湖北地區(qū)馬鈴薯播種機(jī)主要部件設(shè)計(jì)

杜錚 萬勇 舒虹杰

摘要：根據(jù)湖北地區(qū)的種植農(nóng)藝要求，對(duì)馬鈴薯起壟播種機(jī)開溝器、排肥器、播種裝置、開溝起壟裝置等主要部件進(jìn)行了參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了３Ｄ軟件繪圖設(shè)計(jì)工作。為樣機(jī)制作提供了理論基礎(chǔ)，以保證樣機(jī)能順利完成開溝、施肥、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等工序。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；起壟；播種機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：Ｓ２３３．７３文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０12）15－3345-04

The Design of Potato Ridging Planter Suitable for Hubei Area

ＤＵ Ｚｈｅｎｇ，ＷＡＮ Ｙｏｎｇ，ＳＨＵ Ｈｏｎｇ－ｊｉｅ

（Ｗｕｈａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｗｕｈａｎ ４３００５１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｎｔｉｎｇ ａｇｒｏｎｏｍｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｕｂｅｉ ａｒｅａ， ｄｅｖｉｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｐｏｔａｔｏ ｒｉｄｇｅ ｐｌａｎｔｅｒ ｏｐｅｎｅｒ， ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ， ｐｌａｎｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， ｔｒｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｒｉｄｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ， ａｎｄ ３Ｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｇｒａｐｈｉｃｓ ｄｅｓｉｇｎ ｗｏｒｋ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｏｎ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ． Ｉｔ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｒｅｎｃｈｉｎｇ， ｆｅｒｔｉｌｉｚｉｎｇ， ｐｌａｎｔｉｎｇ， ｓｏｉｌ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｏｔａｔｏ； ｒｉｄｇｉｎｇ；ｐｌａｎｔｅｒ； ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ

湖北省馬鈴薯種植近年來呈現(xiàn)出面積擴(kuò)大、產(chǎn)量提高、效益大增的趨勢(shì)。截至２０１０年，冬季馬鈴薯種植面積達(dá)到２３萬ｈｍ２，特別是黃岡、荊州、隨州、武漢、咸寧、天門等１２個(gè)馬鈴薯開發(fā)新區(qū)發(fā)展迅速。以武漢為例，作為馬鈴薯種植新區(qū)，其主要分布在新洲、黃陂、蔡甸、漢南等遠(yuǎn)城區(qū)，多利用冬閑田種植，即冬春種植，５月收獲。由于武漢地處南方，冬季氣溫較高，開春后雨水較為豐富，收獲季節(jié)與北方的內(nèi)蒙以及南部的福建相互錯(cuò)開，因此具有極佳的市場(chǎng)潛力與經(jīng)濟(jì)效益。

隨著人力成本的快速增長，湖北地區(qū)實(shí)施馬鈴薯種植的產(chǎn)業(yè)化、機(jī)械化是發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。但是，目前馬鈴薯南方機(jī)械化種植發(fā)展總體水平不高，因此開發(fā)適合湖北武漢及其周邊地區(qū)的馬鈴薯播種機(jī)械將是馬鈴薯全程機(jī)械化種植的關(guān)鍵。根據(jù)湖北地區(qū)種植馬鈴薯的農(nóng)藝要求，從種植土壤環(huán)境出發(fā)，對(duì)馬鈴薯播種機(jī)的主要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與選型。

１開溝器設(shè)計(jì)

開溝器的功用主要是在播種機(jī)工作時(shí)開出種溝，引導(dǎo)種子和肥料進(jìn)入種溝內(nèi)，并使?jié)裢粮采w種子和肥料。在設(shè)計(jì)開溝器時(shí)，根據(jù)農(nóng)藝的要求，種溝要深淺一致且溝形整齊，溝底寬闊、平整。因此，在設(shè)計(jì)開溝器時(shí)，通過外形的改良使其具有良好的入土性能和切土能力，工作過程可靠而不易被雜草、殘茬和土塊堵塞。

設(shè)計(jì)選用芯鏵式開溝器，如圖１。該開溝器的特點(diǎn)為：工作過程中，開溝器的前棱和兩側(cè)對(duì)稱的曲面使土壤沿曲面上升，并將殘茬、表層干土塊、雜草向兩側(cè)拋出翻倒，使下層營養(yǎng)土上翻；但在開溝器工作的同時(shí)增加土壤水分蒸發(fā)，不利于保墑，且開溝阻力大，不適于高速播種［1］。但是其具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，入土性能好，對(duì)播種前整地要求不高，而且溝底較平，開出溝寬為１２０～１８０ ｍｍ。

在前期調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，目前北方播種機(jī)型下肥量小于南方，因此種薯下地后距離排肥器施肥處較近，有可能造成肥料燒種。故在設(shè)計(jì)時(shí)，項(xiàng)目組決定將投種口與下肥管道分離，采用分層安裝。開溝器主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

１．１主體結(jié)構(gòu)

芯鏵式開溝器主要由芯鏵、翼板、輸種管和護(hù)種罩等主要部件組成［2，3］。芯鏵選用４５＃鋼板，厚４ ｍｍ，通過彎曲焊接制成，鏵尖及刃口處進(jìn)行淬火處理，以增加硬度及耐磨性。

１．２入土角α

如圖１所示，開溝器入土角過大，入土性能差，且阻力增加。入土角過小會(huì)使芯鏵尖而長，強(qiáng)度減弱。選擇合適的入土角，芯鏵入土容易。當(dāng)入土過程完成后，整個(gè)犁架保持水平，確保所有開溝深度一致，避免種薯埋藏深度相近，保證薯塊出芽齊整。一般芯鏵入土角１５°～３５°為宜，為了增加強(qiáng)度，取α＝３８°。

１．３隙角ε

由圖１可以看出，隙角ε影響開溝器在溝底土層的行走狀態(tài)。為了有利于入土，減小芯鏵與溝底土層的摩擦阻力，取ε＝５°為宜。

１．４斜切角γ

如圖２所示，對(duì)于芯鏵尖的斜切角γ進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于斜切角γ可以保證土塊、秸稈殘茬、雜草等異物沿刃口向后滑移，而不致纏掛、擁堵。因此此角不能過大，也不能太小。

斜切角γ可由圖３的受力分析確定。欲使土壤在開溝器刃口上的滑切力能克服摩擦力，即需滿足：

Ｐ０ｓｉｎ（９０°－γ）＞Ｆ （１）

由摩擦定律知：Ｆ＝Ｎｔｇ?準(zhǔn)，Ｎ＝Ｐ０ｃｏｓ（９０°－γ），將其代入（１）式得：

Ｐ０ｓｉｎ（９０°－γ）＞Ｐ０ｃｏｓ（９０°－γ）×ｔｇ?準(zhǔn)（２）

化簡(jiǎn)（２）式得：

γ＜９０°－?準(zhǔn)（３）

式中，Ｐ０為作用在刃口上的阻力；Ｆ為刃口與土壤的摩擦力；?準(zhǔn)為土壤與鋼材的摩擦角。

一般土壤對(duì)鋼的摩擦角?準(zhǔn)為２６．５°～３５.0°，故取γ＝３０°為宜。

１．５開溝器連接件參數(shù)

開溝器其他連接件尺寸如下：鏵高Ｈ＝１５０ ｍｍ；幅寬Ｂ＝１５０ ｍｍ；芯鏵脊線曲率半徑Ｒ＝４００ ｍｍ。

２排肥器設(shè)計(jì)

對(duì)于排肥裝置的設(shè)計(jì)，由于南方種植密度大，所需肥料多，根據(jù)田間實(shí)地調(diào)查，有些地區(qū)甚至每公頃施２ ０００～３ ５００ ｋｇ復(fù)合肥，因此，需具有加大容量的肥料排肥器，以適應(yīng)湖北地區(qū)的種植要求。

為了能均衡地施放肥料，設(shè)計(jì)選用了標(biāo)準(zhǔn)系列中的多功能外槽輪式排肥器如圖４、圖５所示。排肥器主要由撥肥輪、排肥軸驅(qū)動(dòng)管、排量調(diào)節(jié)手輪、排量調(diào)整鎖止手輪、肥料輸送管、施肥管等關(guān)鍵部件組成［4，5］。排肥器的主要材料是優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)塑料，軸類部件選用Ｑ２３５Ａ鋼。

外槽輪式排肥器工作時(shí)，外槽輪旋轉(zhuǎn)，顆粒化肥靠自重充滿槽輪的凹槽并被槽輪帶著一起旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，槽輪外面的肥料在槽輪的撥動(dòng)和肥料之間的摩擦力作用下也被帶動(dòng)，由槽輪強(qiáng)制帶出，從排肥舌上掉入輸肥管，然后經(jīng)開溝器導(dǎo)入種溝中。該排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)的槽輪和不轉(zhuǎn)動(dòng)的阻塞套可以在排種盒內(nèi)隨排種軸左右移動(dòng)，通過改變槽輪的長度來調(diào)節(jié)排肥量。

排肥裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

２．１排肥口尺寸

排肥口為矩形，寬３０ ｍｍ，長５０ ｍｍ。長度可按需要調(diào)節(jié)遮蔽。

２．２撥肥輪

撥肥輪齒數(shù)為７齒，由優(yōu)質(zhì)塑料制成，如圖６為排肥器槽輪３Ｄ模型。撥齒空隙的截面為橢圓形。撥肥輪的轉(zhuǎn)速ｎ撥由排肥量來確定，每旋轉(zhuǎn)一圈所排肥量為：

ｑｍａｘ＝［b■（D21-D20）-■d2z×6h］γ×m1 （４）

式中，ｂ、Ｄ１、Ｄ０、ｄｚ、ｈ均為已知的結(jié)構(gòu)參數(shù)；γ為碳氨的密度，約為８００ ｋｇ／ｍ３；ｍ１為排肥行數(shù)，本樣機(jī)使用雙排肥口，?。恚保剑玻笃趯?huì)根據(jù)使用情況進(jìn)行增補(bǔ)。

地輪每轉(zhuǎn)排肥量可由（５）式計(jì)算：

ｑ地＝０．１πＤ地×ｍ２×α×Ｑ（１＋ε） （５）

式中，Ｑ為每公頃施肥量，根據(jù)農(nóng)藝要求，設(shè)定Ｑ＝１ ５００ ｋｇ／ｈｍ２；Ｄ地為地輪直徑，直接購買成品橡膠輪進(jìn)行安裝，輪徑為０．５３ ｍ；ｍ２為播種行數(shù)；α為播種行距；ε為地輪滑移率，?。埃?。

將以上結(jié)構(gòu)參數(shù)以及設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)代入（５）式，由于每分鐘內(nèi)的施肥量與排肥量必定相等，即

ｎ撥×ｑｍａｘ＝ｎ地×ｑ地 （６）

式中，ｎ地為地輪轉(zhuǎn)速，可由拖拉機(jī)的牽引速度確定，在播種時(shí)，機(jī)器的前進(jìn)平均速度（v）為３ ｋｍ／ｈ，則：

ｎ地＝v／πＤ地 （７）

統(tǒng)一單位后計(jì)算得到ｎ地＝３０ ｒ／ｍｉｎ。

將ｑｍａｘ、ｑ地、ｎ地代入（6）式得ｎ撥為６６～８５ ｒ／ｍｉｎ。

為滿足不同的使用需求，撥肥輪通過更換不同的傳動(dòng)比，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速ｎ撥為５６、６５、７８ ｒ／ｍｉｎ。

２．３計(jì)算排肥量

圖７為排肥器外殼３Ｄ模型。根據(jù)排肥器工作原理，總排肥量可由公式Ｑ＝１０４ｉｑｍａｘ／πD地?墜m2（1+ε）進(jìn)行計(jì)算。式中傳動(dòng)比i=ｎ撥/ｎ地為設(shè)計(jì)值；其他參數(shù)同前文定義，將這些已知參數(shù)代入公式，可得到總排肥量Ｑ在２２０～２ １００ ｋｇ／ｈｍ２范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)插板可得到合適的排肥量。

３播種裝置設(shè)計(jì)

播種裝置由排種鏈勺、前后護(hù)種管、錐形種箱、鏈輪等組成。種箱下部采用錐形，箱底傾斜角度大于馬鈴薯的自然休止角，避免箱內(nèi)種薯產(chǎn)生堆積［6］。在取種的過程中，種薯能憑借重力自然地流向錐體的最下部位。同時(shí)種箱下部開孔的橫截面與排種勺相配合，每次僅能使得一個(gè)排種勺通過。因此，即使箱內(nèi)剩余少量的薯塊，排種勺舀取的機(jī)會(huì)大為增加，也能保證良好的取種率。另外播種器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，株距均勻且可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

３．１鏈勺的設(shè)計(jì)

鏈勺使用鋁進(jìn)行鑄造，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與鏈條采用螺栓進(jìn)行連接。取平均勺距Ｌｔ＝１５０ ｍｍ，則勺數(shù)ｍｐ＝１３個(gè)。

將鏈條連接在上、下鏈輪上，上鏈輪齒數(shù)為Ｚ上＝５２齒，下鏈輪齒數(shù)Ｚ下＝３５齒；中心距?。幔埃剑罚保?ｍｍ；中心連線與鉛直角度約為１２°。鏈輪中心距可以略微調(diào)整，以便鏈條的張緊。由以上數(shù)據(jù)可計(jì)算出鏈節(jié)數(shù)為１５４節(jié)，用節(jié)距為Ｐ＝１２．７ ｍｍ的鏈條，則鏈長Ｌ＝１ ９５６ ｍｍ，鏈條型號(hào)為０８Ａ。

３．２株距的計(jì)算

取地輪驅(qū)動(dòng)鏈輪齒數(shù)Ｚ地＝５２齒，設(shè)計(jì)可以使用不同的傳動(dòng)比進(jìn)行三檔調(diào)節(jié)，以針對(duì)不同的株距進(jìn)行播種，則排種鏈輪確定為３種鏈輪進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)。由此可調(diào)整出３個(gè)不同的株距。由給定株距Ｃ＝２３、２８、３３ ｃｍ經(jīng)過公式（８）計(jì)算其齒數(shù)。

Ｚｉ＝■ （８）

式中，Ｃｉ為株距，可以取值Ｃ１＝２３，Ｃ２＝２８，Ｃ３＝３３ ｃｍ；Ｄ地為地輪直徑；Ｌ為鏈勺用鏈條長度；Ｚ地為地輪驅(qū)動(dòng)鏈輪齒數(shù)；Ｚ下為鏈勺下鏈輪齒數(shù)；ｍｐ為鏈勺數(shù)；Ｐ為鏈條節(jié)距。

將上述數(shù)據(jù)代入（８）式且圓整后得：Ｚ１＝２０齒，Ｚ２＝２４齒，Ｚ３＝２８齒。

４開溝起壟裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)湖北地區(qū)的土質(zhì)黏度較大的特性，以及冬季農(nóng)藝種植起壟３０ ｃｍ左右的要求，項(xiàng)目組在選擇開溝、起壟裝置時(shí)，放棄傳統(tǒng)北方使用的覆土圓盤及圓盤座，改而采用犁鏵進(jìn)行開溝起壟的工作。

一般市面上的鏵式犁主要工作部件由犁體、小前犁、犁刀和松土鏟等組成（圖８）。但該播種機(jī)型工作過程中，其后部加裝的犁鏵主要起開溝起壟的作用，因此在犁體的選擇上主要需偏重加強(qiáng)犁面和犁翼的曲面形式。同時(shí)，由于犁翼和犁面是構(gòu)成犁體曲面的兩個(gè)基礎(chǔ)零件，所承擔(dān)的開溝起壟過程中的阻力分別占犁鏵全部牽引阻力的５０％和３０％～４０％，包括犁鏵對(duì)土壤的切割阻力，犁面對(duì)土垡的翻轉(zhuǎn)和破碎作用力等。所以犁鏵的選擇對(duì)于開溝起壟的效果十分關(guān)鍵。

經(jīng)過數(shù)次試驗(yàn)，最終項(xiàng)目組選擇適于湖北地區(qū)的犁鏵進(jìn)行改裝。改裝后的犁鏵能滿足使用要求，達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：犁鏵安裝角的選擇能保證犁鏵在土壤中的運(yùn)動(dòng)阻力盡量的小，以降低整機(jī)的工作負(fù)荷；翼部安裝角保證土垡離開犁翼時(shí)絕對(duì)速度小，不至造成壟形破壞；合適的犁壁包容土層角，以降低無益的消耗于土垡對(duì)犁壁摩擦的力；犁面曲線有利于土壤起壟，壟形需有利于作物根系生長；犁間間隙可以方便進(jìn)行調(diào)節(jié)以適合不同區(qū)域的種植模式。

５小結(jié)

項(xiàng)目組改型設(shè)計(jì)的適合湖北地區(qū)的馬鈴薯播種機(jī)現(xiàn)已試制樣機(jī)一臺(tái)，經(jīng)過小規(guī)模秋季馬鈴薯播種試驗(yàn)考核，該機(jī)已能初步滿足設(shè)計(jì)和農(nóng)藝要求，極大地減輕了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)也發(fā)現(xiàn)了該機(jī)型存在的問題：壟形寬度過于狹窄，不利后期馬鈴薯根部生長；可以嘗試具有不同曲線犁壁的犁鏵，增強(qiáng)起壟效果；施肥量調(diào)整不方便，下肥通道可加大，肥箱容積也需加大；種箱過大，可以增加人工操作平臺(tái)，以方便農(nóng)戶觀察投種情況；種薯播種密度較小，不利于提高馬鈴薯單位面積產(chǎn)量。因此，將繼續(xù)完善該馬鈴薯播種機(jī)的使用性能，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)湖北地區(qū)馬鈴薯種植的機(jī)械化。

參考文獻(xiàn)：

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