2CMW-4B微型馬鈴薯播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

胡周勛，岳仁才，祝 珊，李少川，孫景彬，李學(xué)強(qiáng)，王相友,2

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255091；2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心，山東 德州 253600；3.山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，山東 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯糧菜兼用，具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，其種植面積廣，是僅次于水稻、 玉米和小麥的4大農(nóng)作物之一[1-3]。

近年來(lái)，隨著我國(guó)馬鈴薯主糧化，種植面積進(jìn)一步擴(kuò)大，種植潛力也將進(jìn)一步被挖掘。但是，我國(guó)馬鈴薯種植水平不高，平均單產(chǎn)量相比發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在很大的差距，主要因素是我國(guó)脫毒種薯種植面積大約是總種植面積的1/4，而發(fā)達(dá)國(guó)家種植面積超過(guò)90%。脫毒種薯因無(wú)病毒感染、品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，可使馬鈴薯每畝產(chǎn)量提高到原來(lái)的1.3～1.5倍，高的甚至達(dá)到3～4倍[4]。然而，國(guó)內(nèi)培育的脫毒種薯比較少，且隨著脫毒種薯的種植面積的不斷增加，也將導(dǎo)致脫毒種薯的供不應(yīng)求[5]。因此，加大微型原種的種植來(lái)保證一級(jí)脫毒種薯的供應(yīng)需求，擴(kuò)大脫毒種薯的種植面積，對(duì)提高我國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)水平和產(chǎn)量具有重要意義。

現(xiàn)階段，我國(guó)的馬鈴薯播種機(jī)多以薯塊播種為主，而微型薯比較小且是整薯種植，因此國(guó)內(nèi)絕大部分播種機(jī)不適合微型薯的種植。在國(guó)內(nèi)，微型種薯播種機(jī)不多，機(jī)械化程度不高，在播種時(shí)仍存在人工取種半自動(dòng)化種植，且很多地區(qū)還采用人工種植，難以保證株距一致、播深統(tǒng)一的農(nóng)藝要求，耗費(fèi)大量人力，作業(yè)效率不高，遠(yuǎn)不能達(dá)到馬鈴薯機(jī)械化發(fā)展的要求[6]。

因此，為滿(mǎn)足我國(guó)微型馬鈴薯種大面積機(jī)械化播種作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了一款基于振動(dòng)排序技術(shù)的2CMW-4B型四行微型馬鈴薯播種機(jī)，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝、施肥、播種及覆土鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)，同時(shí)具有較高的播種精度和作業(yè)效率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

2CMW-4B型四行微型馬鈴薯播種機(jī)主要由機(jī)架、傳動(dòng)裝置、覆土裝置、液壓系統(tǒng)、施肥裝置、排種裝置、開(kāi)溝器，以及劃線器等組成， 可一次性完成開(kāi)溝、施肥、噴藥、播種及覆土等作業(yè)，解決了人工效率低和生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。其播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

工作時(shí)，拖拉機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛方式牽引微型馬鈴薯播種機(jī)前進(jìn)，播種機(jī)動(dòng)力來(lái)自地輪，隨著拖拉機(jī)前行地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力通過(guò)鏈輪、鏈條傳遞給播種裝置和施肥裝置。

在播種過(guò)程中，播種傳送帶由播種主動(dòng)鏈輪帶動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，微型薯種經(jīng)過(guò)輸送帶上的抖動(dòng)板進(jìn)入待傳送區(qū)域；然后，在傳送帶和擺動(dòng)片的作用下進(jìn)行排序并帶動(dòng)微型薯種一起運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)向下一個(gè)與之轉(zhuǎn)速相同步的壓種帶，在非常接近土壤表面時(shí)釋放薯種，播種再由雙面犁尖式開(kāi)溝器開(kāi)出的合適播種深度的種溝中，完成播種作業(yè)。在施肥過(guò)程中，排肥輪轉(zhuǎn)動(dòng)將肥料輸送到施肥通道，接著落至肥溝，完成施肥作業(yè)。播種機(jī)完成施肥和播種后，覆土裝置對(duì)薯壟進(jìn)行覆土，完成整個(gè)微型薯的播種工作。

1.薯量調(diào)節(jié)裝置 2.播種單元寬窄調(diào)整裝置 3.種箱 4.液壓系統(tǒng) 5.劃線器 6.肥箱 7.彈性開(kāi)溝器 8.傳動(dòng)系統(tǒng) 9.開(kāi)溝播種裝置 10.地輪 11.限深輪 12.覆土盤(pán)

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

2CMW-4B型微型馬鈴薯播種機(jī)可4壟作業(yè)，工作幅寬大且作業(yè)速度高，具有較高的播種效率。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 主要部件的設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)溝播種裝置的設(shè)計(jì)

播種裝置是微型薯播種機(jī)的核心部分，播種裝置的性能直接影響微型薯的播種質(zhì)量和播種效率，而其中播種質(zhì)量又是影響最終馬鈴薯產(chǎn)量的一個(gè)重要因素[7]。本文設(shè)計(jì)的開(kāi)溝播種裝置采用了振動(dòng)排序技術(shù)，該裝置主要由輸送帶、壓種帶、抖動(dòng)板、擺動(dòng)片、鏈輪、鏈條、開(kāi)溝器，以及限深輪等組成，如圖2所示。

1.壓種輸送帶 2.鏈輪和鏈條 3.擺動(dòng)片 4.抖動(dòng)板 5.前輸送帶 6.料口前擋板 7.偏心軸承 8.種溝開(kāi)溝器 9.刮土板 10.限深輪

工作時(shí)，微型薯種從料斗口滑落到抖動(dòng)板和輸送帶的前端，且該輸送帶靠近微型薯種一側(cè)比中間高出一部分，因此輸送帶上的微型薯種將隨著輸送帶往后運(yùn)動(dòng)。在往后的過(guò)程中，擺動(dòng)片在偏心軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)下前后擺動(dòng)，且擺動(dòng)片與輸送帶右側(cè)端的距離大小不斷減小直到約3/5處間距不變。其擺動(dòng)目的是讓在輸送帶上的微型薯種進(jìn)行排列運(yùn)動(dòng)，距離變小是為了使微型薯種只排列成一隊(duì)隨輸送帶運(yùn)動(dòng)，而多余的微型薯種將被擠出輸送帶，大大降低了重種率。由于抖動(dòng)板有輕微的折彎，即抖動(dòng)板靠近輸送帶一側(cè)前比后低以及前側(cè)左比右低，因此被擠出輸送帶的微型薯種在抖動(dòng)板的抖動(dòng)下將回到前端再次等待進(jìn)入待傳送區(qū)域。當(dāng)微型薯種排列成一隊(duì)后，移動(dòng)向下一個(gè)與之轉(zhuǎn)速相同步的壓種帶，接近土壤表面時(shí)釋放薯種，從而播種在土壤中。

由于微型薯種向下運(yùn)輸時(shí)被壓種帶固定著向下運(yùn)輸，不會(huì)產(chǎn)生位移的現(xiàn)象，當(dāng)微型薯種快要接近土壤表面時(shí)才離開(kāi)傳送裝置，確保了薯種能夠被精確地播種在土壤中。利用平行四邊形的開(kāi)溝器能夠開(kāi)出均勻的播種深度，同時(shí)配備的限深輪裝置也能在一定程度上保證微型薯播種精度。地輪為播種裝置提供動(dòng)力來(lái)源，采用履帶式傳送結(jié)構(gòu)，經(jīng)由左側(cè)的鏈輪組就可以調(diào)節(jié)播種速度，可以達(dá)到不受行進(jìn)速度的影響而實(shí)現(xiàn)高速播種的目的，極大地提高了播種效率。

2.2 施肥裝置的設(shè)計(jì)

2.2.1 肥箱的設(shè)計(jì)

考慮到肥料容易在流肥盒入口處堵塞或部分肥料易堆積在底部無(wú)法進(jìn)入流肥盒等問(wèn)題，為了使肥料順利進(jìn)入流肥盒，本文設(shè)計(jì)的肥箱主要由攪拌軸、螺旋輸送條和攪拌桿等構(gòu)成。其中，肥箱焊接了攪拌裝置，如圖3所示。該裝置是將攪拌桿和螺旋輸送條焊接到攪拌軸上，攪拌桿對(duì)應(yīng)在流肥盒進(jìn)料口處呈一定角度焊接在攪拌軸上的，以充分?jǐn)嚢枇鞣屎羞M(jìn)料口處的肥料團(tuán)，防止了流肥盒堵塞；而螺旋輸送條是旋向相反進(jìn)行焊接的，以確保肥箱底部的肥料被順利推進(jìn)兩端的流肥盒中，避免箱底積肥，提高了播種機(jī)施肥質(zhì)量。

1.攪拌軸 2.攪拌桿 3.螺旋輸送條 4.肥箱腔體 5.鏈輪

2.2.2 流肥盒的設(shè)計(jì)

流肥盒是施肥裝置中核心的一部分，其優(yōu)劣將影響施肥的質(zhì)量以及后期的微型薯的產(chǎn)量。本文設(shè)計(jì)的流肥盒主要由傳動(dòng)軸、絞龍及絞龍腔體等構(gòu)成，如圖4所示。本設(shè)計(jì)采用絞龍旋轉(zhuǎn)進(jìn)行施肥，其絞龍是兩個(gè)旋向相反的螺旋葉片焊接在旋轉(zhuǎn)軸而成，可將進(jìn)料口處的肥料不斷地推至出料口處，避免了卡肥現(xiàn)象，提高了施肥質(zhì)量。

1.進(jìn)料口 2.絞龍 3.絞龍腔體 4.傳動(dòng)軸 5.排料口

綜合肥箱和流肥盒的設(shè)計(jì)施肥裝置由肥箱、流肥盒、接肥盒及施肥開(kāi)溝器等構(gòu)成，如圖5所示。其動(dòng)力來(lái)自地輪，地輪旋轉(zhuǎn)通過(guò)鏈和鏈輪帶動(dòng)施肥裝置傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；施肥開(kāi)溝器開(kāi)出肥溝的同時(shí)，流肥盒下料口處排出的肥料經(jīng)施肥導(dǎo)向管流向肥溝。該裝置可通過(guò)改變施肥開(kāi)溝器的安裝高度調(diào)節(jié)施肥深度，通過(guò)更換鏈輪的大小調(diào)整施肥量，大大提高了施肥質(zhì)量。

2.3 種箱和供薯量調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

2.3.1 種箱振動(dòng)供種的設(shè)計(jì)

播種距離、播種量、工作幅寬等因素都會(huì)對(duì)播種機(jī)種箱容積的設(shè)計(jì)有影響，需多方面考慮。且種箱至少在一個(gè)往返行程內(nèi)剩余大約10%的薯種，確保播種質(zhì)量不會(huì)因箱內(nèi)種子太少而下降[8]。

其種箱容積計(jì)算公式為

V=1.1LBQmax×10-4/γ

(1)

式中L—種箱裝滿(mǎn)所能播種的距離，至少應(yīng)等于一個(gè)往返行程(m)；

B—工作幅寬(m)；

Qmax—單位面積最大播種量(kg/hm2)；

γ—微型原種的密度(kg/L)。

微型薯種容易堆積在種箱的供種口，導(dǎo)致薯種無(wú)法及時(shí)供應(yīng)，增大漏播，降低了播種質(zhì)量[9]。故在種箱前下料口安裝有振動(dòng)電機(jī)，對(duì)料箱的微型薯有一個(gè)微振動(dòng)的作用，使供種口不易堆積，提高了供種效率和播種質(zhì)量。

2.3.2 薯量調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

種箱供種口既不能過(guò)大也不能過(guò)小，過(guò)大會(huì)造成過(guò)多的種薯堆積在播種裝置上，不利于播種；過(guò)小容易造成種薯在供種口處堆積。因此，設(shè)計(jì)了薯量調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)供種口調(diào)節(jié)板的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制供種口的大小，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。其供種口的大小通過(guò)旋轉(zhuǎn)手柄來(lái)改變，首先旋轉(zhuǎn)手柄帶動(dòng)螺紋桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺紋桿帶動(dòng)方鋼轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而方鋼帶動(dòng)偏心軸套轉(zhuǎn)動(dòng)，最后帶著供種口調(diào)節(jié)板轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)供種口大小。在作業(yè)時(shí)，由于聯(lián)軸器上安裝有偏心軸承，偏心軸承在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)調(diào)節(jié)板有一個(gè)微小的振動(dòng)，進(jìn)一步降低了堆積的可能，提高了薯種的供應(yīng)率。

1.旋轉(zhuǎn)軸 2.支撐板 3.轉(zhuǎn)換塊 4.連接板 5.連接軸 6.供種口調(diào)節(jié)板 7.偏心軸承 8.方鋼 9.旋轉(zhuǎn)手柄

2.4 播種單元寬窄調(diào)整裝置的設(shè)計(jì)

在作業(yè)時(shí)，只允許有一隊(duì)微型薯種隨輸送帶運(yùn)輸，因此播種裝置擺動(dòng)片與輸送帶右側(cè)的寬窄必須合適，防止因過(guò)小而漏種，過(guò)大而重種現(xiàn)象。播種單元的寬窄可由旋轉(zhuǎn)手柄來(lái)改變，如圖7所示。

1.連接支架 2.調(diào)節(jié)螺栓 3.調(diào)節(jié)塊 4.擺動(dòng)片 5.前輸送帶 6.旋轉(zhuǎn)手柄 7.鏈輪 8.鏈條

轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)手柄帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由鏈傳動(dòng)帶動(dòng)下面的鏈輪，下面的鏈輪通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)改變與螺紋塊的距離，來(lái)調(diào)節(jié)播種單元的播種的寬窄，防止重種和漏種率，保證了播種質(zhì)量。

2.5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

合理布置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅能使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、美觀，而且還能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，提高作業(yè)效率[10]。本設(shè)計(jì)主要采用鏈輪、鏈條傳動(dòng)方式進(jìn)行傳動(dòng)，具有成本低、安裝精度要求低，以及可在惡劣的環(huán)境工作等特點(diǎn)。

播種裝置和施肥裝置的動(dòng)力源均來(lái)自地輪，在工作過(guò)程中，地輪在拖拉機(jī)牽引播種機(jī)前進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)過(guò)地輪軸上的鏈輪、鏈條及中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給播種裝置的播種主動(dòng)輪和施肥裝置的排肥輪。本設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)整左側(cè)的鏈輪組，便可改變薯種傳送速度，改變株距大小，滿(mǎn)足不同種植模式的株距要求。

3 田間播種試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)條件

馬鈴薯種植期間，在內(nèi)蒙古四子方旗某馬鈴薯種植基地對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了田間播種試驗(yàn)，選用配套動(dòng)力為105.5kW的拖拉機(jī)，作業(yè)速度控制在4～6km/h，并根據(jù)播種要求調(diào)節(jié)好相應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)行4壟微型薯種播種試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在田間進(jìn)行多次試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果取平均值，并與相應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件與測(cè)定方法的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)作相應(yīng)的比較，結(jié)果如表2所示。

表2 樣機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知: 各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，該微型薯播種機(jī)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)論

1)將振動(dòng)排序技術(shù)應(yīng)用到微型馬鈴薯播種機(jī)，通過(guò)振動(dòng)將馬鈴薯進(jìn)行排序，由輸送帶進(jìn)行傳送排種，在滿(mǎn)足株距的基礎(chǔ)上，減小了漏種率和重種率，提高了播種效率和播種質(zhì)量。

2)采用振動(dòng)排序和履帶式傳送結(jié)構(gòu)的播種裝置，由地輪提供動(dòng)力，通過(guò)左側(cè)的鏈輪組調(diào)整播種的密度，不受速度影響，可高速播種，提高了播種效率；采用攪拌螺旋式的肥箱和絞龍式的流肥盒，降低堵塞的可能，提高了施肥質(zhì)量；采用種箱振動(dòng)供種，提高供種性能。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該微型馬鈴薯播種機(jī)性能穩(wěn)定，作業(yè)質(zhì)量較高，間距合格指數(shù)為92.0%，重種率為5.7%，漏種率為3.9%，種植深度合格率為93.1%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于馬鈴薯播種的相關(guān)要求。該研究可為我國(guó)馬鈴薯微型薯種播種技術(shù)及裝備的研發(fā)提供參考，對(duì)推動(dòng)我國(guó)馬鈴薯全程機(jī)械化的發(fā)展進(jìn)程具有重要意義。