农业机械设计

题目：旋耕施肥播种联合作业机课程设计

学院名称： 农业装备工程学院

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指导教师：

日 期： 2015年1月 18日

农业装备工程学院课程设计任务书

目 录

1. 综述报告

1.1 引言

1.2 国内研究现状及发展趋势

1.3 解决的技术问题

1.4 研究的目的和意义

2. 旋耕灭茬施肥播种联合作业机

2.1 整机技术开发

2.2 排种器、排肥器设计

2.3 种箱设计

2.4 传动系统设计

2.4.1 旋耕灭茬传动机构设计

2.4.2 施肥播种传动机构设计

3. 旋耕施肥播种联合工作机配套动力计算

3.1 旋耕灭茬所需动力计算

3.2 播种施肥所需动力计算

3.3 机组空行所需动力计算

4. 样机设计

5. 参考文献

1 综述报告

1.1 引言

农业联合作业技术是在农业生产中将多种机具多道工序在一台机具上得以实现的农业作业技术。农业联合作业技术是现代化的农业生产技术，是现代化农业的发展之路，是实现资源浪费和降低成本的重要方式。联合作业机具有效率高、作业成本低、农机利用率高和节约能源等多种优点。目前国内使用的联合作业机主要是针对我国北方旱作耕地的，针对南方的机型较少，本文给出了旋耕灭茬施肥播种联合作业机的设计方案，适合小麦和油菜的施肥播种。

1.2 国内研究现状及发展趋势

近年来，为了推广和普及机械化秸秆还田作业，我省加大了对稻麦秸秆还田机的科研投入，已开发出多种秸秆还田作业机具，并投向了市场，如江苏银华春翔机械制造有限公司的云山牌1JH-170A 型秸秆粉碎还田机、连云港市连扬旋耕机厂的华连牌1GQN-200JMJ 型秸秆还田耕整机、江苏沃野机械制造有限公司生产的1GM －175型旋耕灭茬机等。虽然我省用于稻麦田的旋耕灭茬、秸秆还田机技术已基本成熟，并大力推广使用。然而从实际使用情况看，农民的接受程度还没有得到充分提高，究其原因：一方面农民对秸秆还田可以改善土壤结构，增加土壤肥力，改善农业生态环境认识不足；另一方面秸秆的综合利用水平不高，加上现有的秸秆还田机械功能单一，在还田后还需要进行施肥播种二次作业，增加了拖拉机对农田的压实程度，增加了生产环节，提高了生产成本，最终增加了农民的经济负担。与农民急切想要的既功能多样化又省工节本的农业机械，有很大的差距。

旋耕灭茬、施肥播种联合作业机是在20世纪90年代，根据农艺需求和节约能源的需要，在成型的灭茬机和旋耕机的基础上，逐渐产生发展起来的新型土壤耕作机具。一次下地能够完成旋耕、秸秆掩埋、播种和镇压作业，从而大大减少了因机器多次进出田间而造成的对土壤的压实，提高了机器的综合作业效率，节省了土地耕作的成本，降低了作业费用，是现在土壤耕作机械中首选机型之一。

目前国内的联合作业机机具按工作部件的运动形式可分为两大类：一类是由多种从动部件组合而成的联合作业机具，主要是完成松土、碎土、起垄、播种、施肥、覆土、镇压等作业工序。现有资料表明，旋耕灭茬、施肥播种联合作业机型主要针对北方保护地耕作，如沈阳市农机化研究所研制的120/180型多功能联合作业机、山西省农机研究所研制的2BFG210型旋耕施肥播种机。而针对南方稻麦秸秆还田旋耕施肥播种联合作业机具，除了江苏南通农

机研究所严栋梁等人于1999年申请了国家实用新型专利“稻麦秸秆还田旋耕施肥播种机”外，还未见成熟机型报道。

1.3 解决的技术问题

新型稻麦秸秆还田施肥播种机械，是将旋耕灭茬、秸秆还田、施肥、播种、镇压多项技术集成在一起，实现联合作业，以达到一机多用、一机多能的目的。由于功能的增加，将给整机的研发带来一定的难度，为此该技术重点解决了以下几个主要技术问题：

1. 整机结构设计优化问题。合理布局、优化设计，力求使整，结构紧凑，装配、拆卸方便。

2. 动力匹配合理问题。合理设计传动机构，减小各机具的功耗，提高机组作业效率。

3. 施肥深度和播种深度的稳定问题。由于旋耕灭茬时土块抛撒作用较强，同时碎土中含草量高，因而对施肥深度和播种深度的稳定性影响较大，为此需合理设计排肥头和排种头结构，合理布置排肥器和排种器在整机中的位置，使施肥深度、播种深度稳定在农艺要求的范围内。

4. 施肥、播种均匀性问题。除了排种器、排肥器本身因素会影响施肥、播种均匀性外，驱动施肥、排种器的工作速度能否匹配也是一个重要方面，为此需合理选用施肥、排种器的驱动方式，优化设计施肥、排种器驱动机构，提高施肥、播种的均匀性。

1.4 研究的目的和意义

作物秸秆是农业生产中宝贵的有机肥源。秸秆中含有大量有机质、氮、磷、钾和微量元素，据测定，每500kg 秸秆(约1亩) 含氮3.6kg 、磷0.45kg 、钾5kg 。然而每年夏秋收割季节，农田里焚烧秸秆的烟雾就成了环境灾难，不少身在城市中的居民也深受其害。烧秸秆带来的不仅仅是环境问题，从更深层次看，秸秆能否还田甚至是我国未来粮食能否良性增产的关键之一，因此搞好秸秆还田是改善土壤物理性状，提高土壤肥力，实现农业可持续发展战略的一项重要措施。联合作业技术已成为农业生产发展的主要趋势，特别是耕整种植联合作业技术已开始全面推广。本文就是为了实现联合作业，以达到一机多用、一机多能的目的。

2 旋耕灭茬施肥播种联合作业机

2.1 整机技术开发

针对南方稻麦种植特点，设计的旋耕灭茬、施肥播种联合作业机如图1所示，整机主要有万向传动轴总成、旋耕灭茬总成、罩壳栅栏总成、播种施肥总成、镇压装置总成等组成，

其中旋耕灭茬采用反旋耕作方式、施肥播种采用传统的外槽轮式排种器。整机采用框架式结构，可拆式组合机构，包括秸秆还田旋耕机构、施肥播种机构、镇压传动机构等。

在旋耕灭茬总成部分，旋耕刀排列采用了双螺旋线形式排列[2~3], 为了改善碎土率和抛土效果，适应浅播种、深施肥需要，设计了上下及倾斜度均可调节的栅栏，加密栅栏齿，缩短栅栏齿的长度。这样可以提高栅栏对短茬的拦截率且不堵塞；在施肥播种部分，采用了可上下调节的排种排肥管，可以根据土壤水分多少以及碎土效果，有效改变播种施肥深度，进而提高施肥播种质量。

2.2 排种器、排肥器设计

排种器是谷物播种机的核心部件，其工作质量优劣直接影响到种子的着床出苗、分蘖，以至于影响到农产品的质量。目前油菜类作物播种的排种器以气吸式居多。气吸式排种器对种子的尺寸和形状要求不严，不必对种子严格进行按尺寸分级，伤种率小，可提高播种作业速度。需要动力输出轴带动风机产生负压，负压室压力一般要达到0.003MPa 。传动结构较复杂，真空室气密性要求也较高。本设计采用的排种器、排肥器是气吸式式排种器和螺旋外槽轮式排肥器。如图2，图3所示。

图2 气吸式排种器 图3 排肥器

以下是我们小组在实验室测绘的气吹式排种器，与前面所展示的气吸式排种器不同，气吹式排种器优点：不同外形几何尺寸的种子均有良好的充种性能；种子均在气流下完成充种、携种、剔种，伤种率很低，并且可在较高的作业速度(8km/h)下完成排种作业。缺点：该排种器多在较高压气流的作用下完成排种工作，高压气流多为拖拉机输出动力或者独立动力输出带动风机旋转形成，动力消耗大。如图4。气吹式排种器由外壳、端盖、排种槽轮，强制排种轮等组成。

图4 气吹式排种器 排种轮

气吸式排种器的设计计算

2.2.1滚筒吸孔孔径

Karayel.D

等人研究表明在理想条件下，吸孔孔径一定程度上影响正负压区压力值，吸

孔孔径越小，气室内相对压力值越高

式[12][10-11]。针对油菜、大豆等近似球形的种子，采用经验公：

d = (0.64~0.66)b （1）

式中：b －种子的平均宽度

根据华杂9号油菜物理特性可知油菜为（1.5—2.2mm ），代入式中可获得孔径大小在（0.96-1.32mm ），取孔径1.2mm 。

2.2.2滚筒转速

排种器工作过程时，种子在自身重力及吸孔处负压力作用下被吸附。当排种器转速过高，吸孔经过充种区、投种区时间太短，易漏吸、漏吹造成漏播指数升高；当转速过低时，不能满足播种机生产率要求，且充种时间长造成重播指数过高，影响排种性能。

根据播种机理论小时生产率确定外滚筒的转速范围下限。播种机理论小时生产率为：S =(B +b )⋅V 。

由相邻两粒种子时间间隔得式（2） L

V . 6=2π60= （2） Zw g Zn g

式中

S —理论小时生产率，取S=0.3~0.6hm/h 2

B —播种机工作幅宽，取B=1.8m

b —沟宽，取b=0.2m

V —拖拉机前进速度

L —油菜株距，按农艺要求取L =70mm

Z —外滚筒吸孔数量，取Z =20

n g —外滚筒转速（r/min） 故V =S . 6(km/h) ，则n g =16. 67V LZ 。

为了保证种子株距的稳定性，一般取V=1.5~2.4 km/h，计算得外滚筒的转速范围下限为： n g min =16. 67V min

LZ =17.8r /m in （3）

外滚筒排种器转速范围上限满足吸孔处极限线速度小于0.3m/s，即满足公式（4）：

V max =

计算得：n gmax =34.7r/min Rn g 60⨯2π≤0.3m /s （4）

2.3 种箱设计 肥箱

种箱

图5 种箱

存放种子，达成一个种箱两个功用，上图就是我们设计的一体化排肥排种箱。 我们设计的种箱根据排肥器和排种器分成了两个区域，一个区域存放化肥，另一个区域

2.4 传动系统设计

由于多数旋耕灭茬施肥播种联合作业机为旋耕机和播种机机构上的组合[4~5]，无法合理布置传动方案以及传动比的分配，造成传动功率低、功耗大、播种施肥量的不稳定，进而影响作业效果。因此，本文对旋耕灭茬、施肥播种传动方案进行了设计计算。

2.4.1 旋耕灭茬传动机构设计

本机主要与中型拖拉机配套, 动力传输采用单侧边传输方案，该机传动装置包括中央变速箱和侧边变速箱，如图6所示。

拖拉机的动力传至中央变速箱后, 经1对锥齿轮使其旋转平面旋转90°,由传动轴传到侧边变速箱, 再由侧边变速箱驱动旋耕灭茬刀轴；

根据本机配套动力和工作宽幅选择动力输出轴转速为n 1=720r/min。该总成采用3级传动，根据旋耕灭茬刀轴所需转速n 2≥265r/min和工作齿面接触强度大致相同的原则确定传动比分配。根据上述要求可知所需总传动比为： [6]

i 总≤n 1720==2. 72 n 2265

分别设计并计算各级传动比如下：中央齿轮传动为： i 12=1930⨯=1. 85； 2214

侧边齿轮传动取: i =z 5=

22=1.4735z 315

则总传动比为： i 总=i 12⨯i 35=1. 85⨯1. 47=2. 72（1）

旋耕灭茬转速为： n =n /i =720/2. 72=26r （2） 5/m i n 21总

2.4.2 施肥播种传动机构设计

本机设计机组前进速度为4.0km/h，采用外槽轮式排种施肥器，排种排肥动力来自镇压轮，如图7所示：

镇压轮直径为25cm 。排种器外槽轮直径为40mm,16齿，有效工作长度为50mm ，故可得排种器每转的最大排种量： [7]

Q =πdL γ(af +c n ) =22. 013g （3） t

其中 d——外槽轮直径/mm，40mm ；

L——外槽轮有效工作长度/mm, 50mm ； C n ——带动层厚度/cm， 取0.35cm ； γ——种子容重/cm ， 取0.77g/cm

3

3

α——种子充满系数，取0.7 ；

2

2

f——凹槽断面积/cm ， 取0.105cm ； t——槽齿间距/cm ，取0.7cm ；

根据以往经验知在较晚播种期小麦每亩的播种量在15kg 左右，因此，根据本机行进速度和镇压轮直径，以及排种器最大的排种量可计算其传动比，其中每亩的播种量取为20kg 。首先可知每亩排种器的最少转数为： n 1≥Q 1=

nQ

20

≈102 ； （4）

9⨯0. 022

式中： n——排种器个数； Q 1——每亩最大播种量； 而每亩镇压轮的转数为：

n 2=

S 666. 7

=≈486； （5） L 1⨯πd 1. 75⨯0. 785

式中： S——每亩地面积/m2

L 1——镇压轮工作宽幅/m d—— 镇压轮直径/m

由（4）和（5）式可得所需最大传动比为：i ≤

n 2486=≈4. 76； （6） n 1102

3 旋耕施肥播种联合工作机配套动力计算

旋耕灭茬播种机所需动力主要包括旋耕灭茬部件和播种施肥部件以及牵引阻力。

3.1 旋耕灭茬所需动力计算

利用旋耕比阻法

[7~8]

计算逆转旋耕机所需功率。设旋耕比阻为κr ，则旋耕机所需功率为

P 1=

100

B ∙h ∙V m ∙K r =5390W （7） 75

式中：B ——旋耕机工作幅宽/m，取1.75m ；

h ——耕深/m，取0.15m ；

v m ——机组前进速度/ m/s，取1.1m/s ；

k r ——旋耕比阻，根据本机耕深取旋耕比阻为1. 4kgf /cm 2 ；

根据灭茬机刀轴转速与功率之间的关系可曲线知灭茬所需功率为5~5.6KW。因此，取刀轴的总功率消耗为11KW, 即 P 1=11KW 。

[9]

3.2 播种施肥所需动力计算

播种施肥阻力根据每米播幅的平均阻力来计算，根据试验，当播深为3~5厘米时，每米幅宽工作阻力为125公斤，当播深为6厘米时，每米幅宽工作阻力为170公斤。

[7]

F 1v m 125⨯1. 75⨯1. 1

==2000W （8） 120120F v 170⨯1. 75⨯1. 1

=2730W ； （9） P 3=2m =

120120

P 2=

式中： P 2——播种所需功率/w； P 3——施肥所需功率/w； F 1——播种工作阻力/kg； F 2——施肥工作阻力/kg； v m ——机组前进速度/m/s。

取机械传动效率0.7，得旋耕灭茬、施肥播种所需功率为： P e =

P 1+P 2+P 311+2. 0+2. 73

=≈22. 5KW (10) ηT 0. 7

3.3 机组空行所需动力计算

农机具在运输状态移动时所产生的阻力

[10~11]

，即空行牵引阻力。根据比重可知配有本联

合作业机的拖拉机机组的空行牵引阻力占工作牵引阻力的50%左右，取50%，即其空行时的功率为：

P F 4v m 22. 5⨯1. 4=

P e F =1

. 3

≈9. 5KW ； （11） 3v 2⨯1 式中：F 4——空行牵引阻力/N ； F 3——工作牵引阻力/N ； v m ——机组前进速度/m/s； v ——空行时前进速度/m/s。

由（10）和（11）式可确定配套拖拉机功率为：

P 总=P e +P 4=32KW ≈43. 5PS 由于实际工况的复杂性，取配套动力为45~55PS的中型拖拉机。

（12）

4 样机设计

首先对各个部件进行调研设计，设计制作技术图纸并归档。 其次进行三维建模，建立虚拟样机。

下面是我们设计的旋耕施肥播种机的模型。

总装图

排种排肥总成

排种器架 气吸式排种器

5 参考文献

[1] 严栋梁，费建楷，窦继美等. 稻麦秸秆还田旋耕施肥播种机[P],中国专利：

ZL98227816.0

[2] 高丽红. 旋拼刀的设计及排列浅析[J].机械管理开发，2007.4（2）：16~18 [3] 何忠良，辛惠芬. 旋耕机刀片排列规则的探讨. 山西农机学术版 [J].2000.14(12): 20~21

[4] 吕小荣，努尔夏提，朱马西等. 我国秸秆还田技术现状与发展前[J].2004.9:41~42

[5] 文立阁，李建桥，崔占荣等. 我国灭茬机具及其刀具的发展现[J].2006.5(5)10~13

[6] 许剑平, 孙仕明, 徐 涛等. 灭茬旋耕深松起垄通用机传动系统的研究设计. 农机化研究[J]2003.4（2）138~139

[7] 镇江农业机械学院. 农业机械学：上册[M].中 国农业机械出版社，1981：181~184 [8] 北京农业机械化学院. 农业机械学：上册[M] .农业出版社，1981：109~233 [9] 王怀奥，王勇. 秸秆切碎灭茬机的模型研究与参数优化. 农机化研究[J].2005.9(5):106~107

[10] 机械电子工业部洛阳拖拉机研究所. 拖拉机设计手册：机械工业出版社，1994 [11] 农业大词典编辑委员会. 农业大词典. 农业出版社，1998