胡周勛，岳仁才，祝 珊，李少川，孫景彬，李學(xué)強，王相友,2

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255091；2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心，山東 德州 253600；3.山東希成農(nóng)業(yè)機械科技有限公司，山東 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯糧菜兼用，具有很高的營養(yǎng)價值，其種植面積廣，是僅次于水稻、 玉米和小麥的4大農(nóng)作物之一[1-3]。

近年來，隨著我國馬鈴薯主糧化，種植面積進一步擴大，種植潛力也將進一步被挖掘。但是，我國馬鈴薯種植水平不高，平均單產(chǎn)量相比發(fā)達國家仍存在很大的差距，主要因素是我國脫毒種薯種植面積大約是總種植面積的1/4，而發(fā)達國家種植面積超過90%。脫毒種薯因無病毒感染、品質(zhì)好等優(yōu)點，可使馬鈴薯每畝產(chǎn)量提高到原來的1.3～1.5倍，高的甚至達到3～4倍[4]。然而，國內(nèi)培育的脫毒種薯比較少，且隨著脫毒種薯的種植面積的不斷增加，也將導(dǎo)致脫毒種薯的供不應(yīng)求[5]。因此，加大微型原種的種植來保證一級脫毒種薯的供應(yīng)需求，擴大脫毒種薯的種植面積，對提高我國馬鈴薯生產(chǎn)水平和產(chǎn)量具有重要意義。

現(xiàn)階段，我國的馬鈴薯播種機多以薯塊播種為主，而微型薯比較小且是整薯種植，因此國內(nèi)絕大部分播種機不適合微型薯的種植。在國內(nèi)，微型種薯播種機不多，機械化程度不高，在播種時仍存在人工取種半自動化種植，且很多地區(qū)還采用人工種植，難以保證株距一致、播深統(tǒng)一的農(nóng)藝要求，耗費大量人力，作業(yè)效率不高，遠不能達到馬鈴薯機械化發(fā)展的要求[6]。

因此，為滿足我國微型馬鈴薯種大面積機械化播種作業(yè)需求，設(shè)計了一款基于振動排序技術(shù)的2CMW-4B型四行微型馬鈴薯播種機，可實現(xiàn)開溝、施肥、播種及覆土鎮(zhèn)壓等多項作業(yè)，同時具有較高的播種精度和作業(yè)效率。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

2CMW-4B型四行微型馬鈴薯播種機主要由機架、傳動裝置、覆土裝置、液壓系統(tǒng)、施肥裝置、排種裝置、開溝器，以及劃線器等組成， 可一次性完成開溝、施肥、噴藥、播種及覆土等作業(yè)，解決了人工效率低和生產(chǎn)成本高等問題。其播種機整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

工作時，拖拉機通過三點懸掛方式牽引微型馬鈴薯播種機前進，播種機動力來自地輪，隨著拖拉機前行地輪轉(zhuǎn)動，將動力通過鏈輪、鏈條傳遞給播種裝置和施肥裝置。

在播種過程中，播種傳送帶由播種主動鏈輪帶動而轉(zhuǎn)動，微型薯種經(jīng)過輸送帶上的抖動板進入待傳送區(qū)域；然后，在傳送帶和擺動片的作用下進行排序并帶動微型薯種一起運動，移動向下一個與之轉(zhuǎn)速相同步的壓種帶，在非常接近土壤表面時釋放薯種，播種再由雙面犁尖式開溝器開出的合適播種深度的種溝中，完成播種作業(yè)。在施肥過程中，排肥輪轉(zhuǎn)動將肥料輸送到施肥通道，接著落至肥溝，完成施肥作業(yè)。播種機完成施肥和播種后，覆土裝置對薯壟進行覆土，完成整個微型薯的播種工作。

1.薯量調(diào)節(jié)裝置 2.播種單元寬窄調(diào)整裝置 3.種箱 4.液壓系統(tǒng) 5.劃線器 6.肥箱 7.彈性開溝器 8.傳動系統(tǒng) 9.開溝播種裝置 10.地輪 11.限深輪 12.覆土盤

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

2CMW-4B型微型馬鈴薯播種機可4壟作業(yè)，工作幅寬大且作業(yè)速度高，具有較高的播種效率。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 主要部件的設(shè)計

2.1 開溝播種裝置的設(shè)計

播種裝置是微型薯播種機的核心部分，播種裝置的性能直接影響微型薯的播種質(zhì)量和播種效率，而其中播種質(zhì)量又是影響最終馬鈴薯產(chǎn)量的一個重要因素[7]。本文設(shè)計的開溝播種裝置采用了振動排序技術(shù)，該裝置主要由輸送帶、壓種帶、抖動板、擺動片、鏈輪、鏈條、開溝器，以及限深輪等組成，如圖2所示。

1.壓種輸送帶 2.鏈輪和鏈條 3.擺動片 4.抖動板 5.前輸送帶 6.料口前擋板 7.偏心軸承 8.種溝開溝器 9.刮土板 10.限深輪

工作時，微型薯種從料斗口滑落到抖動板和輸送帶的前端，且該輸送帶靠近微型薯種一側(cè)比中間高出一部分，因此輸送帶上的微型薯種將隨著輸送帶往后運動。在往后的過程中，擺動片在偏心軸承的轉(zhuǎn)動下前后擺動，且擺動片與輸送帶右側(cè)端的距離大小不斷減小直到約3/5處間距不變。其擺動目的是讓在輸送帶上的微型薯種進行排列運動，距離變小是為了使微型薯種只排列成一隊隨輸送帶運動，而多余的微型薯種將被擠出輸送帶，大大降低了重種率。由于抖動板有輕微的折彎，即抖動板靠近輸送帶一側(cè)前比后低以及前側(cè)左比右低，因此被擠出輸送帶的微型薯種在抖動板的抖動下將回到前端再次等待進入待傳送區(qū)域。當(dāng)微型薯種排列成一隊后，移動向下一個與之轉(zhuǎn)速相同步的壓種帶，接近土壤表面時釋放薯種，從而播種在土壤中。

由于微型薯種向下運輸時被壓種帶固定著向下運輸，不會產(chǎn)生位移的現(xiàn)象，當(dāng)微型薯種快要接近土壤表面時才離開傳送裝置，確保了薯種能夠被精確地播種在土壤中。利用平行四邊形的開溝器能夠開出均勻的播種深度，同時配備的限深輪裝置也能在一定程度上保證微型薯播種精度。地輪為播種裝置提供動力來源，采用履帶式傳送結(jié)構(gòu)，經(jīng)由左側(cè)的鏈輪組就可以調(diào)節(jié)播種速度，可以達到不受行進速度的影響而實現(xiàn)高速播種的目的，極大地提高了播種效率。

2.2 施肥裝置的設(shè)計

2.2.1 肥箱的設(shè)計

考慮到肥料容易在流肥盒入口處堵塞或部分肥料易堆積在底部無法進入流肥盒等問題，為了使肥料順利進入流肥盒，本文設(shè)計的肥箱主要由攪拌軸、螺旋輸送條和攪拌桿等構(gòu)成。其中，肥箱焊接了攪拌裝置，如圖3所示。該裝置是將攪拌桿和螺旋輸送條焊接到攪拌軸上，攪拌桿對應(yīng)在流肥盒進料口處呈一定角度焊接在攪拌軸上的，以充分攪拌流肥盒進料口處的肥料團，防止了流肥盒堵塞；而螺旋輸送條是旋向相反進行焊接的，以確保肥箱底部的肥料被順利推進兩端的流肥盒中，避免箱底積肥，提高了播種機施肥質(zhì)量。

1.攪拌軸 2.攪拌桿 3.螺旋輸送條 4.肥箱腔體 5.鏈輪

2.2.2 流肥盒的設(shè)計

流肥盒是施肥裝置中核心的一部分，其優(yōu)劣將影響施肥的質(zhì)量以及后期的微型薯的產(chǎn)量。本文設(shè)計的流肥盒主要由傳動軸、絞龍及絞龍腔體等構(gòu)成，如圖4所示。本設(shè)計采用絞龍旋轉(zhuǎn)進行施肥，其絞龍是兩個旋向相反的螺旋葉片焊接在旋轉(zhuǎn)軸而成，可將進料口處的肥料不斷地推至出料口處，避免了卡肥現(xiàn)象，提高了施肥質(zhì)量。

1.進料口 2.絞龍 3.絞龍腔體 4.傳動軸 5.排料口

綜合肥箱和流肥盒的設(shè)計施肥裝置由肥箱、流肥盒、接肥盒及施肥開溝器等構(gòu)成，如圖5所示。其動力來自地輪，地輪旋轉(zhuǎn)通過鏈和鏈輪帶動施肥裝置傳動軸轉(zhuǎn)動；施肥開溝器開出肥溝的同時，流肥盒下料口處排出的肥料經(jīng)施肥導(dǎo)向管流向肥溝。該裝置可通過改變施肥開溝器的安裝高度調(diào)節(jié)施肥深度，通過更換鏈輪的大小調(diào)整施肥量，大大提高了施肥質(zhì)量。

2.3 種箱和供薯量調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計

2.3.1 種箱振動供種的設(shè)計

播種距離、播種量、工作幅寬等因素都會對播種機種箱容積的設(shè)計有影響，需多方面考慮。且種箱至少在一個往返行程內(nèi)剩余大約10%的薯種，確保播種質(zhì)量不會因箱內(nèi)種子太少而下降[8]。

其種箱容積計算公式為

V=1.1LBQmax×10-4/γ

(1)

式中L—種箱裝滿所能播種的距離，至少應(yīng)等于一個往返行程(m)；

B—工作幅寬(m)；

Qmax—單位面積最大播種量(kg/hm2)；

γ—微型原種的密度(kg/L)。

微型薯種容易堆積在種箱的供種口，導(dǎo)致薯種無法及時供應(yīng)，增大漏播，降低了播種質(zhì)量[9]。故在種箱前下料口安裝有振動電機，對料箱的微型薯有一個微振動的作用，使供種口不易堆積，提高了供種效率和播種質(zhì)量。

2.3.2 薯量調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計

種箱供種口既不能過大也不能過小，過大會造成過多的種薯堆積在播種裝置上，不利于播種；過小容易造成種薯在供種口處堆積。因此，設(shè)計了薯量調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)供種口調(diào)節(jié)板的轉(zhuǎn)動，進而控制供種口的大小，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。其供種口的大小通過旋轉(zhuǎn)手柄來改變，首先旋轉(zhuǎn)手柄帶動螺紋桿轉(zhuǎn)動，螺紋桿帶動方鋼轉(zhuǎn)動，進而方鋼帶動偏心軸套轉(zhuǎn)動，最后帶著供種口調(diào)節(jié)板轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)供種口大小。在作業(yè)時，由于聯(lián)軸器上安裝有偏心軸承，偏心軸承在轉(zhuǎn)動時，會帶動調(diào)節(jié)板有一個微小的振動，進一步降低了堆積的可能，提高了薯種的供應(yīng)率。

1.旋轉(zhuǎn)軸 2.支撐板 3.轉(zhuǎn)換塊 4.連接板 5.連接軸 6.供種口調(diào)節(jié)板 7.偏心軸承 8.方鋼 9.旋轉(zhuǎn)手柄

2.4 播種單元寬窄調(diào)整裝置的設(shè)計

在作業(yè)時，只允許有一隊微型薯種隨輸送帶運輸，因此播種裝置擺動片與輸送帶右側(cè)的寬窄必須合適，防止因過小而漏種，過大而重種現(xiàn)象。播種單元的寬窄可由旋轉(zhuǎn)手柄來改變，如圖7所示。

1.連接支架 2.調(diào)節(jié)螺栓 3.調(diào)節(jié)塊 4.擺動片 5.前輸送帶 6.旋轉(zhuǎn)手柄 7.鏈輪 8.鏈條

轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)手柄帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，由鏈傳動帶動下面的鏈輪，下面的鏈輪通過轉(zhuǎn)動改變與螺紋塊的距離，來調(diào)節(jié)播種單元的播種的寬窄，防止重種和漏種率，保證了播種質(zhì)量。

2.5 傳動機構(gòu)的設(shè)計

合理布置傳動機構(gòu)不僅能使整機結(jié)構(gòu)緊湊、美觀，而且還能保證準確的傳動比，提高作業(yè)效率[10]。本設(shè)計主要采用鏈輪、鏈條傳動方式進行傳動，具有成本低、安裝精度要求低，以及可在惡劣的環(huán)境工作等特點。

播種裝置和施肥裝置的動力源均來自地輪，在工作過程中，地輪在拖拉機牽引播種機前進時轉(zhuǎn)動，動力經(jīng)過地輪軸上的鏈輪、鏈條及中間傳動機構(gòu)傳遞給播種裝置的播種主動輪和施肥裝置的排肥輪。本設(shè)計通過調(diào)整左側(cè)的鏈輪組，便可改變薯種傳送速度，改變株距大小，滿足不同種植模式的株距要求。

3 田間播種試驗及分析

3.1 試驗條件

馬鈴薯種植期間，在內(nèi)蒙古四子方旗某馬鈴薯種植基地對樣機進行了田間播種試驗，選用配套動力為105.5kW的拖拉機，作業(yè)速度控制在4～6km/h，并根據(jù)播種要求調(diào)節(jié)好相應(yīng)的參數(shù)，進行4壟微型薯種播種試驗。

3.2 試驗結(jié)果

在田間進行多次試驗，對試驗的結(jié)果取平均值，并與相應(yīng)農(nóng)業(yè)機械試驗條件與測定方法的規(guī)定標(biāo)準作相應(yīng)的比較，結(jié)果如表2所示。

表2 樣機田間試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可知: 各項指標(biāo)的試驗結(jié)果均優(yōu)于指標(biāo)的標(biāo)準，該微型薯播種機的設(shè)計滿足要求。

4 結(jié)論

1)將振動排序技術(shù)應(yīng)用到微型馬鈴薯播種機，通過振動將馬鈴薯進行排序，由輸送帶進行傳送排種，在滿足株距的基礎(chǔ)上，減小了漏種率和重種率，提高了播種效率和播種質(zhì)量。

2)采用振動排序和履帶式傳送結(jié)構(gòu)的播種裝置，由地輪提供動力，通過左側(cè)的鏈輪組調(diào)整播種的密度，不受速度影響，可高速播種，提高了播種效率；采用攪拌螺旋式的肥箱和絞龍式的流肥盒，降低堵塞的可能，提高了施肥質(zhì)量；采用種箱振動供種，提高供種性能。

3)田間試驗結(jié)果表明：該微型馬鈴薯播種機性能穩(wěn)定，作業(yè)質(zhì)量較高，間距合格指數(shù)為92.0%，重種率為5.7%，漏種率為3.9%，種植深度合格率為93.1%，各項性能指標(biāo)均優(yōu)于馬鈴薯播種的相關(guān)要求。該研究可為我國馬鈴薯微型薯種播種技術(shù)及裝備的研發(fā)提供參考，對推動我國馬鈴薯全程機械化的發(fā)展進程具有重要意義。