馬鈴薯播種機(jī)排薯器的設(shè)計(jì)與研究*

楊家文，田 斌，崔 磊，黃曉鵬*

(1．甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅蘭州 730000;2．甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730000)

0 引言

馬鈴薯播種機(jī)械化是馬鈴薯栽培過(guò)程中非常重要的一環(huán)，也是馬鈴薯收獲機(jī)械化的基礎(chǔ)，其種植方式及質(zhì)量不僅影響馬鈴薯生產(chǎn)過(guò)程的全程機(jī)械化，而且影響產(chǎn)量的高低。目前我國(guó)生產(chǎn)的馬鈴薯播種機(jī)漏播、重播、株距不均等現(xiàn)象嚴(yán)重、同時(shí)生產(chǎn)率低下、自動(dòng)化程度低。同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，技術(shù)產(chǎn)量滯后［1－6］。排薯器是現(xiàn)代馬鈴薯播種機(jī)的核心部件，是播種機(jī)工作質(zhì)量、效能和特征的主要載體和體現(xiàn)者。筆者設(shè)計(jì)了一種新型的排薯器，以期解決在實(shí)際播種過(guò)程中的漏播，重播及株距不均等問(wèn)題。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1．1 技術(shù)要求［4］

(1)保證排薯過(guò)程的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)一周或數(shù)周排薯的數(shù)量應(yīng)一定。

(2)多行排薯器的排薯量應(yīng)相等，各行排薯量應(yīng)一致。

(3)應(yīng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性和通用性。不但能排播一般種薯，而且能排播春化種薯、特大和特小種薯。能適應(yīng)不同分級(jí)種薯的要求。

(4)排薯頻率應(yīng)能調(diào)整，誤差不應(yīng)超過(guò)額定量的8% ～10%。

(5)漏播率、重播率和傷薯率不應(yīng)超過(guò)現(xiàn)行的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求。

1．2 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的排薯器可以做成系列化的通用產(chǎn)品，根據(jù)實(shí)際播種的需要，以一定比例尺寸縮放加工，然后按照規(guī)定的行距將一定數(shù)量的排薯器安裝在播種機(jī)的機(jī)架上，行距的調(diào)節(jié)由排薯器在機(jī)架上移動(dòng)調(diào)節(jié)。該播種機(jī)的裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由種薯箱、升運(yùn)裝置、補(bǔ)薯裝置、振動(dòng)裝置、限流裝置、張緊裝置、排薯管等組成。

圖1 排薯器結(jié)構(gòu)示意圖

1．3 工作原理

排薯器的動(dòng)力由地輪經(jīng)變速箱傳到主動(dòng)輪9，帶動(dòng)主動(dòng)輪3、從動(dòng)輪9間的皮帶向上升運(yùn)，安裝在皮帶輪上的舀勺2從種箱1底部喂薯區(qū)上升時(shí)舀到一顆或數(shù)顆種薯。在升運(yùn)過(guò)程中，在機(jī)器自身振動(dòng)和振動(dòng)裝置振動(dòng)輪8的作用下，將多余的種薯篩出舀勺，重新返回種箱中。剩下的單粒種薯在重心力矩的作用下逐漸采取以厚軸平置的方式穩(wěn)躺在舀勺內(nèi)。當(dāng)舀勺上升至從動(dòng)輪3頂端安裝傳感器的位置時(shí)，檢測(cè)有無(wú)漏種，如果有，控制器4發(fā)出控制信號(hào)，補(bǔ)薯箱5轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，使補(bǔ)薯箱中的種薯由箱底正對(duì)著下降舀勺的漏空處落下，進(jìn)行補(bǔ)薯。當(dāng)舀勺通過(guò)出口時(shí)，活門(mén)打開(kāi)，種薯落入開(kāi)溝器開(kāi)出的種溝內(nèi)，再由覆土器覆土，完成種植過(guò)程。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2．1 升運(yùn)裝置

現(xiàn)代馬鈴薯播種機(jī)的裝置主要有鏈勺式、勺盤(pán)式和針刺式。由于鏈勺式排薯裝置從種植精度及通用性方面都比較先進(jìn)，因此被廣泛使用［7］。一般常見(jiàn)的鏈勺式排薯裝置是由主、從動(dòng)鏈輪加鏈條構(gòu)成，鏈條上間隔一定距離安裝有舀勺。此種排薯器便于安裝及通過(guò)鏈條調(diào)節(jié)株距，但鏈條在升運(yùn)經(jīng)過(guò)薯箱時(shí)容易劃傷薯塊，且運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，同時(shí)通過(guò)鏈條調(diào)節(jié)株距操作復(fù)雜，故本設(shè)計(jì)采用帶式傳動(dòng)。皮帶上均布安裝鋼制舀勺，舀勺曲面制成旋轉(zhuǎn)拋物面，具有較好的盛薯夾持能力，可保證振動(dòng)過(guò)程中至少有一個(gè)種薯保留在勺內(nèi)不被振落。

主動(dòng)輪由地輪通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)一周皮帶移動(dòng)距離S為:

式中:d為帶輪直徑。

同時(shí)帶輪旋轉(zhuǎn)一周通過(guò)投薯口的舀勺數(shù)N為:

式中:k為固定在皮帶上的舀勺間距。

馬鈴薯播種機(jī)地輪旋轉(zhuǎn)一周通過(guò)投薯口的舀勺數(shù)N1為:

式中:i為地輪至主動(dòng)輪間的傳動(dòng)比。播種機(jī)的前進(jìn)距離S1為:

式中:D為地輪直徑。

如果每個(gè)舀勺只留一顆種薯，則理論株距l(xiāng)為:

調(diào)節(jié)地輪至主動(dòng)輪之間的傳動(dòng)比，即可調(diào)節(jié)株距。

由于舀勺是在投放口處逐漸偏離投薯管前壁而釋放種薯的，投薯點(diǎn)的高低與種薯脫離舀勺背部時(shí)的橫向尺寸大小有關(guān)，大、小薯投薯相位不同，使相鄰舀勺投薯點(diǎn)高低發(fā)生變化，必然引起播種株距大小的波動(dòng)，從而影響了播種均勻度。為了提高種植株距均勻度，充種前首先用30～50多級(jí)方形網(wǎng)孔篩對(duì)種薯進(jìn)行分級(jí)。

2．2 補(bǔ)薯裝置

傳統(tǒng)機(jī)械式的補(bǔ)薯裝置采用棘輪機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難，效果并不理想，本設(shè)計(jì)采用機(jī)電式的補(bǔ)薯裝置。補(bǔ)薯裝置由補(bǔ)薯箱、傳感器和控制器組成。補(bǔ)薯箱安裝在從動(dòng)輪正上方，底部為一圓盤(pán)，圓盤(pán)內(nèi)部由隔板隔成許多小格，隔板連接在電機(jī)軸上，可隨電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)小格內(nèi)事先放入一個(gè)種薯。其中有一個(gè)小格底部漏空，正對(duì)著下落中的舀勺背部。補(bǔ)薯裝置、補(bǔ)薯箱結(jié)構(gòu)如圖2、3所示。

圖2 補(bǔ)薯裝置

圖3 補(bǔ)薯箱結(jié)構(gòu)

其工作過(guò)程如下:當(dāng)舀勺1向上升運(yùn)至從動(dòng)輪2頂部安裝傳感器3的裝置時(shí)，如果舀勺內(nèi)沒(méi)有舀到種薯或種薯被振落，則傳感器檢測(cè)到?jīng)]有種薯，向控制器4單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，單片機(jī)發(fā)出控制指令，使補(bǔ)薯箱電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)π/n(n為補(bǔ)薯箱格數(shù))的角度，使相鄰盛有種薯的小格轉(zhuǎn)至漏空處，種薯落入與空勺相鄰的前一個(gè)種勺的背面，實(shí)行補(bǔ)種。同時(shí)單片機(jī)累計(jì)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)為n－1時(shí)蜂鳴報(bào)警，提示補(bǔ)薯箱種薯不足。如果舀勺內(nèi)盛有種薯，傳感器沒(méi)有檢測(cè)輸出信號(hào)，單片機(jī)不發(fā)出控制指令，補(bǔ)種裝置不工作。

2．3 振動(dòng)裝置

為減少和控制舀勺拖帶兩個(gè)或兩個(gè)以上的種薯，采用振動(dòng)裝置配合特制曲面的舀勺消除重種現(xiàn)象。振動(dòng)裝置由振動(dòng)電機(jī)、振動(dòng)力調(diào)整擺板、鎖緊手輪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。振動(dòng)電機(jī)2通過(guò)安裝架安裝在排薯管外側(cè)，振動(dòng)電機(jī)在排薯管內(nèi)緊貼升運(yùn)裝置皮帶內(nèi)側(cè)。電機(jī)電源與拖拉機(jī)蓄電池電源接頭連接，電機(jī)控制開(kāi)關(guān)設(shè)置在駕駛室內(nèi)，便于駕駛?cè)藛T操縱。

圖4 振動(dòng)裝置

舀勺取種和升運(yùn)時(shí)通過(guò)振動(dòng)電機(jī)2刺激皮帶以一定的頻率和幅度抖動(dòng)，從而振落舀勺內(nèi)多余的種薯，保持存留一個(gè)種薯的狀態(tài)。如圖4，可根據(jù)重種程度來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)力的大小，松開(kāi)手輪5使振動(dòng)力調(diào)整擺板4轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)電機(jī)振動(dòng)輪2靠近或遠(yuǎn)離取種勺安裝皮帶3。手輪5向上移動(dòng)時(shí)振動(dòng)力增大，重種程度較大時(shí)采用;手輪5向下移動(dòng)時(shí)振動(dòng)力減小，重種程度較輕時(shí)采用。觀察振動(dòng)力合適后鎖緊手輪5。

圖5 限流裝置

2．4 限流裝置

限流裝置用以控制進(jìn)入種箱底部取薯區(qū)的種薯流量，改善舀勺的取薯能力和減少升運(yùn)裝置的上升阻力，同時(shí)也可起到輔助分級(jí)的作用。如圖5所示，安裝在播種架種箱下外側(cè)的調(diào)整定位板1上聯(lián)接固定著外轉(zhuǎn)柄2，此外轉(zhuǎn)柄2與播種架內(nèi)安裝的閘板屬同一相位角，因此轉(zhuǎn)動(dòng)外轉(zhuǎn)柄2也即帶動(dòng)閘板做同向旋轉(zhuǎn)，從而改變了薯種的流動(dòng)層厚度，也就改變了薯種的流量。將外轉(zhuǎn)柄2向右上方旋轉(zhuǎn)可使薯種流量變小，反之變大。限流閘板上安裝一帆布軟板，用以保護(hù)種薯不被金屬閘板刮傷。為了提高種箱內(nèi)種薯進(jìn)入取薯區(qū)的流暢性，在種箱與取薯區(qū)正對(duì)的后側(cè)安裝一攪動(dòng)擺桿，用以改善種薯的通流能力。

3 試驗(yàn)

將設(shè)計(jì)的排薯器安裝在現(xiàn)有的馬鈴薯播種機(jī)上進(jìn)行田間播種試驗(yàn)，同時(shí)與2CMF－2型馬鈴薯播種機(jī)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)在張掖市甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行。配套動(dòng)力13 kW，作業(yè)速度0．55 m/s，采用雙壟作播種，播深18 cm，行距65 cm，株距40 cm。試驗(yàn)地地勢(shì)平坦，土壤質(zhì)地為壤土，含水量為18%。

試驗(yàn)測(cè)試的內(nèi)容包括漏種率、重種率、株距變異系數(shù)等。拖拉機(jī)以正常速度0．55 m/s播種后，隨機(jī)取10行，每行在50 m內(nèi)隨機(jī)取樣，進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

如表1所列，采用設(shè)計(jì)的新型排薯器后重種率、漏播率顯著降低，體現(xiàn)了機(jī)電控制補(bǔ)薯裝置的準(zhǔn)確性和有效性。株距變異系數(shù)變化不大，這主要是因?yàn)橹昃嗟木鶆蛐灾饕Q于工作過(guò)程中投薯點(diǎn)高度的變化，而投薯點(diǎn)高度的變化又與種薯大小及土壤不平度密切相關(guān)，盡管播種前采用了種薯分級(jí)措施，但效果并不明顯。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯播種機(jī)排薯器，主要由種薯箱、升運(yùn)裝置、補(bǔ)薯裝置、振動(dòng)裝置、限流裝置、張緊裝置、排薯管等組成，能夠根據(jù)播種過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)漏播現(xiàn)象，并進(jìn)行漏種補(bǔ)償。

(2)試驗(yàn)表明:重播率≤1．6%，漏播率≤0．8%，株距變異系數(shù)約為11．2%。表明所設(shè)計(jì)的排薯器顯著改善了馬鈴薯播種機(jī)的播種效果，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

［1］ 宋言明，王芬娥．國(guó)內(nèi)外馬鈴薯機(jī)械的發(fā)展概況［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2008(9):224－227．

［2］ 廖廷茂，王 為，李小昱．我國(guó)馬鈴薯種植機(jī)的現(xiàn)狀與分析［J］．湖北農(nóng)機(jī)化，2007(3):35－36．

［3］ 趙滿(mǎn)全，竇衛(wèi)國(guó)，趙士杰，等．2BSL－2型馬鈴薯起壟播種機(jī)的研制［J］．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，22(1):101 －104．

［4］ 周桂霞，張國(guó)慶，張義峰．2CM—2型馬鈴薯播種機(jī)的設(shè)計(jì)［J］．黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16(3):53－56．

［5］ 高明全，張旭東，劉維佳，等．2CM－2型馬鈴薯播種機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)［J］．沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012，43(2):237 －240．

［6］ 趙潤(rùn)良．BMF－1馬鈴薯播種機(jī)的研制［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2012(10):100－102．

［7］ 張波屏．現(xiàn)代種植機(jī)械工程［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997．