張愛民，李明軍，謝 慶，李 偉，陳長林

(1.濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究所，山東 濱州 256600；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014)

0 引言

全程機械化是棉花生產(chǎn)的根本出路[1]，在棉花生產(chǎn)全程機械化的過程中，最基本的要求就是能夠?qū)崿F(xiàn)棉花的機械化采摘[2]。在我國，三行采棉機既可以在田塊面積較大的新疆地區(qū)使用，又可以在田塊面積相對較小、種植密度大的黃淮海地區(qū)使用；同時三行采棉機的工作效率要遠高于兩行采棉機，而價格要低于五行、六行采棉機[3]，因此三行采棉機在我國的應(yīng)用十分廣泛。機采棉對于行距的要求十分嚴格，需要76cm等行距種植[4]，而棉花一膜三行等行距種植模式符合機采棉對于行距的要求，是一種高產(chǎn)、輕簡的種植方式[5]。

在棉花生產(chǎn)全程機械化的配套機械中，棉花播種機的研發(fā)是重點。在棉花播種機的研發(fā)過程中，首先，要堅持農(nóng)機農(nóng)藝充分融合；其次，研發(fā)機具必須利于搶農(nóng)時，也就是能同時完成多個工序，盡量減少機具進地次數(shù)，起到保墑效果；最后，棉花對播種質(zhì)量的要求比較高，播深必須控制在1～3cm，過深過淺都不利于棉花的發(fā)芽出苗，種床要求下實上虛，也就是棉種要播在實地上[6]。

根據(jù)上述棉花的播種要求，結(jié)合國內(nèi)采棉機的使用現(xiàn)狀及棉花一膜三行等行距種植模式的優(yōu)點，項目組研發(fā)了2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機。該播種機針對三行采棉機進行設(shè)計，經(jīng)生產(chǎn)試驗考核，其各項技術(shù)參數(shù)、性能指標(biāo)，均達到了設(shè)計要求。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機主要由機架、劃行器、平行四連桿仿形機構(gòu)、肥箱、種箱、施肥開溝器、播種開溝器、指夾式排種器、平地限深輪、鎮(zhèn)壓輪、展膜滾子、覆土滾筒、覆土圓盤，以及開溝圓盤等部件組成，如圖1所示。

1.機架 2.肥箱 3.種箱 4.平行四連桿仿形機構(gòu) 5.覆土滾筒 6.覆土圓盤 7.邊膜覆土圓盤 8.開溝圓盤 9.指夾式排種器 10.播種開溝器 11.劃行器 12.施肥開溝器 13.平地限深輪圖1 智能精量播種機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of intelligent precision seeder

1.2 工作原理

播種機工作時，采用三點懸掛方式與拖拉機連接，通過拖拉機牽引進行播種作業(yè)。機組前進時，平地限深輪將地表壓平，以方便覆膜作業(yè)；施肥開溝器、播種開溝器開溝，排肥器由電機帶動，排種器由鎮(zhèn)壓輪帶動，分別實現(xiàn)播種機的施肥和播種功能；鎮(zhèn)壓輪進行種床鎮(zhèn)壓；開溝圓盤開溝，地膜兩側(cè)由壓膜輪壓入由開溝圓盤開好的溝內(nèi)，覆土圓盤將一部分土翻入地膜溝中，經(jīng)膜上鎮(zhèn)壓輪壓實，另一部分土翻入覆土滾筒內(nèi)，覆土滾筒內(nèi)的導(dǎo)土板將土輸送到滾筒的漏土口，使土覆在地膜上。播種機配備的智能監(jiān)控系統(tǒng)對播種、施肥進行實時監(jiān)控，自動分析下種、下肥情況，出現(xiàn)問題能夠及時報警，避免重播(施)、漏播(施)，實現(xiàn)了精準(zhǔn)播種、施肥，達到了節(jié)種、節(jié)肥目的。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 施肥開溝器的設(shè)計

施肥開溝器通過U形卡安裝在播種機機架前下橫梁上，為了更好地進行施肥，避免出現(xiàn)施肥開溝器開溝犁頭磨損太快、開溝阻力大、開溝開出的土過早回落、易被雜草、殘膜纏繞等問題[7]，項目組設(shè)計的施肥開溝器如圖2所示。

1.矩形管 2.圓形導(dǎo)肥管 3.開溝器大側(cè)板 4.開溝器小側(cè)板 5.開溝犁頭圖2 施肥開溝器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of fertilizer opener

施肥開溝器開溝犁頭由耐磨材料加工而成，可單獨拆卸，方便更換；開溝器側(cè)板能有效防止開出的土壤過早地滑落到肥溝內(nèi)，其結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟可靠，能夠滿足棉花施肥的要求。

2.2 棉花精量播種裝置的設(shè)計

本裝置是一種具有單體仿形、一級傳動、智能報警及播種鎮(zhèn)壓功能的棉花單粒精播機構(gòu)，與播種機機架的前橫梁緊固聯(lián)接，構(gòu)成整機。該機構(gòu)主要由弧形四連桿部件、智能報警指夾式排種器部件及同心圓一級傳動系統(tǒng)組成，解決了在不平地面上作業(yè)時深淺不一致的問題，達到各行播種一致性的技術(shù)要求。該機構(gòu)利用同心圓理論，實現(xiàn)了一級傳動，作業(yè)時該機構(gòu)調(diào)整播種深度時鏈條長度不變，對排種器的傳動更為可靠，提高了播種深度一致性、穴距一致性及單粒率等各項性能指標(biāo)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

1.機架前橫梁 2.平行四連桿機構(gòu) 3.種箱 4.鎮(zhèn)壓輪總成連接板 5.鎮(zhèn)壓輪總成 6.鎮(zhèn)壓輪 7.同心圓軌道板 8.軌道板連接板 9.指夾式排種器 10.播種開溝器圖3 棉花精量播種裝置示意圖Fig.3 Structure diagram of cotton precision seeding device

根據(jù)同心圓理論，在鎮(zhèn)壓輪兩輪叉前下方設(shè)計有同心圓軌道板，同心圓軌道板上設(shè)計有同心圓弧形槽，固定支架上有兩個控制弧形槽上下調(diào)整運動軸銷，鎮(zhèn)壓輪總成上端有一個鉸鏈銷軸；在上、下調(diào)整改變播深時，由于同心圓弧槽在定位控制銷的約束下，使地輪與排種器軸距離不變，傳動鏈條長度也不變，因此傳動更為可靠。

2.3 播種開溝器的設(shè)計

播種機采用的播種開溝器是改進型尖角式開溝器，主要由開溝犁頭、開溝器側(cè)板及矩形管等組成，如圖4所示。該開溝器開溝犁頭由耐磨材料加工而成，可單獨拆卸，方便更換，有較好的入土能力，開溝阻力小，且能切斷土壤中的殘根，開溝動土量小，溝底平整，播幅較窄。經(jīng)大田試驗驗證，其播深一致性好，出苗均勻。開溝器側(cè)板不僅能有效防止開出的土壤過早地滑落到種溝，而且還能增強該播種機在大風(fēng)環(huán)境下的作業(yè)效果，使得土層不混亂，下層可保證為濕土，與平行四連桿仿形機構(gòu)配合使用開出的種溝深度一致，能夠滿足棉花播種的要求。

1.開溝犁頭 2.開溝側(cè)板 3.矩形管圖4 播種開溝器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of furrow opener

2.4 長度伸縮可調(diào)劃行器的設(shè)計

播種機配備了北斗導(dǎo)航自動駕駛系統(tǒng)，保證行駛的直線性，同時保證76cm等行距。

由于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)價格較高，現(xiàn)階段推廣較為困難，為解決這一問題，項目組設(shè)計了長度伸縮可調(diào)的劃行器，配備了劃行器之后，駕駛員可以根據(jù)劃印來駕駛拖拉機，保證棉花為76cm等行距播種。

機采棉播種采用梭行行走法，需要左右各安裝一個劃行器，以駕駛員右前輪對行時計算為例，計算劃行器臂長[8]。駕駛員以拖拉機右前輪對行時，劃行器的左臂長L左、右臂長L右，計算公式為

(1)

(2)

式中L左—劃行器左臂長；

L右—劃行器右臂長；

x—播種機兩處外開溝器的距離；

y—拖拉機前輪中心線間距；

a—行距。

已知該播種機兩處外開溝器的距離x=1.52m，約翰迪爾5-850拖拉機前輪中心線間距y=1.63m，行距a=0.76m，將上述數(shù)值分別帶入式(1)、式(2)中，經(jīng)計算得：L左=2.335m ，L右=0.705m。

當(dāng)以中心對行時，左右臂長相等，則

通過使用劃行器，行距的一致性能夠得以保證。

3 相關(guān)參數(shù)計算

3.1 動力配置驗算

使用測功設(shè)備對機組行走消耗功率進行實測并與播種、鎮(zhèn)壓的估算消耗功率相加得N1=14kW，考慮到會出現(xiàn)意外的超負荷現(xiàn)象，機組必須有一定的動力儲備，動力儲備功率為N2=5kW，所以播種機的消耗功率為N=N1+N2=19kW。

該播種機的動力由約翰迪爾5-850拖拉機提供，動力輸出功率為53.69kW，滿足播種機作業(yè)功率的需求，且具有充足的功率儲備。

3.2 機具的重心位置分析

機組在工作位置時，經(jīng)測量，有關(guān)參數(shù)如圖5所示。

G1.化肥質(zhì)量；G2.種子質(zhì)量；G3.機架及平地限深輪質(zhì)量； G4.散件質(zhì)量；G5.展膜滾子質(zhì)量；G6.覆土滾筒質(zhì)量圖5 機具重心位置示意圖Fig.5 Structure diagram of the center of gravity of the machine

機具的重心位置可用式(3)進行計算，即

(3)

由實際測量可得，G1=100kg，G2=10kg，G3=170kg，G4=75kg，G5=25kg，G6=105kg，將上述數(shù)值帶入式(3)中，得機具的重心位置X=898.7mm。

3.3 縱向穩(wěn)定性的校核

懸掛機組對拖拉機穩(wěn)定性的影響程度，可用穩(wěn)定儲備系數(shù)λ來判斷[9]，λ可由式(4)計算得出。機組穩(wěn)定性校核示意圖如圖6所示。

(4)

式中G使—機具使用質(zhì)量；

b—機具重心與拖拉機后輪的水平距離；

W—拖拉機質(zhì)量；

a—拖拉機重心與后輪的水平距離。

其中，拖拉機重心與后輪的水平距離a為

(5)

式中L—拖拉機軸距；

N1—前輪質(zhì)量分配；

W—拖拉機重量。

約翰迪爾5-850拖拉機軸距L=2 200mm，前輪質(zhì)量分配N1=1 700kg，加配重約翰迪爾5-850拖拉機質(zhì)量W=3 050kg，將上述數(shù)值帶入式(5)中，得拖拉機重心與后輪的水平距離a=1 226mm；

機具使用質(zhì)量G使=485kg，機具重心與拖拉機后輪的水平距離b=1 220mm，加配重約翰迪爾5-850拖拉機質(zhì)量W=3 050kg，拖拉機重心與后輪的水平距離a=1 226mm，將上述數(shù)值帶入式(4)，得λ=0.16。為使機具能夠穩(wěn)定工作，λ的范圍為λ≤0.4，故該拖拉機機組穩(wěn)定性安全可靠。

圖6 機組穩(wěn)定性校核示意圖Fig.6 Structure diagram of unit stability check

3.4 機具所需提升力分析

1)已知約翰迪爾5-850拖拉機下懸掛點后610mm處可提供最大提升力為16.8kN[10]。

2)由圖5可知，機具總質(zhì)量約為3.75kN，下懸掛點至機具重心距離X=898.7mm。

3)根據(jù)以上參數(shù)可知，3.75kN×898.7mm<16.8kN×610mm，故提升力安全可靠。

3.5 排種器懸掛梁的校核

根據(jù)排種器懸掛梁的情況，畫出受力圖[11]，如圖7所示。

圖7 懸掛梁受力圖Fig.7 Structure diagram of the force of the suspension beam

其中，排種器單體重力：G=600N。

由平衡條件可知，約束反力為FO1=FO2=(G+G+G)/2=3G/2=900N。

下面開始求彎矩，由于O1、O2對稱，所以只求O1、A、B點即可。

A點的彎矩為MA=3G/2×O1A=166.5N·m；B點的彎矩為MB=3G/2×O1B-G×AB=394.5N·m。

根據(jù)計算，得出排種器懸掛梁幾個重要點的彎矩圖，如圖8所示。

圖8 梁上各點彎矩圖Fig.8 Structure diagram of the bending moment of each point on the beam

總轉(zhuǎn)矩：T=TO1+TA+TB+TC+TO2=0

排種器單體升起90°后對梁產(chǎn)生彎矩，則TA=TB=TC=600N×300mm=180N·m。

端點轉(zhuǎn)矩：TO1=TO2=270N·m，TO1與TO2大小相等，方向相同；TO1A=TO1=270N·m；TAB=TO1-TA=270-180=90N·m。

BC段的扭矩與AB段相同，只是正負號相反；CO2段的扭矩與O1A段相同，只是正負號相反。扭矩圖如圖9所示。

由于M2>M1，所以B點處截面為危險截面。

圖9 梁上各點扭矩圖Fig.9 Structure diagram of torque at each point on the beam

4 機具檢驗

2016年4月，項目組在無棣縣西小王鄉(xiāng)對2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機進行了作業(yè)試驗，試驗情況如圖9和圖10所示。試驗結(jié)果表明：播種機作業(yè)順暢，播深一致性好，覆膜平整，實現(xiàn)了單粒精播，出苗率高。

圖10 2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機大田作業(yè)Fig.10 2BMJ-3A type intelligent precision seeding machine based on technology of harvesting cotton by cotton-picker is working in the field

圖11 棉花播后出苗及棉苗生長情況Fig.11 Seedling emergence and growth of cotton seedlings after sowing

2016年5月，山東省農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站在濱州市濱城區(qū)秦皇臺鄉(xiāng)王家村對2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機進行了檢驗，檢驗結(jié)果如表1所示。

表1 2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機檢驗結(jié)果Table 1 Inspection result of 2BMJ-3A type intelligent precision seeding machine based on technology of harvesting cotton by cotton-picker

續(xù)表1

數(shù)據(jù)出自山東省農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站檢驗報告W201605097。

5 結(jié)論

1)2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機針對三行采棉機進行設(shè)計，采用一膜三行等行距種植模式，一次進地可完成種床碎土、側(cè)深施肥、種床鎮(zhèn)壓、精量播種、覆土鎮(zhèn)壓、寬幅覆膜及膜后覆土等工序，減少了機具的進地次數(shù)，工作效率高，與單項作業(yè)相比，減少了棉農(nóng)的生產(chǎn)成本。

2)對播種機關(guān)鍵部件進行了設(shè)計：施肥開溝器的設(shè)計，避免了開溝犁頭磨損太快、開溝阻力大、土過早回落到溝內(nèi)、易被雜草及殘膜纏繞等問題；棉花精量播種裝置的設(shè)計，利用同心圓理論，實現(xiàn)了一級傳動，解決了在不平地面上作業(yè)時深淺不一致的問題；播種開溝器的設(shè)計，有較好的入土能力，開溝阻力小，能切斷土壤中的殘根；長度伸縮可調(diào)劃行器的設(shè)計，保證播種行距的一致性。

3)田間試驗表明：該播種機顯著提高播種質(zhì)量，各項指標(biāo)均達到設(shè)計要求。