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小區(qū)播種機的設(shè)計
學 生：
指導老師：
（湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，長沙410128）
摘 要：小區(qū)播種機是培育新品種和進行品種對比試驗等田間試驗時所用的專用播種機。與人工播種相比，小區(qū)播種機具有播種、播量、播深均勻一致，出苗質(zhì)量高的優(yōu)點；同時減輕了勞動強度，有助于減少試驗誤差，提高試驗的準確性。因此，小區(qū)播種機的研究對于培育農(nóng)作物新品種，提高育種研究的精確性，實現(xiàn)育種研究機械化具有重要意義。
關(guān)鍵詞：小區(qū)；播種機；精量播種；鏈傳動
The Design of Drive Components and Overall
Conduct of Plot Seeder
Student：Zhang Qin
Tutor：Luo Haifeng
（College of engineering，Hunan Agricultural University, Changsha 410128)
Abstract：Plot seeder is the dedicated machion which is used to cultivate new varieties and makes species comparision tests.Compared with manual planting,plot seeder can reduce the labor intensity ,reduce the test error and increase the accuracy of the test.Therefore,to study plot seeder has great importance to cultivate new crops ,to improve the accuracy of breeding ,to achieve dreed mechanization.
Key words: plot seeder；fine quantity sowing seeds；chain drive
1 前言
1.1 課題的意義
我國是一個有著悠久歷史的農(nóng)業(yè)火國，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟中的作用舉足輕重，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)。人口多、耕地少是我國的基本國情。我國耕地為1.267億ha（約19億畝），以12億人口計算，人均只有0.1056ha（1.584畝）．而且耕地后備資源不足。我國仍然處在一個發(fā)展中的農(nóng)業(yè)大國，其中75％的人口和90％以上的國土在農(nóng)村，人均農(nóng)業(yè)資源低于世界平均水平，經(jīng)濟技術(shù)基礎(chǔ)相對薄弱。同發(fā)達國家相比，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力求平還相當?shù)?，農(nóng)業(yè)仍然是國民經(jīng)濟發(fā)展中的薄弱環(huán)節(jié)。進入21世紀，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所面臨的問題仍然十分嚴峻。一方面，工業(yè)化和城市化占用了大片農(nóng)田，使得本來就很少的耕地資源變得更加寶貴。另一方面，隨著人口增艮和人民生活水平的不斷提高，對于農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量的需求將更加迫切。據(jù)預測，到2030年．我國人口將達16億，需求糧食將達到6.4億t至7.2億t。所以說我國的糧食形勢并不樂觀?！?】
根據(jù)我國糧食增產(chǎn)的歷史及潛力看，采用擴大農(nóng)作物種植面積來提高糧食產(chǎn)量的做法，潛力是很有限的。因此，提高農(nóng)田的單產(chǎn)水平，培育和推廠農(nóng)作物優(yōu)良品種，發(fā)展良種的增產(chǎn)潛力就成為糧食增產(chǎn)的基本途徑。在一個中等農(nóng)業(yè)試驗站里僅小麥一項的選種量就可達14000個品系，產(chǎn)量鑒定量還需設(shè)置1500個左右的小區(qū)，因而試驗小區(qū)的數(shù)量是相當大的。而試驗工作量之大，工作之繁重也是相當驚人的。小區(qū)播種機是培育新品種、繁殖良種和進行品種對比試驗等田間試驗時所用的專用播種機。當前我國的小區(qū)播種機的數(shù)量和品種還比較少，遠遠不能滿足全國眾多農(nóng)業(yè)科研教育單位的需要。這使得大多數(shù)試驗小區(qū)只能用人工的方法完成試驗小區(qū)的播種，這樣做的勞動量是非常巨大的，易拖延播種季，效率很低。而且這些方法還直接影響著育種試驗的精確性。具體說來，第一，用人工方法開溝，會造成深淺不一致。第二，人工撒籽、點籽或擺籽，播種的均勻度和播種量難以保證。第三，人工覆土會引起干濕土混合，損火水分，出苗率和整齊度將受到影響，這對種子萌芽是不利的。然而大田播種機很難適應(yīng)小區(qū)播種機的特殊農(nóng)藝要求。因此，研究小區(qū)播種機是一項十分必要和迫切的工作。研制小區(qū)播種機的目的在于減少大量的人工勞動．省工省時，更重要的是保證試驗的精確性。
迄今為止，我國從事播種機械研究的專家學者涉獵了世界各國各類型的排種器形式，其中屬于引進仿制的有：外槽輪排種器、離心式排種器、內(nèi)槽輪種式排種器、垂直圓盤式排種器、水平圓盤式排種器、傾斜圓盤式排種器、氣吸式排種器、氣壓式排種器、吸盤式排種器等等，種類繁多。屬于我國獨創(chuàng)且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得大最應(yīng)用的排種器有：遼寧70-2型窩眼式排種器、魯抗的擺桿式排種器、張波屏的紋盤式排種器、張波屏的錐盤式小麥精密排種器等【2】。
對于小區(qū)播種機而言，排種器還必須滿足小區(qū)播種工藝的要求，而目前我國在小區(qū)播種機排種器的研究上做的還很少，因此有必要對此進行進一步地研究。
1.2 國內(nèi)外小區(qū)播種機的研究狀況
根據(jù)資料，世界上第一臺小區(qū)播種機于1935年在加拿大研制成功。截至目前有加拿大、挪威、美國、法國、前蘇聯(lián)、德國、奧地利、瑞典、日本和中國等國家研制過小區(qū)播種機。1964年還成立了國際田間小區(qū)試驗化學會，以促進學術(shù)交流，推動研究工作的開展【3】。
挪威研制的小區(qū)播種機采用了份量播種錐體格盤式排種器，首次體現(xiàn)出小區(qū)播種的特點，即一個小區(qū)播完一份種子。它采用錐體分種器和周圍環(huán)繞的格盤排種。它的不足之處是由于格盤端砸與底座平面的間隙不當，使得種子破損嚴重，而且行內(nèi)種于分布均勻度差。
美國曾經(jīng)設(shè)計了氣壓式單粒精密小區(qū)播種機，它采用了比較新穎的排種裝置，其圓筒內(nèi)用格擋分成三格，每格下面系著四個種子袋與各排種器相連。當盛種筒轉(zhuǎn)動時，其中的排種袋便分別將種子供應(yīng)給與之相連的排種器。該機可以播玉米、高粱、大豆、向日葵等作物。美國某公司還生產(chǎn)了一種為拖拉機配套的小區(qū)播種機，它安裝在拖拉機前后輪之間，兩個操作者的座位架在拖拉機的縱梁上略低于拖拉機手的座位。
法國研制的單粒小區(qū)精密播種機也采剛了氣壓式排種裝置，所不同的是裝置的邊緣分布著若干吸嘴的金屬盤。吸嘴與盤內(nèi)的真空負壓相連，當金屬盤旋轉(zhuǎn)時，吸種吸嘴可以使真空絕斷，種子便落入位于金屬盤上方的接種盤內(nèi)，而后從開溝器中排山。該播種機可以播種小麥、人麥、黑麥、菜豆、玉米、向日葵、油菜等作物。
前蘇聯(lián)研制的小區(qū)播種機采用錐體格盤式排種器，可以進行玉米、高粱等作物的播種。
德國Xoxen大學研制了PlotAeromat型氣壓式小區(qū)播種機，并配備了不同規(guī)格的窩眼輪，可以播玉米、向日葵、小麥、大麥、黑麥等作物。
相對而言，我國的小區(qū)播種機的研制工作起步較晚。70年代中期才開始有個別單位進行了這方面的研究工作。我國研制的小區(qū)播種機最主要有以下類型：黑龍江省農(nóng)科院的ZXBJ-4型小區(qū)精密播種機【4】，黑龍江農(nóng)墾科學院紅興隆研究所的XBJ-15和XBJ-15A型種子播種機，中國農(nóng)業(yè)工程研究院和北京農(nóng)業(yè)大學研制的NKXB-1.4型小區(qū)條播機【5】，農(nóng)墾科學院農(nóng)機所研制的2XBX-2.0懸掛式小區(qū)條播機等等。雖然我國的小區(qū)播種機有了一定的發(fā)展，但是還存在一些問題。首先，一些機型僅僅停留在科研成果階段，根本沒有形成產(chǎn)品。有的雖然進行了小批量的生產(chǎn)，但是在實際的播種過程中，出現(xiàn)了一些新的問題，還需要進一步的完善改進。其次，小區(qū)播種機的需求量不象大田播種機那樣大，而且由于小區(qū)播種機的特殊要求，使得研制投入較多，開發(fā)時間長，所以一些單位考慮到經(jīng)濟效益而停止了小區(qū)播種機的研制工作。由于種種原因，造成目前我國小區(qū)播種機數(shù)量少，品種也不多，遠遠不能滿足眾多的農(nóng)業(yè)科研單位的需要，大部分農(nóng)業(yè)試驗區(qū)的播種問題仍未實現(xiàn)機械化，大部分農(nóng)業(yè)試驗區(qū)的播種問題仍未實現(xiàn)機械化，大部分研究單位仍采用人工方法完成試驗小區(qū)的播種，從而直接影響到農(nóng)業(yè)試驗的精確性，占用大量的勞動力。
現(xiàn)有的小區(qū)播種機主要可分成小區(qū)條播機和小區(qū)精量點播機等類型，以適應(yīng)不同特性種子的播種要求。
1.3 小區(qū)播種機的主要研究內(nèi)容
1.3.1 課題背景
鑒于育種小區(qū)播種機國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀及廣大農(nóng)業(yè)試驗科研單位進行育種試驗的需要，研究設(shè)計一種小區(qū)條播機。主要對排種器裝置進行研究，以期實現(xiàn)較好的排種性能。從而保證小區(qū)育種試驗的精確性，實現(xiàn)減輕人工播種工作量和節(jié)約試驗種子的目的。
1.3.2 課題研究的內(nèi)容
本課題在探究分析國內(nèi)外現(xiàn)有的小區(qū)播種機型的基礎(chǔ)上，以具體一種種子為研究對象，研制一種小區(qū)播種機，重點進行該播種機總體及傳動部件設(shè)計，以合理的工作方式及最佳的結(jié)構(gòu)布置，使該播種機結(jié)構(gòu)合理、使用方便、節(jié)省功耗、性能良好，滿足田間育種機械化播種的要求。首先對總體進行設(shè)計，隨后著重設(shè)計傳動部分?？傮w方案的設(shè)計只要包括各機構(gòu)的功能要求，使播種機結(jié)構(gòu)合理、使用方便、節(jié)省功耗性能良好，保證種子均勻順利排出。傳動裝置的設(shè)計要滿足個部件的運動要求，使個部件按給定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，滿足田間育種機械化的要求。
小區(qū)播種機的排種器試驗擬采用機械式控制方式。對于排種器主要對錐體、格盤、送種漏斗和傳動裝置等進行設(shè)計。
2 小區(qū)播種機結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 擬定方案
根據(jù)小區(qū)播種機的工作條件和播種要求，選用牽引式（后懸掛式）。下面進行具體分析。
2.1.1 機理分析設(shè)計
(1)排種空尺寸與格盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系
在播種過程中，排種孔尺寸與格盤轉(zhuǎn)速之間必須滿足一定關(guān)系。在速度一定的情況下，排種孔不能過小。否則，種子有可能來從排種孔排出而殘留在格盤內(nèi)，小區(qū)播種是不允許這種情況發(fā)生的，因此有必要對這一問題進行理論上的分析。若假定種子為球形，如圖1所示【6】。設(shè)種子圍繞錐體格盤中心軸的旋轉(zhuǎn)半徑為r，格盤在排種時的角速度為w，種子經(jīng)過排種孔時跟隨格盤以水平速度v=rw運動，即落入攤種孔的初速度為v＝rw。由于種子是靠重力從排種孔落下的，如果當種子通過排種孔上方時，其重心降至低于檔板上平面時，就可以保證落入排種孔。于是按自由落體方程可求出直徑為d的球形種子充種的極限速度為：
即 (1)
式中：A——排種孔直徑，d——種子直徑。
圖1球形種子排種示意圖
Fig1 the diagram of spherical seeds
對于平躺在格盤內(nèi)的扁粒種子，設(shè)其重心距大端的距離為種子長度為a的，如圖2所示。類似地可得，
即 (2)
式中：n——種子長度，b——種子寬度。
圖2 扁形種子排種示意圖
Fig2 the diagram of seeds oblate
如果種子的運動速度過快，種子在進入排種孔時將出現(xiàn)如圖3所示的情況。在這種情況下，當種子與排種孔邊緣接觸時，種子能夠落入排種孔的條件是：
圖3 排種示意圖
Fig3 the diagram of seeding
(3)
式中 e——種子與排種孔邊緣接觸時，種子重心到排種孔邊緣的距離，
h——種子與排種孔邊緣接觸時，種子重心到排種孔邊緣的距離。
(2)地輪與格盤的傳動比
小區(qū)播種機在田間進行播種作業(yè)時，傳動部分由地輪帶動。為實現(xiàn)格盤旋轉(zhuǎn)一周，格盤恰好走完一個小區(qū)的效果，設(shè)計時必須要求地輪與格盤之間滿足一定的傳動比。
設(shè)小區(qū)的長度為l，地輪的直徑為d，地輪與格盤的傳動比為i。當格盤旋轉(zhuǎn)一周時，地輪恰好走完一個小區(qū)的長度，則
(4)
由式(4)得地輪與格盤的傳動比
(5)
實際播種時，應(yīng)考慮地輪滑移的因素。設(shè)輪子的滑移系數(shù)為ks ，輪子滾動的距離為L，實際行走的距離為Lp則由 得【7】，
(6)
令，得
(7)
由式7可見，當選擇尺寸較大的地輪時，可以減少地輪與格盤之間的傳動比，有利于簡化傳動部分的結(jié)構(gòu)。
2.2 小區(qū)播種機的整體設(shè)計
2.2.1 作業(yè)速度
根據(jù)小區(qū)播種機精度要求，一般要求作業(yè)效率為0.08~0.56hm2/h，播種機的工作速度0.16m/s~1.11m/s【8】。
考慮到收獲機收獲時的作業(yè)速度，泰山12拖拉機選用v=1m/s。
地輪的滑移率δ=0.05~0.12，故取δ=0.05，機速即實際工作速度。
(8)
2.2.2 工作幅寬
工作幅寬主要取決于配套拖拉機的牽引能力和播種機的工作阻力。播種機的工作阻力包括開溝器工作阻力、地輪滾動阻力、部件傳動的工作阻力。
工作幅寬（B）計算公式：
(9)
式中：
T——正常的機組工作速度下，拖拉機的額定牽引力（N）T=2.94KN。
η——拖拉機牽引力利用系數(shù)，一般取η=0.8。
pm——小區(qū)播種機每米幅寬的工作阻力（N/m）。
所以：
實際工作中，牽引效率T小于等于額定效率，所以實際工作幅寬小于1.65m。
根據(jù)設(shè)計要求取工作幅寬：B=1.4m
2.2.2 整體機架的設(shè)計
整體機架主要是由方形空心型鋼（KQF40×40×2.0）焊接而成，整體尺寸是通過拖拉機懸掛裝置和工作幅寬決定的。采用焊接的方式連接，結(jié)構(gòu)簡單，可以支撐收獲機作業(yè)時帶來的阻力。整體機架是為了能夠更好的與拖拉機的懸掛架配合，采用了三角形固定，能夠承受收獲機的全部重量。
由于播種的幅寬為1400mm，所以機架的寬度應(yīng)超過工作幅寬，取為1800mm。機架的總長度是由開溝器和仿形機的長度確定，選擇長度為1000mm，為了便于傳動裝置的布置，選擇機架的高度為740mm。
2.3 排種器的設(shè)計
2.3.1 排種器的結(jié)構(gòu)確定
目前小區(qū)播種所采用的排種器就排種方式而吉，主要分為氣力式和機械式。本課題采用機械式設(shè)計，主要針對小麥進行條播試驗。
經(jīng)過分析研究，決定利用錐體均分的原理，采用旋轉(zhuǎn)錐體和格盤式排種器。它的特點是利用旋轉(zhuǎn)錐盤將種子均勻的分配到槽格中，格盤旋轉(zhuǎn)一周經(jīng)過一個小區(qū)．一份種子全部排完，如此依次完成多個小區(qū)的播種過程，不同品種更換時不需要清種。
2.3.2 排種裝置的設(shè)計與參數(shù)確定
課題所設(shè)計的排種器主要由漏斗、錐體、格盤等組成，用來完成種子分流排種作業(yè)。格盤粘結(jié)在錐體上成為一體，與錐體同時轉(zhuǎn)動。一份種子落下時首先經(jīng)過漏斗落到錐體的頂端，然后種子沿錐體表面均勻地落到下邊的格盤中。播種時，格盤中的種子隨格盤一同旋轉(zhuǎn)。當種子經(jīng)過落種口時，落入下面連接的輸種管中排出。下面具體介紹主要部分的設(shè)計情況【8】：
（1）漏斗設(shè)計
小區(qū)播種過程中，每一份小區(qū)的種子裝在一個種盒中，然后通過漏斗下方落入錐體格盤排種器。漏斗處在定量輸送裝置和排種器的中間位置，它對于種子分流具有重要影響。理論上種子應(yīng)該落在漏斗下口正對著錐體頂點的圓心上。這是種子沿錐體表面均勻分種的必要條件【9】。
圖4漏斗設(shè)計示意圖
Fig4 the diagram of funnel
如圖4所示，根據(jù)第二章理論分析的結(jié)果，設(shè)計過程如下：
設(shè)漏斗上端開口的直徑為B，下端開口的直徑為b，漏斗的高為L，傾角為。
首先，確定傾角的大小。為防止在漏斗壁存留種子，傾角應(yīng)大于種子與漏斗壁的摩擦角（一般在55°～60°之間），于是選＝60°。
為了保證播種時獲得良好的分種效果，種盒中的種子應(yīng)通過漏斗恰好落在下方開口的圓心。同時應(yīng)避免種子在下落過程中與漏斗壁接觸，因為種子與漏斗壁接觸后發(fā)生碰撞后將改變預先的運動路徑，從而達不到理想位置，影響分流效果。再有關(guān)漏斗的理論分析【10】，得
(10)
(11)
式中ｖ——定量輸送裝置經(jīng)過漏斗上方時的水平速度，
ｘ——種盒開始從漏斗上口落下時距離漏斗外緣的距離，
g——重力加速度。
根據(jù)分析，式(10)是種子恰好落到下口中心的充要條件，式(11)是避免種子接觸漏斗壁的必要條件。同時還得到當＝60度時，按照式(10)所得到的參數(shù)L，B，x，必滿足式(10)。因此可以根據(jù)式(10)確定未知的參數(shù)L，B，x，然后根據(jù)播種量的多少和種子的種類來近似確定下端的開口直徑b。在式(10)中，共有L，B，x三個未知參數(shù)，在實際設(shè)計中可以先根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗及易于加工等角度考慮先確定兩個未知數(shù)，根據(jù)式(10)來確定另外一個未知參數(shù)。因此在實際設(shè)計漏斗部分過程中，情況就變得比較簡單，只根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗來考慮，而不需具體按照式(10)來確定參數(shù)。如圖2-4所示，不妨取B＝250mm。而漏斗上開口的直徑X＝B/2－x＝30mm，漏斗高度L＝150mm。本機器以小麥為主要試驗對象，進行六行的小區(qū)條播試驗，因此每個小區(qū)的播種量不大，所以設(shè)計中下開口直徑取b＝30mm。另外漏斗的壁厚為0.2mm【11】。
（2）椎體設(shè)計
錐體是錐體格盤排種器的重要組成部分，它對種子的分流起著十分重要的作用。如圖5所示，設(shè)錐體頂角為，錐體高度為h，底面直徑為d。
首先確定頂角,同漏斗的設(shè)計一樣，圖5所示的角應(yīng)大于等于種子與錐體表面的摩擦角，因此?。?0°。又如圖4可見，＋2＝180°。于是錐體項角＝180-2=180°-260°=60°【12】。
圖5 椎體示意圖
Fig5 the diagram of cone
根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗取錐體高度h＝100mm，如圖5可得，
設(shè)計中錐體與格盤粘結(jié)成一體，錐體與格盤的運動是通過與錐體中心連結(jié)的傳動軸的傳動來完成的。為了實現(xiàn)錐體與軸的連結(jié)，采用以下的設(shè)計方案：在錐體的下部粘結(jié)一個上端開口、下端封閉的鐵環(huán)，它的外徑比錐體底面直徑d小1mm，它的高度l’＝7mm。在鐵環(huán)下端的吲心加工一個與錐體中心軸同心的螺旋孔，孔徑為18mm，孔深為7mm。同時，將傳動軸的端部也進行螺紋加工。這樣通過螺紋配合，傳動軸帶動錐體實現(xiàn)了轉(zhuǎn)動。錐體由壁厚為0.2mm的扇形鋼板所卷成。
（3）格盤設(shè)計
格盤示意圖如圖6所示。
1. 外圈 2. 上筒 3. 下筒 4. 格板
1．Outer ring 2.upper shell 3.lower shell 4.grating
圖6格盤示意圖
Fig6 the diagram of plate
格盤主要由外圈和內(nèi)圈及均勻分布在它們之問的格板組成，下面分別進行介紹【13】。
① 內(nèi)圈
內(nèi)圈如圖7所示。內(nèi)圈由兩部分組成，一部分是由厚為0.5mm的鋼板所卷成空心圓柱形狀的上筒。上筒高為16mm，直徑為115mm，與錐體底面直徑相同。另一部分則是由同樣厚度的鋼板所卷成的圓臺狀的下筒。圓臺母線與圓臺中軸線的夾角＝30°。一般傳統(tǒng)的錐體格盤排種器是沒有下筒的，那樣結(jié)構(gòu)相對簡單。設(shè)計下筒的目的是減少種子在每個格槽內(nèi)的分布面積，期望得到更好的插種效果【14】。
圖7 內(nèi)圈示意圖
Fig7 the diagram of inter ring
② 外圈
圖8 外圈示意圖
Fig8 the diagram of outer ring
外圈也由兩部分組成，一部分是厚為0.5mm的鋼板卷成的護種筒。護種筒高為120mm，直徑為165mm。護種筒的作用是防止種子在分種過程中彈出，以保證種子落到格盤中。另一部分的下筒與內(nèi)圈的下筒類似，它也是由鋼板卷成圓臺形狀，圓臺母線與圓臺中軸線的夾角＝30°。這樣可以確保下筒表面的傾角（＝90°-30°=60°）不小于種子與下筒表面的摩擦角，確保種子順利落下【15】。
③ 格板
格板如圖9所示。
格板將格盤分成若于個格槽，格板數(shù)目對于攤種的均勻性起著重要的作用。同時在加工上，格板也起著連接內(nèi)圈和外圈的作用。在試驗臺的實際加工中，格板與內(nèi)圈和外圈之間采用電弧焊進行連接。
設(shè)計中所采用的格板數(shù)目為18個，格板呈輻射狀均勻地粘結(jié)在內(nèi)圈和外圈中間【16】。格板應(yīng)采用較薄的鋼板或塑料材料，不應(yīng)過厚，否則壁上將可能殘留少量種子。設(shè)計中采用了材料為厚度為0.2mm的鋼板。
圖9 格板示意圖
Fig9 the diagram of grating
（4）擋板的設(shè)計及擋板與格盤的間距
① 擋板的設(shè)計
圖10擋板示意圖
Fig10 the diagram of baffle
圖7為擋板俯視圈，擋扳是錐體格盤排種器的一個重要組成部分。它與格盤共同組成一個容納種子的空間。擋板應(yīng)有一定的剛度，用來保持與錐體軸線垂直，因此不能選用過薄的鋼板。擋板開有排種孔，下面焊接一個由0.2mm厚的鋼板圍成的圓管，長度為50mm【17】。圓管的下端在播種時接種管進行播種。播種時，格盤中的種子在錐體格盤的帶動下，經(jīng)過擋板上的排種孔時，每個格槽中種子便依次落下，經(jīng)送種管排出。
具體設(shè)計中，檔扳采用了一塊厚為5mm的矩形鋼板，在擋板中心加工一個孔，目的是使傳動軸從孔中穿過。擋板上的排種孔，根據(jù)不同的播種需要可以采用不同形狀，本設(shè)計中采用便于加工的圓形孔?？椎某叽缬绊懙脚欧N過程中種于的殘留問題，鑒于小區(qū)播種農(nóng)藝不允許種子殘留，因此選擇孔的尺寸是很重要的。根據(jù)理論部分的推導，可以得到種子運動速度和排種孔直徑之間的關(guān)系，即
（對應(yīng)圓粒種子） (12)
(對應(yīng)扁粒種子) (13)
式中 A——排種口直徑
d——圓形種子直徑
a——扁粒種子的長度
d——扁粒種子的寬度
r——格板中種子的旋轉(zhuǎn)半徑
因試驗以小麥種子為主，所以按扁粒種子的公式(13)計算。
由式(2-12)可得
(14)
實際設(shè)計中r≈66mm，對于小麥種子以小麥9428為例，α＝6.68mm，b=3.06mm。另外根據(jù)播種要求，播種機的前進速度一般在拖拉機的Ⅰ擋和Ⅱ擋之間。以江西拖拉機廠生產(chǎn)的豐收牌拖拉機為例，Ⅰ檔的速度為1.06km/h。Ⅱ檔的速度為1.40km/h。試驗時小區(qū)的長度為9.42m【18】。由于播種機播完一個小區(qū)，錐體格盤恰好轉(zhuǎn)過一圈。下面計算在Ⅰ檔和Ⅱ檔的情況下，相應(yīng)錐體格盤的角速度w【9】。
第一種情況：Ⅰ檔時，
拖拉機速度
走完一個小區(qū)需要的時間
(L為小區(qū)長度)
此時格盤恰好旋轉(zhuǎn)一周，格盤轉(zhuǎn)速為
第二種情況：Ⅱ檔時，
拖拉機速度
走完一個小區(qū)的時間
此時的格盤轉(zhuǎn)速為
經(jīng)比較，顯然w2 >w1，于是將r≈66mm，α=6.68mm，b=3.06mm，w2=0.260rad/s，代入(5)得
實際設(shè)計中，A=30mm【19】，滿足要求。
② 擋板與格盤的間距
播種時，種子在擋板與格盤組成的空間里運動。擋板與格盤的間距必須適中。間距過大，將導致種子從問隙中流出；間距過小，由于加工誤差存在，格盤的旋轉(zhuǎn)將受到擋板的阻礙，嚴重時格盤將停止旋轉(zhuǎn)而不能進行排種。在本設(shè)計中，考慮到試驗以播小麥為主，因此安裝時根據(jù)小麥的尺寸，要求擋板與格盤的聞距為1mm。具體通過控制傳動軸與錐體的螺旋配合來實現(xiàn)，簡單易行，調(diào)整間距方便。
2.4 主要技術(shù)參數(shù)（以小麥為例）
外形尺寸（長×寬×高）/mm：1800×1000×740
工作幅寬：1.4m
結(jié)構(gòu)質(zhì)量：80kg
使用質(zhì)量：82kg
播種狀態(tài)運輸間隙：50mm
工作行數(shù)/行：6
播深/mm:30~40
行距、粒距/mm：200，20
生產(chǎn)效率/( hm2/h)：0.3
3 傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算
3.1 動力傳動的選擇
拖拉機的型號選擇是根據(jù)總功率的大小決定的，對其工作和經(jīng)濟性都有影響。通常對于長期連續(xù)運轉(zhuǎn)，載荷不變或者變化很少，要求所選用的拖拉機的功率等于或者略大于工作時所需的總功率。根據(jù)傳動的穩(wěn)定可靠和對收獲機需要的功率我們先采用泰山12拖拉機。
① 泰山12拖拉機輸出功率的分配
功率的估算公式為【20】：
(15)
式中：
Nt——拖拉機動力功率（Kw）
Pt——拖拉機基本檔位的掛鉤牽引力（KN）
V——拖拉機基本檔位的實際工作速度（Km/h）
所以：
(16)
由總體設(shè)計可知，拖拉機將動力傳給地輪和開溝器，因為兩地輪受摩擦力很大，消耗大部分功率，約占55%，分配頭轉(zhuǎn)速比較高，中間傳動消耗功率比較大，故左側(cè)地輪分配功率較大占25%；由于采用箭鏟式開溝器，阻力較小，消耗功率較小，約占45%。即：
左側(cè)地輪獲得的功率為：P左=18% Nt =1.5Kw
右側(cè)地輪獲得的功率為：P右=15% Nt =1.2Kw
開溝器獲得的功率為：P開=65% Nt =7.3Kw
左側(cè)地輪獲得的功率一部分由自身所受摩擦力消耗，其余經(jīng)過鏈傳動、錐齒輪傳動后傳給鏈傳動傳給格盤。
② 實際消耗的功率
由總體設(shè)計可知，拖拉機輸出功率主要由一下幾個方面消耗，地輪在地面滾動摩擦力消耗部分功率（P1），各傳動機構(gòu)存在功率損失，分配頭的旋轉(zhuǎn)（P2）、格盤的轉(zhuǎn)動（P3）消耗部分功率，開溝器消耗部分功率（P4）。
左側(cè)地輪需要的功率為：P左=P1/2+P2/η1 (17)
左側(cè)傳動的總效率：η1=η軸承2×η帶×η鏈3 =0.992×0.75×0.963=0.65
P1=FfVmax=832.5w
其中，拖拉機的最快行進速度：Vmax=1.11m/s，
兩側(cè)地輪所受摩擦力：Ff = umg = 750N ，m=300kg，u=0.25
P2=0.19kw
可解得：
P左=0.72kw
右側(cè)地輪需要的功率：
(18)
右側(cè)傳動的總效率：
可解得： P3=0.03Kw P右=0.44Kw
開溝器的工作阻力受很多種因素的影響，如開溝器形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)、開溝深度、土壤性能及播種機作業(yè)速度等。箭鏟式開溝器平均工作阻力在30N~50N之間，工作受土壤條件影響，并且播種不同作物開溝深度不同，取其工作阻力為F=150N，故開溝器需要的功率為P開=6×F×Vmax=999w
小區(qū)播種機消耗的總功率為P=P左+P右+P開=2.2Kw
3.2 傳動部分的設(shè)計計算
3.2.1 左側(cè)第一級鏈傳動的設(shè)計計算
拖拉機平均行進速度V=2km/h，地輪半徑r=0.45m，分配頭轉(zhuǎn)速w1=1800r/min，可求得左側(cè)傳動部分的傳動比為R=87.78，分配為三級傳動如下圖：
表1 傳動比設(shè)計
Table 1 The design of drive ratio
參數(shù) 第一級鏈傳動 第二級齒輪傳動 第三級鏈傳動
傳動比i 4.5 4.5 4.2
小齒輪齒數(shù)Z1 21 17 17
大齒輪齒數(shù)Z2 95 77 71
(1)鏈輪設(shè)計【21】
已知主動鏈輪轉(zhuǎn)速為n1=21.22r/min，由設(shè)計要求可知從動鏈輪轉(zhuǎn)速為95.49r/min，傳動比i=4.5
① 鏈輪齒數(shù) Z1=21 ，Z2=95
② 設(shè)計功率 Pd=KAP， P=0.3Kw
由《機械設(shè)計手冊》表12-3查的KA=1
Pd=1×0.3=0.3Kw
③ 確定鏈條的鏈節(jié)數(shù)LP
初定中心距α0=400mm，則鏈節(jié)數(shù)為
(19)
取LP=126節(jié)
④ 傳遞的功率
由《機械設(shè)計》課本圖9-13查得KZ=1.2
由《機械設(shè)計》課本圖9-11查得Ka=1 KP=1
故所需傳遞的功率為
(20)
根據(jù)小鏈輪轉(zhuǎn)速n=95.49r/min及功率Pca=0.36kw，由機械設(shè)計課本圖9-11選鏈號為08A單排鏈。再由機械設(shè)計課本表9-1查得鏈節(jié)距P=12.7mm。
⑤ 確定鏈條長度及中心距
(21)
由《機械設(shè)計》課本查表9-7得中心距計算系數(shù)f1=0.23381，
最大中心距α=f1p[2Lp-(Z1+Z2)]=403.8mm，
可取中心距α0=400mm
⑥ 計算鏈速v=z1n1p/(60×1000)=0.4m/s
根據(jù)鏈速v，由《機械設(shè)計》課本查圖9-14可選擇定期人工潤滑方式潤滑。
⑦ 作用在軸上的軸壓力
有效圓周力 Fe=1000×P/v=750N
按垂直布置取壓軸力系數(shù)KFp=1.05
(22)
表2 08A滾子鏈規(guī)格和主要參數(shù) 單位（mm）
Table 2 The standard and major parameter of08A roller chain
鏈號 節(jié)距P 滾子直徑d1 內(nèi)節(jié)內(nèi)寬b1 銷軸直徑d2 內(nèi)鏈板高度h2 排距
08A 12.7 7.92 7.85 3.98 12.07 14.38
（2）鏈輪輪廓計算
鏈輪基本參數(shù)和主要尺寸【22】
① 基本參數(shù)
鏈輪齒數(shù)：Z1=95， Z2=21
配用鏈條的節(jié)距p p=12.7mm
② 分度圓直徑d
對z1=384mm
對z2=85mm
③ 齒頂圓直徑dα (23)
對z1： dαmax=391.96mm dαmin=388.58mm
取dα=390mm
對z2： dαmax=93mm dαmin=88.8mm
取dα=92mm
④ 齒根圓直徑df
對z1： df=376.08mm
對z2： df=77.08mm
⑤ 分度圓弦齒高hα
對z1： hαmax=4.08mm，hαmin=2.39mm
對z2： hαmax=4.46mm，hαmin=2.39mm
⑥ 鏈輪材料及熱處理
材料： 20 Cr
熱處理： 滲碳、淬火、回火
⑦ 緊定螺釘?shù)倪x擇
螺釘GB75-85 M8×25
⑧軸承選擇
滾動軸承 6203 GB/T276-93
3.2.2左側(cè)第二級錐齒輪傳動的設(shè)計計算
（1） 齒輪設(shè)計
已知主動齒輪轉(zhuǎn)速為n1=95.49r/min，由設(shè)計要求可知從動齒輪轉(zhuǎn)速為401r/min，傳動比i=4.5。
① 齒輪齒數(shù) Z1=17 Z2=77
3.2.3 左側(cè)第三級鏈傳動的設(shè)計計算
（1） 鏈輪設(shè)計
已知主動鏈輪轉(zhuǎn)速為n1=401.06r/min，由設(shè)計要求可知從動鏈輪轉(zhuǎn)速為1804.8r/min，傳動比i=4.2。
① 鏈輪齒數(shù) Z1=17 Z2=77
② 設(shè)計功率 Pd=KAP，P=0.27kw
由《機械設(shè)計手冊》表12-2-3查得KA=1
Pd=1×1.5=0.29kw
③ 確定鏈條的鏈節(jié)數(shù)LP
初定中心距，則鏈節(jié)數(shù)為：
(24)
LP=110。
④ 傳遞的功率
由《機械設(shè)計》課本圖9-13查得Kz=1.2，
由《機械設(shè)計》課本表9-11查得Kα=1，
由《機械設(shè)計》課本表9-11查得鏈系數(shù)Kp=1，
故所需傳遞的功率為Pca=KαKzP=0.32kw (25)
根據(jù)小鏈輪轉(zhuǎn)速n=1804.8r/min及功率Pca=0.35kw，由機械設(shè)計課本圖9-11選鏈號為08A單排鏈。再由機械設(shè)計課表表9-11查得鏈節(jié)距P=12.7。
⑤ 確定鏈條長度及中心距
(26)
由《機械設(shè)計》課本查表9-7得中心距計算系數(shù)
f1=0.23912
最大中心距α=f1p[2Lp-(z1+z2)]=382mm，
可取中心距α0=380mm
⑥ 計算鏈速v=z1n1p/(60×1000)=6.5m/s
根據(jù)鏈速v，由《機械設(shè)計》課本查圖9-14可選擇定期人工潤滑方式潤滑。
⑦ 作用在軸上的壓軸力
有效圓周力 Fe=1000×P/v=41.5N
按垂直布置取壓軸力系數(shù)KFp=1.05
Fp=Fe×K=207×1.05=42.6N
（2）鏈輪輪廓計算
鏈輪基本參數(shù)和主要尺寸
① 基本參數(shù)
鏈輪齒數(shù)： Z1=71， Z2=17
配用鏈條的節(jié)距p：p=12.7mm
② 分度圓直徑d
對z1： d=311.36mm
對z2： d=69.11mm
③ 齒頂圓直徑dα (27)
對z1： dαmax=319.32mm dαmin=315.88mm
取dα=316mm
對z2： dαmax=77.07mm dαmin=72.7mm
取dα=75mm
④ 齒根圓直徑df ：
對z1： df=303.44mm
對z2： df=61.2mm
⑤ 分度圓弦齒高hα： (28)
(29)
對z1： hαmax=4.12mm，hαmin=2.39mm
對z2： hαmax=4.58mm，hαmin=2.39mm
⑥ 鏈輪材料及熱處理
材料： 20 Cr
熱處理： 滲碳、淬火、回火
⑦ 緊定螺釘?shù)倪x擇
螺釘GB75-85 M8×25
⑧軸承選擇
滾動軸承 6203 GB/T276-93
3.2.4 右側(cè)鏈傳動的設(shè)計計算
根據(jù)格盤的運動要求，查農(nóng)藝可得小區(qū)區(qū)長為9.42m，則根據(jù)第二章的公式可以算出格盤與地輪之間的傳動比，取滑移率為10%，地輪直徑由設(shè)計得為450mm【24】，即
則傳動比分配為：
表3 傳動比設(shè)計
Table 3 The design of drive ratio
傳動 第一級鏈傳動 第二級齒輪傳動 第三級鏈傳動
傳動比 1 1 6
這里就不重復多余計算，取其中一級計算即可，其他的計算與上一小節(jié)的計算方法一致，改變傳動比計算即可。
（1） 鏈輪設(shè)計
已知主動鏈輪轉(zhuǎn)速為n1=21.22r/min，由設(shè)計要求可知從動鏈輪轉(zhuǎn)速為21.22r/min，傳動比i=1。
① 鏈輪齒數(shù) Z1=22 Z2=22
② 設(shè)計功率 Pd=KAP，P=0.04kw
由《機械設(shè)計手冊》表12-2-3查得KA=1
Pd=1×0.04=0.04kw
取LP=110節(jié)。
③傳遞的功率
由《機械設(shè)計》課本圖9-13查得Kz=1.2，
由《機械設(shè)計》課本表9-11查得Kα=1，
由《機械設(shè)計》課本表9-11查得鏈系數(shù)Kp=1，
故所需傳遞的功率為
(30)
根據(jù)小鏈輪轉(zhuǎn)速n=21.22r/min及功率Pca=0.05kw，由機械設(shè)計課本圖9-11選鏈號為08A單排鏈。再由機械設(shè)計課表表9-11查得鏈節(jié)距P=12.7。
④計算鏈速v=z1n1p/(60×1000)=0.1m/s
根據(jù)鏈速v，由《機械設(shè)計》課本查圖9-14可選擇定期人工潤滑方式潤滑。
⑤作用在軸上的壓軸力
有效圓周力 Fe=1000×P/v=400N
按垂直布置取壓軸力系數(shù)KFp=1.05
Fp=Fe×K=207×1.05=420N
（2）鏈輪輪廓計算
鏈輪基本參數(shù)和主要尺寸
① 基本參數(shù)
鏈輪齒數(shù)： Z1=22， Z2=22
配用鏈條的節(jié)距p：p=12.7mm
② 分度圓直徑d
對z1： d=89.24mm
對z2： d=89.24mm
③ 齒頂圓直徑dα (31)
對z1和z2 ： dαmax=97.4mm dαmin=93.27mm
取dα=94mm
④ 齒根圓直徑df ：
對z1，z2 ：df=81.49mm
⑤ 分度圓弦齒高hα： (32)
(33)
對z1，z2 ： hαmax=4.12mm，hαmin=2.39mm
⑥ 齒輪材料及熱處理
材料： 20 Cr
熱處理： 滲碳、淬火、回火
4 其他零部件的設(shè)計
4.1 托架的設(shè)計
圖11 托架簡圖
Fig11 the diagram of bracket
為了方便排種器的安排，將排種器托架單獨做出，而不與機架焊接在一起，這樣可方便排種器下端錐齒輪的位置調(diào)節(jié)，使各傳動更加可靠。托架是由螺釘緊定在機架上的【25】。
4.2 左側(cè)末級傳動軸設(shè)計
1） 初步確定軸的最小直徑
P=0.27kw ，n=1800r/min，有公式：
(34)
由于選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)課本《機械設(shè)計》表15-3，取A0=126，于是得dmin=6.64mm。
2） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸的最小直徑為草圖中的緊定螺釘孔，即與齒輪和帶輪配合處理軸的直徑。為了與右側(cè)帶輪配合【26】，取此處直徑為17mm，長度為42.5mm，其左側(cè)為軸承配合處，取直徑為17mm，長度為12mm；其左側(cè)為軸肩，用于軸向定位軸承，查手冊得其直徑為22mm；為了與左側(cè)鏈輪配合，取此處軸肩直徑為17mm，長度為19.5mm，其右側(cè)為軸肩，用于軸承定位，查手冊取其直徑為22mm。
3） 初步選擇滾動軸承
因為軸承承受軸向力和徑向力都比較小，選用軸承型號為6203深溝球軸承，軸承內(nèi)徑為17mm，外徑為40mm，寬度為12mm。軸承成對使用，兩端軸承型號相同。
4） 確定軸上圓角和倒角尺寸
參考機械設(shè)計課本表15-2，取軸端倒角為2×45°，軸肩處圓角半徑為2mm。
5） 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面即危險截面的強度。軸受到的扭矩T=9550×1000×P/n，其中P=0.27kw，n=1800r/min
可得：T=1432.5N·mm
(35)
Mv=168.5×24.5=4128.28N·mm
(36)
前已選定軸的材料為45鋼調(diào)質(zhì)處理，由《機械設(shè)計》表15-1查得[σ-1]=60Mpa，因此，σca＜[σ-1]，故安全。
4.3 地輪的設(shè)計
圖12 地輪
Fig12 land wheel
如圖12所示，地輪的最大直徑是450mm，地輪具有支撐，仿形，驅(qū)動等多重作用，在輪的外圓上鑄有抓地爪，，以增加地輪的抓地功能，增大摩擦力，減少打滑。地輪是驅(qū)動裝置中最重要的一個部分，拖拉機上的牽引力經(jīng)過連接架傳到了地輪，地輪經(jīng)過鏈傳動把動力傳給了排種器。
由于地輪一般是鑄鐵做成的，成本比較高，而且重量重，為了能夠在完成工作的情況下，還能節(jié)省材料，我們需要做成凹形的，而且有必要打孔。
4.4 地輪軸的選擇與校核
4.4.1 地輪軸的選擇
地輪軸是通過鏈傳動轉(zhuǎn)動的，鏈傳動是通過拖拉機的牽引。軸的具體尺寸應(yīng)該是多少，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載以及受力情況來確定。因為這個軸要同時收到彎矩和扭矩，所以兩個都要考慮到。有《機械設(shè)計》課本370頁，軸的扭轉(zhuǎn)強度公式是：
(37)
由拖拉機傳到鏈輪時，功率p為0.45kw。由資料查出播種機的工作阻力為30N，工作速度是1.5m/s，由上式可知道軸的計算公式為：
(38)
(39)
(40)
經(jīng)過計算得，地輪軸直徑取20mm是比較合適的，材料是45鋼。
4.4.2 地輪軸的校核
地輪軸受到的力是彎扭組合，下面是軸的載荷分析圖。
圖13軸的載荷分析圖
Fig13 load analysis diagram of axle
(41)
(42)
所以
(43)
有計算得
軸的彎矩組合公式是：
(44)
符合條件，這種材料的軸主要用于收到不大的沖擊的情況下。
5 結(jié)論
這個設(shè)計在分析國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，查閱文獻資料，在研究現(xiàn)有小區(qū)播種機的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種用于田間育種的小區(qū)播種機，重點進行了該播種機排種方案確定，以合理的工作方式及最佳的結(jié)構(gòu)布置，使該播種機的結(jié)構(gòu)合理、使用方便、節(jié)約能耗、性能良好，滿足了田間育種機械化播種的要求。
這次設(shè)計得出的總結(jié)和建議：
① 設(shè)計的小區(qū)播種機能實現(xiàn)在給定的區(qū)長內(nèi)播下定量的種子，不混種，不傷種，更換品種時不用人工清種。
② 行內(nèi)播種均勻性于各行播量一致性較好，可進行同一行程內(nèi)，相同區(qū)長不同播量和不同品種的連續(xù)作業(yè)。
③ 該播種機的結(jié)構(gòu)合理、使用方便、節(jié)約能耗、性能良好，滿足看田間育種機械化的要求。
④ 由于條件所限，所有設(shè)計均是理論設(shè)計。建議今后有條件的情況下應(yīng)進行實際田間播種試驗，從而獲得更理想的設(shè)計作品。
⑤ 由于時間倉促，且受實際條件的限制，自己的知識面也不是很充實，本文中一定存在著一定缺點和不足，懇請老師們多多批評指正。
參考文獻
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