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1、白明：山地免耕播种机机架分析山地免耕播种机机架分析白明（甘肃农业大学工学院 2006级机械设计制造及其自动化）摘要：本课题的2BFM5型新型山地免耕播种机可以满足山地、雨养地播种的农艺要求，特别适用于旱农平原区、山地和川塬台地播种作业，可以一次完成分土、施肥、下种、覆土、镇压作业，能够实现种肥分施，能够实现深松、深施化肥、湿土覆盖、种肥垂直分层种施、地面仿形和覆土镇压等功能。新型山地免耕播种机属于牵引式耕作，故主机架和手扶拖拉机头之间的动载荷大，结构稳定条件差，为寻求机架刚度特性差问题的解决办法，在研究过程中对主机架和牵引臂采用三维建模软件Pro/Engineer进行建模，在有限元分析软件AN
2、SYS环境下进行了静力结构分析。在静力分析的基础上对播种机模型进行了适当的改进。在结构刚度可靠的基础上对关键受力部位进行强度校核，并对播种机主要部件出现的一些强度问题进行分析和研究，同时借助计算机辅助设计和有限元理论对出现的问题进行改进论证。关键词：免耕播种机 机架分析 有限元第一章 绪论1.1引言全球粮食危机、水资源紧缺等问题迫使人们通过提高单位水的粮食产量或者提高水分利用效率，以有效地利用水资源进行粮食生产。两种途径似乎应该结合在一起，但是在很多地方降雨和作物水分需求是不同步的。因此作物生产必需依赖于土壤中水分的贮藏量。在我国西北部的大面积地区就面临着降雨少而集中、水土流失严重、土壤贫瘾等
3、问题。我国是主要的干旱国家之一，旱区农业持续性发展的主要问题，一是降雨少、气温低、土壤贫瘠、抗旱能力弱，产量低而不稳，农民生活贫困；二是水土流失和风蚀沙化严重，难以持续发展。以山西为例，每年随雨水流入黄河、汾河的泥沙量达亿吨，其中带走有机质万吨，氮磷肥料万吨，相当于一年的化肥施用量。大量水土流失不仅导致土壤肥力下降，而且蚕食耕地。风蚀沙化则是我国北方旱区近年来更为突出的问题，沙尘暴发生的频率愈来愈高。据统计，我国发生沙尘暴次数逐年上升，50年代五次，60年代八次，70年代十三次，80年代十四次，90年代二十二次。从20世纪90年代开始，我国就不断进行各种旱地增产耕作技术的试验研究。随着人们对旱
4、地农业认识的逐步深入，以覆盖或减少耕作为内容的试验研究工作，取得了显著的效果。但是试验研究仍主要着眼于增产方面，没有同时对技术和环境保护功能开展系统性的试验研究。因此，试验研究能同时满足生态环境保护和增产增收的耕作技术就成为当前迫切需要解决的问题。我国是一个多山的国家，全国 2330 多个县级行政区中，有 69%位于山区和山区，在山区居住着全国三分之一的人口，拥有全国 40%的耕地，生产三分之一的粮食。山地丘陵占土地总面积的三分之二，其中 1625之间的耕地有 3214 万公顷，约占耕地总面积的四分之一。我国也是一个干旱缺水的国家，水资源人均占有量仅占世界平均水平的 1/4，在全国耕地面积中有
5、一半左右属于无灌溉条件的旱地，这些地区的农作物产量低而不稳，农村经济的发展受到了较大的制约。因此，发展旱作节水农业已成为我国发展可持续农业生产中的一项重要战略任务。机械化旱作农业技术的进步和发展关系到中西部旱作地区农业生态的保护和环境资源的进一步开发与利用，也关系到这些地区农民收入和生活水平的提高。我省地处西北内陆地区，属青藏、蒙新、黄土三大高原的交汇地带，分属长江、黄河、内陆河三大流域，是地域辽阔、地形复杂、资源丰富的大省。土地总面积42.58万平方公里，人口2561.5万，截至2000年底，全省共有耕地7433.55万亩，人均占有耕地2.9亩，高出全国人均占有耕地的近一倍。甘肃地形狭长，山
6、地和高原占全省国土面积的70%，戈壁和沙漠约占15% ，大部分地区干旱少雨，且蒸发量大，由于山地、坡地、薄地的比重大，数量上的优势被质量上的劣势所抵消，土地资源并不占优。长期以来，由于挤占耕地、乱垦荒地的现象没有得到有效制止，开垦的荒地由于粗放经营和撂荒，造成新的植被破坏和水土流失。从60年代初期起，全省耕地面积每年减少约0.93万，并随着人口的增加，人均耕地面积仍在逐年下降。在这种形式下，我们要提高人均粮食产量，就要实施农业机械化，但对于我省这种耕地现状，实施大型播种机械难度很大。为了适应我省山区地貌，甘肃农业大学工学院设计出的山地免耕播种机，具有结构简单、功率消耗小、体积小等特点，对在我省
7、山区推广农业机械化相当有利。1.2保护性耕作技术介绍早期的传统耕作是对土壤多次耕翻耙造成一个疏松的耕层，冬季裸露休闲，土壤得不到保护，这是我国水土流失和严重风蚀的根源。因此要从改革耕作制度入手，对传统耕作方法全面改进，大力推广保护性耕作。保护性耕作被联合国粮农组织命名为“Conservation Agriculture”，定义为“A set of principles to reduce losses of soil structure and fertility and improve water use efficiency and production”。国内定义为保护性耕作是最大限度地
8、减少土壤耕作和将作物秸秆残茬留于地表的一种耕作体系，是一种改良的、集约的、防治水蚀和风蚀的作物生产方法。保护性耕作的核心技术：一是残茬覆盖，淘汰铧式犁，土壤不翻耕，秸秆覆盖田面。二是使用茬地播种机播种，随种子播种深施化肥。三是采用除草剂与浅除相结合清除杂草。对保护性耕作还有定义为保护性耕作是指以水土保持为中心，保持适量的地表覆盖物，尽最少翻动土层，而又能保证作物正常生长的耕作方法。近年来，在国家科技攻关项目、农业部项目、澳大利亚国际农业研究中心项目的支持下，中国农业大学和山西省农机局、澳大利亚昆士兰大学、中国农科院等合作，在山西、河北两省建立八个试验区，经过十年持续的试验，完成了保护性耕作在我
9、国的适应性研究。监测数据表明，保护性耕作的休闲期蓄水量高于传统耕作，对小麦出苗和根系发育十分有利保护性耕作的水分利用效率平均高于传统耕作。这证明保护性耕作技术在我国是可行的，是适合在北方地区大面积推广，有利于生态环境保护、增产增收、促进早区农业可持续发展的先进耕作技术。1.2.1国外保护性耕作发展状况国外保护性耕作技术最早出现在美国，由于20世纪30年代的黑风暴，美国在50年代逐步形成机械化免耕技术，60年代欧洲、北美等地的机械化发达国家开始采用免耕技术，70年代澳大利亚、拉丁美洲开始采用保护性耕作技术。经过半个世纪的发展，保护性耕作己经成为这些国家的主体耕作技术。美国在20世纪30年代，发生
10、了两次震惊世界的黑风暴，30万公顷以上的良田遭到毁坏，土层变薄，土壤肥力大大降低，作物产量下降，无法耕种。为此，美国成立了土壤保护局，对各种保水、保土的耕作法进行了大量研究。大量的试验测定表明采用以少耕免耕和秸秆覆盖为中心的保护性耕作法，可以明显地减少水分蒸发，减少径流，增加土壤蓄水和提高产量。1977年以免耕为中心的保护性耕作法获得美国政府一等奖，正式确立了保护性耕作的地位。1988年，美国以秸秆残茬覆盖量为主要依据，重新定义了传统耕作、少耕和保护性耕作，用保护性耕作代替了免耕的提法。1994年美国联邦立法，规定高侵蚀地必须采用保护性耕作。进入20世纪90年代美国的保护性耕作得到进一步加强，
11、成为世界上免耕面积最大的国家。加拿大从20世纪50年代后期开始保护性耕作试验研究，大致可以分为三个阶段1955一1985年为初期试验研究阶段，经历了较长时间，集中研究除草剂和免耕播种机。1985-1995为中期示范推广阶段，由于试验研究成功，除草剂价格下降、除草效率提高，保护性耕作得到大面积的推广应用。1995年至今由于粮食价格下降，这一阶段集中研究降低生产成本，部分农场在保护性耕作地采用多种方式除草、降低除草剂的用量，改进机具、减少作业阻力，降低机械作业成本。澳大利亚于20世纪70年代在全国各地建立了大量保护性耕作实验站，吸收农学、水土、农机专家参与实验研究工作，取得了显著成果。80年代初开
12、始大规模推广20世纪末，主要农业区基本实现保护性耕作。同时，为了解决大功率拖拉机对土壤的压实，以及大面积化学除草剂的重喷和漏喷，提出了固定道作业，目前澳大利亚的固定道保护性耕作体系已推广到100万公顷。前苏联在20世纪50年代开始试验了马尔采夫无壁犁耕作法，效果不理想，杂草太多。随后，结合马尔采夫耕作法和加拿大的抗旱留茬耕作法，配合施用除草剂，形成一套适合旱地的蓄水保墒保土耕作法，产生了良好效果，并因此获得了列宁奖金。拉丁美洲包括巴西、阿根廷、智利、巴拉圭等国家，是保护性耕作起步较晚但发展很快的地区。拉丁美洲属于热带亚热带地区，该地区农业的一大问题是土壤肥力的持续下降，其主要原因是传统耕作土壤
13、裸露，长期暴露在风、雨和高温下，导致土壤侵蚀和向空中逃逸，有机质迅速降低。拉丁美洲国家的保护性耕作面积不仅发展快，而且采用免耕的形式多，免耕面积已经达到保护性耕作的95%。从国外保护性耕作的发展可以看出，保护性耕作出现在西方发达国家，是因为他们农业实现机械化较早，传统的机械化耕作引起了生态环境破坏，为保护耕地、保护环境才研究产生了保护性耕作技术。目前保护性耕作在世界范围内正处于不断发展的过程中。1.2.2国内保护性耕作的发展状况我国是主要的干旱国家之一，旱地农业面积占全国总耕地的40%，主要分布在昆仑山、秦岭、淮河以北的个省、市、自治区。旱区农业持续发展的主要问题，一是降雨少、气温低、土壤贫瘠
14、、自然条件恶劣、产量低而不稳，农民生活贫困；二是水土流失和风蚀沙化严重，不仅导致土壤肥力下降，而且残蚀可利用土地，导致旱区“旱、薄、粗、穷”的局面。我国保护性耕作研究开始于20世纪60年代，黑龙江国营农场开始进行免耕种植小麦的试验示范。60年代末到70年代初，江苏太湖、徐州开展稻茬地上免耕播种小麦的研究。80年代开始，旱地农业耕作体系的研究有向覆盖和减少耕作发展的趋势。这些研究以抗旱增产为目标，从不同的方面推动了我国保护性耕作的前期进展。但这些研究多数还没有以可持续发展为目标，没有考虑同时解决生产效益和生态环境问题所研究的多数技术体系以人畜力作业为主，关键的免耕施肥播种技术和机具等问题没有解决
15、，劳动强度大，大面积推广有困难。1.3国内外免耕播种机研究现状机械化保护性耕作技术中，免耕播种技术是关键。保护性耕作体系推广实施的关键环节之一是需要性能完善、质量可靠的保护性耕作专用机具，其中免耕播种机是最重要的配套机具，能够完成在秸秆覆盖的免少耕地上播种施肥。国内外学者对免耕播种机的主要工作部件进行了广泛的研究，并开发研制出了许多类型的免耕播种机。1.3.1国外免耕播种机研究现状国外从20世纪40年代初就开始保护性耕作的研究，已经拥有相对成熟的保护性耕作技术和机具。目前美国的John Deere、Great Plains、Case;加拿大的Flexi-coil;澳大利亚John Sheare
16、r;巴西的Semeato、Balda等著名公司经过多年研究研发设计的免耕播种机，性能优良，得到广泛推广应用。图1-1为John Deere公司生产的1560免耕条播机，采用直径460波纹式单圆盘开沟，破土角度小，对土壤扰动小自身质量大，机架离地间隙大，秸秆通过性好开沟压力大（除自身质量大外，还可通过液压系统调节压力）。该机按工作幅宽有3.05m型、4.6m型和6.1m型三个系列，最大基础质量2917一5969。经试验，该机性能可靠，但种、肥没有分施，只能在播种同时施少量种肥，不能同时施足底肥，若需要施肥时，只能先在种箱中加入化肥，进地作业一遍，将作业深度调到最大约（8），然后二次进地播种。图1-2为美国Case公司生产的SDX30型免耕播种机。该机采用单圆盘开沟器，排种方式为气力式，可以在高茬覆盖地作业。该机采用开放式结构设计，使得用户可以在前面或后面方便地调整开沟器。每一个开沟器都是通过气力加压，并且气压可单独调节以满足不同的播种深度要求。整机重量为11.9吨，整机结
