折疊式智能化機采棉精量播種機的設(shè)計與試驗

張愛民，郝延杰，禚冬玲，李　偉，孫冬霞，王　成

(濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學研究所，山東 濱州　256600)

0　引言

土地墑情是棉花發(fā)芽的重要因素，在黃河三角洲區(qū)域成熟的土地保墑技術(shù)是地膜覆蓋[1]。機采棉播種需要地膜覆蓋，同時機采棉行距一致性要求比較高，表現(xiàn)為單行76cm、雙行86cm。隨著城鄉(xiāng)一體化進程的加快，農(nóng)村生產(chǎn)合作社成為發(fā)展趨勢，棉花播種要采取76cm寬幅高效作業(yè)方式，以保證棉花采摘的機械化[2]。棉花播種機械智能化是發(fā)展趨勢，在保證播種質(zhì)量的同時降低了勞動強度。

大面積地塊平整度差，會降低播種作業(yè)播深一致性，創(chuàng)新設(shè)計的一級傳動仿形播種裝置可解決此類問題。棉種種在上實下虛的土層發(fā)芽程度好，地膜與地表要預留一定的空間供棉苗生長，利用限深平地滾筒和種帶刮土器成為優(yōu)選方案。衛(wèi)星定位同步控制的使用使施肥更加均勻。北斗導航系統(tǒng)減輕了駕駛強度，提高行距一致性。針對機采棉播種智能化作業(yè)特點，研制的折疊式智能化機采棉精量播種機有效解決了寬幅作業(yè)播種覆膜問題。

1　工藝過程和總體結(jié)構(gòu)

1.1工藝過程

根據(jù)機采棉76cm等行距種植模式的播種作業(yè)要求，融合智能化技術(shù)，提出一種前鎮(zhèn)壓、開溝、與行進速度變化一致性施肥、苗帶干土清理、開溝、單粒播種、壓膜、覆膜及壓土的種植模式[3]。限深平地滾筒可限深和碎土，還可將土壤適度壓實，避免棉種播在虛土上，和種帶刮土器配合使用可以保證棉花的出苗率。種帶刮土器可將種帶上的干土刮向兩側(cè)，保證棉種播在濕土上，種床和膜床之間形成更大的高度差，棉苗到地膜的生長空間加大，避免放苗不及時而灼傷棉苗。施肥控制裝置采用衛(wèi)星定位同步控制，排肥速度與行走速度相適應，排肥更均勻。一級傳動仿形播種裝置實現(xiàn)一級傳動，傳動可靠，提高了播種質(zhì)量。耐磨播種開溝器可單獨拆卸，方便更換。智能監(jiān)控系統(tǒng)應用實現(xiàn)播種、施肥實時監(jiān)控，出現(xiàn)故障及時報警。北斗導航系統(tǒng)滿足高精度行距要求。地膜伸展，壓膜輪將其壓入溝內(nèi)，覆土器將地膜壓實，完成整個作業(yè)過程。

1.2總體結(jié)構(gòu)

折疊式智能化機采棉精量播種機主要由可對折機架、限深平地滾筒、種帶刮土器、一級傳動仿形播種裝置、衛(wèi)星定位同步施肥裝置、開溝器、鎮(zhèn)壓輪及覆膜滾筒等部分組成，如圖1所示。

可對折機架利用懸掛支架與拖拉機連接，拖拉機帶動機具前進，限深平地滾筒旋轉(zhuǎn)，將土壤破碎并壓實。種帶刮土器將種帶上的干土刮向兩側(cè)，棉種播在濕土上，種床和膜床間的高度差為棉苗生長提供更大生長空間。施肥開溝器為保證將肥料在種子之下，需入土7～10cm，衛(wèi)星定位同步控制裝置使施肥速度與機具前進速度一致。棉花播種深度在1～3cm，即播種開溝器入土深度，土壤的摩擦使仿形輪轉(zhuǎn)動，通過鏈條帶動排種軸旋轉(zhuǎn)進行排種，一級傳動仿形播種機構(gòu)使仿形輪行走軌跡與地面起伏程度一致，保證了播種深度一致。地膜一端在工作前需用土埋好壓實，機具前進時，隨地膜輥轉(zhuǎn)動，地膜不斷伸展平鋪于地表，兩側(cè)被壓膜輪壓入溝內(nèi)，覆土結(jié)構(gòu)在地膜兩側(cè)覆蓋一部分土壤；導土板將另一部分土壤輸送到滾筒中部，經(jīng)由矩形缺口流出，地膜兩側(cè)和中間位置便被壓實；最終完成鎮(zhèn)壓、施肥、種帶干土清理、開溝播種、覆膜等整個過程。

1.懸掛支架　2.肥箱　3.種箱　4.四連桿仿形播種機構(gòu) 5.播種覆膜機架　6.膜輥支架　7.膜上覆土滾筒支架 8.膜上覆土滾筒　9.膜上覆土圓盤 10..壓膜輪　11.播種開溝器　12.施肥開溝器 13.種帶刮土器　14.限深平地滾筒　15.限深平地滾筒連接座 圖1　播種機示意圖

1.3技術(shù)規(guī)格

機采棉精量播種機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

2　關(guān)鍵部位設(shè)計

2.1可對折機架

可對折機架由中間機架、左機架、右機架3部分組成，均為矩形框架。每個框架后方均利用四連桿與一組播種覆膜機架單體相連。各機架之間通過由鉸鏈聯(lián)接板形成的鉸鏈柔性相連；兩個液壓油缸對稱分布在中間機架油缸連接座，油缸推力桿鉸接在左右機架的推拉桿連接座；每組油缸單獨控制；機具在道路行走及田間轉(zhuǎn)彎時，液壓油缸縮短，左右機架呈90°對折狀態(tài)，寬度縮短有利于行走及轉(zhuǎn)彎；機具工作時，油缸伸長使左右機架與中間機架呈水平狀態(tài)，實現(xiàn)三膜六行寬幅播種；在特殊地段，還可以實現(xiàn)四行播種。

利用SolidWorks三維軟件對機架的懸掛支架進行應力分析，如圖2所示。此處應力最大值為230 301 92N/m2,沒有超過Q235A的最大屈服強度。

圖2　懸掛支架應力分析

對機架進行了模態(tài)分析，提取機架前6階的頻率，證實機架本身固有頻率與播種機工作激振頻率6～7Hz[4]和路面激勵頻率≤3Hz[5]沒有重疊部分，機架優(yōu)化合理，模態(tài)分析結(jié)果如表2所示。

表2　模態(tài)分析結(jié)果比較

2.2覆土滾筒

覆土滾筒如圖3所示。其可將覆土圓盤取出的部分土壤通過導土板自身螺旋結(jié)構(gòu)將覆土圓盤推入的土壤輸送到播種行的中部位置壓膜，以防地膜被吹走。如土壤中殘膜、秸稈殘余量過多，工作過程中便會被覆土圓盤送入覆土滾筒[6]，體積過大將難以從滾筒排出影響覆土量，甚至堵塞滾筒拖壞地膜。本機采用兩段式覆土滾簡，滾動的動力來自與地膜的摩擦。滾筒兩邊焊接了15片反U形片狀凸起，有利于地膜兩端土壤的覆蓋，凸起安裝位置進行加厚處理。經(jīng)過試驗確定滾筒內(nèi)導土板的安裝角度，土壤更易流通；并在滾筒上開了矩形缺口，方便了土壤的排出，減小滾筒與地膜的摩擦力，保證了地膜完整。

1.反U形片狀凸起　2.導土板　3.矩形缺口

2.3播種開溝器

開溝器工作過程中(見圖1)，會受到土壤及雜物的摩擦，開溝器材料耐磨損性能不好會導致磨損太快。開溝器兩側(cè)側(cè)板小會使開出的土易過早回落造成土層混亂，將開溝器開溝犁頭設(shè)計為耐磨材料，可單獨拆卸。前端入土部分為尖角，開溝起土角度20°，入土隙角8°，加入的大小側(cè)板可防止開溝開出的土過早回落到種溝內(nèi)，保證下層為濕土，滿足棉花播種的要求。

2.4播種傳動機構(gòu)

播種深度的一致性對棉花生長有利，播種裝置可靠性要好，精度要高。圖5為一級傳動棉花精量播種裝置，應用四連桿仿形以同心圓理論實現(xiàn)一級傳動，四連桿平行仿形時鏈條長度不變，鏈條不會掉，保證更好播種質(zhì)量。四連桿設(shè)計為弧形，不妨礙上部肥箱和下部排種器排種器運動，通過加長四連桿的上下拉桿和減小牽引角，縮短了縱向長度，有利于機具道路行駛。

1.鏟　2.鏟柄　3.側(cè)板

1.U形卡　2.四連桿單體仿形部件　3.肥箱支架 4.同心圓傳動地輪總成　5.連接支架　6.連接鉸鏈軸 7.主動鏈輪　8.同心圓軌道板　9.軌道板連接支架 10.鏈條　11.連接支架固定螺栓 12.排種器　13.開溝角　14.排種器鏈輪

2.5施肥裝置控制

施肥深度需控制在一定的深度范圍內(nèi)，并且要均勻，施肥深度淺或某一點施肥量過大會將棉苗燒壞[7]。為保證施肥均勻性，施肥裝置控制采用了電機驅(qū)動，利用衛(wèi)星定位來同步控制電機，實現(xiàn)排肥速度與機具前進速度變化的一致，部件結(jié)構(gòu)更緊湊，排肥精度更高?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.6北斗導航系統(tǒng)

機采棉播種單行為76cm等行距，行距精度越高越有利于機械采摘。這對駕駛?cè)藛T提出了較高要求，如果人工長時間駕駛，身體及精神出現(xiàn)疲勞會影響行距精度，降低作業(yè)效率。利用了北斗導航Ifarm系統(tǒng)，作業(yè)過程中，除地頭外，其他采用全程自動控制，實現(xiàn)高精度直線行走，保證行距均勻一致，切實滿足機械采摘作業(yè)要求，同時降低勞動強度，提高作業(yè)質(zhì)量。圖7為北斗導航自動駕駛作業(yè)過程。

圖6　施肥控制

圖7　北斗導航自動駕駛

3　性能試驗

3.1試驗條件及方法

折疊式智能化機采棉精量播種機室內(nèi)臺架和田間生產(chǎn)的試驗參考標準來自JB/T7732-2006《鋪膜播種機》。2016年3月，室內(nèi)臺架試驗在濱州市農(nóng)業(yè)機械化科學研究所試驗室進行，在山東省無棣縣渤海糧倉項目區(qū)內(nèi)示范基地進行了田間生產(chǎn)試驗。試驗田首先進行了棉花秸稈收獲，然后用地膜清理機將地表殘膜清理掉，再耕地整平、澆水，大約15天后耙地保墑，實現(xiàn)土壤上虛下實目的[3]。

3.2鋪膜性能試驗

覆膜性能參數(shù)主要有采光面寬度合格率、膜邊覆土寬度合格率、膜邊覆土厚度合格率、地面采光展平度及采光面機械破損程度等，試驗結(jié)果如表3所示。由表3可知：播種機主要指標已經(jīng)達到或超過國家標準JB/T7732-2006《鋪膜播種機》。

表3　覆膜性能試驗結(jié)果

3.3播種施肥性能試驗

播種施肥性能參數(shù)主要有株距合格率、施肥深度合格率、單粒率、空穴率及種子破碎率等，試驗結(jié)果如表4所示。試驗結(jié)果表明：播種施肥性能參數(shù)全部達到或超過國家標準JB/T7732-2006《鋪膜播種機》。

表4　播種施肥性能試驗結(jié)果

4　結(jié)論

1)折疊式智能化機采棉精量播種機實現(xiàn)了功能集成創(chuàng)新，進地一次完成多項工序，同時更加智能化，符合農(nóng)機智能化發(fā)展趨勢。

2)可對折機架經(jīng)過應力校核及模態(tài)分析，可實現(xiàn)左右機架對折，有利于道路運輸和田間轉(zhuǎn)彎；限深平地滾筒和種帶刮土器的配合使用保證了棉苗成活率；衛(wèi)星定位同步控制在施肥裝置的應用使施肥速度與機具行進速度一致，施肥更加均勻；耐磨式開溝器改善生長環(huán)境，一級傳動仿形播種裝置保證了播深一致性；智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)施肥、播種實時監(jiān)控，出現(xiàn)問題可及時報警；兩段式覆膜滾筒將地膜覆蓋更加牢固，不會被風吹走的同時保證棉花生長需要；北斗導航系統(tǒng)的應用使高精度行距要求成為可能，有利于棉花的機械采摘。

3)室內(nèi)臺架試驗和田間試驗表明：該機覆膜性能參數(shù)和播種施肥性能參數(shù)都達到或超過國家標準。

參考文獻：

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