表述為一系列扭轉(zhuǎn)和彎曲振型的線性疊加[45]。在機(jī)架的振動(dòng)過程中，高階模態(tài)衰減較快且對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的貢獻(xiàn)度小于低階模態(tài)，故在對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，只計(jì)算機(jī)架的前6階模態(tài)。圖4.1機(jī)架模型的網(wǎng)格劃分圖圖4.2網(wǎng)格劃分局部放大圖（b）二階模態(tài)振型云一階模態(tài)振型云（d）四階模態(tài)振型云（c）三階模態(tài)振型云（f）六階模態(tài)振型云（e）五階模態(tài)振型云圖4.3機(jī)架模態(tài)振型云表4.1前6階模態(tài)分析結(jié)果階數(shù)頻率（Hz）最大振幅（mm）122.1747.1922222.3877.4224326.6586.4916436.6466.1520572.7199.1261674.9179.3858機(jī)架在工作過程中的外部激勵(lì)頻率主要來源于發(fā)動(dòng)機(jī)與田塊表面，本文設(shè)計(jì)的直播機(jī)由久保田乘坐式發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，其工作轉(zhuǎn)速為3000r/min，計(jì)算可知發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)架的激勵(lì)頻率為50Hz，而田塊表面對(duì)機(jī)架的激勵(lì)頻率一般不高于10Hz。與表4.1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，機(jī)架的各階模態(tài)所對(duì)應(yīng)的固有頻率避開了兩種外部激勵(lì)頻率，有效的避免了共振現(xiàn)象對(duì)直播機(jī)的作業(yè)質(zhì)量影響的，驗(yàn)證了機(jī)架設(shè)計(jì)的合理性。但在分析機(jī)架的六階振型云圖后發(fā)現(xiàn)，機(jī)架的振動(dòng)變形主要發(fā)生在機(jī)架兩邊的下支撐架與前支撐架處，因此在實(shí)際加工過程中應(yīng)加強(qiáng)這幾部分的強(qiáng)度。4.2基于EDEM的排種裝置排種仿真實(shí)驗(yàn)4.2.1仿真模型的建立EDEM仿真模型包括兩部分：排種裝置機(jī)械部分和種子離散元模型。利用Solidworks對(duì)勺鉤式排種裝置進(jìn)行三維建模，將IGS格式模型文件導(dǎo)入到EDEM中，完成排種裝置的建模，如圖4.4。為了便于分析，對(duì)導(dǎo)入的排種裝置的模型進(jìn)行了優(yōu)化，IGS文件中刪去與種子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的無關(guān)的部分。在種子的離散顆粒系統(tǒng)建模中，由于種子形狀的不規(guī)則性，故采用球體聚合的方法建立種子的離散化模型，如圖4.5。參照文獻(xiàn)[51-52]，設(shè)置種子與排種裝置材料參數(shù)（密度、剪切模量、泊松比）和材料接觸參數(shù)（靜動(dòng)摩擦因數(shù)、恢復(fù)系數(shù)），具體參數(shù)如表4.2所示。表4.2相關(guān)材料的參數(shù)屬性泊松比剪切模量（MPa）密度（Kg/m3）恢復(fù)系數(shù)靜摩擦因數(shù)動(dòng)摩擦因數(shù)種子0.3181.512390.30.560.1排種裝置0.287978500.520.50.1圖4.4排種裝置仿真模型圖4.5種子的離散化模型4.2.2排種過程仿真由圖4.6-a可以看出，當(dāng)仿真時(shí)間為0.27s時(shí)，隨著排種輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，在受到種子之間的作用力、摩擦力和自身重力的綜合作用下，種子逐漸充滿凹槽；隨著排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凹槽轉(zhuǎn)過清種刷，種刷將凹槽內(nèi)多余的稻種阻隔在充種區(qū)，如圖4.6-b；再在彈片2的作用下繼續(xù)以排種輪的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)到排種區(qū)，在1.83s時(shí)完成充種、刷種、排種的全過程，如圖4.6-c。圖4.6排種過程仿真4.2.3排種性能影響因素仿真實(shí)驗(yàn)凹槽的形狀、槽輪的工作轉(zhuǎn)速、排種器的有效工作長度是影響排種器性能指標(biāo)的3個(gè)主要因素。為了分析和研究三種因素對(duì)排種器性能影響程度的大小，選取槽輪工作形狀A(yù)、排種器的有效工作長度B和槽輪的工作轉(zhuǎn)速C為試驗(yàn)因素，以每穴粒數(shù)合格率y1為試驗(yàn)指標(biāo)，選用L16()表進(jìn)行排種性能仿真正交試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)因素水平選取及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4.3與表4.4所示。表4.3仿真試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)序號(hào)凹槽形狀A(yù)工作長度B（mm）工作轉(zhuǎn)速C（r/min）1半圓形8152梯形12253倒三角形16354勺鉤形2045圖4.7排種器的凹槽形狀表4.4仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果序號(hào)AB空列空列Cy1/%11111189.1921222289.2431333389.5541444488.5252123488.1762214389.6372341289.4982432192.139313428709113342493.58123421390.25134142391.51144231494.22154324195.34164413294.42K1(y1)356.5356.04362.33363.15365.75K2(y1)359.42362.18363366.46360.32K3(y1)360.09367.96363.07361.23360.94K4(y1)375.49367.96363.1360.66364.49表4.5方差分析結(jié)果實(shí)驗(yàn)指標(biāo)方差來源離差平方和自由度均方F值顯著性y1A219.4721373.15720.961**B79.0355326.3457.548*C21.146137.0492.020“*”表示顯著，“**”表示極顯著。根據(jù)表4.5可知，對(duì)每穴粒數(shù)合格率影響程度由大到小依次為凹槽形狀、排種輪有效工作長度、排種輪的轉(zhuǎn)速。凹槽形狀對(duì)排種裝置排種性能有極顯著影響，排種輪工作長度與工作轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能有顯著影響。分析