小型荞麦播种机施肥,播种,旋耕机构三维建模及仿真.doc

小型荞麦播种机设计（旋耕机构，播种机构，施肥机构） 编号 毕 业 设 计（论文）题目小型荞麦播种机设计（旋耕机构，播种机构，施肥机构） 二级学院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 109040205 学生姓名 张浩 学号 10904020534 指导教师 杨岩 职称 教授 时 间 2013.5.30 目 录摘 要IAbstractII绪 论11.1 本课题研究的背景、目的和意义21.2 国内外播种机的研究现状31.2.1 国外机具研究现状31.2.2 国内播种机研究概况31.3 课题研究的主要任务、内容与方法51.3.1 课题的主要任务51.3.2 本课题研究的内容52 小型荞麦播种机总体结构的设计52.1 农艺要求52.3 播种机的性能要求和性能指标62.4 小型荞麦播种机整体结构的设计62.4.1 播种机的整体设计原则62.4.2 播种机设计前期准备72.4.3 设计方案72.5 播种机的总体结构82.5.1 播种机的幅宽匹配82.5.2 基本结构82.5.3 播种机关键部件的设计及其参数的确定83 排种器的选型设计93.1 种箱结构参数的设计93.1.1 种箱尺寸的确定93.1.2 种箱容积的计算93.2 排种器的选型与计算103.2.1 小型荞麦播种机对排种器的性能要求113.2.3 排肥器的性能要求133.2.4 常用排肥器的种类和特点133.2.5 本次设计选用排种器144 开沟器的选型设计154.1 开沟器的性能要求154.2 开沟器的性能要求154.3 现有开沟器的种类和特点164.4 开沟器的选型165 输种管的选型设计175.1 输种管的性能要求175.2 输种管的选型186 覆土器的选型设计187 镇压轮的选型与设计188 其他零部件的设计和建模208.1 镇压轮连接208.2 轴承218.3 端盖、透盖218.4 拨动轮228.5 轴238.6 链轮248.7 轴套249 常见故障与排除25结 论25致 谢26参 考 文 献26摘 要随着我国荞麦科研和产业开发的发展，荞麦在农业生产中的地位越来越高。目前我国大中型播种机技术比较成熟，但受体积，转弯半径和配套动力的制约，不适合小地块作业。而我国个体农户较多，种植面积较小。因此本文设计了一种小型荞麦播种机，该播种机由拖拉机牵引，能一次完成施肥，播种，镇压作业。本文对播种机的排种器，开沟器，镇压轮以及覆土器等关键部件进行了设计确定了工作部件的关键参数,最后对关键部件进行了强度校核，各部件均能满足要求。关键词：小型播种机 播种机构 开沟器IAbstractIn our country, With the development of our scientific research and industrial,straw is becoming more and more important in agricultural production.At present, the large and medium-sized seeder technologies are relatively mature. But limited by the volume, turning radius and motive power constraints, they are not suitable for small-block operation. However, particular peasant household of our country is more, but cultivated area is less. So this paper designed a small-sized seeder for straw. The seeder is hauled by the tractor, it can finished fertilizing and seed, covering soil and compacting at one time. This paper designed the opener, the seeding driller and other working parts, determined the key parameters of every component. Finally has carried on the intensity examination to the key components, various parts can satisfy the request.Key words：small seeder disseminator furrowerI绪 论我国的农业机械相对于发达国家还比较落后。美国等发达国家20世纪初就开始积极推进土地的规模经营，并实现了机械力对人力和畜力的替代，20 世纪 70年代实现了全面机械化，进入 90 年代后全球卫星定位系统广泛应用于农业生产中，农业工人的装备水平已经接近或超过产业工人。而我国目前仍实行以农户家庭为单位的小规模经营，农业机械虽有一定程度的推广和应用，但人力、畜力以及传统的耕作习惯和耕作方式仍占主导地位。据国际年鉴统计，我国平均每个经济活动人口占有耕地面积 0.2 公顷，占世界平均水平的44.1%，占美国平均水平的0.7%；每千人化肥施用量64.6吨，略高于亚洲平均水平，但仅占世界平均水平的67.5%，占美国平均水平的1.2%。科学技术在农业生产中的应用虽逐年增加，但应用的广度和深度都远远不够。在这种形式下，我们要提高我国农业水平，就要实施农业机械化，但对于我国小规模经营的现状，实施大型播种机械难度很大。因此本课题设计出的小型荞麦播种机，它具有结构简单、功率消耗小、体积小等特点，对推广农业机械化相当有利。荞麦为一年生草本植物，生育期短，抗逆性强，极耐寒瘠，当年可多次播种多次收获（荞麦种子如图1所示）。茎直立，下部不分蘖，多分枝，光滑，淡绿色或红褐色，有时有稀疏的乳头状突起。叶心脏形如三角状，顶端渐尖，基部心形或戟形，全缘。托叶鞘短筒状，顶端斜而截平，早落。花序总状或圆锥状，顶生或腋生。春夏间开小花，花白色；花梗细长。果实为干果，卵形、黄褐色，光滑。茎紫红色,叶子三角形，开白色小花，子实黑色，磨成面粉供食用。荞麦播种35天就能出苗，并快速地生长发育，封拢后能抑制大多数杂草生长。种荞麦省时省工，在农时安排上，荞麦从耕翻、播种到管理，通常都在其它作物之后，可调节农时，全面安排农业生产，实现低投入高产出的经济效益。随着中国荞麦科研和产业开发的发展，荞麦在农业生产中的地位正在由“救灾补种”作物转变为农民脱贫致富的经济小作物。但是目前的荞麦并没有较为专用的播种机，已经不能跟上社会需求，因此本次设计的是一个山地用小型荞麦播种机。 图11.1 本课题研究的背景、目的和意义粮食是维持人类社会生存和发展的最基本的生活资料是最具基础性战略性的物资提高粮食产量、保障粮食安全是保持国家社会稳定、保证国民健康、保障国民经济发展的基础和前提，也是农业科技工作的首要任务。机械化水平是衡量农村、农业发展水平的重要标志，是确保提高农村生产力，促进更多的劳动力转移，彻底改变传统的小农经济耕作方式的前提和依据。随着社会主义新农村建设步伐的不断加大，中央加大对农业和农村发展的支持力度，农村的机械化水平逐年提高。我国农业发展已进入“高产、高效、优质、安全”新阶段，从而也引发了对提高农业机械化程度的强烈要求。1.1.1 研究的目的和意义 荞麦在我国属于经济作物，目前大部分地区都未实现播种机械化。小型荞麦播种机同时考虑到了农户经营面积少，作业地块小等特点，且功能较多，可一次性完成化肥深施、播种、镇压保墒等多道工序，与传统的耕作方式相比，具有减少作业程序，省工省力，节本增效，提高化肥利用率，保护环境，抑制沙尘暴，增产粮食等优点。通过改变开沟器的形状和安装形式能有效解决作业时的壅堵现象。此外还能改善土壤结构，提高出苗率、品质和产量，降低化肥施用量30%左右；可在平原和丘陵地区的小平原上作业。因此有着较高的应用价值和广阔的推广前景。1.2 国内外播种机的研究现状1.2.1 国外机具研究现状目前国外对播种机具的研究已取得了较大的成就。国外农场的土地面积一般比较大，田间拖拉机的功率也较大，国外的播种机大都以大中型为主，它们基本是多梁牵引式大型播种机（如图2所示），横梁多、开沟器之间间距大，播种机又宽又重，一般都是气力式的，土壤工作部件也做得比较复杂。但转弯半径大，需要很长的地头，主要用于大面积作业，与我国地块小的实际情况相差甚远。如美国的USDA型、John Deer型和澳大利亚的KMC型等播种机的性能等都比较优良。然而，由于种植方式、土地条件以及经济发展等多种因素，国外的播种机从其结构和工作性能方面均不能适应在我国土地条件下使用。图2 澳大利亚锄铲式播种机图美国John Deere 1590 No-till Drill设计用于普通耕作和保护性耕作情况下的谷物播种整机开沟器为双排结构，播种行数为16行。排种(肥)器为外槽轮式，开沟器为圆盘切刀式，为此开沟器单体较重，有利于免耕作业。开沟器单体仿形，土壤扰动小，坚固耐用。圆盘切刀直径为45.72cm，刃锋角度为20o，标准配置为单圆盘开沟器，行距18.4-24.5mm可调，如拧松前方固定螺栓则可使行距加大到36.8-49 mm。单体仿形为压簧式，压簧可给每个开沟器提供734-2000N的压力使其入土或用于切割残茬。1.2.2 国内播种机研究概况中国从20世纪50年代引进了谷物条播机、棉花播种机等。40多年来，几代农业机械化工作者汲取传统抗旱耕作法的精华，并结合现代耕作技术与机械化手段，已先后研制出一批机械化程度较高的旱地耕作机具，它们将逐步取代传统的耕作机具，现已形成了适用于不同区域的机械化耕作体系。但目前国内生产施肥播种机的专业厂产品开发能力很弱，现有的施肥播种机在产品数量质量和上都不能满足生产需要。而且存在对地域和土壤条件适宜能力差、机具通过能力不强、可靠性差，不能一次完成开沟、排种、排肥、覆土、镇压功能等问题。图3是由中国农业大学研制的2BMF-9型小麦免耕覆盖播种机。它采用了双排梁结构，使同一排梁上的开沟器间距达到40cm，采用了专利产品“复合型开沟器”实现现种肥垂直分施，种肥间距可达到5cm以上，但是体积大，不适合小地块作业。图3 2BMF-9型小麦免耕覆盖播种机 图4 LZFB-200（14）系列联合整地施肥播种机 如图4所示，LZFB-200（14）系列联合整地施肥播种机是由旋耕机部分和播种、施肥部分组合而成的农业机械，一次完成旋耕碎土、施肥、播种和震压等多种农艺，适用于种子直径不小于2mm麦类、玉米、豆类、花生等农作物的旋耕、播种作业，也可单独完成旋耕、整地作业。但是制造成本高，价格昂贵，得不到很好的普及。我国个体农户较多，地块较小，为了操纵灵活，播种机一般都设计为悬挂式的，质量相对比较小。但是由于土壤容重一般较高，故要求播种机单体又必须有一定的重量才能达到入土开沟的目的。同时，在我国拖拉机功率有限，播行不能太多，否则播种机工作阻力太大，而拖拉机动力不足，这就要求我们必须在现有的条件下，选择或设计合适的小型稻麦两用施肥播种机。1.3 课题研究的主要任务、内容与方法1.3.1 课题的主要任务本课题的主要任务是根据国内外研究现状完成一台小型荞麦播种机的总体设计。总结现在已有的播种机的不足，对其进行改进，设计出适合我国荞麦种植的播种机械。设计时不仅要确定各部件的结构还要确定最佳的工作参数，使其适合各种田地环境，工作效果最优化。1.3.2 本课题研究的内容该课题主要完成对小型荞麦播种机的总体构造的设计。用CAD制图软件进行整体机构设计分析，包括排种器，排肥器，种肥箱，开沟器，镇压轮等的设计。设计分析后对各关键部件进行校核，使其满足工作要求。并用solidworks进行建模仿真。2 小型荞麦播种机总体结构的设计2.1 农艺要求（1）能按质量完成播种作业，适时播种，适量播种，保证合理的播种深度；（2）能适应小地块作业；（3）能改善土壤状况，上下层土壤不翻转，土壤侧向位移小，保墒蓄水，提高地表积温；（4）可以一次完成播种，施肥，镇压等工序。2.2 机具要求（1）针对我国农业动力机械马力小的特点，设计播种机具，机组作业速度5.4km/h；（2）结构简单，使用方便，尽量减轻机具质量；（3）作业时稳定性好，播深和播量均匀。易于操作，减少作业过程中机具的振动；（4）地轮滑移率应该在农艺要求的范围之内；（5）要有很好的上下左右仿形功能，覆土镇压效果要好，播种作业后，仍然能保持良好的地形。2.3 播种机的性能要求和性能指标播种应根据当地的作物栽培制度，农艺要求进行作业。播种时要求播种量满足农艺要求且可调；种子在田间分布均匀合理，保证播深、株距、行距一致且可调；种子播在湿土层中且用湿土覆盖；施肥时要求肥料施于侧下方，种子损伤率低。播种机的性能指标是评价其工作质量的标准，常用如下指标来评价：总排种稳定性：播种机在规定的工作条件下排种量的稳定程度，即在播种机允许的工作环境内（如允许在±10º的坡地播种，允许机速在一定范围内变化，允许种箱没种子量变化，等等）总排种量保持不变。田间可用不同行程或不同地段的整机总排量的变异系数或相对误差来表示。各行排量一致性：指一台播种机上各个排种器在相同条件下排种量的一致程度。要求各行的排量一致。通常以播种机一定行距内各行排量的变异系数或相对误差来表示。排种均匀性：指从排种器排种口排出种子的均匀程度。播种均匀性：在种子种沟内分布的均匀程度。播深稳定性：在种子上面覆土层的稳定程度。要求规定播深±1cm为合格。种子破碎率：在排种器排出种子中受机械损伤的种子量占排出种子的百分比。粒距合格率：对单粒精密播种通常以测得粒距的合格率来表示。设t为粒距样本（不小于250）的平均值，则0.5t<粒距1.5t为合格；粒距0.5t为重播，粒距>1.5t为漏播。合格粒距数占取样总粒距数的百分比为粒距合格率。2.4 小型荞麦播种机整体结构的设计2.4.1 播种机的整体设计原则结合我国农业的实际情况，参考荞麦本身特性和国内外的播种机，设计出一种既满足功能要求又适合我国农艺情况的播种机；为了避免土壤被压实，尽量减少作业机器进入土地作业的次数，因此采用复式作业，将施肥、播种、镇压等作业一次性完成；为了作业方便，要在满足功能要求的基础上，减少整机的体积，尽量将整机结构设计紧凑。另外，在满足强度要求的前提下，要减轻整机的重量，节约使用材料；为了降低成本，要在满足各项要求的基础上，尽量简化结构，同时还要考虑到零件的互换性和可装配性。2.4.2 播种机设计前期准备工作环境本次设计的小型荞麦播种机是用于山地条件下的播种施肥。山地地形下决定其作业地面高低不等，形状不规则，因此播种机的整体大小较小。荞麦的播种生产100kg荞麦子实，需要从土壤中吸收氮3.3kg磷1.5kg，钾4.3kg。磷肥能促进子粒形成，增加饱满度，并能促进蜜腺的分泌作用，有利于授粉结实，提高产量。荞麦忌用氯化钾，因氯离子常引起叶斑病发生，钾肥以施用草木灰为宜。氮肥不能多施或晚施，否则会延迟成熟和引起倒伏而减产。荞麦一般每公顷播种量45 - 60kg。南方多采用点播，行距30-35cm，穴距20cm左右；北方多采用条播，播幅10 - 12cm，行距30cm。播种深度3-4cm。综合本次设计的是山地用小型播种机，选取播种的行距为30cm，播种间距为20cm。2.4.3 设计方案方案一：类似市场上其他播种机，采用种肥分开播种，即有两箱体，一个放种子，一个放肥料。这种方案的优点是播种均匀，可靠性较强。缺点是它的两个箱体都需要电动机的支持，荞麦种子形状不规则，造成播种器设计的结构复杂，形体较大，成本也会较高。方案二：目前荞麦在我国大部分地区都是作为一种经济作物，多在山地和旱地种植，并且荞麦籽粒小普通播种机不宜普通播种机播种。因此拟将肥料和种子混合在一起同时播种，这样就只需要一个种箱。这种方案的缺点是播种可能会不够均匀。但是优点很明显：种子和肥料能够更好的结合，避免了浪费，结构简单，生产成本相对较低。综合选取方案二。2.5 播种机的总体结构2.5.1 播种机的幅宽匹配播种幅宽应满足幅宽配套的要求，即农具作业幅宽应小于播种机主动轮轮子内廓宽度，以避免主动轮轮子碾压已完成作业的地面。根据荞麦播种的播种条件选取播种行距为30cm，播种间距20cm，作业行数为2行，开沟器个数为2。2.5.2 基本结构该小型荞麦播种机由机架、开沟器、输送管、覆土器、种箱、排种器以及镇压轮构成，具体如图4所示。图42.5.3 播种机关键部件的设计及其参数的确定本课题设计的荞麦播种机采用三点悬挂式，主要机构包括：排种器，开沟器，输种管，镇压轮，种肥箱5个部分。主要技术参数：作业行数 2行 行距（mm） 300mm种子箱容积（L） 45播深（cm） 35.2漏播率（%） <3传动机构形式 链条镇压轮形式 圆柱型3 排种器的选型设计3.1 种箱结构参数的设计3.1.1 种箱尺寸的确定种箱必需有足够的容量，从而减少加种次数，一般情况下要求播种到了地头才加种。但是种箱容量也不能太大，那样会增加机构的重量，对播种机的的稳定性产生不利的影响，还会影响机组的纵向移动性；种箱必须保证箱壁的倾斜角大于种子的自然休止角，以保证种子能顺利滑落排种器，因为荞麦种子很小，并且混合了肥料，所以流动性能较好，对种箱的倾角要求不高。除此以外，种箱还应该坚固耐用，重量轻巧，具有一定的刚性，并具备防水和防潮的能力；种箱要便于加种、卸种和清种，因此该机所选的种箱形状为梯台型（上口大，下口小），而且上端有防护盖加以保护。3.1.2 种箱容积的计算种箱的容量由播种的行距、株距，播种量和播种距离共同确定。根据以往实验结论：播种机在工作时不宜播完种子箱内的全部种子，应该保留至少10%的种子余量避免箱内种子太少而影响播种的质量。种箱的建模如图5所示图5图示中的种箱体积V=18L其能够实现连续播种的面积为S=V/V1*L*b=1800m*m；其中，V1为荞麦种子和肥料的体积和，为1立方厘米；L为播种行间距，为30cm；b为播种间距，取20cm。箱体总为400mm，宽300mm，总高为200mm上部分为长方体，高50mm下部呈等腰梯形，高为150，长400mm，宽1003.2 排种器的选型与计算对本次设计播种机来说，排种器是其最核心的部件，其性能的优劣将直接影响播种机的播种质量，因此，对排种器的要求是很高的。并且本机的排种器包含了排种和排肥两项功能。3.2.1 小型荞麦播种机对排种器的性能要求排种器应该具备较大的排种均匀性和稳定性，能均匀连续地排种，并且能在不同外界条件下作业，其播量要保持稳定，排种要均匀；图108 其他零部件的设计和建模8.1 镇压轮连接如图11所示，它的作用是将镇压轮连接到机架上。图118.2 轴承如图12所示，该轴承为一个标准件，内径大小为15mm，外径大小为35mm，宽度为11mm。图128.3 端盖、透盖如图13和图14，图13为端盖，图14为透盖。本次设计中的端盖因为尺寸原因而设计成一个非完整的圆形。它的最大直接为55mm，上有三个M5的螺栓孔以起到固定的作用。图13图148.4 拨动轮如图15所示，该轮是一个自行设计的轮，其直径为50mm，通过键连接到轴，以实现出种的功能。该轮最大直径为50mm，中心与轴连接部分直径为19mm，通过一个4*4*8mm的键连接，在轴上两边分别依靠套筒和轴肩固定。该轮随轴转动的同时，种子从种箱的出种口漏到拨动轮的间隙当中，拨动转动将种子送入输种管。该拨动轮的宽度为14mm，较出种(10mm）大,这样可以有效的防止种子的泄漏。图158.5 轴如图16和图17所示，图16是轴的三维模型，图17为轴的CAD图示。该轴是连接拨动轮实现出种功能以及传输动力的功能，与链轮所在轴通过离合器连接实现播种机是否工作的功能。图16图178.6 链轮如图18所示，链轮将主动轮上传递上来的动力传递给拨动轮所在轴。该链轮节距P=19.05，齿全宽为19.050mm最大直径为115.576mm内径为20mm通过一个6*6*34mm的键连接到轴上。图188.7 轴套如图19所示，它的作用是定位拨动轮与轴承。9 常见故障与排除播种不均匀 若因作业速度变化大，应使作业速度保持均匀；若因刮种舌严重磨损，应更换刮种舌；若困外槽轮卡箍松动，使工作长度变化，应调整外槽轮工作长度，固定好卡箍。排种器不排种 种子箱内种子不足时，应添加种子；传动机构不工作，应检修、调整传动机构；驱动轮不转动，应排除驱动轮故障；排种轮卡箱、键销松脱时，应重新紧固排种轮；输种管或下种口堵塞，应及时排除堵塞物。，种子破碎率高 作业速度快，使传动速度过高，易使种子破碎率高，应降低作业速度，保持匀速前进；护种装置损坏，应更换护种装置；刮种舌离排种轮太近时，应调整刮种舌与排种轮的间距。播种深度不够 主要因开沟器拉杆变形，入土角度小，使开沟器压力不足所致。应矫直开沟器拉杆，增大入土角，并调紧弹簧，增加开沟器压力。结 论本设计书较全面的阐述了播种机的概况和发展历程，并结合本课题提出了存在的问题，着重分析了总体结构设计及排种器、开沟器和镇压轮的设计思路，提出了小型荞麦播种机（旋耕机构，播种机构，施肥机构）的总体设计方案。该机具主要由开沟器、排种器、镇压轮，覆土板等部件组成。能一次完成施肥、播种、镇压等多道工序。对关键部件的参数进行了设计，开沟器采用前方布置；排种器经老师指导设计出了个结构简单更为适合的机构；镇压轮采用圆柱形镇压轮，并在solidworks上进行了三维图形建模和仿真，所做设计方案合理。在本次设计过程中，由于理论知识掌握的不够和经验不足，因此在设计一些装置时需要很长的时间和精力，而结果却不大理想（例如没能实现调节种子和肥料播种量的功能，开沟器的深度调节不方便，主要靠操作人员实现开沟深度的调节）。由于条件有限，没有实际的参照机械，因此只能通过书上的图形资料再结合自己的想法进行设计，因此有的数据只能有大体估算（例如种箱体的结构尺寸），不能很准确的确定机具的结构形状、受力情况以及性能指标。希望以后有机会继续以上研究，以求得到一个圆满的结论。致 谢首先我要感谢的是我的导师杨岩老师，在整个设计过程中， 遇到困难的时候，他给予了我很大的支持；其次我要感谢的是我的父母，是他们为我提供了生活的保障和学习的动力，使得我能顺利完成这次毕业设计；再次，我要感谢我的同学和朋友，在本次设计中他们在困惑的时候总是不断地鼓励我，让我知难而进，迎难而上。参 考 文 献1 成大先.机械设计手册（第四版）.化学工业出版社.2002，3：13100131262 程兴田播种机械的现状及发展前景农机与食品机械，1999， 63 国委文播种机的现状及发展趋势.农业机械化与电气化，2007 年，54 李宝筏.农业机械学.中国农业出版社.2003，08：48775 濮良贵，纪名刚.机械设计（第七版）.高等教育出版社.2001. 901206 陶为民. 国外农业装备发展趋势. 新农村，2001，7：4714747 王广胜，王玉忠，樊文宪.2BSM1B 型马铃薯施肥播种机的研究.农机与食品机械.1999，3：15 178 南京农业大学.农业机械学.中国农业出版社.1996:106-109.9 湖南省农业机械化学校.农业机械基础. 北京：农业出版社.1993:216-217.10 中国农业机械化科学研究院，农业机械设计手册.机械工业出版社.198811 龚光容主编.机械制造技术基础.上海交通大学出版社.200412 李益民主编.机械制造工艺设计简明手册.机械工业出版社.200413 鲁建慧 郭滨主编.机械工程基础.黑龙江人民出版社.200014 孙桓.陈作模主编.机械原理.高等教育出版社.200115 <机械设计手册>编委会编.机械设计手册.机械工业出版社.200516 郑树森主编.机械零件设计手册.哈尔滨工业大学.199817 李徳玉.机械工程材料学北京.中国农业出版社.1984.818 曹岩. 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