旱地苜蓿全膜覆蓋精量播種機的設(shè)計與試驗

趙春花

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州　730070)

?

旱地苜蓿全膜覆蓋精量播種機的設(shè)計與試驗

趙春花

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

摘要：針對西北地區(qū)干旱、風(fēng)沙大、苜蓿播種存在種子發(fā)芽率低、播量調(diào)節(jié)困難等問題，研制了一款旱地苜蓿全膜覆蓋精量播種機，介紹了該機的工作原理、主要工作部件的結(jié)構(gòu)特點，利用Solidworks對平土板進行強度校核，并進行了田間播種性能試驗.結(jié)果表明：平土板以最小安全系數(shù)大于1.29的5 mm厚鋼板最經(jīng)濟可靠；土壤類型、播種深度、機具速度是影響播種機作業(yè)質(zhì)量的重要因素，播種機以4 km/h速度在砂土里作業(yè),播深20 mm時，作業(yè)效果最好，空穴率為2.9%，膜下播深合格率為92%，穴粒數(shù)合格率為90.8%.

關(guān)鍵詞：苜蓿；播種機；設(shè)計；干旱地區(qū)

苜蓿是多年生豆科牧草，生長年限為7～8 a,甚至10 a，再生性好，每年可以刈割3～5次，每公頃產(chǎn)草量為6 000 kg/年,具有適口性好、產(chǎn)量高、營養(yǎng)成分豐富等特點，被譽為“牧草之王”[1-2].隨著商品經(jīng)濟的發(fā)展，苜蓿的產(chǎn)業(yè)化進程較快，種植面積穩(wěn)步增加，預(yù)計到“十二五”末期，我國苜蓿種植面積將達13.33萬hm2[3].我國西北地區(qū)干旱少雨且蒸發(fā)量較大，生態(tài)環(huán)境脆弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件惡劣.降水是當(dāng)?shù)毓?yīng)作物水分的主要來源，如何科學(xué)地“蓄住天上水，保住地里墑，用活用好天然降水”，是旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的根本出路和途徑[4].甘肅省尤其是蘭州市周邊地區(qū)為解決這一問題，廣泛采用了地膜覆蓋播種技術(shù)[5].國內(nèi)的很多牧草播種機都存在著傷種、漏種、播量不穩(wěn)定等問題，諸如9BN-9型牧草播種機、9SB-2.4型草原松土補播機、2MC系列牧草施肥精量播種機、9MSB-2.1型牧草免耕松土補播機等[6-8].本研究結(jié)合西北地區(qū)的自然條件和我國目前牧草播種機研究現(xiàn)狀，研制了一種具有平土、鎮(zhèn)壓、鋪膜、穴播、覆土功能的精量播種機，具能夠較好的滿足當(dāng)?shù)剀俎７N植的農(nóng)藝和經(jīng)濟性要求.

1工作原理及技術(shù)參數(shù)

1.1總體結(jié)構(gòu)

旱地苜蓿全膜覆蓋精量播種機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.旱地苜蓿全膜覆蓋精量播種機特點是：前機架上裝有三點懸掛架、平土板、平土輥、地膜桿、地膜前導(dǎo)向桿、地膜后導(dǎo)向桿及圓盤刮土器；后機架上裝有播量可調(diào)的雙滾筒鴨嘴式穴播器、覆土輥及圓盤刮土器[9].后機架掛接在前機架上，通過活動鉸鏈連接，使播種時覆土輥與地面接觸.拖拉機液壓裝置抬起時，三點懸掛架帶動整機抬起，方便播種機在非工作狀態(tài)時的移動.

1.2工作原理

機具與拖拉機三點懸掛，配套動力為 12～15 kW四輪拖拉機.整機功能可分為4個功能元來介紹：整地機構(gòu)，播種機前進時，平土板初步平整地表土壤，然后由平土輥鎮(zhèn)壓；鋪膜裝置，隨機具前進，前刮土器為地膜鎮(zhèn)壓輪開辟地溝，地膜卷安裝在地膜桿上，地膜由地膜桿伸出，然后繞經(jīng)地膜前導(dǎo)向桿和地膜后導(dǎo)向桿，中間的圓盤刮土器轉(zhuǎn)動時為地膜提供壓蓋土壤，然后被壓膜輥壓實；播種機構(gòu)，鴨嘴式穴播輪轉(zhuǎn)動，鴨嘴的活動部分受地面的反作用力張開和閉合，完成播種；覆土機構(gòu)，由覆土輥和圓盤刮土器組成，圓盤刮土器為覆土輥提供土壤，覆土輥隨機具前進而轉(zhuǎn)動，把土壤撒在膜面的上方.

表1　旱地苜蓿全膜覆蓋精量播種機的主要技術(shù)參數(shù)

1：平土板；2：鎮(zhèn)壓滾；3：牽引架；4：地膜前倒桿；5：地膜桿；6：圓盤覆刮土器；7：地膜后倒桿；8：壓膜輥；9：中圓盤刮土器；10：后圓盤刮土器；11：覆土輥；12：鴨嘴式穴播器.

圖1旱地苜蓿全膜覆蓋穴播機的結(jié)構(gòu)

Fig.1The structure of full mulching precision planting

machine ofMedicagosativain dry land

2主要工作部件的選用與設(shè)計

2.1整地裝置

鋪膜作業(yè)對土地要求嚴(yán)格，要求地表平整，土壤堅實度合適，突起小，該機的整地裝置主要由“V”型平土板和鎮(zhèn)壓輥組成.推土板對地表土壤進行刮移，刮走多余的土壤、石塊及前茬作物的殘根莖葉[10]，形成平整的膜床，利于鎮(zhèn)壓、鋪膜.然后平土輥鎮(zhèn)壓土壤，保證膜床的平整和一定的土壤堅實度.平土板其作用是平整地表土壤，且應(yīng)水平放置.平土板入土深度過大，會消耗更多的功，另外引起地表層土壤都被翻動，會造成平土后的地表不平整.推土板放置不水平也會導(dǎo)致2種情況的出現(xiàn)：推土板向前傾斜時，推土板入土深度加大，會消耗更多的功.甚至?xí)?dǎo)致地表土壤翻動，造成地表土壤的不平整；平土板向后傾斜時，拖拉機行走過快時，會造成土壤從平土板的上方滑過，流向已經(jīng)被平整過的土壤，起不到平土作用.所以，平土板必須要放置水平，且入土深度適宜，一般情況下，推土板下部與地面接觸即可.本機設(shè)計的V型平土板，夾角160°，寬度1 200 mm，高80 mm，鋼板厚度5 mm.

平土板在工作時承受的載荷比較大，在焊接部位最容易脫焊斷裂.本文利用Solidworks的仿真分析功能對其進行了強度的校核(圖2～5)[11].參考推土作業(yè)裝置的受力分析[12]，該機的平土板主要受切土阻力316 N、平土板前土堆運移阻力467 N、土堆沿平土板兩側(cè)的滑移摩擦力221 N[13]，設(shè)平土板受土壤阻力為10 004 N，材料為1023碳鋼板，屈服強度(1.8e+008) N/m2.按照原設(shè)計，平土板的鋼板與連接桿焊接部分安全系最小，為Min：0.85，合位移Max(8.493e+000)mm，約8.5 mm.零件的安全系數(shù)必須大于1.利用SimulationXpress對零件進行優(yōu)化，安全系數(shù)1.29，鋼板厚度加厚到4.79 mm，合位移Max(4.403e+000)，約4.4 mm，合位移最小.參考鋼板的規(guī)格，選取5 mm厚度的鋼板.

旋耕后的土壤疏松，必須用平土輥鎮(zhèn)壓以確保播深一致.鋪膜穴播機平土輥的質(zhì)量必須選擇合適.平土輥質(zhì)量過小，作業(yè)后的地表可能不平整或土壤堅實度仍然低，起不到保墑和鎮(zhèn)壓平土效果.平土輥質(zhì)量過大，會造成土壤的堅實度過大，會影響后面的播種作業(yè)質(zhì)量，甚至穴播器鴨嘴不能順利破膜.

圖2　原平土板安全系數(shù)

圖3　原推土板合位移

圖4　優(yōu)化后安全系數(shù)

圖5　優(yōu)化后的合位移

2.2鋪膜機構(gòu)

地膜鋪設(shè)裝置由地膜支架桿、地膜前導(dǎo)向桿、地膜后導(dǎo)向桿、壓膜輥、圓盤刮土器等部件組成.圓盤刮土器：在鋪膜機構(gòu)中，有2組共4個圓盤刮土器.鋪膜機構(gòu)的刮土器作用為：前一組刮土器為后續(xù)組作業(yè)提供隆起的散土、地溝路徑或土壤的填充空間；隆起的土壤，由后一組圓盤刮土器將土壤推入地溝中.鋪膜作業(yè)：工作前，地膜卷安裝在地膜支架桿上，人工先拉動地膜，繞經(jīng)地膜前后導(dǎo)向桿，將地膜鋪設(shè)到壓膜輥下，隨著機具的前進，地膜兩側(cè)被圓盤刮土器覆土掩蓋，然后由壓膜輥壓實土壤和地膜.

2.3播種裝置的設(shè)計與改進

該穴播器主要由穴播器內(nèi)外筒、穴播器支架、固定和活動鴨嘴、排種匙等組成，如圖6～7所示.穴播器的特點：解決了小顆粒種子排種器漏種問題；播種時采用內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)外筒結(jié)合面積，設(shè)置了3種苜蓿播量調(diào)節(jié)刻度；定鴨嘴上開有3個軸銷孔，動嘴安裝位置可以調(diào)整，實現(xiàn)播深調(diào)節(jié).

穴播器的工作原理：播種時，穴播器轉(zhuǎn)動，苜蓿種子進入小型排種匙內(nèi)，初步限制了播種量；穴播器轉(zhuǎn)動過程中，排種匙內(nèi)的經(jīng)雙滾筒的孔進入鴨嘴內(nèi)，雙滾筒的孔進一步限制了排種量；當(dāng)鴨嘴隨穴播器轉(zhuǎn)動到與地面垂直時，鴨嘴進入土壤，燕尾在穴播器重力和種子重力作用下打開定鴨嘴，苜蓿種子在重力作用下進入土壤中[14].

1:燕尾；2:穴播輪支架；3:彈簧；4:動鴨嘴；5:定鴨嘴；6:軸銷；7:排種匙；8:內(nèi)筒；9:軸銷孔；10:外筒.

圖6雙滾筒嵌入式精量穴播器

Fig.6Double drum duckbill type hill-drop sowing wheel

圖7　穴播器的雙滾筒

每穴種子數(shù)：該機采用4穴播器播種，每個穴播器上均布雙排鴨嘴，每排12個鴨嘴，公式如下：

L=S÷B≈555.56m；M=Q×Y÷1 000×2÷1 000；

Q=L÷C×(4×24)；C=π×D；

式中:L為播種機每畝行程，m；B為播種機的工作幅寬，m；S為試驗地的播種面積，m2；Q為播種總穴數(shù)；C為穴播輪周長;D為播種直徑；M為畝播量；Y為每穴種子粒數(shù).

根據(jù)試驗測得數(shù)據(jù)情況，播種機工作幅寬1 200 mm，行距120 mm，株距150 mm，種子千粒質(zhì)量2 g.若每畝播量1.5 kg，有每穴種子粒數(shù)Y約2粒；若每畝播量3.5 kg，每穴種子粒數(shù)Y約5粒.

2.4覆土機構(gòu)

覆土機構(gòu)由覆土棍及圓盤刮土器組成.現(xiàn)在大多數(shù)覆土裝置在覆土?xí)r，都是把土壤均勻的撒在種行上.考慮到苜蓿播種深度較淺的特殊性(苜蓿播種深度約15～30 mm),可以把土壤呈長條狀撒在垂直于地膜延伸方向上，起壓膜作用.

3播種機性能試驗

3.1試驗對象與農(nóng)藝要求

以‘甘農(nóng)3號’紫花苜蓿作為樣本，針對穴播機鋪膜作業(yè)質(zhì)量的主要指標(biāo),進行了試驗檢測.苜蓿播種要求為：行距15 cm，株距12 cm，播種深度1.5～2.5 cm.

3.2試驗條件

2012年4月25-28日在甘肅省金昌市永昌縣進行田間性能試驗(圖8).當(dāng)?shù)睾０? 978 m，年降水量185.1 mm，年平均氣溫4.8 ℃ ，年平均日照2 884.2 h，日照率65%，年蒸發(fā)量2 000.6 mm.試驗種子為苜蓿，千粒質(zhì)量約2 g.

圖8　旱地苜蓿全地膜覆蓋精量播種作業(yè)

3.3正交試驗設(shè)計

根據(jù)雙滾筒嵌入式精量排種器工作原理，在播種機結(jié)構(gòu)參數(shù)一定情況下，影響作業(yè)質(zhì)量的主要參數(shù)有：機具的前進速度、土壤的類型和播種深度.機具行進過快，可能導(dǎo)致漏播、播深過淺和穴粒數(shù)不合格，反之，導(dǎo)致重播、播種深度過大和穴粒數(shù)不合格；土壤緊實度大，鴨嘴入土?xí)r間較短，播深過淺，漏播率或許增加，反之，排種量較多，作物密度增加而影響生長；播種深度影響出芽率，深度較大，出芽困難，反之則土壤墑情不足，所以要選擇適宜的播種深度.三因素相交互對播種機作業(yè)質(zhì)量造成影響，如果機具速度慢和土壤堅實度低，播深大，播量最大.因此，以機具的前進速度、土壤類型和播種深度作為試驗因素，各因素及水平以滿足播種機的作業(yè)質(zhì)量及效率要求來選取.因素及水平如表2所示，為有交互作用的3因素正交試驗，利用正交表安排試驗[15].根據(jù)《鋪膜穴播機作業(yè)質(zhì)量NY/T 987-2005》[16]，確定試驗指標(biāo)為空穴率、膜下播深合格率和穴粒數(shù)合格率.

表2　因素與水平

3.4試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果如表3所示，極差越大，說明這個因素的水平改變時對試驗指標(biāo)的影響越大.極差最大的那一列，則那個因素的水平改變時對試驗指標(biāo)的影響最大.試驗時，3因素兩兩交互，對試驗結(jié)果造成干涉，如(A×C)1組合時，對膜下播深合格率影響很大.對試驗結(jié)果進行極差分析，得到不同性能指標(biāo)的因素最優(yōu)水平、主次順序以及優(yōu)化組合.由表3可以看出，對空穴率影響最大的組合為：A2B2C2,而實際播種追求空穴率低，所以取反面組合A1B1C1；對膜下播種深度合格率的影響：(A×C)1>A1>B1>(B×C)2>(A×B)2,最優(yōu)組合為A1B1C1.對穴粒數(shù)合格率的影響：B1>C1>A2，最優(yōu)組合為：A2B1C1.綜合試驗因素對3個試驗指標(biāo)的影響及因素優(yōu)化組合,采取以空穴率低、膜下播深合格率高和穴粒數(shù)合格率高的原則，確定了播種機作業(yè)質(zhì)量最高的組合為A1B1C1，也即機具速度4 km/h、播深20 mm、在沙土上播種時,播種效果最好；在此條件下試驗測得空穴率為2.9%，膜下播深合格率為92%，穴粒數(shù)合格率為90.8%.

表3　試驗測定結(jié)果

4結(jié)論

1)西北地區(qū)干旱、風(fēng)沙大且晝夜溫差大，鋪膜后播種，可以保住水分提高地溫，提高出苗率和保墑.

2)平土板在整地時要水平放置，承受的載荷比較大，用Solidworks中的SimulationXpress對其進行了校核和優(yōu)化，原推土板安全系數(shù)為0.85，存在設(shè)計問題.優(yōu)化后得安全系數(shù)為1.29，鋼板厚度為5 mm.

3)穴播器具有雙筒，通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)外筒上圓孔的結(jié)合面積，可以靈活的調(diào)節(jié)播量.鴨嘴的定嘴上開有3個動嘴的安裝位置，實現(xiàn)了播深調(diào)節(jié).解決了鴨嘴式穴播器播量和播深不能調(diào)節(jié)的問題，更能滿足使用要求.

4)正交試驗結(jié)果可知，本機以4 km/h速度，播深20 mm，在土壤堅實度稍低的砂土中作業(yè)播種，作業(yè)質(zhì)量最高，空穴率為2.9%、膜下播深合格率為92%、穴粒數(shù)合格率為90.8%.

參考文獻

[1]楊富裕,周禾.苜蓿在糧食和飼料工業(yè)中的應(yīng)用[J].糧食與飼料工業(yè),2000(9):28-31

[2]劉崇生，柴鳳久.提高苜蓿產(chǎn)量的栽培技術(shù)[J].養(yǎng)殖技術(shù)顧問,2010(11):46-47

[3]毛文星,蘇效良.以“振興奶業(yè)苜蓿發(fā)展行動”為引領(lǐng)發(fā)展農(nóng)區(qū)的草地畜牧業(yè)[J].綜述與專論，2012,32(6):63-65

[4]安世才,張勇,王赟，等.機械化全膜雙壟溝鋪膜機的應(yīng)用于推廣[J].農(nóng)業(yè)機械，2008(98):89-90

[5]張勇,安世才,王赟，等.1MLQS-40/70起壟全膜聯(lián)合做業(yè)機的改進設(shè)計[J].中國農(nóng)機化,2011(4)：89-92

[6]沈衛(wèi)強,阿不力孜,李東海，等.牧草播種機具簡況及發(fā)展建議[J].新疆農(nóng)機化，2002(4)：29-30

[7]楊軍，沈衛(wèi)強，蘭秀英.9SB-2.4型草原松土補播機的研制與試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22(7)：208-210

[8]劉玉玲,王志強,馮愛蓮.9MSB-2.1型牧草免耕松土補播機開溝部件概述[J].農(nóng)村牧區(qū)機械化,2008(2):72-73

[9]李寶筏.農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2003

[10]盧勇濤,李亞雄,李斌，等.2BMFT-6番茄施肥鋪膜播種機的設(shè)計與試驗[J].新疆農(nóng)機化，2012(1)：18-21

[11]陳超祥,葉修梓.SolidWorks Simulation高級教程[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011

[12]熊為水.推土作業(yè)裝置優(yōu)化設(shè)計[D].杭州：浙江大學(xué)，2008

[13]余有泰,蔣建鵬.土壤、作物種實物和各種脫出物對鋼板、鐵和木板等的摩擦系數(shù)的測定[J].東北農(nóng)學(xué)院學(xué)報，1957(1):1-11

[14]孫偉,吳建民.沖孔免耕穴播機入土成穴原理的研究[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，41(1):97-99

[15]陳魁.試驗設(shè)計與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005

[16]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部. NY/T 987-2006 鋪膜穴播機作業(yè)質(zhì)量[S].北京，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006

(責(zé)任編輯李辛)

Design and experiment of a machine for alfalfa seeding

and paving membrane in dry land

ZHAO Chun-hua

(College of Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：In order to solve the problems on adjusting difficultly seeding quantity,and being a lower germination of seeds,a new precious machine were developed for alfalfa seeding and paving membrane in dry land.The principle of the machine and the structure of main parts were introduced.The stiffness of the flat plate was checked by Solidworks,and planting performance was tested in the field.The results indicated that grading board with 5 mm thick could get the most economical and reliable performance,the minimum safety factor was more than 1.29.Major impact factors involved soil type,seeding depth and working speed.The optimum efficient could reach with seeding at 20 mm depth,speed at 4 km/h.Under this condition,the rate of vacancy,seeding depth qualified and vacancy qualified was 2.9%,92% and 90.8%.

Key words：alfalfa；seeder；design；arid area

收稿日期：2014-03-16；修回日期：2015-01-08

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項經(jīng)費(201203024)；省杰出基金資助項目(1210RJDA014)；省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新項目(GNCX-2013-39)；2013甘農(nóng)大伏羲杰出人才扶持計劃；2011隴原創(chuàng)新扶持計劃項目.

中圖分類號：S 223.2+4

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-4315(2015)01-0175-06

第一作者：趙春花(1972-)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事草業(yè)機械工程研究.E-mail:zhaoch@gsau.edu.cn