黄 瑞，王 鹏，张敬修，余晓奥
（合肥经济学院 工学院，安徽 合肥 230031）
农业播种机械是指在作物种料播种过程中所使用的各种机械,能够提高工作效率和作物品质及产量。一般把两种不同类型的作物种料同时播种叫双作物间作播种。双作物种料间作播种可提高土地利用率，增加作物对阳光的截取与吸收，减少光能的浪费。通过双作物种料间作播种的种植模式，可以改善土壤团粒结构，平衡土壤养分[1]，降低土壤盐分含量及作物病虫害发生率，有效减少农药的使用，改善农田生态环境，具有较好的经济和社会效益[1-2]。
经过调查研究国内外现有的农业播种技术，总结出的双作物种料间作播种具有以下问题：（1）当前的双作物种料间作播种主要由人工完成，导致播种效率低、人工成本高[3]；（2）人工投放的种子与肥料不定量，导致农作物适应性较差[4]。因此，双作物种料间作播种特点、定量控制方法、不同种料切换装置等的研究，可以推动双作物种料间作播种方式的升级。因此双作物种料间作播种机对于农业播种效率、经济性以及播种质量具有至关重要的意义。
本设计以加快双作物种料间作播种效率和质量为主要目标，重点突破定量控制装置、不同种料切换装置等双作物种料间作机械化播种的关键部件，希望设计一种播种效率高、播种质量好、结构合理的双作物种料间作播种机，满足市场对间作播种机械的最新技术需求。根据不同的高校科研院所以及农业播种企业重视间作播种机的研究来看，特别是定量控制与种料切换技术，得出间作播种机在农业播种中存在的难点进行分析，设计出双作物种料间作播种机技术的研制思路。进行如下的创新性设计[5]：
1.1 设计十字运动架，研制双作物种料间作播种工作装置，实现挖土功能和种子播种功能，且种子不容易卡塞通道，有效地提升播种效率。
1.2 研制双作物种料间作播种排料装置与分料装置，实现肥料与种子的周期性切换排放，有效地实现定量播种。
1.3 研制双作物种料间作播种传动装置与放料装置，实现两种不同作物种子的填种功能，有效地实现两种不同种料的切换。
该农业播种机包括工作装置、排料装置、分料装置、传动装置和放料装置。
工作装置是本农业播种机的末端执行器，其工作速度和运动的协调性直接影响农业播种机的播种效率和播种效果。工作装置要完成挖土、放种子和施肥料的功能，且放种子和施肥料的次数要相同。
工作装置包括方形下钢架、车轮和十字运动架。十字运动架由纵轴和横轴组成，且具有自由度。纵轴活动地套在下钢架的中间轴上。横轴两端的球关节与偏心轮安装，偏心轮与电机的皮带输出端安装在同一个转动轴上。当电机工作时，电机输出端通过皮带、偏心轮、球关节，带动十字运动架的纵轴相对于下钢架的中间轴做周期性来回移动和左右摆动。偏心轮上安装的弧形挖板做旋转运动，可以实现挖土功能。横轴两端分别上下贯通，可以实现种子的播种功能，且左右摆动可以防止种料卡塞通道，可以有效地提升播种效率。W形刮板可以实现挖土的推填。下钢架长度为1000mm，宽度为700mm。十字运动架纵轴长度为750mm，横轴长度为550mm，材料都为合金钢20CrMnTi。W形刮板长度为650mm，其余部件材料都为Q235。选用57BYG100步进电机。农业播种机的工作装置机械结构，见图1。
图1 农业播种机的工作装置机械结构
排料装置作为定量控制的核心装置，其运动要与工作装置配合协调，保证种子与肥料都实现定量排放。种子与肥料排放过多或过少，都会影响播种质量和效果。
排料装置包括排料静止盒与排料移动块，排料移动块安装在排料静止盒的内部。排料静止盒上端的三个孔中，左右孔为肥料孔，中间孔为种子孔。排料移动块可以做左右来回移动。当排料移动块处于中间位置时，排料静止盒中间孔的种子进入到排料移动块的中间储存腔中。当排料移动块左移时，储存腔中的种子从排料静止盒的左下孔排出，同时排料移动块的右孔与排料静止盒的右孔对通，肥料从排料静止盒的右下孔排出。当排料移动块右移时，实现的功能也一样。排料静止盒长度为600mm，宽带为200mm，高度为150mm，材料为Q235钢。农业播种机的排料装置机械结构，见图2。
图2 农业播种机的排料装置机械结构
传动装置作为播种机的关键零部件，对整体工作的流畅度影响较大，播种质量进而也会受到影响，因此要保证其具有良好的强度和刚度。
传动装置包括C形架和单向拨块。C形架底端与十字运动架的纵轴相配合，C形架中端与排料移动块配合。电机工作时，十字运动架的纵轴相对于下钢架的中间轴做周期性来回移动，动力通过C形架带动排料移动块做周期性来回移动，从而实现由C形架控制排料装置的工作。农业播种机传动装置的机械结构，见图3。
图3 农业播种机传动装置的机械结构
装配时，排料装置安装在中间钢架上。工作装置与排料装置的左右孔，分别由软波纹管接通。农业播种机工作装置与排料装置装配机械结构，见图4。
图4 农业播种机工作装置与排料装置装配机械结构
分料装置是实现双作物间作播种过程中二合一作用的关键装置，即将两种不同的种子周期间歇地放入同一个出口中。
分料装置包括分料静止盘和分料旋转盘。分料静止盘上端有左右两个种子方形入口，两个种子方形入口分别对应两种不同的作物种子。分料静止盘下端有种子圆弧出口。分料旋转盘的周侧有种子储存孔，端侧有动力凸块。圆弧出口的体积与分料旋转盘周侧的种子储存孔体积相等，且为排料装置排料移动块的中间储存腔体积的两倍，从而可以实现分料旋转盘周侧的每个种子储存孔内的种子，排料移动块要左右各移动一次才可以完全排完。分料旋转盘的直径为300mm，厚度为100mm，材料为Q235钢。农业播种机分料装置的机械结构，见图5。
图5 农业播种机分料装置的机械结构
分料静止盘与分料旋转盘通过中间轴孔装配。分料旋转盘端侧的动力凸块与传动装置的单向拨块配合，完成动力传输，控制分料旋转盘间歇转动，从而实现分料旋转盘储存孔中的种子间歇地从分料静止盘下端的出口放出。农业播种机分料装置装配机械结构，见图6。
图6 农业播种机分料装置装配机械结构
放料装置是实现两种不同作物种子排放的关键部件，放料装置的运动要与分料装置的运动相协调。
放料装置包括L形块、控制横板和分料静止盘上端的两个方形管。两个方形管左侧都有控制横板槽口，分料旋转盘带动端侧的L形块运动，L形块带动控制横板向左移动。当L形块不与控制横板接触时，由于弹簧复位，控制横板将两个方形管通道阻拦。当L形块带动控制横板左移时，控制横板将两个方形管通道对通，种子下落。L形块与分料旋转盘端侧的动力凸块呈1：2分布，当分料旋转盘间歇转动两次时，L形块带动控制横板左移一次。从而当分料旋转盘周侧的两个相邻种子储存孔的种子被排出时，分料静止盘上端的两个种子方形入口对相邻种子储存孔实现不同作物种子的填种的功能。方形管长宽尺寸为50mm，材料为Q235钢。农业播种机放料装置的机械结构，见图7。
图7 农业播种机放料装置的机械结构
排料装置上端的左右孔通过软波纹管与U形肥料箱接通，放料装置上端的两个方形管与种子箱接通，种子箱的左右隔断箱分别放不同的作物种子。农业播种机的整体高度为1200mm。农业播种机的结构总成，见图8。
图8 农业播种机的结构总成
播种机使用前，将两种不同的作物种子分别放置在种子箱的左右隔断箱。再将颗粒肥料放置在U形肥料箱内。使用时，启动驱动电机，驱动电机通过带传动带动偏心轮发生转动。偏心轮可通过球关节带动十字运动架运动。十字运动架在下钢架的中间轴上做前后移动的同时也可以上下摆动，十字运动架纵轴轴向移动时，横轴一个运动端朝上，横轴另一个运动端朝下；反之，十字运动架纵轴向另一方向轴向移动时，横轴一个运动端朝下，横轴另一个运动端朝上，即在十字运动架纵轴前后移动的过程中，横轴运动端的两端是交替朝上和朝下的。在此过程中，两个偏心盘的转向是相反的。在播种机前行的过程中，可通过两个呈相反方向设计的弧形挖板进行挖土。当一个弧形挖板处于最下方时，另一个弧形挖板处于最上方，即一个弧形挖板挖土时，另一个弧形挖板处于空闲状态。
在十字运动架纵轴一次来回移动的过程中，可以带动C形架移动。C形架可以带动排料移动块来回移动一次，并且C形架还可以带动顶端单向拨块对分料旋转盘端侧的动力凸块进行一次拨动。在C形架两次来回移动的过程中，单向拨块来回移动两次，单向拨块也可以对分料旋转盘端侧的动力凸块进行两次拨动。分料旋转盘端侧的动力凸块被拨动一次，分料旋转盘即可以向逆时针的方向转动一次，拨动两次，则转动两次。由于分料旋转盘周侧的种子储存孔和端侧动力凸块的数量相等且均为偶数个，并且分料旋转盘端侧的L形块为动力凸块数量的一半，故而在C形架两次来回移动的过程中，L形块可以对控制横板进行一次拨动，即单向拨块对动力凸块拨动两次，C形架来回移动两次，L形块才对控制横板拨动一次。
当L形块拨动控制横板时，可以带动控制横板移动，控制横板则带动两个方形遮块从两个方形管的内侧向外侧滑出，此时弹簧被压缩，从种子箱落入两个方形管内部的两种不同的作物种子则可以分别落在分料旋转盘周侧的两个相邻种子储存孔的内部。然后单向拨块拨动分料旋转盘端侧的动力凸块一次，使分料旋转盘转动一次。分料旋转盘转动的瞬间，L形块与控制横板脱离，由于弹簧弹力的作用，使两个方形遮块复位，从而使种子箱内的种子不会再落下。随后单向拨块再拨动凸起块一次，使分料旋转盘再转动一次，此时前两个已经装好种子的分料旋转盘周侧的两个相邻种子储存孔被转走，下两个空的储存孔则被转到了两个方形管的下方。此时L形块又再一次拨动控制横板，两个种子箱内部的两种不同作物种子则再次分别落在了这两个相邻种子储存孔的内部。使用的过程中，即循环上述过程，使相邻两个种子储存孔内装上不同的作物种子。
分料旋转盘转动的过程中，位于最下方种子储存孔内部的种子则落在了圆弧出口的内部。在十字运动架纵轴带动C形架来回移动的过程中，若C形架带动排料移动块从左向右移动到中间位置时，圆弧出口内一半的种子则可以落入排料移动块的中间储存腔的内部；若C形架带动排料移动块从中间位置向右移动到右端时，排料移动块中间储存腔内部的种子从右侧的肥料孔经右侧的波纹软管落下。在上述排料移动块向右移动的过程中，排料移动块的左孔与排料静止盒的左孔对通，U形肥料箱内的颗粒肥料则可以经左侧的肥料通道落到左侧肥料孔的内部，再从左侧的波纹软管落下。当排料移动块从右向左移动到中间位置时，圆弧出口内另一半的种子则可以落入排料移动块的中间储存腔的内部。排料移动块继续向左移动到左端时，最终排料移动块内部的种子从左侧的肥料孔经左侧的波纹软管落下。在排料移动块向左移动的过程中，排料移动块的右孔与排料静止盒的右孔对通，U形肥料箱内的颗粒肥料则可以经右侧的肥料通道落到右侧肥料孔的内部，再从右侧的波纹软管落下。此过程中，种子与颗粒肥料交替落下，而在分料旋转盘每一次转动时，两种不同作物种子是交替落在圆弧出口内部。该过程为一种作物种子从两个波纹软管交替落下后，另一种作物种子再从两个波纹软管交替落下，以此循环下去。
从两个波纹软管落下的种子落下到十字运动架横轴的两端内部，由于十字运动架横轴的两端是交替朝上和朝下的，故而可以交替地将两个十字运动架横轴内的种子排出。同理，从两个波纹软管落下的颗粒肥料也可以交替地从两个十字运动架横轴中排出。具体操作时，通过手柄推动播种机前进，两个弧形挖板交替进行挖土，并将土挖到土坑的前方或者后方，作物种子和颗粒肥料从十字运动架横轴两个出孔交替被排出，并且两种种子是交替出现的。在前进的过程中，W形刮板可以向前推动弧形挖板挖出的土，以进行填埋。
农业播种机的主要运动和功能如下：（1）偏心轮上安装的弧形挖板做旋转运动，可以实现挖土功能。（2）十字运动架的纵轴做周期性左右摆动，可以实现横轴的种子播种功能，且左右摆动可以防止种料卡塞通道，可以有效地提升播种效率。（3）十字运动架的纵轴做周期性来回移动，可以实现动力与运动的传输，使传动装置也做周期性来回移动。（4）传动装置的C形架中端可以控制排料移动块周期性左右移动，可以实现肥料与种子的周期性切换定量排放。（5）传动装置的C形架顶端的单向拨块可以控制分料旋转盘间歇转动，可以实现分料旋转盘储存孔中的种子间歇地从分料静止盘下端的出口放出。（6）旋转盘端侧的L形块带动控制横板向左移动，可以实现两种不同作物种子的填种的功能。
所有部件中，十字运动架的运动最为复杂，确定有限元分析的对象为十字运动架。合金钢20CrMnTi为十字运动架的选用材料，合金钢20CrMnTi的屈服强度值是620.4MPa。在Solid-Works Simulation模块中打开三维模型，将十字运动架划分网格，根据受力情况对十字运动架加上力和约束再分析。十字运动架应力分布云图，见图9。十字运动架横轴的两端为应力主要集中区，十字运动架材料的屈服强度值是620.4MPa，而分析中应力集中区的应力的最大值为0.00001839MPa，所以应力满足要求。
图9 十字运动架应力分布云图
图10为十字运动架应变分布云图，十字运动架横轴的两端为应变的集中区，十字运动架纵轴的应变较小，所以应变满足要求。
图10 十字运动架应变分布云图
对播种机的下钢座进行2阶模态分析，设计中下钢座的材料为Q235。对下钢座增添约束，得出下钢座各阶振型及频率。下钢座1阶振型图，见图11。下钢座2阶振型图，见图12。
图11 下钢座1阶振型图
图12 下钢座2阶振型图
下钢座的第1阶振型，频率为250.24Hz，振动幅度较大部位为右侧转动轴孔处，另外三侧的钢架的振动幅度忽略不计。下钢座的第2阶振型，频率为250.33Hz，振动幅度较大部位为左侧转动轴孔处。
本设计针对现在的双作物种料间作播种具有以下问题：（1）当前的传统人工进行双作物种料间作播种，导致播种效率低、人工成本高；（2）人工投放的种子与肥料不定量，导致农作物适应性较差。设计一种播种效率高、播种质量好、结构合理的双作物种料间作播种机，对双作物种料间作播种的结构进行了设计。利用SolidWorks软件完成各个零件的三维建模并装配成双作物种料间作播种机。介绍了各个装置的构造及作业功能，对关键零部件之间的传动方案进行了具体的设计。根据球关节运动原理设计了十字运动架，研制双作物种料间作播种工作装置，实现挖土功能和种子播种功能，且防止种子卡塞通道，有效地提升播种效率和经济性；利用定量控制原理设计了双作物种料间作播种排料装置与分料装置，实现肥料与种子的周期性切换排放，有效地实现双作物定量播种，提高播种品质，整体上达到装置设计的技术要求及有益效果。利用SolidWorks Simulation工具对十字运动架进行有限元分析，对分析结果进行判断，十字运动架的刚度与强度都满足要求。对下钢架进行了模态分析，掌握了下钢架的固有频率特征。