石林榕 趙武云 楊小平 孫步功 孫 偉

(甘肅農業(yè)大學機電工程學院， 蘭州 730070)

0 引言

甘肅省地理環(huán)境惡劣，十年九旱，地膜覆蓋技術能最大效應增溫保墑[1]。目前國內多數覆膜播種機采用先播種后鋪膜模式，出苗前需人工或者機械破膜放苗，增加作業(yè)工序和勞動強度。膜上打孔播種技術在膜上打孔播種，省去了放苗工序[2]。西北地區(qū)的“秋覆膜”和“頂凌覆膜”較傳統覆膜優(yōu)勢明顯[3-4]，“秋覆膜”是秋季覆膜保住3個月(7—9月)的降雨，為來年4月種玉米發(fā)芽生根之用；“頂凌覆膜”是避免地表在“晝消夜凍”過程中損失墑情，然而播種難度較大。針對兩種覆膜方式甘肅省仍普遍采用人工或簡易機械，勞動強度高、播種合格率低。國內研發(fā)成熟的膜上播種機幾乎均以滾輪式播種機為主[5-6]，播種較淺作物時，成穴器運動軌跡余擺線對地膜影響不大，播種較深作物時，易產生挑膜、刮膜等問題，西北多風會加劇膜孔開裂；同時，種子周圍土壤擾動大，造成種子發(fā)芽周期較長。直插播種技術采用打孔器對地膜覆蓋的土壤進行打孔，僅在穴孔位置開膜切開，利于保墑和抗旱。

陳曉光等[7]首次提出直插播種原理，此后國內對直插播種機構進行了大量研究。劉軍干等[8]采用平行四桿機構應用于小麥直插式覆膜穴播機中，由于穴播過程中鴨嘴水平位移量較大，存在嚴重的挑膜、撕膜問題。趙建托等[9]設計的玉米全膜雙壟溝播直插穴播機采用凸輪和曲柄組合機構控制鴨嘴的穴播過程，實現播種時間段成穴器水平絕對速度為零，基本解決了撕膜等問題。趙武云等[10]采用凸輪-曲柄滑塊機構、運動放大機構實現了成穴器的“零速”投種。戴飛等[11]通過應用轉動導桿機構與正弦機構進行串聯，運動放大機構放大補償速度實現“零速”播種，由于機構復雜，機構運行不可靠。以上機具均將種箱和鴨嘴分離，通過排種管連接，鴨嘴隨穴播桿作往復回轉運動，增加種子在排種管內的停留時間，易造成空穴。為解決此問題，石林榕等[12-13]設計了轉動導桿驅動平行四桿機構，完成整機前進速度補償，同時該機將種箱和排種機構安裝在穴播桿上，減少了排種器排種時間，但同時增加了穴播桿的回轉慣性；由于該機通過地面與穴播桿的相對位移實現排種輪排種和鴨嘴開啟，當遇到不平度較高地面時，易造成漏播。

針對以上問題，在電驅式小區(qū)玉米膜上直插穴播機的基礎上[13-17]，為提高玉米直插穴播機的可靠性及穴粒數合格率，設計強排-強啟排種裝置，重點對強排-強啟排種器和強排-強啟同步機構共軛凸輪進行分析計算和試驗驗證。

1 整機機構與工作原理

1.1 整機結構

圖1為玉米直插穴播機結構圖。玉米直插穴播機主要由機架、減速電動機、強排-強啟排種裝置、前進速度補償機構、蓄電池、共軛凸輪機構、差速器和牙嵌式電磁離合器等組成。

圖1 玉米直插穴播機結構圖Fig.1 Structure diagram of corn insert plot hill-drop planter1.機架 2.減速電動機 3.蓄電池 4.強排-強啟排種器 5.后輪 6.直線推桿 7.把手 8.排種裝置 9.前進速度補償機構10.共軛凸輪機構 11.牙嵌式電磁離合器 12.差速器 13.前輪

1.2 動力傳遞過程

玉米直插穴播機的動力傳遞過程如圖2所示。運動時，電動機的轉動經過減速箱減速，一側通過鏈傳遞至差速器，差速器驅動地輪前進，另一側通過鏈傳遞至離合器。整機行走時，離合器動力斷開，作業(yè)時，離合器切合通過鏈傳動將動力分別傳遞給共軛凸輪機構、前進速度補償機構和外槽輪排種輪，為保證3個機構的同步性，連接共軛凸輪機構、前進速度補償機構和外槽輪排種輪的鏈輪齒數相同，其中外槽輪上僅有一取種窩眼，前進速度補償機構能實現穴播過程的“零速”入穴出穴，在前進速度補償機構的穴播桿入穴時共軛凸輪機構通過拉線拉動取種間歇機構進行取種并將種子提前投入鴨嘴內，當鴨嘴開始上升時，拉線拉啟活動鴨嘴，種子在重力作用下掉入穴孔內，待鴨嘴完全脫離土壤后，鴨嘴在拉簧的作用下閉合，間歇機構在扭簧的作用下恢復初始位置，與此同時，外槽輪排種旋轉一周完成一次取種任務，種子通過輸種管落入小種盒內，完成一個周期的排種過程。

圖2 動力傳遞過程示意圖Fig.2 Process of power transfer1.電動機 2.減速箱 3.差速器 4.地輪 5.離合器 6.共軛凸輪機構 7.拉線 8.前進速度補償機構 9.取種間歇機構 10.活動鴨嘴 11.固定鴨嘴 12.外槽輪排種輪

1.3 工作原理

如圖1、2所示，作業(yè)時，玉米直插穴播機減速電動機驅動差速器使整機以一定速率前進；同時電動機驅動前進速度補償機構，使整機前進時鴨嘴在播種期間能相對于地面基本實現直下直上。同時電動機帶動共軛凸輪機構，拉動強排-強啟排種器的排種輪轉動取種及活動鴨嘴開啟排種。電動機也驅動排種裝置的槽輪式排種輪轉動排種。為減小強排-強啟排種器回轉運動中的慣性，強排-強啟排種裝置上設小種箱，排種裝置設大種箱，大種箱內的種子在外槽輪排種器的協助下通過排種管輸入小種箱，使強排-強啟排種器內的種群數保持一致。后輪可通過直線推桿調節(jié)高度。當平地穴播時，使后輪和前輪高度保持一致；當壟溝穴播時，前輪騎行于溝底，后輪行走于壟面，需縮短直線推桿長度；為避免運輸過程中地面與鴨嘴發(fā)生接觸，增大直線推桿長度。強排-強啟排種器與穴播桿通過2個滑塊垂直連接，上滑塊與穴播桿通過壓簧連接，當遇到地面不平時，可在一定程度滿足播深一致。遇到堅硬地面或石塊時壓簧被壓縮，鴨嘴得到保護。

2 強排-強啟排種裝置設計

2.1 前進速度補償機構

如圖3所示，前進速度補償機構主要由動力輸入曲柄、導桿、主動曲柄、穴播桿和從動曲柄等組成，動力輸入曲柄和導桿組成轉動導桿機構，由機架、主動曲柄、穴播桿和從動曲柄組成平行四桿機構。該機構核心功能為轉動導桿機構將動力輸入曲柄的勻速轉動轉化為導桿的周期性非勻速轉動，由于導桿與主動曲柄垂直固定安置，非勻速轉動的主動曲柄帶動平行四桿機構中穴播桿在向下運動一定區(qū)間內相對地面直上直下，即在前進速度補償期間穴播桿入土到出土時前進速度接近于零，保證了鴨嘴對玉米生長周圍種床(上虛下實)破壞少，減少了鴨嘴對地膜撕裂等問題。

圖3 前進速度補償機構圖Fig.3 Structure diagram of forward speed compensation device1.導桿 2.動輸入曲柄 3.主動曲柄 4.穴播桿 5.從動曲柄

2.2 穴播關鍵時間點

根據前進速度補償機構穴播過程中關鍵動作確定穴播關鍵時間點，穴播過程中關鍵動作由鴨嘴入土、鴨嘴出土、鴨嘴和排種輪恢復段組成。通過前進速度補償機構運動仿真軌跡確定鴨嘴開始入土到穴底階段主動齒輪的轉角為7.54°～81.05°，此期間鴨嘴保持閉合；鴨嘴從穴底到出穴階段主動齒輪的轉角為81.05°～179.05°，此期間鴨嘴保持開啟；鴨嘴開口恢復階段主動齒輪的轉角為179.05°～361.88°，此期間前期鴨嘴閉合。如圖4所示。

圖4 穴播周期內關鍵時間點Fig.4 Key time point during seeding period

為了保證設計的共軛凸輪和偏心齒輪機構共同協調完成強排-強啟排種器的取種和排種動作，需準確確定共軛凸輪和主動偏心齒輪初始安裝角，圖5所示為一個穴播周期內關鍵時間點與主動偏心齒輪轉角關系。

圖5 穴播周期內關鍵時間點與主動齒輪轉角關系Fig.5 Relationship between key time point during seeding period and driving gear rotation

2.3 排種器運動分析

為減小排種器體積，同時扭桿有效長度需大于排種輪半徑和安裝尺寸，最終扭桿有效長度l2設計為60 mm，因此排種輪排種期間滑桿需要上滑l1使排種輪排種一次，如圖6a所示。在此過程中，鴨嘴開啟拉桿在滑槽內滑動，未對活動鴨嘴發(fā)生作用?；瑮U上滑位移l1為

圖6 排種器運動分析Fig.6 Analysis for motion of seed metering device1.滑桿 2.滑桿支座 3.連桿 4.鴨嘴開啟拉桿 5.活動鴨嘴 6.固定鴨嘴 7.扭簧 8.鴨嘴固定盒 9.排種盒 10.扭桿 11.安裝座 12.帶桿 13.排種輪

(1)

式中θ1——排種輪排種一次轉角，(°)

如圖6b所示，當排種輪旋轉滿足排種角度后，還需隨滑桿向上移動一定距離拉起活動鴨嘴，滑桿增加位移Δl為

(2)

式中l(wèi)′2——扭桿排種和鴨嘴開啟有效長度，mm

θ2——排種輪排種一次轉角和鴨嘴開啟轉角的和，(°)

鴨嘴開啟拉桿拉起活動鴨嘴繞鴨嘴旋轉中心旋轉，角度較小，滑桿增加位移等于繞鴨嘴旋轉中心轉動弧長為

式中δ1——鴨嘴開啟拉桿拉起活動鴨嘴轉角，(°)

l4——滑槽上端到旋轉中心間的距離，mm

根據實際播種玉米尺寸統計情況，同時為避免有較多土壤進入鴨嘴，開口不宜過大，活動鴨嘴開口應與玉米最大長相當。設定活動鴨嘴開口大小為l5，根據角速度相等原理可得

(3)

其中

(4)

式中δ2——活動鴨嘴嘴尖轉角，(°)

l3——活動鴨嘴嘴尖到旋轉中心間距離，mm

l5——活動鴨嘴嘴尖開口量，mm

2.4 排種機構設計

為提高型孔充填能力，取種過程排種輪勻速轉動，即角速度為常數，如圖7所示。排種輪轉動線速度為

vp=θ1l2

(5)

其中

式中z——窩眼型孔數，個

圖7 窩眼輪運動分析Fig.7 Analysis of movement of eye socket

排種輪轉動線速度垂直分速度為

(6)

式中T——穴播一個周期的時間，s

v1——向上拉絲速度，mm/s

對式(6)求導可得拉桿運動按正弦函數加速度運動，加速度為

(7)

窩眼輪型孔數為

(8)

式中dw——窩眼輪直徑，m

vm——播種機前進速度，m/s

S——株距，m

窩眼輪直徑不宜太小，因其曲率大，不利于種子充填型孔而造成漏播。為縮小排種器體積，窩眼輪直徑設為46 mm。窩眼輪上型孔數越多，則窩眼輪線速度越低，有利于提高型孔充填性能，但型孔數又受窩眼輪直徑和型孔間相隔距離限制。由文獻[18]可知玉米種子受鴨嘴向上慣性影響，前進速度限制低于170 mm/s，本文前進速度vm取170 mm/s，株距330 mm，穴播周期為1.94 s。據式(2)估算及排種輪平穩(wěn)取種要求，排種輪圓周方向設7行孔穴，排種輪旋轉2π/7排種一次。通過仿真可知鴨嘴由入土到穴底0.47 s期間需取種一次，由此排種輪角速度為1.9 rad/s。計算結果如表1所示。

表1 排種器運動參數計算結果Tab.1 Calculation result for motion parameters of seed metering device

2.5 凸輪機構設計

單凸輪的強排機構需使用彈簧或者重力恢復初始位置，彈簧長時間工作后會產生彈簧松弛，造成穴播鴨嘴開啟不穩(wěn)定，影響播種效果。共軛凸輪具有加載力、波動和噪聲小等優(yōu)點[18-19]。為使排種輪排種和開啟活動鴨嘴便于排種，通過式(1)計算得到拉桿位移為52.06 mm。由式(2)計算得到拉桿開啟鴨嘴增加的位移為8.13 mm。為使拉桿復位可靠，避免使用彈簧，在生成主動凸輪的基礎上，設計了從動凸輪，圖8所示為設計的共軛凸輪。為減小體積和滿足一定強度要求，凸輪基圓半徑R設為60 mm(圖9a)，凸輪推程階段分兩步，第1步凸輪推程7.54°～81.05°期間，拉桿位移l1為52.06 mm(圖9b)；第2階段凸輪推程81.05°～83°期間，拉桿增加位移l′1為8.13 mm(圖9c)；鴨嘴排完種后不能將鴨嘴閉合，防止鴨嘴夾土影響下一次排種，因此凸輪保持階段為83°～179.05°(圖9d)，在此期間滑桿保持拉開鴨嘴直到鴨嘴離開穴孔，防止鴨嘴過早關閉出現夾土問題。

圖8 共軛凸輪構件Fig.8 Component of conjugate cam1.主動凸輪 2.從動凸輪 3.拉桿 4.主軸承 5.副軸承 6.拉板

圖9 共軛凸輪運動簡圖Fig.9 Analysis for motion carillon

3 試驗

圖10 樣機田間試驗Fig.10 Field test of prototype

玉米直插穴播機強排-強啟排種裝置田間播種性能試驗于2017年6月8日在甘肅農業(yè)大學試驗田進行。樣機試驗如圖10所示，試驗地南北走向、呈矩形，土壤為沙壤土，含水率為10.5%～13.6%，40 mm深度土壤堅實度平均值為124 kg/cm2，地溫平均值為24.5℃。試驗機具前進速度為0.17 m/s。試驗地依照甘肅玉米播種技術(平鋪膜寬70 cm)，覆膜厚度為0.01 mm。玉米種植品種為隴單339號，千粒質量為371 g，種子外形尺寸平均值為87 mm×75 mm×45 mm。按照NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業(yè)質量》對播種機作業(yè)性能的測定要求，計算玉米直插穴播機強排-強啟排種裝置膜上播種作業(yè)時種子空穴率、穴粒數合格率。以200 mm長單膜為1個作業(yè)小區(qū)，測定點為5個小區(qū)內所有的穴孔，記錄穴孔內的種數。性能參數計算公式為

(9)

式中f——總膜孔數，個

kh——空穴數，個

Hk——空穴率，%

lh——穴粒數合格穴數，個

Hl——穴粒數合格率，%

bh——膜下播種深度合格穴數，個

Hb——膜下播種深度合格率，%

由試驗結果可知，玉米直插穴播機強排-強啟排種裝置的空穴率為1.8%、穴粒數合格率為95.3%、膜下播種深度合格率為88.1%，試驗指標均符合相應指標要求。與文獻[13]中玉米直插穴播機的播種性能相比，該機穴粒數合格率提高了2.3%，空穴率增加了38.89%。分析原因，由于該機的取種輪在壓力一定的種群條件下單粒取種精度提高，穴粒數合格率有所提高；試驗中發(fā)現鴨嘴開啟從穴底向上運動時，鴨嘴周圍土壤會干擾種子落入穴孔，造成個別種子掉落壟面，按空穴計算致使該機空穴率增加。

試驗過程中發(fā)現，玉米直插穴播機強排-強啟排種裝置傳動運行平穩(wěn)，裝置傳動運行平穩(wěn)，能完成取種和排種動作，鴨嘴無提早排種問題。總體而言，采用強排-強啟排種裝置的玉米直插穴播機滿足農藝技術要求和玉米播種機的基本作業(yè)質量標準要求。

4 結束語

采用共軛凸輪和強排-強啟排種器聯合作用實現玉米種子有效取種和強排，避免了地面不平度對播種性能的影響，試驗結果表明，玉米直插穴播機強排-強啟排種裝置的空穴率為1.8%、穴粒數合格率為95.3%、膜下播種深度合格率為88.1%；裝置傳動運行平穩(wěn)，能完成取種和排種動作，鴨嘴無提早排種問題，滿足玉米播種的設計要求和農藝技術要求。

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