牽引式馬鈴薯整地施肥播種噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)

陳長(zhǎng)海，畢春輝，王明軍，楊 沫

(哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150029)

0 引言

目前，我國(guó)的馬鈴薯種植面積在533.3萬hm2以上，預(yù)計(jì)到2020年將突破0.07億hm2以上，主要分布在西南、東北、西北等地區(qū)，面積和產(chǎn)量均占世界的1/4左右[1]。中國(guó)已成為馬鈴薯生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國(guó)。目前，我國(guó)馬鈴薯種植面積最大的是內(nèi)蒙古，其次是貴州、黑龍江、甘肅等。黑龍江省的馬鈴薯種植面積約占全國(guó)馬鈴薯種植面積的11%，位于全國(guó)第三位[2]。目前，我國(guó)馬鈴薯種植方式均采用整地、施肥種植兩個(gè)作業(yè)工序分開作業(yè)，還有很大一部分地區(qū)采用整地、施肥、種植3個(gè)作業(yè)工序分開作業(yè)[3]。這種方式種植造成了機(jī)具作業(yè)次數(shù)多、對(duì)土壤壓實(shí)嚴(yán)重，增加了作業(yè)成本；作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，不能在有限的播種期內(nèi)進(jìn)行適時(shí)播種；土壤保墑效果不佳等問題。

國(guó)內(nèi)馬鈴薯播種機(jī)主要分為3大類：一是單純播種的播種機(jī)；二是肥、種一體的播種機(jī)；三是種、肥、藥三位一體的播種機(jī)，該項(xiàng)技術(shù)起步較晚，還不成熟。整地、施肥、播種、噴藥四位一體的馬鈴薯聯(lián)合作業(yè)機(jī)技術(shù)還處于摸索階段。

國(guó)外馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)起步較早、發(fā)展快、機(jī)械化程度高， 20世紀(jì)80年代德、英、法等國(guó)家相繼實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械化。德國(guó)馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的氣候條件、土壤特點(diǎn)與黑龍江省北部地區(qū)的生產(chǎn)條件基本相似，常年種植面積約28萬hm2，從種植到收獲基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。但是，進(jìn)口機(jī)具價(jià)格昂貴同時(shí)外國(guó)進(jìn)口的機(jī)具尤其是在黑龍江省黏重土壤條件下多數(shù)有“水土不服”癥狀，因此不適宜在全省全面引進(jìn)應(yīng)用[4]。因此，研制適合黑龍江省特殊土壤條件的高效優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯整地、施肥、種植及噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)是馬鈴薯種植過程中亟待解決的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該項(xiàng)技術(shù)及機(jī)具是農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝相結(jié)合的技術(shù)，適于形勢(shì)發(fā)展需要，推廣前景廣闊。

1 總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要是集成旋耕整地技術(shù)及馬鈴薯播種技術(shù)而創(chuàng)新研發(fā)，將傳統(tǒng)馬鈴薯整地、播種分次作業(yè)優(yōu)化為一次作業(yè)的聯(lián)合作業(yè)機(jī)—牽引式馬鈴薯整地施肥播種噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)。該機(jī)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)整機(jī)模塊化組裝方案，使機(jī)架、整地部件、地輪架、播種架通用單體、施肥單體、噴藥單體等部件合理、協(xié)調(diào)組合；同時(shí)，可根據(jù)行距靈活調(diào)整，不僅使機(jī)器區(qū)域適應(yīng)性廣，而且有利于產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)。其采用了交叉取種技術(shù)，配以震動(dòng)排種部件，實(shí)現(xiàn)了精量播種[5]；施肥與播種相對(duì)位置固定，使種肥相對(duì)位置精確，肥效一致。同時(shí)，設(shè)計(jì)了種床消毒滅菌系統(tǒng)，在播種的同時(shí)對(duì)種床進(jìn)行消毒滅菌，極大地降低馬鈴薯病菌的感染率，提高了秧苗成活率，增加產(chǎn)量。

該聯(lián)合作業(yè)機(jī)由機(jī)架、組合連接機(jī)架、旋耕整地部件、施肥部件、播種部件、噴藥部件及鎮(zhèn)壓部件等組成，如圖1所示。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

配套動(dòng)力/kW：88以上

配套方式：牽引式

外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)/mm：6 510×1 750×3 900

壟距/cm：70～90

株距/cm：17～44

作業(yè)行數(shù)：4

作業(yè)效率/hm2·h-1：1.2～1.6

漏播率/%：≤3

重播率/%：≤3

種箱容積/L：2 200

施肥箱容積/L：600

藥箱容積/L：350

種薯質(zhì)量/g：40～100

結(jié)構(gòu)質(zhì)量/kg：2 900

1.牽引架 2.組合連接機(jī)架 3.旋耕機(jī) 4.噴藥箱 5.施肥箱 6.播種單體 7.種薯箱 8.鎮(zhèn)壓輥 9.行走地輪 10.覆土圓盤 11.播種開溝器 12.施肥開溝器圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of whole machine

2 工作原理

聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間播種作業(yè)時(shí)，操作拖拉機(jī)的液壓手柄控制機(jī)具上的伸縮液壓缸將機(jī)具降低至工作狀態(tài)；拖拉機(jī)將動(dòng)力通過動(dòng)力輸出軸傳遞至動(dòng)力分配變速箱，一部分動(dòng)力傳至旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕作業(yè)，另一部分傳至藥泵進(jìn)行噴藥作業(yè)；拖拉機(jī)牽引機(jī)具前進(jìn)行走[6]，行走地輪隨著拖拉機(jī)的前進(jìn)而旋轉(zhuǎn)前行，旋轉(zhuǎn)的行走地輪通過鏈條將旋轉(zhuǎn)動(dòng)力分別傳至施肥部件、播種部件；肥料和種薯分別排入各自開溝器開出的溝內(nèi)；藥液同時(shí)噴淋到種薯及與其接觸的土壤上；覆土圓盤進(jìn)行覆土，鎮(zhèn)壓輥進(jìn)行鎮(zhèn)壓。牽引式馬鈴薯整地施肥播種噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間播種作業(yè)圖如圖2所示。

3 關(guān)鍵工作部件及主要參數(shù)確定

3.1 施肥播種傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

施肥、播種的動(dòng)力均由行走地輪提供，采用行走地輪作為動(dòng)力[7]，因其在作業(yè)速度有變化時(shí)仍能保證一致的施肥量和株距。行走地輪通過萬向節(jié)伸縮傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳給主動(dòng)鏈輪，通過12A滾子鏈條將動(dòng)力分別傳給施肥、播種部件。施肥播種傳動(dòng)示意圖如圖3所示。

圖2 播種作業(yè)后圖片F(xiàn)ig.2 The picture of after planting

1.行走地輪 2.萬向節(jié)伸縮傳動(dòng)軸 3.主動(dòng)鏈輪 4.過渡鏈輪 5.施肥主動(dòng)鏈輪 6.施肥鏈輪 7.播種主動(dòng)鏈輪 8.播種鏈輪圖3 施肥播種傳動(dòng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of drive of fertilizer and sow

施肥傳動(dòng)比為

播種傳動(dòng)比為

3.2 旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)

3.2.1 旋耕機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)

因旋耕機(jī)作業(yè)幅寬3.6m，因此采用雙側(cè)箱分別傳動(dòng)，傳動(dòng)示意圖如圖4所示。

1.萬向節(jié)伸縮傳動(dòng)軸 2.主變速箱 3.側(cè)變速箱 4.右旋耕刀軸 5.左旋耕刀軸圖4旋耕機(jī)傳動(dòng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of rotary tiller drive

3.2.2 旋耕刀軸轉(zhuǎn)速

旋耕刀軸及旋耕刀是旋耕機(jī)的重要工作部件，直接影響整地質(zhì)量及功率消耗。旋耕刀選用不易纏草、土壤適用性好的彎形刀。設(shè)計(jì)同一切土區(qū)旋耕刀數(shù)Z=2，旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R=245mm。

該作業(yè)機(jī)組理論前進(jìn)速度設(shè)計(jì)為3.5～4km/h，因此旋耕刀軸的轉(zhuǎn)速要與機(jī)組前進(jìn)速度相匹配，過高會(huì)增加功率消耗，過低會(huì)影響碎土質(zhì)量[8]。

旋耕刀端點(diǎn)的回轉(zhuǎn)切線速度與機(jī)組前進(jìn)速度之比定義為旋耕速比λ(查找資料與實(shí)踐結(jié)合取λ=8)，即

λ=Rω/υm

(1)

由n=ω/2π，帶入式(1)得

n=λυm/2πR

(2)

式中υm—機(jī)組前進(jìn)速度(m/s)；

R—旋耕刀的回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

ω—旋耕刀的回轉(zhuǎn)角速度(rad/s)；

n—刀輥轉(zhuǎn)速(r/min)。

將數(shù)值帶入式(2)，經(jīng)計(jì)算得n=327r/min，取整n=330r/min。

切土節(jié)距為

S=6000υm/nz

(3)

式中υm—機(jī)組前進(jìn)速度(m/s)；

n—刀輥轉(zhuǎn)速(r/min)；

z—同一切土小區(qū)內(nèi)旋耕刀數(shù)。

將式(1)帶入式(2)得

S=πR/5λz

(4)

將數(shù)值帶入式(4)經(jīng)計(jì)算得S=7.6mm。碎土質(zhì)量理想，耕底平整。

3.3 播種部件設(shè)計(jì)

播種部件設(shè)計(jì)為取種勺與橡膠輸送帶結(jié)構(gòu)，為了保證充種、剔種順暢，種勺雙列排布[9]，排距Sp=115mm，取種勺間距為Ss=68mm。

試驗(yàn)表明：取種勺線速度為0.5m/s時(shí)[10]，播種質(zhì)量最佳，速度過高漏播率增加，過低重播率增加[4]。下面驗(yàn)證該作業(yè)機(jī)傳動(dòng)合理性，即

υs=πDd·nd

(5)

因nd=nL/iZ；nL=υJ/πDL，帶入式(5)得

υs=Dd·υJ/DL·iZ

(6)

式中υs—取種勺線速度(m/s)；

Dd—輸種帶輪直徑(m)，Dd=0.35m；

DL—地輪直徑(m)，DL=0.8m；

υJ—機(jī)組前進(jìn)速度(m/s)，υJ=1.1m/s；

iZ—播種傳動(dòng)比；

nd—輸種帶輪轉(zhuǎn)速(r/min)；

nL—地輪轉(zhuǎn)速(r/min)。

將數(shù)值帶入式(6)，得υs=0.49m/s，與最佳值0.5m/s非常接近，證明該作業(yè)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)合理。

3.4 施肥部件設(shè)計(jì)

施肥器主體采用不銹鋼與高強(qiáng)尼龍，排肥輪是耐磨性高的“牛筋”材質(zhì)的“荷蘭”施肥器，施肥穩(wěn)定，性能可靠。施肥器三維模型示意圖如圖5所示。

圖5 施肥器三維示意圖Fig.5 Schematic diagram of Fertilizer 3d

3.5 株距和施肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

播種株距大小和施肥量多少的調(diào)節(jié)原理是一致的，通過更換施肥(播種)鏈輪，改變各自傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，不僅調(diào)節(jié)方便而且準(zhǔn)確可靠。松開張緊輪，卸下去鏈條、施肥(播種)鏈輪，更換上與所需株距(施肥量)對(duì)應(yīng)的鏈輪即可。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖如圖6所示。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)要保證調(diào)節(jié)方便快捷、準(zhǔn)確，快捷調(diào)速機(jī)構(gòu)示意圖如圖7所示。其中，固定座套通過彈性脹銷與施肥(播種)軸固定連接，固定座套上安裝兩個(gè)內(nèi)六角圓頭螺釘；施肥(播種)鏈輪的周向力通過傳遞至施肥軸；快捷擋銷固定施肥(播種)鏈輪的軸向位置。調(diào)速時(shí)，拔下快捷擋銷，即可快捷更換施肥(播種)鏈輪。

1.施肥(播種)主動(dòng)鏈輪 2.支撐鏈輪 3.施肥(播種)鏈輪 4.張緊輪 5.滾子鏈圖6 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of adjusting mechanism

1.施肥(播種)軸 2.固定座套 3.內(nèi)六角圓頭螺釘 4.施肥(播種)鏈輪 5.快捷擋銷圖7 快捷調(diào)速機(jī)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of speed regulating mechanism

3.6 噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴藥系統(tǒng)主要由具有循環(huán)混拌功能的隔膜泵、控制閥、過濾器及分配器組成。每行布置2個(gè)噴頭，噴頭布置如圖8所示。該噴藥系統(tǒng)主要是對(duì)種薯及種床(與種薯直接接觸的土壤)進(jìn)行消毒滅菌[6]。因此，噴頭采用前后對(duì)置，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)種薯及種床無死角進(jìn)行噴淋消毒滅菌。

4 試驗(yàn)效果

近兩年先后試制兩臺(tái)樣機(jī)，并先后在哈爾濱市對(duì)青山鎮(zhèn)馬鈴薯基地、齊齊哈爾市富裕馬鈴薯基地建立兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，累計(jì)作業(yè)333.3hm2。作業(yè)效果非常理想，機(jī)具性能穩(wěn)定，故障率低，在作業(yè)期間只出現(xiàn)過少許易損件更換現(xiàn)象。這兩個(gè)基地均是哈爾濱麥肯有限責(zé)任公司的供應(yīng)商，在作業(yè)期間麥肯公司農(nóng)藝技術(shù)人員多次來基地進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)、檢查，檢查播種深度均勻性、株距均勻度、重播率、漏播率等，然后利用專用的分析軟件對(duì)播種機(jī)進(jìn)行綜合性能分析。該機(jī)平均綜合性能值是92.5，進(jìn)口馬鈴薯播種機(jī)如Grimme(格力莫)的平均綜合性能值是91左右。由此可見，該機(jī)具的性能是非常理想、可靠。

1.播種開溝器 2.前置噴頭 3.種薯導(dǎo)槽 4.種薯 5.后置噴頭圖8 噴頭布置示意圖Fig.8 Schematic diagram of sprinkler head

在試驗(yàn)期間，黑龍江農(nóng)墾農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站對(duì)機(jī)具進(jìn)行性能檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明：主要性能指標(biāo)重播率和漏播率全部低于3%，均高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)具作業(yè)期間得到多方面領(lǐng)導(dǎo)、專家和廣大農(nóng)民朋友的一致認(rèn)可及好評(píng)。

該機(jī)播種質(zhì)量高，株距均勻，重播率低，漏播率低，播種深度一致，壟形飽滿。旋耕使土壤松碎不僅有利于馬鈴薯生長(zhǎng)而且便于后續(xù)中耕作業(yè)。

5 結(jié)論

1)通過理論分析同時(shí)結(jié)合田間實(shí)際作業(yè)試驗(yàn)表明：研制的“牽引式馬鈴薯整地施肥播種噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)”一次作業(yè)可順利實(shí)現(xiàn)馬鈴薯整地、雙側(cè)深施肥開溝、施肥、播種開溝、播種、種床消毒滅菌、覆土及鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定。

2)采用旋耕整地技術(shù)與播種技術(shù)結(jié)合的聯(lián)合作業(yè)機(jī)，減少了作業(yè)工序、成本、提高了效率，保墑效果極佳，而且旋耕可將拖拉機(jī)碾壓后的土壤旋至疏松，非常利于馬鈴薯生長(zhǎng)，起壟高度一致亦即覆土深度一致，出苗整齊。

3)樣機(jī)試制完成后進(jìn)行333.3hm2的實(shí)際播種作業(yè)，同時(shí)邀請(qǐng)黑龍江農(nóng)墾農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站對(duì)機(jī)具進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果證明：主要性能指標(biāo)重播率和漏播率都低于3%，均高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4)該項(xiàng)技術(shù)及機(jī)具不僅適合黏重土壤馬鈴薯種植，更加適合沙壤土馬鈴薯種植區(qū)，其市場(chǎng)需求旺盛，推廣前景廣闊。