武漢市農(nóng)業(yè)科學技術研究院農(nóng)業(yè)機械化科學研究所舒虹杰杜錚王銳盧澤民廖劍

直插式膜上播種機的設計與研究

武漢市農(nóng)業(yè)科學技術研究院農(nóng)業(yè)機械化科學研究所舒虹杰杜錚王銳盧澤民廖劍

∶地膜覆蓋播種技術是解決我國干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)作物生長期缺水問題的關鍵性栽培技術措施，而傳統(tǒng)膜上播種機存在挑膜、撕膜、種穴錯位等問題。本文根據(jù)膜上播種的特殊農(nóng)藝要求，設計了一種新型膜上播種機，實現(xiàn)了開穴器垂直入土、出土，解決了挑膜、撕膜、種穴錯位等問題。本文主要介紹了該播種機的主要結構及工作原理，對其進行了理論分析及虛擬樣機仿真驗證，證明了該播種機的設計的合理性，能滿足農(nóng)藝要求。

∶膜上播種機；運動仿真

1 前言

地膜覆蓋播種技術是解決我國干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)作物生長期缺水問題的關鍵性栽培技術措施之一，能夠起到保溫、保墑、改善土壤理化性質，提高土壤肥力，抑制雜草生長，減輕病害、早熟和增產(chǎn)的作用，在我國得到大面積的推廣[1]。

目前，國內(nèi)研發(fā)的覆膜播種機械大都采用傳統(tǒng)的作業(yè)方式，即先播種后鋪膜。這種作業(yè)方式增加了作業(yè)工序，需要在出苗前人工或者機械破膜放苗。存在放苗不及時，造成燒苗的風險，如馬鈴薯機械化播種[2]。近幾年來，一種新型播種技術—膜上打孔播種技術逐漸發(fā)展起來。因為在播種過程中，采用特制打孔器對覆蓋好地膜的土壤進行打孔播種。這樣省去了破膜放苗的工序，同時對土壤擾動小，利于抗旱、保墑，既節(jié)省了人力、工時，又避免了因放苗不及時而燒苗現(xiàn)象，同時結合節(jié)水灌溉施肥技術進行膜下滴灌，更能顯著提高產(chǎn)量[3]。然而現(xiàn)有的膜上播種機械，在精量播種、播種均勻性、播種穩(wěn)定性、播深、株距調(diào)節(jié)等方面仍存在很多技術問題[4]。因此，本文設計一種株距、行距、播深可調(diào)，可實現(xiàn)開穴器垂直入土，入土最低點強制投種的膜上播種機，滿足膜上播種農(nóng)藝要求[5-6]。

2 結構設計及工作原理

播種機整體結構設計如圖1a、圖1b所示，該機構主要由行走輪1、一級鏈輪組2、機架3、扶手組件4、排種輪5、排種器6、導種管7、曲柄8、連桿9、不完全齒輪組10、齒條11、齒輪軸12、開穴器13、開穴器蓋板14、擋塊15組成。

該播種機動力傳遞過程：通過推動扶手組件4，使整機在平整好的地面上行走，此時行走輪1轉動，通過一級鏈輪的傳遞，帶動齒輪軸12的轉動。齒輪軸12分別通過不完全齒輪組10帶動齒條水平運動，通過鏈傳動輸送動力到曲柄軸。曲柄軸又分別將動力傳動到排種輪5和曲柄8，曲柄8通過連桿9帶動開穴器13工作。

播種機前進時，通過鏈傳動的速度放大，使不完全齒輪組10帶動齒條組件11及與其相連的開穴器13運動，開穴器13絕對運動速度與播種機前進速度大小相等方向相反。與此同時齒輪軸12帶動偏心曲柄連桿機構（8、9）的運動，實現(xiàn)開穴器13垂直方向的運動。齒輪齒條機構與曲柄滑塊機構的組合，在補償了整機的水平方向運動的同時，實現(xiàn)了開穴器垂直入土和出土，解決了挑膜、撕膜和穴孔與種苗錯位的問題。開穴器入土到最低點時，開穴器蓋板與擋塊接觸。繼續(xù)運動，開穴器既向上運動又向后運動，此時擋塊強迫開穴蓋板打開，從而實現(xiàn)穩(wěn)定排種。

該播種機參數(shù)，是根據(jù)蘿卜種植的農(nóng)藝及工況要求來選定。其中行距通過調(diào)節(jié)兩排種器距離實現(xiàn)；株距通過不同不完全齒輪與齒條的配合來實現(xiàn)；播深通過改變開穴器與開穴導管的相對位置來實現(xiàn)。其主要技術參數(shù)如表1所示：

表1 播種機參數(shù)

3 開穴機構運動分析及虛擬仿真

為驗證開穴機構是否滿足垂直入土、出土的要求，需對開穴機構進行運動分析，以曲柄1回轉中心O為坐標原點，以水平方向為x軸，豎直方向為y軸，建立運動分析坐標系如圖2所示。

圖2 開穴機構運動分析原理圖

由于開穴器是剛體，因此開穴器最低點入土和出土過程中x，y方向的運動和B點一致。對B點進行分析，該播種機運動方程為：

式（3）中：

a—曲柄OA長度

通過分析式（3）可知，B點x方向絕對位移值為常數(shù)，對其求導可知在x方向速度和加速度均為零。在y方向速度周期性變化，在最低點速度為零。因此可知，不完全齒輪齒條-曲柄滑塊組合機構可以滿足開穴器垂直入土、出土的農(nóng)藝要求[5]。

為進一步驗證開穴機構運動軌跡是否和理論分析一致，利用SolidworksMotion進行運動學仿真，獲得開穴器最低點運動軌跡如圖（3）所示。

圖3 開穴機構運動仿真結果

從圖（3）可以看出，在水平方向上，仿真結果與理論計算的結果略有偏離，但是偏離范圍很小，能到達到膜上播種要求的垂直入土、出土要求。因此該機構滿足設計要求，能解決傳統(tǒng)膜上播種機挑膜、撕膜、種穴與幼苗錯位等問題[8]。

4 結論

（1）根據(jù)膜上播種的農(nóng)藝需求，設計出一種新型直插式膜上播種機，能夠解決傳統(tǒng)膜上播種機挑膜、撕膜和穴孔與種苗錯位等問題。

（2）該播種機通過不完全齒輪齒條-曲柄滑塊組合機構，實現(xiàn)了開穴器垂直入土、出土。通過開穴擋塊與開穴器運動軌跡的配合，實現(xiàn)在入土最低點強制開穴。通過對該機構的理論分析及運動仿真，驗證了播種機運動符合預期，開穴軌跡合理。

[1]黃若忱.穴式鋪膜播種機設計問題研究[J].農(nóng)業(yè)工程,2013,05∶113-115.

[2]杜錚，萬勇，舒虹杰.湖北地區(qū)馬鈴薯播種機主要部件設計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學2012,(15)∶3345-3348.

[3]杜錚,龐雄斌,萬勇.節(jié)水灌溉施肥技術與應用[J].湖北農(nóng)機化,2010,(5)∶60-62.

[4]呂小蓮,劉敏基,王海鷗等.花生膜上播種技術及其設備研發(fā)進展[J].中國農(nóng)機化,2012,(1)∶88-92.

[5]張世杰.谷子鋪膜播種機設計[J].農(nóng)業(yè)機械, 2012,25∶138-139.

[6]王計新.穴播式鋪膜播種機的研究[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備,2013,(12)∶48-50,58.

[7]陳曉光,左春檉,高峰.直插式播種機的研究—Ⅰ.直插式成穴器[J].農(nóng)業(yè)工程學報,1993,03∶66-70.

[8]趙武云,戴飛,楊杰等.玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播機設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2013,44(11)∶91-97.

2016-11-12）