甘蔗种植机设计

　　甘蔗是一种产量高的经济作物，在全世界的糖类制品中，有65%左右的是由蔗糖制成的。蔗糖不但是饮料、糖果等日常所需食品的制作原料，同时蔗糖也是能源、轻工和化工等工业领域的重要原材料。甘蔗不仅仅可以制作成生物乙醇和实用糖等食品，蔗糖脂、果葡糖浆等也可以由蔗糖制作而成。蔗渣、虑泥、废蜜、蔗渣等可以制成纸张、纤维板、碎粒板、食用品培养基、饲料等[1]。如果能够综合利用甘蔗的各种产物，蔗农们的经济效益必定会得到大幅度的提升。所以，发展甘蔗产业对提升民众收入，加快农业与有关产业的发展，甚至对当前社会经济的发展都有关键的作用与影响[2]。

　　据有关机构发布的《2018-2024年中国制糖行业深度调研及投资前景分析报告》显示，2016年我国甘蔗行业种植面积约1527千公顷，近几年我国甘蔗行业莳植面积及甘蔗主要产地分布情况如下图1-1、图1-2所示。

　　甘蔗中耕包括旋耕除草、破垄或开沟、施肥、培土等工序，是甘蔗生产中最重要的作业工序之一。目前，我国甘蔗中耕施肥主要是采用人工施肥，肥料利用率低，环境污染严重[3-5]。通过人工种植，每人每天只可以种植.003hm2，此外任务量较大。特别是近期，为了增加甘蔗的产量，提高蔗农的经济收益，冬季甘蔗一般推广使用地膜覆盖技术，此步骤增加了具体种植时期的任务量以及整体费用。因此进一步研究甘蔗种植机械，对推动甘蔗种植生产的发展具有重要意义。

　　目前甘蔗产业在我国占有举足轻重的战略地位，我国是仅次于巴西和印度的第三大甘蔗生产国[6]。随着全球化进程的发展，X、巴西、澳大利亚等几大甘蔗种植大国，由于他们甘蔗的种植及收获全程都依靠大量的甘蔗机械，机械化程度较高，因为大大降低了甘蔗种植产业的生产成本，进而降低了甘蔗的平均价格，对我国的甘蔗产业造成重大冲击。因此，我国越来越重视发展甘蔗产业。我们必须认清大力发展甘蔗生产机械化是提高甘蔗产业的关键所在。

　　广西是我国甘蔗种植第一大省，种植面积、产蔗量、产糖量均占全国60%以上；甘蔗耕种收机械化综合水平为35%，其中机械化耕作83%，而机械化种植只有6%[5]。桂中南蔗区是本地区蔗糖生产的主要地区，主要规划在崇左、扶绥、横县、宁明、宾阳、大新等二十个县(区)[7]。上述地区种植面积从2003年的60万hm2增加到现在110万hm2，新增72％。来宾市也大幅度增加，也就是从2003年的8．67万hm2，发展至今17．33万hm2[8]。

　　制糖最主要的原材料之一就是甘蔗，2012年我国进口食糖多达400万吨，由于国内甘蔗的种植费用高于其他种植国家的综合成本，因此导致进口食糖的价格明显低于我国食糖的一般价格，特别是低于内陆区域的食糖价格。所以目前我们需要尽早处理的问题是怎样提升甘蔗产量、降低种植成本。种植作业是甘蔗生产过程中劳动强度最大也是最重要的环节之一，种植作业质量直接影响了新植蔗和宿根蔗的产量[9]。甘蔗种植是一道劳动密集型作业工序，也是在整个甘蔗生产中都极为重要的一道生产工序，此部分主要包含开沟、施肥、排种、地膜覆盖、培土和喷除草剂等众多部分。假如农民使用人工种植，每人每天仅能种植003hm2，此外任务量较多。特别是近期，为了提高产量和效益，甘蔗冬种普遍使用地膜覆盖技术，在一定程度上提高了种植劳动量以及综合费用[10]。

　　近期国内甘蔗种植规模开始减少，主要因素是甘蔗在生产时期机械化应用水平不高，在具体种植环节，因为对机械的使用率较低，所以造成甘蔗种植效率不高，为了提高种植经济效益，要在甘蔗种植时期高效使用机械，采用多种机械取代原本的人工劳动，减少甘蔗生产费用[11]。现在，行业内逐渐出现众多可以适应多种区域现实环境的甘蔗种植设施，上述种植机的结构即便有一定的差异，但是大体上能够被概括成下面两部分：边砍边排种以及预先砍种种植机。

　　1.3.1边砍边排种的甘蔗种植机

　　我国的福建省及两广地区（广西、广东）在上世纪七十年代所自主研究开发制造的甘蔗种植机，大致上全部是边砍边排种类型的机器。上述种类的甘蔗种植机的操作环节是使用开沟犁开沟，然后由工人将整条的甘蔗种苗连续不间断的送入喂入筒，然后整条的甘蔗种苗由2对输送胶辊夹持到沟内。此刻，当前甘蔗苗会被旋转切割刀切断且进入到沟内，此外喷洒消毒，此类种植机施肥装置将完成甘蔗种苗的施肥操作，最终回土。这种边砍边种类型的种植机一般具备的结构为：开沟器，排肥箱，切种箱，覆土装置等，部分厂家制造的也有喷洒农药与覆膜装置[12]。边砍边排种类型的甘蔗种植机对于长且直的整条甘蔗种苗来说，工作稳定且功能齐全，综合效率高。然而也出现下面的现实问题：

　　(1)形状弯曲或不整齐的种苗无法喂入，造成运作不稳定。此外国内甘蔗的重要产区都在沿海区域，上述区域因为风害较多，甘蔗大部分是弯曲形状。

　　(2)现在在国内，使用蔗梢当做蔗种是普遍情况，由于蔗梢大多较短，这会使甘蔗种植的工作效率大为降低，影响边砍边排种类型甘蔗种植机的使用效果。

　　(3)对比于其它的方式，更容易造成芽的损伤。由于采取的是随意切割的切割方法，无可避免地会出现切割伤芽的现象，造成高的伤芽率。

　　(4)与甘蔗种植要求的工序相比较，缺少覆盖地膜这一工序，这对寒冷环境下的甘蔗生长情况不利。

　　在近期，伴随自动控制与机电一体化技术的发展，各个国家众多企业所研究生产的边砍边排种类型的种植机在综合功能部分得到明显的改善、完善和提升。比如巴西的DMB公司在最近推出的PC14000型牵引式甘蔗联合种植机，就是普遍使用液压马达，可以轻松的调节速度，此外使用可拆卸的部件模式对甘蔗种植机进行装配，在出现问题时，调整更加简单容易。

　　1.3.2预先砍种的甘蔗种植机

　　目前，与边砍边种的甘蔗种植机不同，预先砍种的种植机在全球重要种植国使用相对宽泛，由于此类种植机可以提前选择蔗种，蔗农们可以根据蔗芽情况开展砍种，不会伤害蔗芽，降低伤芽率，并为了防病虫害，可以预先对蔗种进行浸种消毒，同时整个甘蔗种植机所需要的动力一般也不大。预先砍种机的工作原理主要把种苗提前切好，之后添加到种箱内，采用蔗段放入器与播种机把种箱内的蔗段种苗以相同间距分布在沟内。在收割的时候使用机器把甘蔗全部切成蔗段，或者人工切割，确保蔗种质量较好[13]。此类种植机通常涵盖下面的种类，我们进行详细分析。

　　(1)自动种蔗段种植机。此类种植机通常在蔗农完成装料任务之后由种植机自身自主进行包含开沟、施肥、排种、地膜覆盖、培土和喷除草剂等所有种植任务，典型机型是印度甘蔗研究所（IISR)所设计制造的机引甘蔗自动种植机与XAGPRO企业设计制造的B110型甘蔗自动种植机。印度设计生产的机引甘蔗自动种植机，最先由蔗农将整条的甘蔗种苗切段成蔗茎，然后将切段的蔗茎整齐放置到种苗箱，种植自动完成排种。上述设备生产率是2.5~3.0hm2/天，与全过程采用人工种植相比，约降低作业成本30%，但是该种植机同样缺少地膜覆盖装置，无法进行地膜覆盖作业，且蔗种必须由蔗农排列整齐才能装人种苗箱，同样需要大量的时间成本。而XAGPRO企业制造的B110型甘蔗自动种植机，主要由MF3655型轮式拖拉机牵引向前移动的。该型号的种植机的主要原理是利用两条带式提升输送器，其中混乱、已切段的蔗种会自主排列整齐并落入沟内完成播种，该种植机能够一次性的完成开沟、排种、喷药、施肥及回土等作业。工作效率在理论上可以达到1hm2/h，但是由于缺少配套的供种供肥系统，牵引车箱的高度较大，所以导致了人工供种供肥的效率不高，大概也需要37%的工作时间去完成供肥任务，事实上此种植机的效率只有0.4hm2/h。漏播率8.3%，伤芽率3.7%，现实因素是种植机内提升卷筒问题。此外，排肥部分出现堵塞，MF3655型轮式拖拉机牵引结构转弯半径较大，能够由机械完成种植的区域无法布满整个面积，必须要有额外的蔗农进行配合种植。主要行距1.4~1.6m，根据资料可知，当前国内甘蔗普遍行距是0.8~1.2m，所以该种植机种植情况与我国种植现状不匹配。

　　(2)半自动种蔗段种植机。这种类型的种植机一般在蔗农人工装料后也需要依靠蔗农的手工配合才可以全部结束种植过程，主要包含开沟、排种、地膜覆盖、施肥、培土和喷除草剂等所有工序。主要机型是李其民、李小锋生产的多功能甘蔗种植机，首先多功能甘蔗种值机,包含底盘总成、驾驶室、发动机、变速箱、后桥、行走轮系、橡胶履带、水箱、液压油泵、液压油箱、液压油缸、液压分配器、甘蔗种料斗、肥料斗、开沟犁、地膜覆盖设备等,采使用汽车大梁、驾驶室、发动机、离合器、变速箱与使用拖拉机变速箱、后桥、支重台车、行走轮系,安装进口橡胶履带,使用汽车操作组织与拖拉机操作组织双结合创新产生,通利用双道变速和将发动机、变压箱、经联轴器和后桥变速箱、后桥联系起来,提高此类种植机的现实效率。此设计符合现实需求,在一定程度上提高了综合速度。处理了甘蔗人工种植费用过高、任务量大、工艺性差、产量不高、品质不高等问题。具体操作时期一般包含开沟犁、排肥器、自主排种设备、V型输送带、地膜覆盖装置等部分。主要优势是排种设备使用离心力作用原理，且通过手工配合利用输送带分配功能，可以把杂乱无序的蔗种整齐排列播种，不会伤害蔗种，设备生产率大概0.5hm2/h，效果较好，不伤害蔗种，开沟平稳性好，覆盖地膜效果较好[14]。

　　设计完成一种甘蔗种植机的施肥装置，该装置的特点应包含如下几点：施肥装置结构尽量简单；工作平稳，稳定，故障率低；施肥过程不发生堵塞，影响施肥作业；作业效率高，适用于甘蔗种植机的施肥作业；能够有效降低蔗农的种植劳动强度，节省蔗农种植成本，提高蔗农的经济效益。研究内容有：

　　1、设计施肥箱，可参考借鉴3ZSP-2型甘蔗施肥培土机。

　　2、设计施肥基体，确定施肥基体的直径，深度，使施肥基体内的肥料按照要求的量落入下肥料漏斗。

　　3、设计动力和传动系统，经过查询有关信息可知，选择动力系统需要提供较高的驱动力，传动系统必须要保证传递的动力是间断的旋转运动，明确传动零件的尺寸以及相关位置。

　　4、设计整机机架，依照甘蔗种植机施肥设备的工作原理和相关部位的设计，对其中施肥装置的机架进行设计，提出机架需要具备刚性好、重量轻的特征，此外可以科学布置不同机构且不存在摩擦或碰撞，因此去除购买零部件以外，其余大多数零部件都使用铝合金生产。

　　5、制作甘蔗种植机施肥设备的三维模型，此外使用理论统计，对动力系统的动力及传动系统各零件的强度进行校核，确保施肥装置在稳定运行中不发生故障。

　　1.5.1研究的总体思路

　　第一，利用查询信息掌握当前甘蔗种植机的情况和未来趋势，此外掌握甘蔗种植机施肥装置的操作原理，根据上述原理设计完整的施肥装置。

　　第二，利用查找农艺标准与实地计算与测试得出甘蔗种植的参数，比如具体种植间距、行距、施肥量、密度等，明确施肥装置的作业参数。

　　第三，明确种植机内部施肥装置的操作形式，设计施肥装置的综合结构与传动方案，依照作业参数对不同部分比如肥料箱，施肥基体，传动系统等开展相应的设计，此外设计三维模型。

　　第四，把不同机构整体装配起来，对其中施肥装置的重要部分进行计算和修正。

　　利用查询各国相关资料，掌握甘蔗种植的现状。比如种植面积，地区，费用等，掌握甘蔗种植使用机械化操作的现实影响。充分掌握当前各个国家有关甘蔗种植机机的发展情况，大致确定出分析内容和设计方向。

　　在设计甘蔗种植机之前，我们首先要学习掌握甘蔗种植的农艺要求以及设计甘蔗种植机满足的设计参数。并且要符合农机管理部门对于有关甘蔗种植机的设计指标，这样设计出的甘蔗种植机才能更加满足蔗农的实际需求。

　　2.1.1农艺要求

　　甘蔗种植与小麦、水稻种植等相比较，有着很大的区别。甘蔗种植中，蔗农每次收割完甘蔗茎，要把甘蔗根保留下来，待到来年，宿根会重新生茎，并生长成为新的甘蔗。甘蔗为多年生植物，在我国一般收获为3次种植时，把整条的甘蔗种苗切分为多段，蔗芽位于甘蔗节处，所以在切断时需小心切断，以防伤芽率过高，最终将成段的甘蔗种苗平放在开沟渠中。甘蔗种植主要农艺要求包括如种植密度，开沟深度，蔗种长度以及种植行距等。种植密度要存在一定要求。每100公分蔗沟最优播蔗种4~5个。每亩播双芽苗蔗种3000—3500个。蔗种长度以长380mm为最优，1米约12芽来保证出芽率。开沟深度要求范围为250mm-300mm，开沟宽度采用280mm。种植甘蔗的行距一般控制在0.9-1.8m。由于国外甘蔗收获机械化程度较高，甘蔗种植及收获都是用机器，因此必须要求种植行距较大，一般选择行距在1.5m左右。根据中国的实际国情，甘蔗种植行距一般在1.1m左右。甘蔗生长期长，植株高大，产量高。所以在整个生长期中，施肥量作为甘蔗产量高低的重要因素。通常是施肥量每亩用农家肥1000—2000公斤。混100公斤过磷酸钙，25公斤尿素，15公斤氯化钾堆沤7—15天后施入植蔗沟[15]。经过查阅资料以及实地调查，给出每亩甘蔗种植所需材料的质量。如表2-1。

　　2.1.2设计参数要求

　　甘蔗种植机属于机械范围，更详细的可以划分为农业机械范畴。它的设计要依靠农业机械设计的相关指标。查《农业机械推广鉴定大纲DG45/T 008-2011))等相关内容，确定甘蔗种植机设计参数，如表2-2。

　　经过查找有关内容可知，得知其中的施肥装置设计通常是下面的方案：第一设计成连续施肥装置，即通过电动机带动圆盘进行连续旋转运动，肥料随圆盘转动经刮板处降落到肥料了漏斗，所以调整刮板宽度就能调整具体下肥量。第二种是设计成间歇施肥装置，与第一种方式的不同之处在于，传动系统的方案不同，传动系统的最后一级传动采用槽轮，进行不连续的间歇旋转运动。

　　第三种是选择采用液压马达而非电动机来作为动力系统，传动系统的最后一级传动采用凸轮，同样是间歇式的传动，保证施肥装置的圆盘进行间歇式的旋转运动。

　　2.2.2方案择优

　　方案一的结构比较紧凑，而且传动方案简单易于制造，但是由于圆盘实施连续的旋转运动，因此肥料会跟随圆盘转动经刮板处降落到下肥料漏斗，因此方案一的施肥是连续的，但是甘蔗的种植是间断的，蔗种之间存在着一定的间隔，所以方案一的施肥装置在实际的应用中，会造成肥料的浪费。

　　方案二由于采用槽轮实现间歇式旋转运动，传动方案较方案一复杂，但与方案一相比，圆盘进行的是间歇式的旋转运动，所以肥料是配合蔗种的落下而间歇施肥的，从而节省肥料的用量，进而节省种植甘蔗的成本。

　　方案三由于采用液压马达替代电动机，所以动力较小，转速较慢，而甘蔗种植机的施肥装置需求转速较小，所以如果采用电动机作为动力，至少需要二级减速器，而采用液压马达，采用一级减速器就能够满足要求，所以结构更为简单、紧凑，制造也更加方便。同样，采用凸轮传动作为最后一级传动，与槽轮相比，更加简单。

　　经过对比分析，综合各种因素，选用方案三作为的设计方案，采用槽数为4的槽轮完成间歇式旋转运动。

　　该甘蔗种植机的施肥装置的工作原理是：动力选择液压马达，通过一级齿轮减速器把转动速度减低，施肥基体转动来混合搅动施肥箱内的肥料，肥料受到离心力和重力的作用，处于基体外缘并随基体做旋转运动，当遇到施肥箱的挡板时下滑到施肥管内。。由于电动机带动圆盘进行的是间歇式旋转运动，所以肥料经刮板处落至下肥料漏斗也是间断的，实现了甘蔗种植机的间断施肥，节省了肥料的用量，进而节省了甘蔗的种植成本。

　　2.4.1施肥圆盘的设计

　　拖拉机线速度取0.56m/s=2km/h

　　根据农艺要求，蔗种段数应为每米4~5个，取4段，即每次施肥时间间隔为

　　设每次施肥时长为=0.11s

　　则槽轮的动停比为

　　查阅资料可知，每亩种植蔗段3000~3500段，取3000段

　　每亩施肥量为1500~2000kg，取200kg

　　则每段甘蔗施肥量为M=2000kg/3000段=0.67kg/段

　　堆肥密度约为=0.9×103kg/m3

　　则每段甘蔗施肥体积约为

　　取刮板宽度为100mm，刮板与肥料接触深度为20mm，则在槽轮旋转一周中，圆盘转过的距离为

　　又槽轮槽数为4，故圆盘直径

　　取D=480mm

　　2.4.2传动的整体参数设计

　　槽轮拨盘

　　查阅资料可知，施肥装置的圆盘部分所需扭矩不足25N·m，取所需扭矩为最大值25N·m。

　　在功率不发生变化的情况下，扭矩与转速成反比，因为槽轮拨盘与槽轮的转速比为1/4，所以槽轮拨盘所需的扭矩是槽轮所需扭矩的4倍，即100N·m

　　由于槽轮拨盘所需转速与扭矩都较小，故采用液压马达作为动力装置，结构简单，传动系统所需级数少，更容易制造。

　　槽轮拨盘转动所需扭矩=100N·m

　　所需功率

　　（2-1）

　　将数据代入上式并计算求得=1.4kw

　　为计算液压马达所需功率，先确定从液压马达到槽轮主动轮的总效率

　　设为弹性联轴器的传动效率，为闭式齿轮传动的传动效率（精度8级），

　　为滚动轴承的传动效率

　　（2-2）

　　查《机械设计课程设计》表2-2可知，=0.99，=0.99，=0.99，将数据代入上式并计算可求得=0.941

　　所以

　　选用BMM40型号的液压油马达

　　该型号液压油马达的额定转速：n=452r/min

　　额度扭矩：T=37N·m

　　额度输出功率：=1.7KW

　　选用圆柱直齿轮将动力从液压马达传动至槽轮拨盘

　　i==452/133.3=3.4

　　2.4.3各轴所需功率与扭矩的计算

　　求得=30.85N·m，=100N·m

　　本章节对甘蔗的种植参数进行了实地调查测量，查阅了甘蔗种植的农艺要求，以及对甘蔗种植机施肥装置进行了整体设计。查得在中国通常甘蔗种植间距为每100公分种植4~5个，行距1.1m，施肥量每亩用农家肥1000—2000公斤。混100公斤过磷酸钙，25公斤尿素，15公斤氯化钾。另外，通过对各个设计方案进行对比分析，决定采用间歇式施肥装置的方案对甘蔗种植机的施肥装置进行设计。对传动的整体参数进行了计算，最后决定采用BMM40型号的液压油马达作为动力装置，该液压油马达额度转速为n=452r/min，额度扭矩T=37N·m，额定功率为=1.7KW，各轴所需的功率与扭矩分别为=1.46KW，=1.40KW，

　　=30.85N·m，=100N·m，齿轮传动比为i=3.4。

　　对甘蔗种植机的深入分析减少种植需要的任务量，解决甘蔗种植时间成本高和劳动强度大的问题，对于促进甘蔗种植、提高甘蔗种植面积和甘蔗产量、提高蔗农的经济效益等具备积极的影响。本次设计大致创建甘蔗种植机施肥装置的模型，且对重要部分做出受力研究和统计，对于受力大的重要零件也开展详细的强度校核，保证机构设计科学性，确保上述部分可以稳定运作，避免故障的出现。重要任务为：

　　1、本文查阅了甘蔗种植的农艺要求和设计参数，结合实际测量的甘蔗种植的农艺参数，包括甘蔗种植的行距，间距，施肥量，肥料密度等，分析了设计过程中需要的基本参数。查阅结果显示：在中国通常甘蔗种植间距为每100公分种植5~6个，行距1.1m，施肥量每亩用农家肥1000—2000公斤。混100公斤过磷酸钙，25公斤尿素，15公斤氯化钾。。

　　2、对甘蔗种植机施肥装置的整体进行设计，为了节省种植成本，减少肥料的浪费，同时为了让结构更为紧凑，传动系统更加简单，经过各个方案的对比分析，决定采用液压马达作为动力，传动系统为间歇式的施肥装置，即传动系统的最后一级传动采用凸轮机构，带动圆盘进行间歇式旋转运动，最终开展施肥活动。

　　3、对甘蔗种植机施肥装置的重要机构提出相应的设计方案，比如施肥箱、基体、动力和传动系统、机架。分析结果指出：设计有斜面的施肥基体可以确保施肥适应拖拉机速度变化。通过对比研究可知，挑选凸轮的传动模式可进行间歇式旋转工作，避免肥料浪费问题，减少综合种植费用，进而提高蔗农的经济效益，对环境保护也有重要意义。采用液压马达对施肥种植施肥装置提供动力，让结构能够更加紧凑，而且拖拉机一般由液压接口，能够直接连接，施肥装置不用额外配置液压装置，以适用在田间作业的要求。

　　4、对圆盘旋转所需的动力进行了查阅，

　　5、对传动系统进行了受力分析与校核，

　　本文对甘蔗种植机施肥种植的机构进行了研究，然而因为时间与条件的原因，也出现众多问题和缺点，需要在此后的分析中继续弥补：

　　1、本文仅仅对甘蔗种植机施肥装置的机构方面开展分析，后续的传感器等控制系统并未覆盖到，需要后续的分析。

　　2、因为当前并没有样机开展相应的施肥测试，不能得到肥料的均匀度情况，所以本分析中排除了肥料密度的影响，将肥料视为均匀。而实际上肥料在使用时是不可能均匀的，而不均匀的问题对甘蔗种植的影响必须关注。此后分析中也需要利用试验对肥料不均匀情况开展深入研究，进而达到甘蔗种植时肥料的等量使用，减少肥料的浪费，防止某些甘蔗种苗因漏肥等问题而生长缓慢。

　　3、在对圆盘进行旋转运动时的受力研究进行大致简化，在最佳状态下统计圆盘旋转所受阻力情况，然而事实上因为肥料不均情况，遇到的阻力属于无规律变化，所以在此后的分析中需要在刮板上新增测力感应设备，进而全面感受阻力情况。

　　4、在对圆盘旋转运动的角速度开展理论统计时，对拖拉机前行速度开展大致简化，进而统计出液压马达需要提供的一般转速，但是事实上其前进速度伴随地面状况的改变而出现相应的变化。在后续分析中，也需要创建其前进速度与圆盘转速的数学模型，并通过传感器来控制液压马达输出的转速，进而控制施肥速度的快慢，精确保证对甘蔗种苗的等量施肥。为液压马达转速的确定提供可靠的理论依据。

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