马铃薯播种机的设计.docx

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马铃薯播种机的设计

摘要

马铃薯是我国主要的粮食作物之一，在我国得到大面积栽种。

2007年，我国马铃薯种植面积和产量都位居世界首位，然而尽管总产量大，但是单产量却很低。

造成这一原因的主要因素是种植方式和机械化水平的落后。

因此，当前的主要任务就是提高马铃薯种植的单产量。

提高马铃薯单产量有两个途径：

一是改进种植方式；二是提高机械化种植水平。

而提高机械化生产水平是最有效的方式，这就要求各种性能先进，种植效率高，通用性和适应性强，结构简单易于制造与维修的马铃薯种植机不断被设计出来并得到大力的推广与应用。

升运链式马铃薯播种机是一种块状马铃薯播种机，其结构简单，工作可靠，效率高，不伤种，在国内外正逐渐得到广泛的应用。

关键词

播种机；马铃薯；升运链式排种器；外槽轮排肥器；锄铲式开沟器

Abstract

Potato,whichisoneofthemostimportantgraincropsinourcountry,isgrowthinginaratherhugearea.In2007,potato’splantingareaandoutputofChinasituatedinthefirstplaceofthewholeworld.Althoughtheultimateoutputishuge,theperunitareayieldquantityisataratherlowpalce.Thetowprimaryreasonsforthissituationarethatwearebehindhandinthewayofplantingandinthemechanizedlevel.Therefore,thecurrentlyprimarymissionisenhancestheperunitareayieldquantity.Generallyspeaking,wecouldarriveatthisaimthroughtwoways:

First,improvingthewaytoplant;Second,enhancingthemechanizedlevelofplanting.Atnow,raisingthemechanizedproductionlevelisthemosteffectiveway.Thiswillrequesteachkindofpotato-plantingmachinewithadvancedperformance,highefficiencyofplanting,stronguniversalpropertyandadaptability,andsimplestructurethatiseasytobeproducedandmaintainedtobedesignedunceasinglyandwidelypromotedandapplicatedvigorously.Risestotransportthechainpotatoseederisonekindofsowingseedsmassivepotatoseedtuber'sseeder.Withitssimplestructure,reliableoperation,highefficiency,andhurtlesstoplants,thismachineiswidelyapplicatedbothindomesticandforeigncountry.

Keywords

Planter；Potato；Ladle—chaindispenser；Flutedrollerfertilizerapparatus；Hoeopener

1前言

1.1课题背景和科学意义

马铃薯是一种高蛋白农作物，在我国得到广泛地栽种。

2007年我国马铃薯种植面积约8000万亩，总产量超过6800万吨，占世界总产量的22%左右（，2007年）。

单从总产量来说我国已经是世界第一，但是单产量却远远低于欧美和澳洲的水平。

例如，2003年，我国马铃薯的单产量是每公顷14842公斤，低于世界平均水平每公顷16448公斤，还不到单产量最大的国家新西兰每公顷44248公斤的三分之一（，2007年）。

我国马铃薯种植单产量很低这已是不争的事实，因此，我国应该把提高马铃薯的单产作为目前提高马铃薯产量的首要任务。

提高马铃薯单产的措施除了提高机械化生产水平外，还应该改进马铃薯的种植方式。

提高单产量，首要任务就是提高机械化生产水平。

当前，除少部分地区已经实现马铃薯机械化或半机械化种植以外，我国大部分的马铃薯种植方式一直停留在传统种植的水平上，传统的种植方式主要依靠人力和畜力进行生产，从开沟到覆土镇压，整个过程劳动强度大，生产效率低，种植效果也远远低于机械化种植水平；而且我国地域广阔，拥有多种地型，因此需要的播种机的机型也相对不一，设计出具有较强适应性的播种机将成为未来播种机发展的必然趋势；播种机的通用性也是一个不可忽略的重要因素，提高播种机的通用性有助于提高播种机的使用性能，使得播种机得到充分的利用。

虽然从当前的情况来看，我国在播种机这块领域还不能一下子缩小同国外发达国家之间的差距，但是正在将这种差距正在不断缩小。

传统的马铃薯种植方式也是一个制约马铃薯单产量提高的重要因素，主要体现在：

（1）马铃薯种子的质量不高，我国种植马铃薯的大部分地区，马铃薯种子一般是自留的，没有经过消毒，杀菌以及其它提高种植质量的技术处理，因此种出来的马铃薯质量和产量不高；

（2）种薯的品种不全，不同的地区，不同的气候往往需要不同的马铃薯种子，在这方面，我国所作的研究还远远不能满足其需求，因此，在今后更应该加大对马铃薯品种的研制；（3）传统的种植方式主要靠人力和畜力，工作量大而且工作效率低，对土壤的压实比较严重，这对种子的发芽和生长极为不利。

1.2国内外马铃薯播种机的发展现状

1.2.1国外马铃薯播种机的发展现状

第二次世界大战以后，欧美的许多发达国家先后完成了由传统农业向现代农业的过度和转化，经过几十年不断地发展，其农业机械化水平已经相当完善，现在正朝着大型化、智能化、精量化以及多功能联合型方向发展（陶卫民，2001）。

在欧美的发达国家中，马铃薯播种机经过几十年的发展和应用，其技术水平应经达到了相当完善的程度，无论是工作速度、生产效率、工作性能、播种质量以及播种机具的通用性和适应性上都做得比较好。

这对减少播种过程中的漏种率、种子损伤率和提高单产量都有很大的促进作用。

现在一些发达国家正把不断更新播种机的工作原理、尽量完善其结构、延长机具使用寿命、降低制造价格和维护费用的同时提高其工作效率以及提高播种机的通用性和适应性作为未来更先进的播种机研制的方向。

1.2.2我国马铃薯播种机的发展现状

近年来，随着马铃薯在我国的大量种植，研发并推广与马铃薯生产相适应机械取得了很大的进展，尤其是马铃薯种植机械，尽管我国机械研制和生产水平和欧美发达国家还有一定的差距，但是随着我国科研人员的努力，这个差距正在不断地缩小。

各种先进的马铃薯播种机不断问世，并在全国进行大量地推广应用。

排种装置仍然是播种机最为关键的部件，先进的排种器和排种原理对播种机的效率的提高有着很重要的作用，迄今为止，我国学者几乎涉猎了世界上所有的排种器：

如外槽轮式排种器、离心式排种器、各种圆盘式排种器等，而具有我国独创特色的窝眼轮式排种器、纹盘式排种器、锥盘式精量排种器也获得了广泛的应用，但是在马铃薯播种机上，先进的排种器和排种方式依然是制约播种机效率的瓶颈。

因此在已经解决种子和播种方式的情况下研制相应的播种机显得是关重要。

显然，在排种器方面，我国应该朝着气流输送式条播排种器、孔带式精密排种器、气力式精密排种器以及倾斜圆盘指夹式排种器的方向发展。

新的排种原理包括气力式排种原理和机械式排种原理也应得到广泛的采用（陈兴田，1999）。

1.3设计的主要内容

（1）马铃薯播种机具的总体设计

（2）马铃薯播种机传动机构的设计

（3）马铃薯播种机开沟装置的设计

（4）马铃薯播种机排种装置的设计

（5）马铃薯播种机输种管、镇压装置以及行走轮的设计

1.4升运链式播种机主要技术参数

（1）外形尺寸（长×宽×高）：

1450mm×1100mm×950mm

（2）配套动力：

12kw

（3）生产效率：

10acre/h

（4）工作幅宽：

1100mm

（5）播种方式；平播

（6）播种深度：

60－150mm

（7）作业行数：

2行

（8）作业行距：

400mm

（9）地轮直径：

500mm

（10）作业速度：

1m/s

（11）传动形式：

链传动

（12）土壤工作部件：

锄铲式开沟器

（13）排种器：

外槽轮式

（14）覆土器形式：

拖环式

（15）镇压轮：

复合圆锥式

（16）种箱容积：

30L

2总体设计

2.1总体方案设计

2.1.1设计原则

总体方案拟将开沟装置、施肥装置、排种装置、覆土装置及镇压装置与选用拖拉机融为一体，使之能一次性顺利完成开沟、施肥、播种、覆盖、镇压等功能，悬挂机构要有效的控制工作部件作业时的播深以及运输时的通过性，开沟器除了能开出平整的地沟外还具备自动覆土的功能；排种装置确保在播种过程中出现漏播、重播等现象的几率不超过3%。

镇压轮要求镇压效果好，作业后的地面平整。

2.1.2基本结构

该马铃薯播种机由机架、开沟器、输种管、输肥管、覆土器、种箱、肥箱、排种器以及镇压轮构成，在机架的前梁上有上、下悬挂架用于与拖拉机连接；种、肥箱侧板固定在机架中间横梁的上方，前边为肥箱，后边为种箱，下边固定排肥、排种装置；在肥箱前面有一根安装开沟器的梁，通过U型螺栓将开沟器的扁钢锁住，从而可以调节开沟深度，开沟器在横梁上可根据需要进行横向移动来调节行距；机架的后梁用来连接镇压轮。

2.1.3工作原理

本机通过上、下悬挂与拖拉机相连，拖拉机前进时输出动力带动播种机工作，作业速度为1m/s。

机具工作的动力来源为：

行走轮随拖拉机前进转动输出的动力。

地轮随拖拉机前进而转动，由地轮传递动力，在地轮轴的两端各装一个传动链轮,通过链条将力矩传给中间传动链轮，再由中间链轮将动力传给排种排肥装置,通常情况下地轮直径较大，工作时不易发生打滑等现象，并且传动可靠。

播种机工作时，拖拉机通过动力输出轴将动力传递给行走轮，镇压轮上的主动轴将动力传递给中间轴，行走轮随拖拉机前进而转动，通过链条将动力传给施肥、播种机构，排出的化肥和种子经输肥管与输种管进入开沟器，先后进入开好的地沟中，为了避免烧坏种薯，化肥应位于种子下方5cm处，覆土器进一步覆盖种沟，镇压轮的圆锥滚筒随即以均匀适当的压力压密种床

2.2配套动力的选用

根据我国目前所拥有的拖拉机实际情况和对机组所消耗功率的初步估算，拟采用东风-200拖拉机或功率相近的相关拖拉机。

东风-200拖拉机的主要参数如下：

外形尺寸（cm）　2850x1350x1990

功率（KW）　14（16马力）

额定转速（r/min）730

驱动型式前轮驱动

离合器形式干式、双片

制动器环状内胀式

发动机与离合V带

理论前进速度（Km/h）如表2—1所示：

表2—1东风-200拖拉机理论前进速度

Table2—1thethericaltheoreticalexercisespeedofDongfeng—200

 理论速度，

km/h

前进:

1.25;1.67;3.07;5.38;6.47;8.65;15.91;27.86

后退:

1.46;7.59

3传动装置的设计计算

3.1传动路线的确定

传动路线要保证总体传动可靠，不影响拖拉机工作。

根据整机的结构以及拖拉机的位置来确定传动路线，使马铃薯在工作过程中能满足开沟、播种、施肥和镇压等工作的需要。

借鉴相关机型，将传动路线分为两条路线。

第一，行走轮随拖拉机的前进而转动，经过链传动将动力传递给中间轴；第二，中间轴将动力分别传递给排种机构和排肥机构的转轴，驱动排种链轮和排肥槽轮转动

3.2传动比的计算

行走轮的行驶速度取3.6km/h，换算出来为1m/s。

行走轮的直径为500mm，可以通过公式3—1计算得到行走轮轴的转速n1

（3—1）

式中：

v—行走轮的行驶速度

d—行走轮的直径

经计算得

按照设计要求，中间轴的转速与行走轮轴的转速应该相等，因此两轴之间的传动比为1，中间轴的转速为38r/min，排种器的主动轮安装在中间轴上，因此转速也为38r/min。

排种器的上、下链轮垂直安放，在工作过程中要求工作平稳，因此两者之间的转速相差不大，链勺的速度要求不超过0.5m/s，最佳的速度为0.5m/s，如果将速度降到0.25m/s左右，相应地应该将原本要求的株距缩小2倍才能不影响排种效率，再结合链轮的要求，最终选取排种器上、下两链轮之间的传动比为1.12。

4排种器的选型设计

4.1种箱结构参数的设计

4.1.1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，一般情况下种薯块的自然休止角α=24°~34°，这里选择α=30°。

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锥台型（上口直径大，下口直径小），而且上端有防护盖加以保护。

4.1.2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薯，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。

预先设定该地块的长度D=1000m，播种机往返一次加一次种子。

其种箱容积V可用公式4—1确定：

V=1.1LBNmax/667γ（4—1）

式中：

L—装满一箱种子所能播种的最远距离。

最少应等于一个往返行程，即地块长度的两倍（m），取L=2000m

B—工作幅宽（m），此处取B=1100mm

Nmax—单位面积最大播种量（kg／hm2），种薯的株距为120mm，则在100m内需要播种略为833个，每个种子大约重50g，算出Nmax≈41.65kg

γ—种子的单位容积质量（kg/L）。

1L=1000000cm3。

因此单位容积内能容纳尺寸规格为20mm×20mm×20mm的种薯125个，每个种薯平均重50g，算出来γ的值大约为7.25kg/L

取L＝2000；B＝1.1；Nmax＝41.65；r＝7.25。

代入公式（4－1）得：

V=20.8433（L）

实际中种箱的容积往往要比设计数值稍微大一些，因此本次设计取种箱的容积为30升。

4.2排种器的选型与计算

对马铃薯播种机来说，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。

4.2.1马铃薯播种机对排种器的性能要求

（1）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；

（2）具有较强的通用性和适应性，播量调节范围大；

（3）对种子的损伤率较小，一般要求不超过3%；

（4）结构简单，工作可靠，易于制造和维护，调整方便；

（5）漏种率和重播率低，皆要求不超过3%。

4.2.2现有排种器的类型和特点

排种器种类很多，通常按播种方式分为撒播器、条播排种器和点播排种器三大类。

条播是按要求的行距，播深与播量将种子播成条行，一般不计较种子的粒距，只注意一定长度区段内的粒数，在农业上使用的条播排种器有外槽轮式、内槽轮式、磨纹盘式、锥面型孔式、摆杆式、离心式、匙式及刷式等类型。

其中应用得最广泛的是外槽轮式排种器，其由排种器盒、排种轴、外槽论、阻塞轮、花型挡环及清种舌等组成。

排种器盒装在种子箱下面，种子通过箱底开口流入盒内。

排种轴转动时，外槽论及花型挡环可防止种子从槽轮两侧流出。

虽然这种排种器结构简单、制造容易、使用方便、通用性好、适应性能广，而且国际上已经标准化，但是它也存在不可忽略的局限性，对于马铃薯块茎这样的种子，外槽轮是排种器并不能降低其漏种率和对种子的损伤率，也不能够提高播种的稳定性，因此需要选择一种结构更简单，效率和播种质量更好的排种器，经过对所有可能的排种器（如夹持式，外槽轮是，带轮式等）的比较，最终决定选取升运链式排种器，这种排种器的前身是70年代后期美日等发达国家广泛采用的舀上杯链式排种器。

4.2.3排种器的选型

（1）升运连式排种器的选型及结构

根据马铃薯种块的特性，该马铃薯播种机决定选用单排式升运链式排种器。

其结构如图4—1所示：

图4—1升运链式排种器

Figure4—1thelabe—chaindispenser

（2）工作原理：

行走轮随着播种机的前进而转动，行走轮上的轴作为动力传递轴并通过中间轴将动力传递到排种器的小链轮上，小链轮转动从而带动升运链以一定的速度上升，固定在升运链上的取薯勺每次舀取一个种薯块，并通过上链轮和护种管壁将种薯块运送到输种管里，再经开沟器落到地沟，从而实现播种的过程。

（3）升运链式排种器工作性能的结构参数

根据马铃薯播种机的设计要求和参考有关文献，主要有以下结构参数：

1．取薯勺速度v：

取薯勺线速度与作业速度成正比，试验表明，当取薯勺速度不超过0.5m/s时，播种质量较好。

当链轮线速度为0.55m/s时，作业质量有所下降，即漏播稍有增加，但基本上能满足农业技术的要求。

若取薯勺速度大于0.55m/s时，作业质量则显著变坏，漏播严重。

因此链轮线速度最高作业速度不超过0.5m/s。

2．链轮转速n：

链轮转速过低，脉动频率低，排种均匀性差；转速过高，又会使伤种率增加的同时加大漏种率。

根据马铃薯种子的播种要求，此次设计选用最大转速不超过40r/min的链轮。

3．链条的工作长度L：

链条的长度太大，将会增大两链轮之间的中心距，从而增大输种的距离；长度太短又会造成输种时种薯来不及缓冲而从取薯勺滑落，从而降低了排种的均匀性。

因此链条的工作长度应该根据最合适的中心距来选取。

一般链条长度在2m左右，种子的升运高度不超过500mm

4．取薯勺的形状：

对于单边最大尺寸为20mm的马铃薯种块，取薯勺需要保证种薯块在升运的过程中不要出现滑落的情况，而且背面要光滑，不能伤种；取薯勺要轻，因此取薯勺都是用厚度为1.2mm的铁皮冲压而成。

4.2.4升运链相关系数的确定

（1）最开始设定的理论株距为120mm，因此在行走轮转动一圈后所需要播种的个数n可以通过公式4—2计算得到：

（4—2）

式中：

L——行走轮的周长；

D——行走轮的直径。

通过已知数据D=0.5m。

算得n=13个

（2）取薯勺之间的间距即株距B

本次设计决定选用链条节距p=25.4mm，长度略为2.24m的16A型滚子链，链条的速度略为0.27m/s，是最佳速度v=0.5m/s的0.54倍，因此可以通过缩小株距来满足排种的需要，即将株距缩小到原来的0.54倍，再根据节距和链条长度来进行调整。

通过计算，整个链条共有88节，为了达到最佳的排种效果，需要24个取薯勺，因此其中16个取薯勺由4个链结组成，另外8个由3个链结组成。

因此每个取薯勺之间的平均距离也就是株距B=88/24×25.4≈93mm，能保证有足够的空间来克服充不上种的情况。

（3）取薯勺尺寸的确定

通过查阅相关取薯勺的资料，以及对马铃薯种块在取薯勺内的受力情况的分析，为了使种块不至于从勺内落下，多余的种子也不能稳定在勺内，要求取薯勺的宽度要大于种子长度的0.5倍且小于种子厚度的1.5倍。

因为种子的尺寸规格为20mm×20mm×20mm，这里取取薯勺的宽度应为20×1.25mm=25mm。

同时为了取薯时有足够的时间和空间，取薯勺的长度尺寸也必须大于种块长度的1.5倍，因此长度至少为20×1.5=30mm，这里取35mm。

通过查阅《农业机械设计手册》（陈志，2007），可知种薯块的自然休止角一般为30°，因此取薯勺内的角度应小于或等于其自然休止角，这里也取30°。

5排肥器的选型设计

5.1排肥器的性能要求

（1）排肥量稳定、均匀，不受肥箱内肥料的多少、地形倾斜起伏及前进速度等因素的影响。

（2）通用性好，能施多种肥料。

要求排肥器除了能排施流动性好的颗粒状化肥和复合颗粒化肥外，也能排施流动性差的粉状化肥。

（3）排肥量调节灵敏、准确，调节范围能适应不同化肥品种与不同作物的施用要求。

（4）工作阻力小，使用调节方便，便于作业后清理残茬化肥。

（5）排肥器所有与肥料接触的机构、零件最好采用防腐耐磨材料制造。

5.2常用排肥器的种类和特点

常用的化肥排肥器有以下几种类型：

（1）外槽轮式排肥器外槽轮排肥器工作时，外槽轮旋转，颗粒化肥靠自重充满槽轮的凹槽并被槽轮带着一起旋转，在槽轮外面的肥料在槽轮的拔动和肥料颗粒之间的摩擦力作用下也被带动起来由槽轮强制带出，从排肥舌上调入输肥管，然后经开沟器导入种沟。

该排肥器转动的槽轮和不转动的阻塞套可以在排种盒内随排种轴左右移动，通过改变槽轮的长度来调节排肥量。

外槽轮排肥器的槽轮可以换成齿轮。

槽轮的齿数相对排种器的来说有所减少。

（2）星轮式排肥器工作时，旋转的星轮星齿间的化肥强制排出。

常用两个星轮对转以消除肥料架空和锥齿轮的轴向力。

该排肥器的肥箱底部装有活页式铰链，箱底可以打开，便于消除残存的化肥；星轮的拆卸也很方便。

排肥量的调节可以通过调节手柄改变排肥量活门的开度来实现。

（3）螺旋式排肥器其主要工作部件是排肥螺旋。

工作是螺旋回转，将肥料导入排肥管。

在排肥量较小时，螺旋式排肥器的排肥均匀性很差

（4）水平刮板式排肥器水平刮板式排肥器是近年来我国为解决碳酸氢铵排肥问题而研制的一种排肥器。

它的基本特征是由在水平面旋转的曲面刮板或弹击刮板将化肥排出。

（5）搅---拨轮式排肥器这是一种通用型排肥器。

其突出特点是能有效地消除肥料的“架空”可靠的排施含水量很大的碳酸氢铵。

缺点是清肥不便。

（6）振动式排肥器由于震动关系，肥料排量受肥箱内肥料多少、肥料密度、粘结力等的影响较大排肥量的稳定性和均匀性差。

在马铃薯的种植过程中，不同的化肥往往需要选用不同的排肥器，马铃薯播种的时候所用的一般是硫酸铵或磷酸二铵等颗粒化肥，其含水率都低于1%。

通过对以上几种排肥器的比较以及马铃薯施肥的要求，本次设计决定选用移动式外槽轮排种器。

这种排肥器的优点在于其可以把它的槽轮换成齿轮，工作原理也与槽轮时相同。

槽轮轮式排肥器一般用于排施流动性教好的颗粒状化肥，具有较好的排肥稳定性和均匀性，但缺点是不能用于排施流动性差的化肥。

其结构如图5—1所示。

1．卡箍；2．轴销；3．花形挡圈；4．外槽轮；5．阻塞套；6．排肥杯；

7．排肥舌；8排肥轴；9排肥舌轴

图5—1移动式外槽轮排肥器

Figure5—1theflutedrollerfertilizerapparatus

5.3排