花生穴播器強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

顧玲麗，張維強(qiáng)*，劉敏基

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花生穴播器強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

顧玲麗1，張維強(qiáng)1*，劉敏基2

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014)

為解決2BHM–2型花生覆膜打穴播種機(jī)穴播器鴨嘴不能及時(shí)或充分打開、壓板引起地膜破損的問題，設(shè)計(jì)了一種鴨嘴強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)。強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)由活動鴨嘴、固定鴨嘴、撥桿、限位塊組成。工作時(shí)，活動鴨嘴在撥桿和限位塊的帶動下能實(shí)現(xiàn)與固定鴨嘴的開啟與閉合，從而完成定點(diǎn)播種。根據(jù)農(nóng)藝要求，在分析穴播輪滾動狀態(tài)基礎(chǔ)上，確定了開啟機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)：鴨嘴寬30 mm，高50 mm，撥桿長臂89.7 mm，短臂37.6 mm，限位塊距離輪盤圓心119.4 mm。樣機(jī)模型與原有壓板式開啟機(jī)構(gòu)進(jìn)行的田間對比試驗(yàn)的結(jié)果表明，壓板式開啟機(jī)構(gòu)受土壤條件限制，穴粒數(shù)合格率最低值僅為85%，而強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)的均達(dá)到90%以上，比壓板式的提高了5.8%；壓板式開啟機(jī)構(gòu)對地膜破損較嚴(yán)重，而強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)對地膜幾乎無破損。

花生穴播器；鴨嘴；強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)；對比試驗(yàn)

花生穴播器是花生膜上播種[1–3]的關(guān)鍵部件之一，包括排種器與成穴器2個(gè)部分[4]。鴨嘴滾輪式穴播器[5]的應(yīng)用比較廣泛，但其鴨嘴的打開需依靠地面對壓板的反作用力，受土壤因素的影響較大。當(dāng)土壤反作用力較小時(shí)，與鴨嘴相連的壓板所受地面反作用力不足，不能使鴨嘴完全打開，活動鴨嘴打開的可靠性降低[6]。另外，由于長時(shí)間在田間工作，與壓板相連接的彈簧容易粘上土壤，從而阻礙壓板的完全打開，另外鴨嘴的壓板比較短，當(dāng)前進(jìn)速度較快時(shí)，鴨嘴打開時(shí)間短，種子也可能來不及排出，這些都可能使種子堵在鴨嘴口，影響播種的穴粒數(shù)合格率與投種精度。鴨嘴打開是通過壓板受力，其反作用于地膜，還可能引起地膜撕裂，使覆膜效果降低[7]。筆者針對2BHM–2型花生覆膜打穴播種機(jī)對土壤的適應(yīng)性較差，以及因壓板帶來的穴粒數(shù)合格率低，地膜破損程度較高等問題，設(shè)計(jì)了一種鴨嘴強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)。該開啟機(jī)構(gòu)替代了原有壓板式機(jī)構(gòu)，能迫使鴨嘴在特定位置打開，完成穴播。通過分析穴播輪的滾動過程，確定開啟機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。樣機(jī)與原有機(jī)型進(jìn)行的田間對比試驗(yàn)表明，樣機(jī)穴粒數(shù)合格率達(dá)到了90%以上，比原有壓板式的合格率提高了5.8%，原有壓板式開啟機(jī)構(gòu)的地膜破損程度較高，而強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)對地膜幾乎無破損?，F(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1　花生穴播器強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　結(jié)構(gòu)

強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)主要由活動鴨嘴、固定鴨嘴、撥桿和限位塊組成。鴨嘴安裝在原有機(jī)構(gòu)鴨嘴位置，撥桿與鴨嘴相連，在復(fù)位彈簧的作用下指向輪心，限位塊安裝在距離輪心119.4 mm的圓周上，固定在機(jī)架上，相對輪軸靜止。鴨嘴固定在穴播輪上，且其活動鴨嘴與固定鴨嘴鉸接，安裝關(guān)系如圖1所示。

圖1　強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)與穴播輪的安裝關(guān)系

活動鴨嘴與撥桿焊接為一體，在復(fù)位彈簧7和限位塊6的共同作用下，撥桿能形成被動式的打開與復(fù)位的作業(yè)效果，迫使鴨嘴也打開相應(yīng)角度。

1.2　工作原理

在非工作狀態(tài)下，撥桿由復(fù)位彈簧與固定鴨嘴共同限制，指向輪心。工作時(shí)穴播器主要依靠其自身重力使鴨嘴插入土壤，通過鴨嘴的開閉來實(shí)現(xiàn)播種。在作業(yè)過程中，當(dāng)鴨嘴轉(zhuǎn)至穴播輪下方插入土壤時(shí)，與活動鴨嘴相連的撥桿會與限位塊相切，而撥桿在隨穴播輪轉(zhuǎn)動過程中又會受到限位塊逆向阻力的作用，被動地繞其與活動鴨嘴鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動一定角度，與之相焊接的活動鴨嘴即打開相應(yīng)的角度，此時(shí)花生種子經(jīng)排種后已到達(dá)鴨嘴口，待鴨嘴打開即刻落下，完成穴播；鴨嘴出土?xí)r，撥桿與限位塊分離，在復(fù)位彈簧作用下自動恢復(fù)到閉合狀態(tài)，進(jìn)入下一次的循環(huán)播種。

2　強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的確定

2.1　鴨嘴的分布及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)2BHM–2型花生覆膜打穴播種機(jī)穴播輪的相關(guān)參數(shù)，在已有的穴播輪半徑195 mm、寬度130 mm的基礎(chǔ)上[8]，結(jié)合花生種植農(nóng)藝要求，花生的最適宜播深范圍為30~50 mm[9]，穴距為150~220 mm，綜合考慮，取播深為50 mm。考慮到所要安裝排種盤的有效直徑，實(shí)際作業(yè)中受穴播輪質(zhì)量和地膜摩擦系數(shù)的影響，會存在一定滑移，實(shí)際穴距增大，鴨嘴在隨穴播輪滾動進(jìn)入土壤時(shí)，穴播輪的滾動半徑也在變化。

式中：為成穴器數(shù)量(個(gè))；為花生播種穴距(mm)；為播種深度(mm)。

計(jì)算得知，原有鴨嘴個(gè)數(shù)為10，均勻分布于輪盤上，符合設(shè)計(jì)要求，因此可以將設(shè)計(jì)后的鴨嘴直接安裝在原有穴播器輪盤鴨嘴口上。鴨嘴有活動鴨嘴與固定鴨嘴兩瓣。固定鴨嘴安裝在穴播輪上，在工作過程中，固定鴨嘴壓力角會影響其入土性能以及成穴的大小，同時(shí)在出土?xí)r可能還會影響動土量，甚至引起挑膜等，因此，對固定鴨嘴壓力角的選取需慎重。一般取固定鴨嘴壓力角為15°~25°。由于強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)是后開式，為了使穴播口盡量小，活動鴨嘴根部應(yīng)盡量與固定鴨嘴根部相接近。由于鴨嘴寬度對穴播的影響較小，取其值為30 mm。鴨嘴的高度由播深決定，取值50 mm。

鴨嘴開度的大小直接影響到種子能否從鴨嘴口順利排出，為了不影響落種，可以使鴨嘴開度滿足=1.2~1.5max，(max指種子的最大幾何尺寸)[10]。max的選擇可以根據(jù)市面上不同品種的花生尺寸選取，的取值可以確定為23.4~29.25 mm。

鴨嘴開度確定之后，由幾何關(guān)系可以確定活動鴨嘴轉(zhuǎn)角。

根據(jù)壓力角及鴨嘴高度可以確定活動鴨嘴長度的取值為52~55 mm，由此確定活動鴨嘴轉(zhuǎn)角為24.56°~32.67°。

2.2　撥桿及限位塊的相關(guān)參數(shù)的確定

限位塊和撥桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是鴨嘴強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。撥桿和限位塊位置的確定與鴨嘴開啟時(shí)間有關(guān)，鴨嘴開啟時(shí)間的長短又決定了撥桿的形狀與尺寸。開啟機(jī)構(gòu)要保證鴨嘴能在特定位置實(shí)現(xiàn)打開與閉合。

為了保證花生播種的穴粒數(shù)合格率，在滾輪式穴播器中，鴨嘴應(yīng)完全進(jìn)入土壤時(shí)打開，在出土?xí)r才開始閉合，避免造成夾土，影響落種[11–12]。由于鴨嘴與撥桿焊接，活動鴨嘴所轉(zhuǎn)過的角度即為撥桿所轉(zhuǎn)角度，穴播輪滾動過程如圖2所示。

圖2　穴播輪的滾動過程

鴨嘴在開啟過程中的轉(zhuǎn)角的取值與輪盤半徑以及鴨嘴高度有關(guān)。為了滿足鴨嘴在出土前處于打開、出土后閉合的要求，需=(+)×(1–cos)。

在△22中，

2π––(2)

根據(jù)公式(1)~(3)，計(jì)算撥桿段長及限位塊相對圓心位置的值，=89.7 mm，即撥桿長臂長89.7 mm；=119.4 mm，即限位塊到輪心距離為119.4 mm。

在△O KF中，

222–22cos1(4)

2π–2–1(6)

計(jì)算可知，=37.6 mm，即撥桿短臂長37.6 mm。由公式(5)、(6)可得、之間夾角=142.8°，即撥桿長臂與短臂之間的夾角為142.8°。

3　田間試驗(yàn)

將強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)與原有的壓板開啟式機(jī)構(gòu)分別安裝于同種穴播輪上，并分別懸掛于機(jī)架后方兩側(cè)，左輪為壓板式，右輪為強(qiáng)制開啟式，做單膜雙行的對比試驗(yàn)，測定播種的穴粒數(shù)合格率和地膜破損程度[13]。試驗(yàn)土壤分別為黏土、壤土和砂土。鑒于穴播輪前行速度可能會對播種的穴粒數(shù)合格率和地膜破損程度產(chǎn)生影響，為了確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，設(shè)定穴播輪前行速度分別為0.6、0.8、1 m/s。

強(qiáng)制機(jī)構(gòu)和壓板式機(jī)構(gòu)在不同土壤及不同速度下的播種穴粒數(shù)合格率列于表1。

表1　2種機(jī)構(gòu)的穴粒數(shù)合格率

壓板式穴播器在壤土中的穴粒數(shù)合格率最高，達(dá)到88%以上，其次是黏土，在砂土中的效果最差；強(qiáng)制機(jī)構(gòu)的穴粒數(shù)合格率達(dá)到90%以上，說明壓板開啟式穴播器較適宜在壤土中作業(yè)，不適宜在砂土中作業(yè)，而強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)幾乎不受土壤類型的制約，對土壤的適應(yīng)性更強(qiáng)。

田間觀察表明，壓板開啟式機(jī)構(gòu)引起的地膜破損在3種土壤中達(dá)到33 mm/m2以上，而強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)基本沒有出現(xiàn)地膜破損情況。

4　結(jié)論

針對壓板式穴播器鴨嘴打開不充分、不及時(shí)，從而影響落種問題，設(shè)計(jì)出一種鴨嘴強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的撥桿長臂為89.7 mm，撥桿短臂為37.6 mm，長臂與短臂夾角為142.8°，限位塊與圓心距離為119.4 mm，限位塊安裝時(shí)要保證與圓心的連線垂直地面。強(qiáng)制機(jī)構(gòu)能夠使播種不受土壤質(zhì)地的影響，在壤土、黏土和砂土中都能滿足作業(yè)要求；該機(jī)構(gòu)還能強(qiáng)制鴨嘴在進(jìn)入土壤50 mm處及時(shí)打開，完成播種。

強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)與壓板式穴播器在不同類型土壤中的對比試驗(yàn)結(jié)果表明，壓板式開啟機(jī)構(gòu)受土壤條件限制較為明顯，在壤土中穴粒數(shù)合格率最低值僅為88%，強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)穴粒數(shù)合格率均達(dá)到90%以上，不受土壤類型的限制，合格率提高了5.8%；壓板式開啟機(jī)構(gòu)的地膜破損程度較高，而強(qiáng)制開啟機(jī)構(gòu)對地膜幾乎無破損。

[1] 呂小蓮，劉敏基，王海鷗，等．花生膜上播種技術(shù)及其設(shè)備研發(fā)進(jìn)展[J]．中國農(nóng)機(jī)化，2012(1)：89–92．

[2] 張紅鋒，王偉，魏素珍．地膜覆蓋對西藏林芝土壤性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的影響[J]．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，43(10)：1–6．

[3] 呂小蓮．國內(nèi)花生鋪膜播種機(jī)具的發(fā)展現(xiàn)狀分析[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(3)：1747–1749．

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[7] 顧峰瑋，胡志超，王海鷗，等．鴨嘴滾輪式花生播種器設(shè)計(jì)與運(yùn)動軌跡分析[J]．中國農(nóng)機(jī)化，2010(4)：60–63．

[8] 王玉晶．穴播式草原藏藥免耕播種機(jī)的研制[D]．蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008．

[9] 馬孝生．播深和土壤濕度對地膜花生發(fā)芽出苗的影響[J]．花生學(xué)報(bào)，1986(2)：27–28．

[10] 張學(xué)軍，楊瑩．滾筒式穴播器的設(shè)計(jì)原理[J]．塔里木大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，9(1)：30–33．

[11] 于紅鵬，杜瑞成，吳修遠(yuǎn)．舵輪式杠桿開啟穴播器的設(shè)計(jì)分析及孔穴形狀仿真模擬[J]．農(nóng)業(yè)科技與裝備，2009(4)：61–63．

[12] 徐波，湯楚宙，官春云，等．2BYF–6型油菜免耕直播聯(lián)合播種機(jī)的改進(jìn)及試驗(yàn)[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，34(1)：109–111．

[13] JB/T7732—2006鋪膜播種機(jī)[S]．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

The design and experiment of the forced opening mechanism on the peanut dibbler

GU Lingli1，ZHANG Weiqiang1*，LIU Minji2

(1.College of Engineering, Nanjing Agricultural University/ Jiangsu Provincial Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment, Nanjing 210031, China; 2.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

A forced opening mechanism on the peanut dibbler had been designed to solve the problems that the duckbills in the model of 2BHM–2 peanut planter couldn’t open timely or the membrane damage caused by pressure plate. The forced opening mechanism was consisted of moving duckbill, fixed duckbill, stir bar, and limit block. When working, the active duckbill could be opened and closed with fixed duck’s mouth under the drive of the pole and the limit block, to complete the spaced sowing. The structure parameters of the opening mechanism were determined by the analysis of the rolling state diagram of dibbler and the agronomic requirements. The width and the height of duckbill were 30 mm and 50 mm. The length of stir bar was 89.7 mm, and the short arm was 37.6 mm. The limit block was 119.4 mm from the center of the wheel disk. A field experiment was conducted for comparison between the model and the original opening clamp mechanism. It was obvious that the original pressure plate type was restricted by soil conditions, and the lowest pass rate was 85%, whereas it can reach above 90% for the forced opening mechanism with an increase of 5.8%. The damage degree of the film for the original pressure plate type was higher, but was basically zero for the forced opening mechanism.

peanut dibbler; duckbill; forced opening mechanism; contrast test

S223.2+3

A

1007-1032(2017)06-0676-04

2017–02–17

2017–09–15

國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS–14–08B)

顧玲麗(1990—)，女，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究，15150563181@163.com；

通信作者，張維強(qiáng)，教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論和機(jī)械故障檢測研究，njzwq2001@njau.edu.cn

投稿網(wǎng)址：http://xb.hunau.edu.cn