小麦免耕播种机开沟器的设计_苟文

图 1 2BSF-4-5A 型小麦免耕播种机结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of 2BSF-4-5A no-till seeder
收稿日期：2011-07-21
基金项目：四川省教育厅青年基金项目（套作小麦机械化栽培技术及机理研 究） ；四川主要粮食作物丰产高效技术集成研究与示范；突破性作物新品种 高产高效栽培技术研究（2006YZGG-28） 。 作者简介：苟 的研究。成都 文（1989－） ，男，四川眉山人，主要从事小麦直播机方面 四川农业大学农学院，611130。Email: gouwenll@ 四 川 农 业 大 学 农 学 院 ， 611130 。 Email:
1.2
2
2.1
圆弧刃口型开沟器的设计
※通信作者：马荣朝（1956－） ，男，四川夹江人，教授，主要从事农业机 械方面的研究。成都 mycao@
整体结构 圆弧刃口型开沟器由前刀、底座、连接螺栓组成。 前刀通过连接螺栓固定，可更换。结构如图 2 所示。
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农业工程学报
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（3）
曲线 OA 上任意一点的入土角 α 的计算式为 l （4） sin( ) 2 2R 式中，l 为入土角 α 所对应点到坐标原点的距离，mm。 圆弧刃口型开沟器入土深度为 80 mm 的 D 点，其坐 标为（80，75），将其带入式（4），得到 D 点的入土角 α 为 33°，能满足开沟过程中入土角的大小要求。
工作原理 2BSF-4-5A 型小麦免耕播种机可以一次性完成开 沟、施肥、播种、覆土功能。圆弧刃口型开沟器在播种 机工作时开出种沟，并将土壤从种沟中翻到两边，在两 边分别形成两行横截面为三角形状的土堆。开出的种沟 约为 80 mm 宽，60 mm 深。种子通过螺旋槽轮式排种器 进入种沟，种沟两边的土堆在链环式覆土器的作用下覆 [11] 盖种子 。
3 仿真分析
离散元法仿真分析模型的建立 由于土壤特性极其复杂，为了简化计算，采用圆盘 颗粒模型建立土壤颗粒的二维离散元法分析模型[15]。采 用线性黏弹性接触力学模型计算土壤颗粒之间及土壤颗 粒与开沟器之间的接触作用力[16]。土壤颗粒之间及土壤 颗粒与开沟器之间接触的法向刚度系数 kn 和切向刚度系 数 ks，通过二维集成设计分析软件[17]模拟土壤的双轴试 验和直剪试验得到[18]。法向阻尼系数 Cn 和切向阻尼系数 Cs 计算式如下[19]
与土壤颗粒的接触处作用力即可[15]。离散元法仿真得到 的圆弧刃口型开沟器的工作过程如图 5 所示。
注：v 为开沟器前进方向。
图 5 圆弧刃口型开沟器工作过程的离散元法仿真分析 Fig.5 Simulating and analyzing of operating process for arc blade type opener in DEM 图 4 颗粒接触的圆弧刃口型开沟器曲线沿高度分段 Fig.4 Curve subsections of arc blade type opener contacting with soil particles in height
1 整机结构与工作原理
1.1 整体结构 2BSF-4-5A 型小麦免耕播种机主要是为保护性耕作 模式下的西南丘陵地区设计的，整机结构如图 1 所示， 主要由机架、地轮、圆弧刃口型开沟器、链环式覆土器、 螺旋槽轮式排种器、地轮链轮、排种链轮和种肥箱等组
修订日期：2012-02-22
1.机架 2.链条 3.螺旋槽轮式排种器 4.肥料箱 5.种箱 6.排种链轮 7.地轮链轮 8.地轮 9.圆弧刃口型开沟器 10.链环式覆土器
2 ln e mk n cn 2 ln 2 e （5） 2 ln e mk s cs 2 ln 2 e 式中，碰撞恢复系数 e=0.1～0.3，m 为单粒土壤颗粒的质 量。仿真时选取的土壤颗粒参数值如表 1 所示[18]。
表 1 离散元法仿真分析时参数选取 Table 1 Selection of parameters for DEM analysis

1.前刀
2.底座
3.连接螺栓
图 2 圆弧刃口型开沟器结构示意图 Fig.2 Schematic diagram of the arc blade type opener
2.1.1 前刀 前刀主要是在开沟器开沟前先在地表切开一条缝， 产生预开沟，同时将秸秆推向两侧 [12] 。前刀由厚度为 10 mm 的 45 号钢板经调制处理加工制作，刃口为圆弧曲 线。刃口厚度越小，刀刃越锋利，开沟阻力越小[13]。考 虑到制造加工精度等问题，设计刃口厚度为 0.5 mm。前 刀部分质量轻，制造方便，磨损失效后可直接更换。 2.1.2 入土角 入土角 α 为开沟器工作面与开沟器底面之间的夹角。 α 过大，土层容易抬高翻土，不利于保墒；过小，则强度 不够，使用寿命降低。圆弧刃口型开沟器的刃口设计为 圆弧，其上任意一点的切线斜率都不相同，即入土角在 不断变化，入土角变化范围为 25°～55°。开沟过程由于 入土角的不断变化，可以适应不同土层的开沟破茬。前 刀和入土角的设计解决了开沟阻力大，土壤扰动大，加 工困难等问题。 2.1.3 入土隙角 入土隙角 β 为开沟器底面与地面之间的夹角，有利 于开沟器迅速破茬入土。β 过小，入土性能变差；β 过大， 土壤提前回落，使种子和肥料不能达到开沟的最大深度。 入土隙角一般为 5°～10°[14]，取入土隙角为 9°。 2.1.4 底座 底座为铸件，厚度为 20 mm，并且经过调制处理。 2.2 前刀的设计 前刀的结构如图 3 所示。假设弧线最下端 O 点为坐 标原点，则弧线上两点的坐标分别为：O 点（0，0），B 点（120，90）。
增刊 1
苟 文等：小麦免耕播种机开沟器的设计
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3.2
工作阻力分析 小麦免耕播种机在工作时耕作深度一般为 30 ～ 100 mm，工作速度为 0.2～1 m/s。本文分析耕作深度分 别为 40、 70、 90 mm 时， 工作速度分别为 0.2、 0.5 和 0.8 m/s 时圆弧刃口型开沟器的受力情况。为了精确控制开沟器 与土壤接触作用的深度即开沟深度，在绘制 CAD 图时把 开沟器在高度方向上划分为 3 段，如图 4 所示。
弧圆心，E 为圆弧上 O、B 点的切线的交点。在四边形 OABE，△OAE，△OAB 中，有
l 180o OEB ) sin OAE OB （2） 2 2 2R 由 B 点坐标得出 lOB=150 mm。在一定条件下，入土 角越小越好，但由于加工和使用寿命等问题，取 ω=25°、 δ=55°。 带入 2 式得 R=288 mm。 将O点 （0,0） ， B点 （120,90） 以及 R 带入（1）式，得前刀的曲线方程为 sin( ) sin( ( x 108) 2 ( y 272)2 2882
计算某一开沟深度的阻力时，仅需计算该高度线段
工作阻力近似于二维离散元法模拟得到的阻力与开 沟器的宽度的乘积。圆弧刃口型开沟器的宽度是变化的， 取平均宽度为 50 mm。通过离散元法计算得到水平阻力 和垂直作用力的变化曲线如图 6 所示。
因此，假设弧线所在的圆的方程为 ( x a ) 2 ( y b) 2 R 2
（1）
土壤颗粒与开沟器之间的法向阻尼系数 cn2/(N·m·s-1) 土壤颗粒之间的切向阻尼系数 cs1/(N·m·s-1) 土壤颗粒与开沟器之间的切向阻尼系数 cs2/(N·m·s-1)
式中，a、b 为圆的圆心坐标；R 为圆的半径，mm。 角 ω、δ 分别为开沟器上 O、B 点的入土角，A 为圆
参数 土壤含水率 /% 土壤颗粒半径 r /m 土壤颗粒密度 /(kg·m-3) 仿真时土壤颗粒数 土壤颗粒之间接触的法向刚度系数 kn1/(N·m-1) 土壤颗粒与开沟器之间接触的法向刚度系数 kn2/(N·m-1) 土壤颗粒之间接触的切向刚度系数 ks1 /(N·m-1) 数值 23±1 0.0015～0.0025 1 250 4 000～6 500 24 000 32 000 19 000 27 000 0.221 0.4 0.49 0.54 0.42 0.48
3.1
图 3 前刀的结构示意图 Fig.3 Schematic diagram of the front knife
土壤颗粒与开沟器之间接触的切向刚度系数 ks2 /(N·m-1) 土壤颗粒之间的摩擦因素 μ1 土壤颗粒与开沟器之间的摩擦因素 μ2 土壤颗粒之间的法向阻尼系数 cn1/(N·m·s-1)
0 引 言
经过多年的研究，中国科技工作者已经设计开发出 多种免耕播种机，并进行了大规模的推广应用，基本解 决了中国北方免耕播种机需求问题[1-8]，有力地促进了中 国保护性耕作的发展。但对于西南丘陵地区土壤板结， 杂草多，缺水等问题限制了该地区保护性耕作的实施。 小麦动力机播技术在西南丘陵地区的推广过程中，表现 出了很大的优势，但在开沟器工作阻力大，易缠草、使 用寿命短等问题上还有待进一步研究。 目前，用于一年一熟区的免耕播种机多采用尖角型 开沟器，其结构简单、入土能力强、起土方便、回土性 能好和不易搅混土层[9-10]。但在西南丘陵地区玉米收获地 的播种过程中，尖角形开沟器磨损严重，导致缠草，堵 塞，土壤扰动量大，影响播种质量。针对西南丘陵地区 小麦免耕播种机开沟器存在的问题，本文设计了可更换 前刀的圆弧刃口型开沟器。
第 28 卷 2012 年
增刊 1 5月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.28 Supp.1 May 2012 21
小麦免耕播种机开沟器的设计
苟 文 1，马荣朝 1※，杨文钰 1，樊高琼 1，雷小龙 1，惠 昆 1，杨慧珍 2

成。 播种机通过悬挂架与小四轮配套， 配套动力为 17.6～ 23.53 kW。 挂接链环式覆土器的圆弧刃口型开沟器在工作 过程中开出种沟，没有挂接链环式覆土器的圆弧刃口型 开沟器在工作过程中开出种肥沟，两者在前进方向上的 垂直距离为 15 cm。播种机能够播种 4 行小麦，行距为 15～25 cm（可调），工作幅宽为 1 m，播种机外形尺寸 （长×宽×高）235 cm× 100 cm×130 cm。
（1. 四川农业大学农学院，成都 611130； 2. 四川川龙农机制造有限公司，成都 610505） 摘 要：针对西南丘陵地区保护性耕作模式下小麦免耕播种机尖角型开沟器易缠草，堵塞，使用寿命短等问题，设计了 圆弧刃口型开沟器。该文建立了圆弧刃口型开沟器的几何模型，采用离散元法对圆弧刃口型开沟器的工作阻力进行了分 析。试验结果表明：平均开沟宽度为 40 mm，开沟深度偏差为 5 mm，玉米根茬的切断率超过 86%，土壤扰动为 18%～ 22%。圆弧刃口型开沟器提高了播种机的通过性，开沟破茬效果好，能够满足西南丘陵地区小麦免耕播种的开沟要求。 关键词：农业机械，保护性耕作，离散元法，圆弧刃口型开沟器，结构设计 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.z1.004 中图分类号：S223.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2012)-Supp.1-0021-05 苟 文，马荣朝，杨文钰，等. 小麦免耕播种机开沟器的设计[J]. 农业工程学报，2012，28(增刊 1)：21－25. Gou Wen, Ma Rongchao, Yang Wenyu, et al. Design of opener on no-till wheat seeder [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp.1): 21－25. (in Chinese with English abstract)