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 機電工程學院，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世紀末以來，我國花生種植開始迅速發(fā)展，在全國形成了多個重要的產(chǎn)區(qū)，為國民經(jīng)濟的發(fā)展、花生的出口以及油料的產(chǎn)出都做出了重要的貢獻?；ㄉ哂泻軓姷母偁幜?，在食品加工領域快速占據(jù)了主導地位，同時花生的種植也促進了農(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，花生種植機械化不僅可以提高生產(chǎn)率，解放勞動力，還能提高效益，促進增產(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行打孔播種，對土壤的擾動小，同時省去了后續(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問題。本文設計的2BMD-3/6型花生膜上穴播機有效地解決了播種中存在的技術問題，提高了播種效率和精度。

1 整機結構及工作原理

1.1 技術要求

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構進行自動調(diào)節(jié)，以達到更好的播種精度。

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)，提高播種機的聯(lián)合作業(yè)能力。

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

4)膜上穴播機作業(yè)時，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 整機結構及技術參數(shù)

2BMD-3/6型花生膜上穴播機主要由三點懸掛裝置、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)配合是保證播種機播種質(zhì)量的關鍵，因此各機構的合理布局尤為重要。其整體結構如圖1所示，主要技術參數(shù)如表1所示。

1.3 工作原理

工作時，前端用拖拉機牽引，且依靠拖拉機為電動下肥機及增壓泵供電；前進時，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，內(nèi)充種排種器在穴播輪的帶動下轉動；種子落入到穴播輪的種室內(nèi)，在穴播輪的轉動下落入排種管中，穴播輪上的鴨嘴形排種管插入土中實現(xiàn)膜上打孔，并在壟面的反作用力下使鴨嘴擋板張開實現(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型花生膜上穴播機結構圖Fig.1 The structure of 2BMD-3/6 type peanut sowing machine on plastic film

2 關鍵部件設計

2.1 仿形機構

由于機器較大，設計為3個單體浮動的后端機架，這樣能夠保證各穴播輪盤能隨地形起伏上下浮動，開出深淺一致的種穴，保持種子播深穩(wěn)定性，因此要設計結構合理的仿形機構來保證。仿形機構如圖2所示，能夠很好地滿足后端機架的上下浮動，保證成穴深度的穩(wěn)定性，提高對不同地形的適應性。

由于整機比較大，為了保證播種的質(zhì)量，必須給后端機架加裝仿形機構，這樣在播種時，3個后端機架可以根據(jù)壟面的高低進行仿形調(diào)節(jié)，以達到更好的播種質(zhì)量，仿形機構由鉸銷1、Y形桿、鉸銷2、機架、U形螺栓以及直角Y形桿構成，設計簡單，結構合理，實現(xiàn)了上下仿形，保證了后端機架上穴播輪盤的成穴質(zhì)量。圖2中：θ為仿形機構的最大仿形轉角，其值可以通過改變銷孔的長度來改變，可以根據(jù)實際的作業(yè)需要進行孔的加工。設計的多壟播種機仿形機構，可提高對不同土壤環(huán)境下的適應性，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型花生膜上穴播機的主要技術參數(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.機架 5.直角Y形桿 6.U形螺栓圖2 仿形機構結構圖Fig.2 The diagram of profiling mechanism structure

2.2 成穴播種器

2.2.1 基本結構及工作原理

成穴播種器是播種機的關鍵設計部件，成穴播種器成穴的深淺直接關系到播種質(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：拖拉機拖動播種機前進，帶動穴播輪盤在地面上滾動，同時鏈條帶動內(nèi)充種排種器中夾帶花生種的穴播輪盤轉動，到達內(nèi)充種排種器的落種口，再通過輸種管落入種室并進一步到達鴨嘴內(nèi)；穴播輪盤上的鴨嘴破膜插入土中，當鴨嘴插入土壤達到一定深度時，鴨嘴擋板在土壤反作用力下張開，花生落到穴內(nèi)；此時，擋板一直處于張開狀態(tài)，當鴨嘴出土后，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 成穴裝置結構圖Fig 3 The structure diagram of the hole forming device

2.2.2 運動軌跡分析

鴨嘴運動軌跡方程為

式中x—鴨嘴沿穴播輪盤前進方向的位移；

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—鴨嘴轉過角度。

其中，R為300mm，H為50mm。

鴨嘴上各點運動軌跡為長幅余擺線(見圖4和圖5)，鴨嘴上各點在地膜上的成穴位置與穴播輪盤在壟面上的位置有關。因為在運動過程中，穴播輪盤會由于后浮動架的浮動不一致導致穴播輪盤的上下浮動不一致，導致鴨嘴深淺不同。穴播輪盤上各點的運動軌跡為擺線，此時H為0可得穴播輪盤上各點的運動軌跡方程為

圖4 鴨嘴運動軌跡Fig.4 The trajectory of duckbill

圖5 圓上點的運動軌跡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動時，鴨嘴在入土和出土過程中，會有撕膜和挑膜現(xiàn)象的發(fā)生，對于覆膜的質(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對播種質(zhì)量、花生的產(chǎn)量以及機器的推廣帶來極大的益處。

穴播輪盤在運動時，是帶有滑移的轉動，并不是純滾動，且滑移量與機具前進的速度及穴播輪盤的直徑有著直接的關系?；屏康牟煌瑫е卵仔螤畹牟煌?，不僅影響了成穴的質(zhì)量還會對地膜造成不同程度的損壞，所以要求在播種時控制好機器前進的速度，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實程度對于地膜的保溫、保濕有著重要的影響。覆土嚴實，地膜保溫、保濕的效果好，否則不利于保水保墑，會造成花生的減產(chǎn)。如圖6所示的覆土鎮(zhèn)壓裝置，有效地解決了覆土不嚴實的問題。

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

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

螺旋擋板的螺旋角α是本裝置的關鍵所在，螺旋角的大小嚴重影響土壤在擋板上的滑動,所以對土壤在擋板上的受力進行分析。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個方向的力：土壤沿擋板A點螺旋切線方向的滑動摩擦力F，螺旋面對土壤的支撐力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M沿A點切面的螺旋線方向的分力大于土壤所受的摩擦力時，土壤才能沿導土板向下滑動。即

Mcosα>F

所以，在設計時要控制螺旋擋板的螺旋角，保證土壤順利滑動，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 配套動力的選用

播種機總功率的計算，是對拖拉機型號選用的基礎。播種機功率的損耗主要是由起壟鏟前進受到的阻力消耗的功率組成。

根據(jù)公式，挖掘鏟前進的阻力為

F=εabV2+Kab+fG

式中F—機具的牽引阻力(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—動態(tài)阻力系數(shù)(N·S2/m)；

V—拖拉機前進速度(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)計算得出，花生條鋪收獲機需要配套60kW以上的拖拉機。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

試驗在青島萊西市萬農(nóng)達花生機械有限公司內(nèi)的試驗田進行，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，土壤堅實度為(221.5×100)Pa；土壤含水率為11.7%(0～10cm)。試驗所用品種為魯花11號。

4.2 試驗方法及試驗結果

在播種試驗區(qū)內(nèi)取10壟，共20行，每壟測每行5m內(nèi)的穴數(shù)及每穴的種粒數(shù)。對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，得出播種均勻性的相關指標如表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

試驗表明:本機作業(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%，各項指標均達到了國家相關標準。

5 結論

1)設計的2BMD-3/6型花生膜上穴播機符合花生壟作的農(nóng)藝要求，使用內(nèi)充種排種器和穴播輪盤組合實現(xiàn)了膜上精密播種。通過田間試驗，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，尤其是在機器高速作業(yè)時，這種現(xiàn)象更加嚴重，需要合理的控制播種速度；后部的覆土滾筒能夠將打好的膜孔用土進行覆蓋，利于保水保墑。

3)該播種機不僅能夠滿足不同地塊的作業(yè)要求，還實現(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。