劉曉東，王東偉，何曉寧，蘇 鑫，蔣 爽, 張 寧，萬恩超

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引言

我國花生種植面積僅次于印度，居世界第二?；ㄉ谖覈兄凭玫姆N植歷史，自19世紀(jì)末以來，我國花生種植開始迅速發(fā)展，在全國形成了多個(gè)重要的產(chǎn)區(qū)，為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、花生的出口以及油料的產(chǎn)出都做出了重要的貢獻(xiàn)。花生具有很強(qiáng)的競爭力，在食品加工領(lǐng)域快速占據(jù)了主導(dǎo)地位，同時(shí)花生的種植也促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的良性循環(huán)。

播種在花生的生產(chǎn)種植過程中具有舉足輕重的地位，花生種植機(jī)械化不僅可以提高生產(chǎn)率，解放勞動(dòng)力，還能提高效益，促進(jìn)增產(chǎn)增收。膜上打孔播種是花生種植的一大特色，具有保溫、保墑、增產(chǎn)等作用。由于成穴播種過程中成穴部件在覆好膜的土地上進(jìn)行打孔播種，對(duì)土壤的擾動(dòng)小，同時(shí)省去了后續(xù)的人工打孔的環(huán)節(jié)，節(jié)省了人力物力，但是現(xiàn)有的膜上穴播機(jī)在播種精度、撕膜扯膜及作業(yè)的效率上還存在一定的技術(shù)問題。本文設(shè)計(jì)的2BMD-3/6型花生膜上穴播機(jī)有效地解決了播種中存在的技術(shù)問題，提高了播種效率和精度。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 技術(shù)要求

1)能夠較好地滿足播種深度及精度的要求，可以根據(jù)地面的平整情況通過仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到更好的播種精度。

2)能夠一次性完成起壟、施肥、噴藥、鋪膜、膜上打孔及播種等作業(yè)，提高播種機(jī)的聯(lián)合作業(yè)能力。

3)播種時(shí)要根據(jù)花生的不同品種及不同的區(qū)域,考慮花生的播種時(shí)間，播種機(jī)還需滿足一定的強(qiáng)度并易于維修。

4)膜上穴播機(jī)作業(yè)時(shí)，要保證穴播器內(nèi)的種子能夠順利漏下，不能卡種、傷種，保證每穴內(nèi)有種子，且每穴內(nèi)種子不超過兩粒。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

2BMD-3/6型花生膜上穴播機(jī)主要由三點(diǎn)懸掛裝置、開溝起壟裝置、劃線裝置、施肥裝置、仿形裝置、噴藥裝置、滴灌帶鋪放裝置、地膜鋪放裝置、播種裝置，以及覆土鎮(zhèn)壓裝置等組成，能夠代替人工完成播種的所有工序并減去了后續(xù)的人工打孔環(huán)節(jié)。其各裝置間的協(xié)調(diào)配合是保證播種機(jī)播種質(zhì)量的關(guān)鍵，因此各機(jī)構(gòu)的合理布局尤為重要。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.3 工作原理

工作時(shí)，前端用拖拉機(jī)牽引，且依靠拖拉機(jī)為電動(dòng)下肥機(jī)及增壓泵供電；前進(jìn)時(shí)，開溝鏟將土向中間匯集成壟，并經(jīng)后端的起壟輪將壟面整平，增壓泵將藥液通過噴藥桿均勻噴灑于壟面上，滴灌帶環(huán)置于壟面中央后壓在地膜下面，培土鏟迫使土壤壓在地膜兩側(cè)，內(nèi)充種排種器在穴播輪的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)；種子落入到穴播輪的種室內(nèi)，在穴播輪的轉(zhuǎn)動(dòng)下落入排種管中，穴播輪上的鴨嘴形排種管插入土中實(shí)現(xiàn)膜上打孔，并在壟面的反作用力下使鴨嘴擋板張開實(shí)現(xiàn)落種；后端的覆土鏟將土壤向螺旋覆土滾筒歸集，并通過螺旋擋板將土壤壓在已打孔的地膜上，最后通過鎮(zhèn)壓輪將地膜上的土壤整平。

1.噴藥裝置 2.施肥裝置 3.起壟裝置 4.仿形裝置 5.滴灌帶鋪放裝置 6.地膜鋪放裝置 7.排種裝置 8.覆土裝置圖1 2BMD-3/6型花生膜上穴播機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of 2BMD-3/6 type peanut sowing machine on plastic film

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 仿形機(jī)構(gòu)

由于機(jī)器較大，設(shè)計(jì)為3個(gè)單體浮動(dòng)的后端機(jī)架，這樣能夠保證各穴播輪盤能隨地形起伏上下浮動(dòng)，開出深淺一致的種穴，保持種子播深穩(wěn)定性，因此要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的仿形機(jī)構(gòu)來保證。仿形機(jī)構(gòu)如圖2所示，能夠很好地滿足后端機(jī)架的上下浮動(dòng)，保證成穴深度的穩(wěn)定性，提高對(duì)不同地形的適應(yīng)性。

由于整機(jī)比較大，為了保證播種的質(zhì)量，必須給后端機(jī)架加裝仿形機(jī)構(gòu)，這樣在播種時(shí)，3個(gè)后端機(jī)架可以根據(jù)壟面的高低進(jìn)行仿形調(diào)節(jié)，以達(dá)到更好的播種質(zhì)量，仿形機(jī)構(gòu)由鉸銷1、Y形桿、鉸銷2、機(jī)架、U形螺栓以及直角Y形桿構(gòu)成，設(shè)計(jì)簡單，結(jié)構(gòu)合理，實(shí)現(xiàn)了上下仿形，保證了后端機(jī)架上穴播輪盤的成穴質(zhì)量。圖2中：θ為仿形機(jī)構(gòu)的最大仿形轉(zhuǎn)角，其值可以通過改變銷孔的長度來改變，可以根據(jù)實(shí)際的作業(yè)需要進(jìn)行孔的加工。設(shè)計(jì)的多壟播種機(jī)仿形機(jī)構(gòu)，可提高對(duì)不同土壤環(huán)境下的適應(yīng)性，有利于寬幅、高效的起壟、播種、膜上打孔、施藥及施肥等一體化作業(yè)。

表1 2BMD-3/6型花生膜上穴播機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of 2BMD-3/6 type peanut sowing machine on plastic film

1.鉸銷 2.Y形桿 3.鉸銷 4.機(jī)架 5.直角Y形桿 6.U形螺栓圖2 仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The diagram of profiling mechanism structure

2.2 成穴播種器

2.2.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

成穴播種器是播種機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)部件，成穴播種器成穴的深淺直接關(guān)系到播種質(zhì)量的好壞。成穴播種器由落種盤、鴨嘴、鉸銷、彈簧、穴播輪盤、鴨嘴擋板及內(nèi)充種式排種器等組成，如圖3所示。

工作原理：拖拉機(jī)拖動(dòng)播種機(jī)前進(jìn)，帶動(dòng)穴播輪盤在地面上滾動(dòng)，同時(shí)鏈條帶動(dòng)內(nèi)充種排種器中夾帶花生種的穴播輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)內(nèi)充種排種器的落種口，再通過輸種管落入種室并進(jìn)一步到達(dá)鴨嘴內(nèi)；穴播輪盤上的鴨嘴破膜插入土中，當(dāng)鴨嘴插入土壤達(dá)到一定深度時(shí)，鴨嘴擋板在土壤反作用力下張開，花生落到穴內(nèi)；此時(shí)，擋板一直處于張開狀態(tài)，當(dāng)鴨嘴出土后，鴨嘴擋板在彈簧的拉力下與鴨嘴形成閉合狀態(tài)。

1.落種盤 2.鴨嘴 3.鉸銷 4.彈簧 5.穴播輪盤 6.鴨嘴擋板 7.內(nèi)充種式排種器圖3 成穴裝置結(jié)構(gòu)圖Fig 3 The structure diagram of the hole forming device

2.2.2 運(yùn)動(dòng)軌跡分析

鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

式中x—鴨嘴沿穴播輪盤前進(jìn)方向的位移；

y—鴨嘴豎直方向上的位移；

R—穴播輪盤外圓直徑；

H—鴨嘴長度；

φ—鴨嘴轉(zhuǎn)過角度。

其中，R為300mm，H為50mm。

鴨嘴上各點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為長幅余擺線(見圖4和圖5)，鴨嘴上各點(diǎn)在地膜上的成穴位置與穴播輪盤在壟面上的位置有關(guān)。因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)過程中，穴播輪盤會(huì)由于后浮動(dòng)架的浮動(dòng)不一致導(dǎo)致穴播輪盤的上下浮動(dòng)不一致，導(dǎo)致鴨嘴深淺不同。穴播輪盤上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線，此時(shí)H為0可得穴播輪盤上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

圖4 鴨嘴運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 The trajectory of duckbill

圖5 圓上點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 The motion locus of a point on a circle

2.2.3 撕膜、挑膜分析

穴播輪盤上的鴨嘴在地膜上運(yùn)動(dòng)時(shí)，鴨嘴在入土和出土過程中，會(huì)有撕膜和挑膜現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)于覆膜的質(zhì)量造成了極大的影響，所以減少這兩種現(xiàn)象的發(fā)生，甚至消除這兩種不利因素都會(huì)對(duì)播種質(zhì)量、花生的產(chǎn)量以及機(jī)器的推廣帶來極大的益處。

穴播輪盤在運(yùn)動(dòng)時(shí)，是帶有滑移的轉(zhuǎn)動(dòng)，并不是純滾動(dòng)，且滑移量與機(jī)具前進(jìn)的速度及穴播輪盤的直徑有著直接的關(guān)系?；屏康牟煌瑫?huì)導(dǎo)致穴孔形狀的不同，不僅影響了成穴的質(zhì)量還會(huì)對(duì)地膜造成不同程度的損壞，所以要求在播種時(shí)控制好機(jī)器前進(jìn)的速度，減少撕膜、挑膜現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 覆土鎮(zhèn)壓裝置

覆土鎮(zhèn)壓是播種的最后一步工作，覆土的多少及覆蓋的嚴(yán)實(shí)程度對(duì)于地膜的保溫、保濕有著重要的影響。覆土嚴(yán)實(shí)，地膜保溫、保濕的效果好，否則不利于保水保墑，會(huì)造成花生的減產(chǎn)。如圖6所示的覆土鎮(zhèn)壓裝置，有效地解決了覆土不嚴(yán)實(shí)的問題。

1.培土鏟 2.后端機(jī)架 3.調(diào)節(jié)桿 4.覆土鏟 5.覆土滾筒浮動(dòng)架 6.鎮(zhèn)壓輪 7.螺旋覆土滾筒圖6 覆土鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 Soil compacting device structure diagram

播種機(jī)前進(jìn)時(shí)，培土鏟將地膜兩邊土壤覆蓋在地膜上，保證兩邊的嚴(yán)實(shí)性，后端的覆土滾筒浮動(dòng)架根據(jù)壟面的高低進(jìn)行浮動(dòng)，以減少對(duì)壟面的壓實(shí)程度；兩側(cè)的覆土鏟將土導(dǎo)入中間的螺旋覆土滾筒，在螺旋擋板的作用下將土導(dǎo)入落土縫，在穴播輪盤打好的孔上進(jìn)行覆蓋，再經(jīng)后面的鎮(zhèn)壓輪將土整平。

螺旋擋板的螺旋角α是本裝置的關(guān)鍵所在，螺旋角的大小嚴(yán)重影響土壤在擋板上的滑動(dòng),所以對(duì)土壤在擋板上的受力進(jìn)行分析。圖7為土壤在擋板上的受力圖。

圖7 擋板上的土壤受力圖Fig.7 Force diagram of soil on the baffle

土壤主要受到3個(gè)方向的力：土壤沿?fù)醢錋點(diǎn)螺旋切線方向的滑動(dòng)摩擦力F，螺旋面對(duì)土壤的支撐力N，土壤的重力M。

N=Msinα

F=Ntanφ

式中φ—土壤與螺旋擋板的摩擦角。

只有當(dāng)M沿A點(diǎn)切面的螺旋線方向的分力大于土壤所受的摩擦力時(shí)，土壤才能沿導(dǎo)土板向下滑動(dòng)。即

Mcosα>F

所以，在設(shè)計(jì)時(shí)要控制螺旋擋板的螺旋角，保證土壤順利滑動(dòng)，根據(jù)地基土壤容重(γ)及內(nèi)摩擦角(φ)，并參考數(shù)值表得α<60°。

3 配套動(dòng)力的選用

播種機(jī)總功率的計(jì)算，是對(duì)拖拉機(jī)型號(hào)選用的基礎(chǔ)。播種機(jī)功率的損耗主要是由起壟鏟前進(jìn)受到的阻力消耗的功率組成。

根據(jù)公式，挖掘鏟前進(jìn)的阻力為

F=εabV2+Kab+fG

式中F—機(jī)具的牽引阻力(N)；

f—綜合摩擦因數(shù)，一般在0.25～0.5之間；

K—比阻(N/cm2)，取K=0.5；

ε—?jiǎng)討B(tài)阻力系數(shù)(N·S2/m)；

V—拖拉機(jī)前進(jìn)速度(m/s)；

a—耕入深度(cm)；

b—工作寬度(cm)；

μ— 牽引阻力利用系數(shù)，μ=0.8。

根據(jù)計(jì)算得出，花生條鋪收獲機(jī)需要配套60kW以上的拖拉機(jī)。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在青島萊西市萬農(nóng)達(dá)花生機(jī)械有限公司內(nèi)的試驗(yàn)田進(jìn)行，該地地處膠東半島中部，屬于一年兩熟平原區(qū)，年平均降水量680mm左右；土壤質(zhì)地為壤土，土壤堅(jiān)實(shí)度為(221.5×100)Pa；土壤含水率為11.7%(0～10cm)。試驗(yàn)所用品種為魯花11號(hào)。

4.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果

在播種試驗(yàn)區(qū)內(nèi)取10壟，共20行，每壟測(cè)每行5m內(nèi)的穴數(shù)及每穴的種粒數(shù)。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，得出播種均勻性的相關(guān)指標(biāo)如表2所示，播種40天后出苗情況如表3所示。

表2 田間檢測(cè)的穴距及穴粒數(shù)原始數(shù)據(jù)Table 2 Field detection of the hole spacing and the number of points in the original data

表3 播種后40天檢測(cè)的出苗率原始數(shù)據(jù)Table 3 The germination rate of the original data was detected 40 days after sowing

試驗(yàn)表明:本機(jī)作業(yè)后的花生雙粒率為95.2%，重播率為1.91%，空穴率0.43%，平均穴距為165.6mm，花生平均田間出苗率為93%，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的2BMD-3/6型花生膜上穴播機(jī)符合花生壟作的農(nóng)藝要求，使用內(nèi)充種排種器和穴播輪盤組合實(shí)現(xiàn)了膜上精密播種。通過田間試驗(yàn)，播種質(zhì)量完全滿足花生種植的農(nóng)藝要求。

2)播種過程中存在撕膜和挑膜的現(xiàn)象，主要原因是作業(yè)速度的控制不合理，尤其是在機(jī)器高速作業(yè)時(shí)，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重，需要合理的控制播種速度；后部的覆土滾筒能夠?qū)⒋蚝玫哪た子猛吝M(jìn)行覆蓋，利于保水保墑。

3)該播種機(jī)不僅能夠滿足不同地塊的作業(yè)要求，還實(shí)現(xiàn)了膜上打孔播種，減去了后續(xù)的人工開孔環(huán)節(jié)，降低了人工成本。