马铃薯播种机的设计华中农业大学设计大学论文.docx

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马铃薯播种机的设计华中农业大学设计大学论文

马铃薯播种机具的设计

摘要

马铃薯作为我国主要的四大主粮之一，在我国种植区域广大。

我国马铃薯种植面积在2014年已达567万公顷，总产量8700多万吨，均居世界马铃薯种植面积和产量第一位，然而单产却很低。

导致这一结果的主要原因是马铃薯种植方式的落后以及机械化水平低下。

因此，提高马铃薯种植的单产量就是当前结决马铃薯问题的主要任务。

改进马铃薯种植方式和提高机械化水平是提高马铃薯单产量有两个重要途径。

其中最有效的是提高机械化生产水平，这就要求改进马铃薯播种机性能，提高播种机具的通用性和适应性，从而提高播种效率。

大力推广结构简单、性能优良的马铃薯播种机在马铃薯种植区域的应用。

升运链式马铃薯播种机作为一种块状马铃薯播种机，具有结构简单，加工制造方便，工作可靠，种薯损伤率低，效率高等优点，在国内外马铃薯种植中得到广泛的推广与应用。

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

PotatoasoneofthemainstaplefoodinChina,plantingareaisvast.2014,China'spotatoplantingareahasreached5.67millionhectares,thetotalproductionofmorethan87milliontons,rankedfirstintheworld,butthesingleproductionisverylow.Themainfactorscontributingtothisresultarethebackwardnessofplantingpatternsandthelowlevelofmechanization.Therefore,themaintaskistoimprovethesingleyieldofpotatoplanting.Improvingplantingmethodandimprovingmechanizationlevelaretwoimportantwaystoimprovepotatoyield.Themosteffectiveistoimprovethemechanizedproductionlevel,whichrequiresimprovingtheperformanceofpotatoseeder,improvingtheversatilityandadaptabilityofseedingmachines,thusimprovingtheseedingefficiency.Topopularizethepotatoplanterwithsimplestructureandexcellentperformance.Asakindofbulkpotatoseeder,thepotatoseederhastheadvantagesofsimplestructure,convenientmanufacturing,reliablework,noinjury,highefficiency,andhasbeenwidelypopularizedandappliedathomeandabroad.

Keywords

Planter；Potato；Ladle—chaindispenser；Flutedrollerfertilizerapparatus；Hoeopener

1前言

1.1课题背景和科学意义

马铃薯原产于南美洲的安第斯山区，是世界上重要的粮食和蔬菜作物，也是重要的工业原料。

马铃薯富含糖类、淀粉、蛋白质及优质纤维素等多种营养成分，是抗衰老的优异食物之一

，马铃薯同时且具有耐干旱、耐贫瘠、高产稳产、适应性广和产业链长等特点，因而受到世界各国的高度青睐。

联合国粮农组织早在很早之前就已将马铃薯列为四大主粮之一，虽然马铃薯传入中国只有400多年的时间，但在2014年我国马铃薯种植面积已达567万公顷，总产量8700多万吨，均居世界第一位

。

其中四川、甘肃、黑龙江、内蒙古等省（自治区）是马铃薯主产区，种植面积均超过60万公顷。

早期人们并未意识到马铃薯的重要性，只是将其作为粮食、蔬菜和经济作物

，近年来，随着各级政府对马铃薯产业关注程度的加大和种植业结构的调整。

提高单产量的关键是提高机械化种植和收获水平。

当前，我国除了少部分地区实现马铃薯机械化种植或者半机械化种植，大部分地区的马铃薯种植还保留在传统种植的水平。

传统的马铃薯种植方式也是制约马铃薯单产量提高的主要原因之一，重点体现在：

（1）马铃薯种薯质量低，我国种植马铃薯的大部分地区，种薯一般都是自家准备的，并且大多数没有消毒、杀菌等提高种子质量的措施处理，因此种植出来的马铃薯质量以及产量都不高；

（2）马铃薯种薯品种单一，不同地区和气候条件需要不同的种薯，而我国在这方面所作的研究还远不能适应其要求。

因此，应该在今后加大对马铃薯种薯的研究；（3）种植方式传统上靠人力、畜力，劳动强度极大且劳动效率极低，影响马铃薯种植时间，这对马铃薯种薯的发芽和生长都极为不利。

1.2当今国内外马铃薯播种机的发展

1.2.1国外马铃薯播种机发展现状

早在1880年，英国的Ransoms和Sims研制出了一种两行马铃薯播种装置，是目前世界上已知的最早的马铃薯播种机。

该播种机以畜力作为动力源，播种机上安装有半自动排种器，可以极大地提高马铃薯播种机的播种效率。

播种机的核心部件是排种器，国外马铃薯播种机上的排种器主要类型有：

勺盘式排种器、刺针式排种器和链勺式排种器。

2007年7月25日欧盟组织公开了一项专利：

链式马铃薯种植机。

该专利提出了一种链式播种装置，即使用水平链式输送机构横向输送马铃薯种薯，然后再将种块投到种沟中，这样可大大减少漏播率的发生

。

2007年11月26日年欧盟组织公开了一项专利：

马铃薯种植机。

该专利公开了一种马达驱动的播种技术，通过液压马达驱动排种器，打破了依靠地轮驱动的局限，可通过调节马达转速改变拖拉机行进速度。

这样避免了因转速变化而出现漏播、重播以及排种不均匀等现象

。

1.2.2我国马铃薯播种机的发展现状

我国对马铃薯排种器的研究起步较晚，与发达国家存在较大差距，排种器多为链勺式。

2011年，刘天祥等在其撰写的专利中提到了一种马铃薯微形整薯排种器，该机满足了马铃薯微形整薯机械化排种作业要求，结构简单、造价低廉、作业效率高、作业质量好、使用寿命长、维修保养简易方便

。

2012年，李紫辉等人在其撰写的专利中提到了一种马铃薯播种机轮盘式排种器，该机器播种作业时采用人工将种薯放入扇形通孔内，尤其适合小地块、精播率高，低速机械作业时使用，播种机结构简单、加工成本低、故障少、播种质量好的特点

。

2013年，吴建民等在其撰写的专利中提到了一种马铃薯全膜双垄沟播种机，该播种机可以一次实现播种、施肥、起垄、镇压、全膜覆盖、覆土等连续作业，从而有效解决了马铃薯种植中的全膜双垄沟抗旱播种技术无相应配套马铃薯播种机的问题

。

2014年，张旭东等在其撰写的专利中提到了一种马铃薯大垄三行铺膜播种机，该机解决了马铃薯机械化种植与拖拉机轮距不适宜问题。

可一次作业完成马铃薯大垄三行种植的开沟、施肥、播种、覆土、打药覆膜等农艺过程

。

1.3设计的主要内容

（1）马铃薯播种机总体设计方案及技术要求

（2）传动机构的特点及结构设计

（3）开沟施肥装置的结构设计

（4）排种器的总体结构设计

（5）输种管、输肥管、镇压轮和行走装置的设计

1.4升运链式马铃薯播种机技术参数

（1）尺寸外形（长×宽×高）：

1450mm×1100mm×950mm

（2）动力配套：

12kw

（3）作业效率：

10acre/h

（4）作业幅宽：

1100mm

（5）种植方式；平播

（6）种植深度：

60－150mm

（7）种植行数：

2行

（8）种植行距：

400mm

（9）地轮直径：

500mm

（10）前进速度：

1m/s

（11）传动方式：

链传动

（12）开沟部件：

锄铲式开沟器

（13）排种器形式：

外槽轮式排种器

（14）覆土器：

拖环式

（15）镇压轮：

复合圆锥式镇压轮

（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

总体方案是将开沟器、传动结构、施肥器、排种器、覆土装置以及镇压轮设计出来，使其与选用的拖拉机以三点悬挂方式挂接为一体，使其能顺利平稳地完成土壤开沟、播前施肥、播种马铃薯、覆土镇压等工序。

悬挂装置能有效的控制马铃薯播种机作业时的播深以及运输过程的良好通过性，开沟器不仅要能开出平整、深度一致的垄沟，而且要具有覆土的能力。

确保排种器在马铃薯种植过程中出现漏播率、重播率

3%这一要求。

要求镇压轮镇压效果良好，作业后的土壤地面平整，有利于保肥保墒，提高马铃薯产量。

2.1.2基本结构

马铃薯播种机包括机架、传动结构、开沟器、排种器、排肥器、种箱、肥箱、输种管、输肥管、覆土器和镇压轮等部件组成或构成。

三点悬挂构件位于机架的前梁部分与拖拉机连接，种箱、肥箱依靠侧板固定在机架中间的横梁上方，肥箱在前，种箱在后。

横梁下面固定着排种器、施肥装置。

一根开沟器的梁安装在肥箱前面，将开沟器与扁钢通过U型螺栓紧固，依此调节开沟和播种的深度。

可通过横向移动来调节开沟器在横梁上距离以达到调节开沟行距的目的，镇压轮连接在机架的后梁，起到镇压土壤的作用。

2.1.3工作原理

马铃薯播种机通过三点悬挂与拖拉机连接，当拖拉机前进时，其输出动力带动播种机上的排种器旋转并工作，其作业速度约1m/s。

播种机具工作来源于地轮旋转的动力。

当播种机作业时，动力通过拖拉机由输出轴传递到地轮，再经由地轮主动轴传递动力给镇压轮的中间轴，最终通过链条传动传给肥箱、排种器等机构，排出的化肥经输肥管落入已经开好的施肥沟。

排出的马铃薯种薯经过输种管进入开沟器开好的种沟。

同时为了避免化肥烧坏种薯，化肥应与种薯保持适当的距离，一般化肥位于种子下方约5cm左右处，这样对种薯比较安全。

覆土器应该完好的覆盖种沟以保证出苗率，一般情况下，应选用较大直径的地轮，这样工作时传动可靠且不容易出现打滑现象。

该机结构简单、性能优异，可以一次性较好的完成开沟、施肥、播种、起垄、覆土镇压等多道工序，这对提高马铃薯种植效率，促进马铃薯高产、稳产具有重要的现实意义和深远的技术影响。

2.2配套动力的选用

根据目前我国拖拉机在播种机上的使用情况，并结合马铃薯播种机所消耗功率进行初步计算，采用东风-200拖拉机，或功率相近的其他拖拉机机型也可。

东风-200拖拉机的主要参数如下：

外部尺寸（cm）2850x1350x1990

拖拉机功率（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

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传动方式的确定

传动方式一般要保证播种机总体机构传动可靠，不影响马铃薯播种机正常良好的工作。

本次设计根据马铃薯播种机与拖拉机的连接方式和工作特点来确定播种机传动路线，使得马铃薯播种机能在工作时能较好的完成开沟、播种、施肥、覆土、镇压等一系列工序。

参考借鉴以往相关的机型，将传动方式分为两种。

第一种传动方式是地轮随拖拉机前进而旋转运动，将动力传递给中间轴，经过链轮传动带动排种器工作；第二种传动方式是中间轴将动力分别传递给排种器和排肥器的转动轴，驱动排种器链轮和排肥器槽轮转动排种和排肥的实现。

3.2传动比的计算

取地轮转动的速度3.6km/h，换算后为1m/s，普通地轮直径一般约是500mm，通过如下公式简单计算出地轮轴的转速n1

（3—1）

式中：

v—行走轮行驶速度

d—行走轮直径

计算得出n1

.

按照设计说明书要求，地轮转速与中间轴转速应该保持一致，因此地轮轴和中间轴两轴的传动之比为1，因此中间轴转速亦是38r/min。

上、下链轮在排种器上垂直装配安放，因此工作过程中要求链轮转动平稳可靠，两者之间的转速不能相差太大。

传动链轮的链勺速度约为

0.5m/s，若速度降低到0.25m/s左右，对应的应将原来要求的株距缩小2倍，这样才能不至于影响排种效率，最终选择马铃薯播种机排种器上传动链轮、下传动链轮之间的传动之比为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

马铃薯种薯作为大粒径种子，种子占据空间大。

首先，马铃薯播种机种箱必需有足够大的体积，这样能减少加种次数，提高工作效率，一般情况下要求播种机达到地头再加种，减少时间的浪费。

但是若种箱容量过大，就会增加马铃薯播种机的重量，从而加大所需拖拉机功率，最终对播种机的性能稳定性产生不利影响。

其次，马铃薯种箱必须满足箱壁与水平面的夹角大于马铃薯种薯的自然休止角这一条件，以此保障种薯能顺利滑落，避免堆积。

实测马铃薯种薯的自然休止角α=24°~34°，此处选择自然休止角α=30°。

最后，种箱还必须满足坚固耐用的特点，并且质量要小，有防潮性能。

为了便于种箱加种、卸种以及清种，该机所选择锥台型（上口直径稍大，下口直径略小）作为马铃薯种箱的形状，而且在上端有防护盖加以保护，避免受外界条件的影响。

4.1.2种箱容积的计算

马铃薯播种机的种箱的容量是由播种机行距、马铃薯株距，平均播种量和播种距离等因素共同参与确定的。

参考以前试验结论：

马铃薯播种机在田间播种作业时不宜将马铃薯种箱内所有种薯播完，种箱内应该至少留有10%的种子，避免种子太少而影响马铃薯播种机播种质量。

首先，假定选择试验田地块长度D=1000m，马铃薯播种机地头往返一次需要加种薯一次。

其次，种植马铃薯种薯时的株距约是120mm，则在100m内需要马铃薯种薯的个数约是833个，每个马铃薯种薯质量约为50g。

因此马铃薯种箱单位体积内容纳规格为20mm×20mm×20mm的马铃薯种薯125个，可利用如下公式计算得出种箱的容积V：

V=1.1LBNmax/667γ（4—1）

式中：

L—播种机装满种子所能播种的最远长度，约为地块长度之2倍，取L=2000m；

B—播种机工作幅宽，取B=1100mm；

Nmax—单位面积马铃薯最大播种量，计算出Nmax≈41.65kg/hm2；

γ—种子的单位容积质量，计算出γ≈7.25kg/L

取L＝2000；B＝1.1；Nmax＝41.65；r＝7.25。

代入公式（4－1）可得：

V=20.8433（L）

在马铃薯播种机实际工作中，应考虑到外界环境的变化，种箱的容积应该要比设计所得数值稍微大，为此，本次设计中取马铃薯播种机的种箱容积为30L。

4.2排种器的选型与计算

对于马铃薯播种机这一种植机械来说，马铃薯排种器是播种机最核心的部件，排种器性能的优劣直接影响到马铃薯播种机的播种质量的好坏，因此，对排种器的设计要严谨认真，以期待达到最优的效果，提高马铃薯种植效率，提高马铃薯单产。

排种器的选择就显得尤其重要，选择适宜的排种器对提高马铃薯的播种效率起着关键的作用。

4.2.1播种机对排种器的性能要求

（1）马铃薯排种器应具备较好的排种均匀性和播种深度稳定性，并且能适应不同环境条件下的播种作业，在地形起伏的田块种排种深度要均匀；

（2）马铃薯排种器应具有较强的通用性和播种适应性，播量范围可以调节；

（3）对马铃薯种薯的损伤较小，一般损伤率不超过种薯的3%；

（4）结构相对简单，易于加工制造及后期使用和维护，调整以及调节应该都较为方便；

（5）马铃薯漏播率、重播率应较低，这对提高马铃薯产量至关重要，两者都要求小于等于3%。

4.2.2现有排种器的类型和特点

播种机上应用的排种器种类较多，按播种方式的不同可分为撒播排种器、条播排种器和点（穴）播排种器三大类。

条播排种器是按照指定的行距，播种深与播种量将种子播成行，只看重一定距离内的马铃薯种薯粒数，一般忽略种子的粒距的一类排种器。

在农业播种上使用的条播排种器主要有外槽轮式、内槽论式、型孔式、摆杆式、勺链式和刷齿式等类型。

所有排种器中应用最为广泛的是外槽轮式排种器，其结构组成为排种器种子室、排种轴、外槽轮、花型挡环和清种舌等结构。

排种器装在种箱的下部，种子通过种箱底部的开口流入到种子室内。

该排种器结构简单、制造加工方便、通用性好，且国际上已经得到标准化，但是对于马铃薯这样的块茎类种子，外槽轮排种器不能降低马铃薯种薯漏种率，反而提高了马铃薯种薯的损伤率。

对于马铃薯种植机来说，需要选择适宜的播种机。

因此，选择一种结构相对更为简单，效率更高和播种性能更好的马铃薯排种器就显得尤为重要，通过对一些排种器，如夹持式排种器、勺链轮式排种器、外槽轮式排种器等排种器的比较，最终选取升运链式应用在马铃薯播种机的排种器上。

该排种器的源于上世纪70年代后期，当时，美国、日本等发达国家已基本实现马铃薯种植和收获的机械化，其种植过程中普遍采用的是的升运杯链式马铃薯排种器，提高了种植效率和产量。

4.2.3排种器的选型

（1）升运链式排种器的结构和选型

根据马铃薯种薯的特点，选用单排升运链式作为本次马铃薯播种机的排种器。

其结构示意图如图4—1所示：

图4—1升运链式马铃薯排种器

Figure4—1Thelabe—chainmeteringdevice

（2）工作原理：

地轮上的轴作为动力传递轴为其提供动力，其经过中间轴将动力扭矩传递到马铃薯排种器的小链轮上，小链轮受力后旋转，然后升运链轮逐渐被带动并以固定匀速的速度匀速上升。

升运链上均匀的固定安装有取种勺，取种勺每次舀取一个马铃薯种薯，再经过上面的链轮和旁边的护种管壁将薯块运输到输种管，最后经过落到开沟器开好的种沟，以此马铃薯播种的整个排种过程实现并完成。

（3）升运链式马铃薯排种器结构参数分析

根据马铃薯播种机设计要求及马铃薯种植的农艺要求，并参考相关技术文献，对以下结构参数展开理论分析：

1．取种勺速度v：

随播种机前进速度的增大而增大，试验结果表明，当取种勺速度小于等于0.5m/s时，马铃薯播种机前进速度适宜其播种，从而播种质量和播种效果较好。

当v等于0.55m/s时，漏播增加，播种质量下降。

若v大于0.55m/s时，漏播严重，马铃薯播种机播种质量和播种效果较差。

因此v最高不要超过0.5m/s。

2．链轮旋转速度n：

排种器脉动频率随着链轮旋转速度的降低而降低，此时马铃薯播种机的排种均匀性就差；转速高则会使种薯损伤率变大且漏种率变大。

根据马铃薯种植的农艺技术要求特点，选取的链轮最大旋转速度小于等于40r/min。

3．链条的工作长度L：

链轮的中心距随着链条的长度变大会增大，从而使播种机输种管输种的长度变大；链条长度太短，则导致输种时来不及种薯缓冲而从取种勺处脱落或滑落，造成漏播并降低了排种的均匀性，影响播种机的播种性能的提高。

因此，应根据链轮中心距的长度选取合适的链条工作长度L，一般链条工作长度L选在大约2m左右，马铃薯种薯的输送高度一般不会超过500mm，升运高度太高降低播种机具的工作稳定性。

4．确定取种勺的形状：

马铃薯播种机取种勺需保证勺背光滑，避免损伤种薯，而且种薯在输送过程中不能出现滑落或掉落等现象，以免降低播种性能。

另外，取种勺质量要小，一般用厚度为1.2mm的铁皮冲压而成或是聚四氟乙烯制造，随着3D打印技术的逐渐成熟，也可用3D打印而成。

4.2.4升运链相关系数的确定

（1）刚开始设定马铃薯播种的理论株距为120mm，可以通过以下公式计算得出播种机地轮转动一周后所需要马铃薯种薯个数n：

（4—2）

式中：

L——地轮转动一周长度；

D——地轮的直径，取D=0.5m。

计算得出n=13个。

（2）取种勺之间的间距即株距B

本次马铃薯播种机设计选用链条节距p=25.4mm，长度大约是2.24m，型号是链条中常用的16A滚子链，滚子链的速度为0.27m/s，是最链条佳速度的0.54倍，滚子链最佳速度为v=0.5m/s。

因此满足排种的需要，可以通过缩小马铃薯株距来实现，即将马铃薯株距缩小为原来理论株距的0.54倍，再根据滚子链链条节距、链条长度来进行调整最后的数值。

计算得出，滚子链条加起来有88节，需要24个取种勺才能达到最佳的排种效果。

因此，其中4个链结组成了16个取种勺，另外3个链结组成其余的8个取种勺。

所以取种勺之间的平均间距也就等于马铃薯播种的株距B=88/24×25.4≈93mm，这样能保证有足够的空间，依次来克服马铃薯充种困难的发生，提高马铃薯播种机播种的均匀性。

（3）取种勺尺寸的确定

通过查阅马铃薯播种机取种勺相关资料和文献，以及对取种勺内马铃薯种薯的输送过程中受力分析，要求取种勺的宽度一般比马铃薯种薯长度的0.5倍还要大，小于种薯宽度的1.5倍。

因为马铃薯种薯的尺寸长度、宽度、厚度分别为20mm，20mm，20mm，所以可以计算出马铃薯取种勺的宽度应该为25mm。

同时为了保证取种勺取薯时有足够的空间使马铃薯不会自然脱落或由于播种过程中的机械振动而掉落，取种勺的长度一般应该大于种薯长度的1.5倍，因此马铃薯播种机取种勺长度大于30mm，此处为了更加安全，取种勺35mm。

此时，可使种薯不从勺内落下，也不存留多余的种薯在勺内。

取种勺内勺壁与水平面的夹角的角度应小于或等于马铃薯种薯的自然休止角，结合前面马铃薯自然休止角的测量，这里取其大约30°为宜。

5排肥器的选型设计

5.1排肥器的性能要求

（1）排肥器在施肥过程中排肥量应稳定均匀，肥箱内肥料的多寡、地形起伏倾斜状况和拖拉机前进速度等因素应对排肥器无显著的影响，这样才能达到较好的效果。

（2）排肥器通用性能好，可以施撒多种化学肥料。

除了对流动性好的颗粒状化肥和复合颗粒化肥具有良好的适应性外，还应该能排施流动性较差的粉末状肥料。

（3）排肥器排肥量应该能实现灵敏而准确的调节，以适应不同品种的化肥和不同种类的农作物施肥需求。

（4）工作时阻力要小，调节以及使用要方便，有利于播种作业后清理肥箱内残余的肥料，提高劳动效率。

（5）制作时，所有与化肥直接接触的零件、机构应采用防止腐蚀且耐磨性较好的材料制造而成，以提高排肥器的耐用性和稳定性。

5.2排肥器的主要类型及结构特点

常见、常用的排肥器类型有如下几种：

（1）外槽轮式排肥器在工作原理方面，外槽轮排肥器与外槽轮式排种器的工作原理相类似，工作时，外槽轮在外力的作用下旋转，颗粒状肥料依靠自身重力充满槽轮的凹槽并随着外槽轮排肥器的槽轮的转动而转动。

在肥料颗粒相互之间摩擦力的作用下，槽轮外面的肥料在也被带动起来转动，从排肥舌上逐渐流动到输肥管，然后经开沟器导入肥沟。

排种盒内阻塞套可以随着外槽轮排肥器排种轴左右来回滑动，可以通过改变槽轮的长度来实现排肥量的调节。

可以用相对排种器槽轮的齿数较少的齿轮来代替外槽轮排肥器的槽轮，简便有效。

为了改变外槽轮排肥器的排肥性能，可以将聚四氟乙烯材料替代原来的铸铁材料，依此来减少化肥对外槽轮排肥器的