用于油菜打孔铺膜穴播机的连续膜上打孔装置的制作方法

本发明属于油菜打孔铺膜穴播机设备技术领域，具体涉及一种用于油菜打孔铺膜穴播机的连续膜上打孔装置。

背景技术：

油菜作为我国主要的油料作物，分为冬油菜和春油菜种植区。春油菜种植面积约占全国油菜总面积的10％，主要分布在高海拔高纬度地区，这些地区春季温度较低风沙弥漫，风级风速较大，且雨水较少。油菜铺膜可实现有效保墒和提高地温，抑制风沙侵袭，但过高温度会造成烧苗，故而须进行膜上打孔作业。现有铺膜机械农艺过程多为先播种后铺膜，同时需人工割膜放苗，费时费力；常用的鸭嘴式穴播器虽可实现打孔技术与播种技术的结合，但其结构庞大，易撕扯农用薄膜，存在膜孔粘连和土膜粘连的弊病，且不适用于小粒径油菜作物。打孔装置是油菜铺膜穴播机铺膜作业的关键装置，对现有农用薄膜进行打孔不仅要求打孔均匀，而且要使孔距、行距可调，现有油菜铺膜播种机打孔技术尚未成熟。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种打孔效率高、打孔质量好且均匀的用于油菜打孔铺膜穴播机的连续膜上打孔装置。

为实现上述目的，本发明所设计的用于油菜打孔铺膜穴播机的连续膜上打孔装置，包括固定框架、安装在所述固定框架两上侧梁的旋转滚筒装置、安装在所述固定框架两下侧梁上表面的主轴及多个套置在所述主轴上且沿所述主轴轴向方向布置的打孔单元；每个所述打孔单元包括一个打孔滚轮及多个打孔锥钉，所述打孔滚轮上沿所述打孔滚轮的外周缘均匀开设有若干个弧形凹槽，相邻两个所述弧形凹槽之间的打孔滚轮外周缘形成弧形凸起，每个所述弧形凸起上安装一个打孔锥钉。

进一步地，每个所述打孔锥钉包括带外螺纹的圆柱体和锥体，同时，每个所述弧形凸起开有与圆柱体外螺纹相配合的内螺纹；所述打孔锥钉的锥体锥度在47°～53°。

进一步地，每个所述弧形凹槽的弧度与每个所述弧形凸起的弧度相等。

进一步地，还包括安装在所述固定框架两下侧梁下表面的增大包角辊及安装在所述固定框架底面且位于所述增大包角辊斜下方的展膜辊；其中，所述展膜辊一端通过锥形塞筒铰接在一侧连杆一端，一侧所述连杆另一端安装在所述固定框架底面一侧，所述展膜辊另一端通过锥形塞筒铰接在另一侧连杆一端，另一侧所述连杆另一端安装在所述固定框架底面另一侧；所述增大包角辊一端通过带座轴承安装在所述固定框架一侧下侧梁下表面，所述增大包角辊另一端通过带座轴承安装在所述固定框架另一侧下侧梁下表面；所述主轴一端通过带座轴承安装在所述固定框架一侧下侧梁上表面，所述主轴另一端通过带座轴承安装在所述固定框架另一侧下侧梁上表面。

进一步地，所述旋转滚筒装置包括两个侧板及两个旋转滚筒，一个所述侧板通过螺栓安装在所述固定框架一侧上侧梁上表面，另一个所述侧板通过螺栓安装在所述固定框架另一侧上侧梁上表面，两个所述旋转滚筒一端的轴均通过轴承固定在一个所述侧板上，两个所述旋转滚筒另一端的轴均通过轴承固定在另一个所述侧板上，且两个所述旋转滚筒之间的间隙用于容纳固定膜卷。

进一步地，所述打孔滚轮的平面上沿轴向方向设有一圆轮，所述圆轮的圆心与所述打孔滚轮的圆心共线，所述圆轮的中心位置开有轴孔，所述轴孔上开有与主轴键槽相配合的圆轮键槽。

进一步地，所述主轴的直径通过公式(1)、(2)、(3)、(4)进行设计：

其中：d为主轴的直径；

dv为校核主轴刚度的当量直径；

mv为当量弯矩；

[σ-1]b为对称循环的许用弯曲应力；

l为阶梯轴受扭矩的长度；

g为轴材料的剪切弹性模量；

ti、li、ipi分别代表阶梯轴第i段上所受扭矩、长度和极惯性矩；

为轴每米长的允许扭转角。

进一步地，所述打孔滚轮最大半径rmax＝vtsi/2nπ(1-δ)l0

其中：l0为地轮旋转一圈理论行走距离；

s为油菜种植株距；

n为地轮旋转圈数；

δ为滑移率；

v为机器前进速度；

t为机器前进过程所用时间；

i为播种株距与打孔穴距的比例系数；

z为打孔锥钉周向布置个数；

rmax为打孔滚轮最大半径。

进一步地，所述弧形凹槽的半径r＝rmaxcosη/(sin²η-cos²η)

其中：η为l2垂直端与弧形凹槽半径的夹角，l2为通过弧形凹槽圆心且垂直于l1的线段。

进一步地，所述主轴直径d为30～40mm，所述打孔锥钉的锥体最大直径为10～15mm，所述打孔滚轮最大半径rmax为30～38mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明用于油菜打孔铺膜穴播机的连续膜上打孔装置打孔效率高、打孔质量好且均匀，较手动打孔方式省时、省力，效率高且打孔穴距稳定；

2、打孔锥钉的锥度为47°～53°之间，易于扎破地膜、且膜孔均匀效果好；

3、打孔滚轮通过键、键槽安装在主轴上，采用键、键槽连接，一方面工作稳定、便于加工，另一方面可以调节相邻两个打孔单元的行距，实现变行距膜上打孔。

附图说明

图1为本发明用于油菜打孔铺膜穴播机的连续膜上打孔装置立体结构示意图；

图2为图1中主轴与打孔单元安装结构示意图；

图3为图2中打孔滚轮结构示意图；

图4为图3的几何关系示意图；

图5为图3中打孔锥钉结构示意图；

图6为图1中打孔单元相对位置关系图；

图7为图1的工作传动关系图；

图8为图3中打孔锥钉另一种排布示意图。

图中各部件标号如下：

固定框架1、上侧梁2、下侧梁3、主轴4(其中：主轴键槽4a)、打孔单元5(其中：打孔滚轮5a、打孔锥钉5b、弧形凹槽5c、弧形凸起5d、圆轮5e、轴孔5f、圆轮键槽5g、定位孔5h、锥体5i、圆柱体5j)、增大包角辊6、展膜辊7(其中：锥形塞筒7a)、连杆8、侧板9、轴10、膜卷11、旋转滚筒12、压膜轮13。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示用于油菜打孔铺膜穴播机的连续膜上打孔装置，包括固定框架1、安装在固定框架1两上侧梁2的旋转滚筒装置、安装在固定框架1两下侧梁3上表面的主轴4、多个套置在主轴4上且沿主轴4轴向方向布置的打孔单元5、安装在固定框架1两下侧梁3下表面的增大包角辊6及安装在固定框架1底面且位于增大包角辊6斜下方的展膜辊7。其中，展膜辊7一端通过锥形塞筒7a铰接在一侧连杆8一端，一侧连杆8另一端安装在固定框架1底面一侧，展膜辊7另一端通过锥形塞筒7a铰接在另一侧连杆8一端，另一侧连杆8另一端安装在固定框架1底面另一侧；增大包角辊6一端通过带座轴承安装在固定框架1一侧下侧梁3下表面，增大包角辊6另一端通过带座轴承安装在固定框架1另一侧下侧梁3下表面；主轴4一端通过带座轴承安装在固定框架1一侧下侧梁3上表面，主轴4另一端通过带座轴承安装在固定框架1另一侧下侧梁3上表面；且按照图1所示的方位，展膜辊7、增大包角辊6和主轴4从左前方向右后方依次布置。本实施例中，旋转滚筒装置包括两个侧板9及两个旋转滚筒12，一个侧板9通过螺栓安装在固定框架1一侧上侧梁2上表面，另一个侧板9通过螺栓安装在固定框架1另一侧上侧梁2上表面，两个旋转滚筒12一端的轴10均通过轴承固定在一个侧板9上，两个旋转滚筒12另一端的轴10均通过轴承固定在另一个侧板9上，且两个旋转滚筒12之间的间隙用于容纳固定膜卷11。

由于油菜打孔铺膜穴播机工作幅宽为2m、膜卷11宽为2.4m，膜卷11搁置在两旋转滚筒12之间且膜依次穿过两旋转滚筒12中间、逆时针方向接触打孔单元5、顺时针方向绕过增大包角辊6、逆时针绕过展膜辊7铺设到地表，故主轴4长度大于等于膜卷11宽度，考虑到减轻整机配重，将主轴4设计为空心轴。

且主轴的直径可通过公式(1)、(2)、(3)、(4)进行设计：

式中：d为主轴的直径；

dv为校核主轴刚度的当量直径；

mv为当量弯矩；

[σ-1]b为对称循环的许用弯曲应力；

l为阶梯轴受扭矩的长度；

g为轴材料的剪切弹性模量；

ti、li、ipi分别代表阶梯轴第i段上所受扭矩、长度和极惯性矩；

为轴每米长的允许扭转角。

当轴截面上开有长键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。根据国标gb/t1098-2003，对于直径d≤100mm的轴，开有一长键槽时，轴径可增大5％～7％。考虑到主轴的加工工艺，即长径比越大，长轴各部分质量对转动中心分布均匀性越差，加工越困难，长轴在车削过程中，在切削力、本身重量和离心力的作用下，极易产生弯曲和振动，致使表面质量下降，故经过计算、校核与实际加工的工艺，本实施例中，主轴4直径d为30～40mm，优选35mm。

如图2所示，每个打孔单元5包括一个打孔滚轮5a及多个安装在打孔滚轮5a上且沿打孔滚轮5a圆周方向布置的打孔锥钉5b。为了方便打孔滚轮5a与主轴4的装配，在打孔滚轮5a的平面上沿轴向方向设有一圆轮5e，圆轮5e的圆心与打孔滚轮5a的圆心共线，在圆轮5e的中心位置开有轴孔5f，轴孔5f上开有与主轴键槽4a相配合的圆轮键槽5g，打孔滚轮5a通过键、键槽安装在主轴4上，采用键、键槽连接，一方面工作稳定、便于加工，另一方面可以调节相邻两个打孔单元的行距，实现变行距播种；另外，在键槽处的圆轮周缘开有定位孔5h，以便于周向定位。

多个打孔滚轮5a按照油菜种植农机农艺配套技术要求按规定行距安装在主轴4上，打孔滚轮5a最大半径的大小与打孔锥钉5b数目、油菜播种株距、机器前进速度等有关。

即：rmax＝vtsi/2nπ(1-δ)l0(5)

式中：l0为地轮旋转一圈理论行走距离；

s为油菜种植株距；

n为地轮旋转圈数；

δ为滑移率；

v为机器前进速度；

t为机器前进过程所用时间；

i为播种株距与打孔穴距的比例系数；

z为打孔锥钉5b周向布置个数；

rmax为打孔滚轮5a最大半径。

为使打孔单元5有理想的工作速度，增大膜与打孔单元5的接触面积，且考虑到油菜种植株距和打孔锥钉5b数目等因素，取打孔滚轮5a最大半径rmax为30～38mm，优选34mm。

结合图3所示，打孔滚轮5a上沿打孔滚轮5a的外周缘均匀开设有若干个弧形凹槽5c，相邻两个弧形凹槽5c之间的打孔滚轮5a外周缘形成弧形凸起5d，且每个弧形凹槽5c的弧度与每个弧形凸起5d的弧度相等。

由图4的几何关系可知，根据公式(6)、(7)、(8)得出弧形凹槽的半径r。

l1＝rsinη(7)

l2＝rcosη(8)

得出r＝rmaxcosη/(sin²η-cos²η)(9)

式中：θ为打孔滚轮圆心和弧形凹槽圆心的连线与打孔滚轮圆心和弧形凹槽端点连线的角度；

l1为打孔滚轮圆心与弧形凹槽端点连线的延长线段；

l2为通过弧形凹槽圆心且垂直于l1的线段；

η为l2垂直端与弧形凹槽半径的夹角，由于打孔滚轮的每个弧形凹槽的弧度与每个弧形凸起的弧度相等，所以η为30°，即r＝rmaxcos30°/(sin²30°-cos²30°)；

r为弧形凹槽半径；

这种弧形凹槽5c和弧形凸起5d交替布置的结构较圆滑打孔滚轮更有利于膜与打孔滚轮5a的贴合，增大膜与打孔锥钉5b的摩擦角，易于膜孔处薄膜整体去除。

如图5所示，每个弧形凸起5d上安装一个打孔锥钉5b，或者每间隔一个、两个或三个弧形凸起5d安装一个打孔锥钉5b实现了孔距可调，每个打孔锥钉5b包括带外螺纹的圆柱体5j和锥体5i，同时，每个弧形凸起5d开有与圆柱体5j外螺纹相配合的内螺纹，便于打孔锥钉5b的安装。根据gb/t11762-2006，油菜种子平均粒径为0.8mm～2mm，为满足精量穴播排种器穴播2～3粒的要求，且考虑到油菜种子的弹跳性，打孔锥钉5b的锥体5i最大直径为10～15mm，优选12mm。

打孔锥钉5b有效打出适合油菜生长的膜孔的难易程度直接与打孔锥钉5b的锥度有关。如图6，在任一入膜深度h，打孔锥钉5b的锥体5i锥度可由打孔锥钉5b对膜的正压面积表示，则正压面积为：

式中：a为打孔锥钉5b对膜的正压面积；

h为打孔锥钉5b垂直入膜的任一深度；

h为打孔锥钉5b入膜后打孔锥钉尖端对与膜的垂直距离；

为打孔锥钉5b的锥体最大直径；

α为锥内角。

假设十二种不同锥度的打孔锥钉5b扎入薄膜内，如公式(10)、(11)可知，锥度小的没入膜中更深一些，锥度大的没入膜中更浅一些。打孔锥钉5b的入孔深度直接影响到打孔效果，深度过深，会在打孔滚轮5a旋转过程中，打孔锥钉来不及退出膜孔，形成对膜的成条形状撕扯。故而经大量试验可知，打孔锥钉5b的锥体5i锥度在47°～50°，所打出的膜孔最接近理想状态。锥钉锥度对膜打孔效果的影响如表1所示。

表1锥体锥度对膜打孔效果的影响

表1中：“ο”表示为打孔所实现效果、“-”表示为打孔未实现效果。

油菜打孔铺膜穴播机作业时，将膜卷11的一端伸出，穿过放置膜卷11的两旋转滚筒12中间、逆时针方向接触打孔单元5、顺时针方向绕过增大包角辊6、逆时针绕过展膜辊7、经由压膜轮13铺设到地表，如图7所示。拖拉机带动油菜打孔铺膜穴播机，将膜卷11一端放置于地表，用土覆盖使膜受到向后的力，膜向下运动与打孔单元5持续接触，此时打孔单元5功能类似于张紧装置，使膜与打孔滚轮5a良好接触，打孔滚轮5a受力而运动，打孔滚轮上的打孔锥钉5b刺破地膜，打出符合要求的均匀的圆孔，宜于油菜的后期生长。

本发明连续膜上打孔装置所打膜孔较手动打孔方式省时、省力，效率高且打孔穴距稳定，所打的孔洞没有膜孔粘连和土膜粘连的弊端，不影响油菜后期正常生长。利用本发明连续膜上打孔装置和手动打孔器对膜卷11进行打孔对比试验，一次试验各取2m长的膜卷，共重复3次取平均值。如表2为打孔均匀度对比分析结果。

表2打孔均匀度对比分析结果

另外，如图8所示，打孔滚轮也可成双倍数量与主轴进行间隙配合。其中，两个打孔滚轮沿主轴方向设有的圆轮相对放置，其中一个打孔滚轮上周向繁殖的打孔锥钉数量小于等于另一个相对位置対置打孔滚轮的打孔锥钉，且两个打孔滚轮上的打孔锥钉在空间上呈交错式放置，致使所打膜孔在空间上呈s型，极有益于油菜种子的后期生长。