于珍珍，汪 春，李海亮，梁 琦

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

馬鈴薯不僅是一種重要的糧食作物，還是一種重要的經濟作物。根據我國2006年進行的統(tǒng)計，國外發(fā)達國家的馬鈴薯種植面積僅為我國的4.8%，但是總產量為我國的15%[1]。說明我國馬鈴薯在種植和生產中存在一定的問題[2]。

20世紀80年代，一些發(fā)達國家，如美國、日本等發(fā)達國家開始對馬鈴薯播種機械進行研究探索，到目前為止，這些發(fā)達國家的馬鈴薯播種技術已經趨近成熟，機械自動化程度也達到了85%以上；尤其是在結構性能方面已經十分成熟，解決了馬鈴薯在播種時易受損、易漏播等問題，提高了馬鈴薯的單位產量。我國科研工作者借鑒外國先進技術，對國內現(xiàn)有的馬鈴薯播種器進行了性能優(yōu)化，提高了機器在播種時的行走速度，提高了生產效率和播種質量，逐步完善了國內現(xiàn)有的機器結構，在提高生產率的同時機器的使用壽命也得到延長，作業(yè)效率、速度、適應性和通用性程度也得到很大的提高。但是，該馬鈴薯播種機排種器方面存在一些問題，如鏈勺會在播種時與排種鏈條脫落，長時間使用后鏈輪磨損嚴重，需要更換鏈輪等現(xiàn)象。

為了解決馬鈴薯生產效率低，首先要提高馬鈴薯的生產機械化水平。播種是馬鈴薯全程機械化生產的基礎[3]，目前馬鈴薯播種存在的問題主要有：漏播、重播、播距不均勻和覆土量過大等問題，這些問題直接導致了馬鈴薯生產率降低[4]。針對這些問題，筆者設計了一套自動化升運履帶式馬鈴薯播種機。

1 總機結構與工作原理

1.1 總機結構

設計的馬鈴薯播種機主要由機架、開溝器、雙圓盤式覆土器、種屬箱、升運式排種器，以及行走輪6部分構成，如圖1所示。

1.排種器 2.種薯箱 3.機架 4.行走輪 5.開溝器 6.傳動鏈 7.覆土器

機架主要是連接各部分工作部件，使其各部分協(xié)調完成播種作業(yè)；開溝器位于排種器殼體的下方，可以通過調節(jié)螺栓的位置來控制播深；組裝式圓盤覆土器位于機架后方，通過調節(jié)螺栓位置進而調節(jié)覆土寬度[4]及入土深度，操作簡單；行走輪是最主要的傳動機構，在拖拉機的帶動下，播種機隨著拖拉機一起向前運動，從而給行走輪一個向前的動力，行走輪會向前滾動。升運履帶采用橡膠平帶，取種勺采用塑料材質從而減輕播種機的質量。

1.2 工作原理

播種機作業(yè)時,拖拉機將動力傳遞給行走輪，行走輪的輪軸上面的傳動裝置將動力傳遞給排種器；種薯塊莖依靠自身重力落入充種區(qū)，升運履帶一側的取種勺舀取種薯塊莖，隨升運履帶一起向上運動直至脫離取種勺；排種器在工作狀態(tài)下，種薯塊莖在重力的作用下滾落到位于種箱底部的充種區(qū)，由行駛輪傳遞給排種器主動輪的動力帶動升運帶向上運動，升運履帶充種位置的那一側的取種勺會進行舀取種薯塊莖的工作；舀取成功后的取種勺會跟著升運履帶一起向上運動，正好落在前一個取種勺的背部。

1.3 主要工作參數(shù)

配套形式:三點懸掛式

配套動力/kW：56.8～88.2拖拉機

外形尺寸(長×寬×高)/mm:3 300×2 450×1 950

傳動機構型式:鏈條傳動

工作幅寬/mm:2 800

行距/mm:700(可調)

株距/mm:147～450

種薯箱容積/L:1 000

播種方式:壟播

2 主要工作部件的設計

2.1 排種器的設計

排種器的選型。據馬鈴薯的播種量的需求、株距的要求以及馬鈴薯種薯塊莖的特點，本次設計的馬鈴薯播種機采用雙排交錯取種升運履帶式排種器，該排種器的升運履帶選用橡膠平帶,其結構如圖2所示。

2.2 取種勺的結構設計

1)尺寸確定。 種勺直徑取決于種薯長度，深度取決于種薯厚度，為保證80%左右的種薯能適用[5]，降低重復充種概率和增加充種穩(wěn)定性，設計種勺深度小于種薯厚度的0.5 倍。

最終確定種勺形狀近似小半球形，最大直徑為70mm，深度為14 mm，端部最大高度為49mm，邊緣向下翻折成傘形以增加種勺的橫截面積，主要目的是導種時上下兩種勺與導種管能形成獨立的空間，防止種薯從勺背掉落造成重播和漏播，種勺邊緣翻折后的最大寬度為70mm；種勺底部加工直徑20mm的圓孔，目的是清種時漏去勺中的雜質，同時可以套裝微型薯種勺，以提高排種器的通用性。

圖2 升運帶式排種器

2)取種勺之間的間距。理論設計中，在單位時間內掉入種溝內的種薯塊莖的數(shù)量等于排種器排出來的種薯塊莖的數(shù)量，則

式中V—馬鈴薯播種機的前進速度 (m/s)，播種機作業(yè)速度一般不超過 1.5m/s；

v—馬鈴薯播種機上的排種帶的線速度(m/s)，為保證排種質量，排種帶線速度一般不超過 0.55m/s；

L—馬鈴薯種薯的理論間距(mm)，馬鈴薯播種的株距一般會在 150～450mm 之間；

l—馬鈴薯播種機的排種帶上的種勺間距(mm)；

Δt— 馬鈴薯播種機的作業(yè)時間(s)。

由式(1)得：極限作業(yè)條件下種勺之間的最大間距為165mm。

當播種的間距和播種機前進的速度一定時，升運帶上排布的種勺數(shù)量越多，作業(yè)所需升運履帶的線速度就會越低，才有利于提高排種器的充種性能[6]；取種勺采用雙排交錯的布局進行排列，縮短了雙排相鄰的兩個取種勺之間的間距，有利于提高充種的性能，排種的質量也會明顯的提高。

3) 主從帶輪的參數(shù)確定。種薯隨取種勺翻越從動輪的過程中，若所受到的轉動慣性力過大，則會被甩出取種勺，無法落到上一個取種勺的背面，從而造成排種器的漏播現(xiàn)象。翻越排種帶從動輪時[7]，以種薯質心為原點，垂直于種薯與勺壁接觸面指向排種帶方向為X軸正向，垂直于X軸指向種薯運動方向為Y軸正向，建立直角坐標系，臨界狀態(tài)下種薯受力平衡方程[8]為

式中 ∑Fx—種薯在X方向所受合力(N)；

∑Fy—種薯在Y方向所受合力(N)；

G—種薯的重力(N)；

Fn—取種勺壁對種薯支持力(N)；

Fl—轉動慣性力(N)；

Ff—種薯與取種勺之間的摩擦力(N)；

θ—種薯的重力與X軸正向夾角(°)；

γ—轉動慣性力與X軸負向夾角(°)。

當取種勺的間距l(xiāng)=60mm 時，計算的最大排種帶線速度Vmax=0.7m/s ，取g=9.8m/s2，整理得若種薯不被甩出種勺，其轉動半徑應滿足R≥60mm。當R=60mm 時，F(xiàn)n與G共線，且較大排種帶輪的半徑可減小排種帶的彎曲應力，并且能延長排種帶使用壽命。綜合考慮，確定主動輪半徑80mm，從動輪半徑為120mm。

2.3 種箱結構參數(shù)的設計

1)種箱的結構。馬鈴薯種薯大小應在3.5～4.0cm之間比較合理。種薯箱必須有足夠的容積，以此減少往種薯箱加種次數(shù)。但是，種薯箱容積不宜過大,否則會導致機體質量增加,從而影響播種機的穩(wěn)定性和縱向移動性。試驗證明,種薯在種箱內的自然休止角為24°～34°。為了讓種薯順利的滑落到取種器上，則設計種薯箱地板的傾斜角α=30°,該機的種薯箱形狀設計為錐臺型即上面口直徑大下面口直徑小,以便于加種、卸種和清種。

2)種箱容積的計算。其種箱容積V為

式中L—裝滿一箱子的種薯塊莖所能播種的最遠距離(m);

B—工作幅寬(m);

Nmax—單位面積最大播種量 (kg/hm2)，種薯的株距大約為150mm，則在100m內需要播種略為667個，每個種子大約重70g，算出Nmax≈46.69kg；

γ—種子的單位容積質量(kg/L)，單位容積內能容納尺寸規(guī)格為40mm×40mm×40mm的種薯16個，每個種薯平均質量70g，算出來γ的值大約為1.12kg/L。

代入公式得V=907L。

在實際進行播種作業(yè)中，種箱的容積往往要比所設計數(shù)值稍微大一些[9]，因此在本次設計中，取種箱的容積為1 000L。

2.4 開溝器的選型設計

1) 開溝器的性能要求。開溝器的板塊是比較薄的，所以一定要具有較高的耐磨特性以及硬度性能；開溝器原材料必須有一定的防銹能力，所以原材料的選擇應該具備較高的不吸附性以及不粘合力，并且還要有很好的耐磨性與高強度韌特性；開溝器開出的種溝可以使種子全部落進溝底，溝內種子分布的均勻度應滿足馬鈴薯種植的農業(yè)技術要求。

2) 開溝器選型。田地里面的雜草和秸稈殘茬對開溝器的影響較小，不會出現(xiàn)纏堵開溝器的現(xiàn)象[10]。本次設計選用了雙面犁尖式開溝器,如圖3所示。

圖3 開溝器

3)開溝器結構參數(shù)。小開溝器采用65錳鋼材料，使其具有較高的硬度和耐磨性。尺寸長×寬×高為：329mm×265mm×155mm，大開溝器主要采用45鋼材料，長×寬×高為366mm×267mm×572mm。

2.5 覆土器的選型設計

1) 覆土器的結構。本機主要選用大型圓盤式覆土器，確保最優(yōu)的壟脊成形，其角度、寬度及覆土量均可調。本次設計的馬鈴薯播種機的作業(yè)幅寬比較寬，需要的覆土量相應地也會很大，且根據馬鈴薯播種的農業(yè)技術要求，需要覆土器具備一定的起壟作用。在滿足以上要求綜合考慮下，設計的覆土器選擇雙圓盤式覆土器。該覆土器的結構是組裝式結構，采用組裝是最大的好處就是拆卸維修更換零件方便，且兩個圓盤之間的距離和的角度都是可以調整的，可以適應不同的壟距、壟型的要求并且有起壟的作用。該雙盤式覆土器的主要結構如圖4所示。

1.軸承 2.鎖緊螺栓組 3.覆土圓盤 4.刮土板 5.調整支架 6.保持架 7.調整彈簧

2)覆土器性能結構參數(shù)的確定。

主要設計參數(shù)如下：

覆土圓盤直徑D/mm: 460

安裝架寬度B/mm : 380

兩圓盤間的距離L/mm: 460～660

調整彈簧長度S/mm : 280

圓盤式覆土器的結構特點是可以針對不同播種地形和開溝深度，調整左右2個圓盤的角度以實現(xiàn)不同覆土厚度，增強了機具的適應性。同時，在機架上安裝調整彈簧，同樣可以使覆土器適應不同堅實度土壤的作業(yè)要求。

2.6 行走輪的設計

1) 行走輪的設計要求。摩擦因數(shù)較大，避免打滑，從而減小排種器的漏播、重播現(xiàn)象,保證排種的均勻性;在不工作的時候，行走輪主要起到支撐整個播種機的的作用及運輸?shù)姆奖阈訹11];對不同的地面應該具備較強的適應性，防止出現(xiàn)因地面不平而被架空的現(xiàn)象，從而造成排種器不進行排種工作的問題。

2) 行走輪的結構。行走輪采用橡膠充氣結構，對地面的適應性比較強[12]。 為了避免行走輪在工作時出現(xiàn)滑行的狀態(tài)， 需要將行走輪的滑移率盡可能降到最低。在本次設計中，行走輪的輪轂直徑設計為450mm、輪胎厚度為50mm、輪胎寬度為150mm。

馬鈴薯播種機在運動過程中，行走輪承受著播種機的絕大多數(shù)質量，所以在設計行走輪的過程中，輪軸必須具有可以承受其質量的強度，使其不會發(fā)生較嚴重的變形，以保證馬鈴薯播種機的排種器的正常工作。

3 結論

1)利用理論分析確定傳動機構的設計方案，準確地計算出各機構的主要工作參數(shù)。

2)對馬鈴薯播種機的關鍵工作部件，通過與現(xiàn)有的機型進行比較，進行了優(yōu)化設計，基本滿足該馬鈴薯播種機的設計要求。

3)該馬鈴薯播種機屬于大型播種機，配備的拖拉機的功率相應也很大，保證了播種的穩(wěn)定性。