秸稈覆蓋型花生播種機的設計

毛天宇，尚書旗，王東偉，何曉寧，高 振，蘇 鑫

(青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

花生作為我國主要的經(jīng)濟作物，隨著農(nóng)業(yè)結構和市場的調(diào)節(jié)作用的日益明顯，山東、河北、河南、安徽及新疆等省份花生種植面積還將進一步增加，尤其是麥收后直播夏花生成為越來越多農(nóng)民的選擇。夏花生在播種過程中存在小麥秸稈殘茬量大及播種均勻性難以控制等突出問題，嚴重制約了花生播種機械化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，我國在夏花生播種機械化作業(yè)的研究尚處于初級階段，無法滿足夏花生主產(chǎn)區(qū)的市場需求，因此推行夏花生播種機械迫在眉睫。

當前我國夏花生在播種環(huán)節(jié)主要依靠人力將小麥秸稈和殘茬拋灑在播種區(qū)域旁邊，留出相對潔凈的區(qū)域進行播種，在國家禁止秸稈焚燒這一大背景下，人工處理秸稈將增加大量勞動力，嚴重降低花生播種效率。因此，研制可實現(xiàn)秸稈綜合利用、精量播種與適宜我國種植模式的夏花生播種聯(lián)合作業(yè)機械極為迫切。本文對我國夏花生播種的現(xiàn)狀，在借鑒國外先進花生播種技術的基礎之上，對秸稈覆蓋型花生播種技術進行研究，為我國秸稈覆蓋型花生播種機械的開發(fā)和研制提供理論和技術支持。

1 整機結構及工作過程

1.1 整機設計思路

秸稈覆蓋型花生播種機配套73.5～83.2 kW拖拉機使用，采用前懸掛與后懸掛組合式，既保證了在相對清潔地面播種的同時也提高了花生的播種效率。將秸稈拋灑裝置放置在拖拉機前端，利用拖拉機液壓系統(tǒng)進行動力輸出，這種懸掛方式可以保證地面秸稈的清潔程度，亦可以縮短整機長度，避免后懸掛整機過長、過重帶來的不便。旋耕機與播種機采用三點后懸掛式放置于拖拉機后方。由拖拉機通過萬向傳動軸提供動力，通過旋耕深翻，把剩余的部分秸稈和根茬翻埋到土層下面；播種機通過地輪傳輸動力，進行精量播種。

秸稈覆蓋型花生播種機主要由秸稈側拋裝置中的限深輪、機架、秸稈側拋刀、拖拉機前懸掛架，以及拖拉機、旋耕機、肥箱、施肥鏟、雙圓盤開溝器、起壟鏟及鎮(zhèn)壓輪等部件組成，如圖1所示。

其主要技術參數(shù)如下:

外形尺寸/mm：600×2 200×800(前部)

700×2 400×1 000(后部)

作業(yè)業(yè)幅寬/mm：2 100

播種行數(shù)/行：6

開溝深度/mm：40～80

播種壟距/mm：800～850

工作速度/km·h-1：2～3.6

刀軸轉(zhuǎn)速/r·min-1：300

配套動力/kW：73.5～83.2

排種器形式：內(nèi)充種式排種器

1.限深輪 2.機架 3.秸稈側拋刀 4.拖拉機前懸掛架 5.拖拉機 6.旋耕機 7.肥箱 8.施肥鏟 9.雙圓盤開溝器 10.起壟鏟 11.鎮(zhèn)壓輪圖1 秸稈覆蓋型花生播種機Fig.1 Straw mulching peanut seeder

1.2 工作過程

工作時，將拖拉機的液壓操縱桿放下，通過液壓馬達驅(qū)動帶輪，使側拋刀高速旋轉(zhuǎn)；豎直放下整機，避免機器與地表有夾角，造成秸稈拾取不凈；側拋刀共6組，每組3個交錯排列，在高速旋轉(zhuǎn)的作用下將秸稈撿拾并向側面拋出進入秸稈側拋軌道，將秸稈均勻拋灑到側面，為后續(xù)花生播種留出潔凈區(qū)域。為保證3壟6行花生播種，選用工作幅寬為2 300mm的旋耕機與播種機相匹配，將秸稈與土壤深翻，減少對播種的影響?；ㄉシN機采用內(nèi)充種式排種器，通過鎮(zhèn)壓輪轉(zhuǎn)動提供動力，集起壟、施肥、開溝、播種、壓實成壟等多道工序于一體，進行花生精量播種。

2 關鍵部件設計

2.1 秸稈拋灑裝置的設計

秸稈拋灑裝置是秸稈覆蓋型花生播種機最為關鍵的裝置，秸稈處理效果的好壞直接對夏花生的播種效果產(chǎn)生直接的影響，秸稈處理的好，可以起到保苗保墑的作用；秸稈處理不當則會出現(xiàn)晾種、架種等情況，不利于花生的前期生長。目前，我國對花生秸稈覆蓋播種技術的研發(fā)仍處于起步狀態(tài)，因此設計一種秸稈側向排拋裝置與成熟的花生播種技術相匹配，對于促進我國夏花生機械化播種水平具有重要的意義。

秸稈拋灑機的主要工作部件包括機架、拖拉機前懸掛連接架、帶輪、秸稈側拋軌道、秸稈側拋刀及限深輪，如圖2所示。其中，拖拉機前懸掛連接架與安裝在拖拉機前端的前懸掛架連接；帶輪放置在秸稈拋灑機前端，拖拉機的液壓系統(tǒng)通過液壓馬達為機器提供動力；秸稈側拋軌道放置在拖拉機前進方向的左側，秸稈側拋刀在高速旋轉(zhuǎn)的作用下將提取的秸稈通過軌道均勻拋灑至側面，為花生播種創(chuàng)造良好條件；秸稈側拋刀共6組交錯排列(見圖3)，保證刀在旋轉(zhuǎn)過程中不互相干涉且保證工作區(qū)域的相對完整性；限深輪左右對置安裝在拋灑機前端。

1.機架 2.拖拉機前懸掛連接架 3.帶輪 4.秸稈側拋軌道 5.秸稈側拋刀 6.限深輪圖2 秸稈拋灑機主視圖Fig.2 The main view of the straw throwing machine

圖3 秸稈側拋刀排列圖Fig.3 Layout of straw side throwing blade

為了能夠順利地將秸稈拋灑到側面，應當保證秸稈水平方向運動的時間小于在拖拉機前進方向上的運動時間，否則會造成秸稈在裝置內(nèi)的堵塞。小麥秸稈運動軌跡如圖4所示。

由圖4可知，小麥秸稈在x軸橫向運動時間為

式中N—秸稈側拋刀刀軸數(shù)量；

P—秸稈側拋刀最大入土深度(mm)；

R—秸稈側拋刀回轉(zhuǎn)半徑(mm)。

小麥秸稈在拖拉機前進方向的運動時間為

式中G—秸稈拋灑單體刀具數(shù)量；

V—秸稈拋灑單體刀距(mm)。

要將秸稈順利拋灑至機具運動方向的左側，要保證小麥秸稈在x軸方向運動的時間小于在y軸方向上的運動時間，即

帶入得到

H.秸稈拋灑裝置工作幅寬 M.秸稈拋灑單體工作寬度 K.軸距 w.秸稈側拋刀轉(zhuǎn)速 vx.小麥秸稈橫向運送速度 vy.拖拉機前進速度圖4 秸稈運動軌跡簡圖Fig.4 Sketch map of straw

2.2 雙圓盤開溝器的設計

開溝器的功能是開出種溝，便于花生種子順利進入種溝內(nèi)。秸稈覆蓋型花生播種機的開溝器選用雙圓盤開溝器，這種開溝器的優(yōu)點是兩圓盤刀片之間有一定夾角，利用圓盤刀的刀刃把殘余的小麥秸稈和殘茬切斷，降低其對播種效果的影響。雙圓盤開溝器工作穩(wěn)定，開溝阻力低，適用于高速型播種機的工作。

雙圓盤開溝器的設計主要是解決圓盤刀交點A的位置與圓盤刀之間的夾角α和溝寬C之間的關系。A的位置主要取決于花生播種的溝寬，A點位置的高低與溝寬成正比例關系，通過資料可以查得花生種溝的寬度應在35cm左右，播種深度在4～8cm左右。A點相對地面的距離就是開溝深度，因此應將A點固定在6cm左右；兩圓盤夾角α是保證開溝寬度的關鍵，由上文可知花生播種壟寬應在35cm左右，圓盤刀選擇半徑R為115mm，通過計算可以得到雙圓盤開溝器的夾角α選取13°為最優(yōu)參數(shù)。

圖5 雙圓盤開溝器示意圖Fig.5 Schematic diagram of a double disk ditching device

2.3 鎮(zhèn)壓機構的設計

起壟鏟在進行起壟作用后，通過鎮(zhèn)壓機構將壟面壓實，以減少土壤中水分的蒸發(fā)，有利于花生的前期生長且鎮(zhèn)壓機構在工作過程中通過轉(zhuǎn)動為花生播種機的排種、排肥裝置提供動力，因此鎮(zhèn)壓機構在設計過程中要求必須靈活轉(zhuǎn)動，不存在壅土黏土現(xiàn)象，壓力一般為30～50kPa。

鎮(zhèn)壓機構轉(zhuǎn)動的臨界值為

式中R—鎮(zhèn)壓裝置半徑量；

φγ—力矩；

G—鎮(zhèn)壓機構重力；

φβ—排種、排肥裝置轉(zhuǎn)動的力矩；

f—鎮(zhèn)壓裝置工作中的摩擦因數(shù)。

鎮(zhèn)壓發(fā)生滑移的臨界值為

3 秸稈覆蓋型花生播種機田間試驗

3.1 試驗基本條件

試驗地點設在河南省駐馬店市正陽縣慎水鄉(xiāng)王崗村，土壤為砂姜黑土，質(zhì)地為黏壤，地勢平坦，肥力均勻，排灌條件良好。試驗用花生品種為豫花16號。

3.2 秸稈拋凈率

秸稈拋凈率是指機具工作后拋灑到機具側面的秸稈質(zhì)量與工作前區(qū)域內(nèi)秸稈質(zhì)量的比值。

將一定質(zhì)量的秸稈平均鋪放在機具工作區(qū)域內(nèi)，機器工作后，依次對工作區(qū)域的殘留秸稈質(zhì)量進行測量，計算出秸稈拋凈率，即

式中Si—第i塊區(qū)域內(nèi)小麥秸稈拋凈率；

Mi—第i塊區(qū)域內(nèi)小麥秸稈處理后剩余質(zhì)量；

Ni—第i塊區(qū)域內(nèi)小麥秸稈處理前質(zhì)量。

在利用以上公式計算出單個區(qū)域內(nèi)小麥秸稈拋凈率的基礎上，將5組不同質(zhì)量的秸稈平均鋪放在5個2 500mm×2 500mm 的正方形區(qū)域內(nèi)，機器工作后，依次對工作區(qū)域的殘留秸稈質(zhì)量進行測量，計算出秸稈拋凈率，求平均值，如表1所示

表1 田間檢測的小麥秸稈拋凈率原始數(shù)據(jù)Table 1 Raw date of wheat straw polishing rate detected in field

通過以上公式計算可得：秸稈覆蓋型花生播種機的小麥秸稈拋凈率為92.06%，秸稈拋灑性能良好。

3.3 種子播種均勻性測定

衡量1臺花生播種機效果的指標主要有單/雙粒率、漏播率及粒距合格率，本方案穴距設計誤差為15mm。設定花生播種理論合格穴距為150mm，則其合格穴距范圍為135～165mm。表2中列出了通過田間試驗的穴粒數(shù)及穴距的原始數(shù)據(jù)。

表2 田間檢測的穴粒數(shù)及穴距的原始數(shù)據(jù)Table 2 Raw date of cave space and number of peanut per cave measuring in the fields

續(xù)表2

對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，得出播種均勻性的相關指標如表3所示。

表3 穴距及穴粒數(shù)田間檢測結果Table 3 Result of cave space and number of peanut per cave measuring in the fields

試驗表明：秸稈覆蓋型花生播種機作業(yè)后的花生雙粒率為95.30%，空穴率為1.45%，平均穴距為150.3mm，達到了國家相關標準。

3.4 起壟間距均勻性測定

起壟效果的好壞直接影響到花生出苗效果以及后續(xù)生長，秸稈覆蓋型花生播種機設計壟距為800mm，通過測量20組花生起壟播種的壟距，計算壟距變異系數(shù)，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 花生播種壟距田間檢測結果Table 4 Field detection results of peanut sowing ridges mm

續(xù)表4

標準差為

變異系數(shù)為

試驗表明：秸稈覆蓋型花生播種機作業(yè)后的壟距平均值為805mm，壟距變異系數(shù)為3.4%(合格標準為30%)，符合相關標準，起壟均勻程度較好。

4 結論

1) 秸稈覆蓋型花生播種機可以在小麥收獲后留有殘茬和秸稈的田間直接進行花生播種作業(yè)，秸稈拋凈率在90%以上，能夠達到潔凈區(qū)域花生播種的要求。

2) 秸稈覆蓋型花生播種機采用前懸掛與后懸掛組合式，不僅能夠避免拖拉機壓過秸稈后難以撿拾并向側面排拋，還可以縮短整機長度，避免后懸掛整機過長、過重帶來的不便。

3) 秸稈拋灑后，花生播種的雙粒率為95.30%，空穴率為1.45%，平均穴距為150.3mm，壟距變異系數(shù)為3.4%，達到了國家相關標準。