菜豆角（雜豆）施肥覆膜播種筑土聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)研究

張昆，黃法偉，劉俊兵，陳長(zhǎng)海，朱春艷，董曉威，張義峰

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院；3.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)電氣與信息學(xué)院）

菜豆角是一種常用飲食蔬菜，又被稱為“油豆角”。黑龍江省和吉林部分地區(qū)由于氣候冷涼適于菜豆角的生長(zhǎng)，其營養(yǎng)豐富、肉質(zhì)細(xì)軟，是東北飲食文化的主要代表之一[1-4]。菜豆角還可進(jìn)行脫水和冷凍加工，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用途徑[5]，東北菜豆角近年來產(chǎn)發(fā)展迅速。另外菜豆具有固氮作用[6]，是優(yōu)良的輪作更替作物。

上世紀(jì)80 年代末，在東北地區(qū)大中城市郊區(qū)開始出現(xiàn)露地大面積商品化生產(chǎn)菜豆角；90 年代初菜豆角開始進(jìn)入棚室栽培，后逐漸形成棚室栽培、露地小拱棚栽培、地膜覆蓋栽培、露地栽培、露地延長(zhǎng)栽培、棚室延后栽培等多種多樣的栽培形式，并出現(xiàn)多種形式的間作套種[2]。由于菜豆角栽培技術(shù)較為粗放，肥料施用不合理、病害嚴(yán)重等問題導(dǎo)致菜豆角品質(zhì)差、產(chǎn)量低、效益差，嚴(yán)重制約了菜豆角產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[7]。

近幾年，南方一些地區(qū)如南京、海南等地的技術(shù)人員在積極引種東北的油豆角品種，但其品質(zhì)始終無法達(dá)到原產(chǎn)地的標(biāo)準(zhǔn)[8]。目前，我國菜豆角的種植絕大多數(shù)仍然采用人工種植方式[9]，農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低而且難以保證播種質(zhì)量，是制約我省菜豆角發(fā)展的重要因素之一。國內(nèi)還沒有菜豆角專用播種機(jī)，極少數(shù)菜農(nóng)利用棉花、花生播種機(jī)、石河子永昌機(jī)械廠生產(chǎn)的條播機(jī)等其他專用播種機(jī)牽強(qiáng)用來播種菜豆角[10-11]，這類機(jī)具存在播種質(zhì)量差、效率低、功能單一和作業(yè)環(huán)節(jié)多等問題，不能大幅度提高作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)效率，不能大幅度降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的楊國威等[12]，提出了菜豆角多功能播種機(jī)的概念性設(shè)計(jì)，未能給出多功能播種機(jī)具的結(jié)構(gòu)。

因此，為了加快我省菜豆角的發(fā)展速度，菜豆角（雜豆）播種機(jī)械化技術(shù)及機(jī)具是亟待解決的。創(chuàng)新研發(fā)菜豆角（雜豆）施肥噴藥覆膜播種筑土聯(lián)合作業(yè)機(jī)，該機(jī)一次作業(yè)可同時(shí)完成施肥、噴灑除草劑、覆膜、膜后播種、膜上筑土等多項(xiàng)作業(yè)。可大幅度提高作業(yè)質(zhì)量和效率，降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度。為菜豆角的種植業(yè)創(chuàng)造一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 聯(lián)合作業(yè)機(jī)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

菜豆角播種方式通常采用育苗移栽，亦可直播；在溫度低濕度大時(shí)，宜用干籽直接播種；菜豆多為穴播，為了預(yù)防根蛆為害，播種施敵百蟲粉進(jìn)行處理。干籽直播的，播種量為20～30 kg·hm-2；育苗移栽的，播種量為15～20 kg·hm-2；且合理密植是菜豆豐產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[13-14]。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)菜豆角的種植農(nóng)藝要求，同時(shí)為保證施肥點(diǎn)和播種點(diǎn)在垂直方向上重合精度，針對(duì)對(duì)菜豆角施肥部件的施肥位置和播種裝置的排種點(diǎn)位置進(jìn)行協(xié)調(diào)控制分析與設(shè)計(jì)，然后匹配噴藥與覆膜機(jī)構(gòu)；通過UG 虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行了模擬分析，采用模塊化集成技術(shù)設(shè)計(jì)了菜豆角聯(lián)合作業(yè)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)施肥、噴灑除草劑、覆膜、膜后播種、膜上筑土等多項(xiàng)作業(yè)，虛擬樣機(jī)如圖1 所示。

圖1 菜豆角（雜豆）施肥噴藥覆膜播種筑土聯(lián)合作業(yè)機(jī)虛擬樣機(jī)Fig.1 Vegetable beans（mixed beans）fertilizer spraying coated seed up dirt joint rig virtual prototype

1.2 工作原理

采用東方紅504 拖拉機(jī)懸掛作業(yè)。作業(yè)時(shí)，前置的“弧面靴式”施肥開溝器先行開溝，開溝深度較深，延遲了土壤回流，保證了施肥深度準(zhǔn)確，開溝后的同時(shí)側(cè)深施肥裝置1 進(jìn)行間歇定點(diǎn)施肥；平壟裝置2在施肥后開溝土壤回流過程中，可另配噴藥裝置噴施防蛆藥液進(jìn)行封閉；覆膜機(jī)構(gòu)3 進(jìn)行覆膜作業(yè)，“海綿膠皮”的展膜輪既有張力又兼具彈性好，覆膜效果好，同時(shí)不損傷膜；鴨嘴式排種器4 在覆膜后進(jìn)行播種作業(yè)，取種方式為“窩眼”式，可便捷調(diào)整播種量，且播種量精確；筑土裝置5 的筑土棍在播種后的苗帶上筑土，防止膜上破孔透風(fēng)、出苗后防止烤苗，并壓實(shí)膜。

2 聯(lián)合作業(yè)機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 菜豆角的施肥裝置

針對(duì)菜豆生長(zhǎng)所需肥量的要求，結(jié)合菜豆的施肥特點(diǎn)，采用間歇施肥方式進(jìn)行施肥。本部分的施肥裝置設(shè)計(jì)為伺服電機(jī)+螺旋排肥的結(jié)構(gòu)形式[15]。排肥管頂端預(yù)裝伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過錐齒輪驅(qū)動(dòng)兩行排肥管中的螺旋軸，并由邏輯信號(hào)控制伺服電機(jī)啟動(dòng)和停止，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)間歇定點(diǎn)精量施肥，施肥點(diǎn)的位置由地輪上安裝的傳感器反饋信號(hào)，通過伺服驅(qū)動(dòng)裝置控制伺服電機(jī)啟停，實(shí)現(xiàn)施肥裝置的施肥點(diǎn)與播種點(diǎn)的吻合。排肥部件的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 排肥螺旋軸結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of distributing fertilizer screw axis

排肥部件的參數(shù)主要有螺旋攪龍直徑D、螺旋攪龍轉(zhuǎn)速N、螺旋角龍螺距S 等參數(shù)直接影響施肥量。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)資料[16-19]，利用公式：

式中：Q—輸送能力，kg·h-1；K—物料特性系數(shù)；ψ—填充系數(shù)；C—傾角系數(shù)；ρ—散裝密度，kg.m-3。根據(jù)排肥量要求初步確定D=（16、18、20、22、24）mm；攪龍芯軸直徑d=（0.2～0.35）D=6 mm；螺旋攪龍螺距S=0.9×D=21.6 mm，K=0.8～1.0，綜合分析?。篕=0.9；則螺旋攪龍轉(zhuǎn)速：

式中：A—物料綜合特性系數(shù)（取A=86）；Nmax—螺旋的最大轉(zhuǎn)速（r·min-1）；D—螺旋外徑（m）；

螺旋外徑與施肥管內(nèi)徑間隙δ（mm）滿足：δ

2.2 菜豆角排種器三維建模與仿真

針對(duì)東北地區(qū)常用菜豆角種子，采用鴨嘴式排種器結(jié)構(gòu)。只有該播種方式才能滿足在覆膜后進(jìn)行播種作業(yè)，取種方式為“窩眼”式，可便捷調(diào)整播種量，且播種量精確，豆角農(nóng)藝要求播種量為2～3 粒·穴-1。

（1）窩眼輪設(shè)計(jì)

窩眼輪式排種器又叫垂直型孔輪式排種器，主要有排種輪、護(hù)種板、刷種輪等組成。窩眼輪上的型孔菜豆角種子的基本參數(shù)等設(shè)計(jì)為單排或者多排以滿足需求。窩眼輪的直徑一定程度上決定了種箱的大小，同時(shí)也決定了整體外殼尺寸的大小。如果窩眼輪的直徑太小會(huì)使得充種區(qū)的曲率過大，不利于種子填充型孔而造成漏播。窩眼輪直徑一般為80～200 mm，裝置選取120 mm。同時(shí)窩眼輪上型孔越多，窩眼輪線速度越低，有利于改善充填性能。但是受限于窩眼輪直徑的大小，因此選擇和外殼同樣的型孔數(shù)，這樣可使外殼與排種輪轉(zhuǎn)速一致。根據(jù)農(nóng)藝要求的每穴2～3 粒，由資料[20]得知多數(shù)種子以兩粒平放，因此選取型孔直徑為1.7 cm、深度為2 cm，為使充種時(shí)不損傷種子，型孔要附帶前角或者后角和倒角。排種輪的三維圖，如圖3 中A 所示。排種輪與軸的連接采用A型平鍵，型孔為圓柱形并設(shè)計(jì)倒角和前角，前角的形狀為半圓形凹槽，這樣能契合菜豆角種子的橢球形形狀，可以方便入孔，另外可較少充種時(shí)型孔對(duì)其造成損傷。

（2）刮種輪設(shè)計(jì)

窩眼輪式播種器的刮種裝置采用刷種輪，如圖3中B 圖所示。刷種輪以3～4 倍速度與排種器相反的速度旋轉(zhuǎn)，用刷種輪的外圈把多余的種子帶走，其刮種性能比較好。刮種輪的安裝角度一般為22 °～45 °。刷種輪要和要和小齒輪軸線相同，因此采用將刷種輪和齒輪軸結(jié)合，在軸上鋼制滾花，以達(dá)到刷種輪的效果。雖然這樣會(huì)使軸喪失一部分強(qiáng)度，但這樣減少了需要組裝的部件，而且保證了刷種輪與齒輪的同軸度，減少了整個(gè)軸系部件的制造難度，同時(shí)也降低了刷種輪軸的裝配難度。

圖3 排種輪與刮種輪Fig.3 Feed shaft and brush gear shaft

（3）護(hù)種板設(shè)計(jì)

護(hù)種板主要是防止種子在運(yùn)輸過程中不從型孔掉落下，使其準(zhǔn)確落入鴨嘴式開穴器內(nèi)。一般護(hù)種板與窩眼輪邊緣的間隙為0.5～0.7 mm，這里選擇0.7 mm。其護(hù)種區(qū)弧度一般為120 °～160 °。護(hù)種板種子出口處一般偏后垂直線15 °左右，保證種子有充足時(shí)間落如入鴨嘴腔內(nèi)，同時(shí)在鴨嘴即未張開的時(shí)候充種，進(jìn)入準(zhǔn)備釋放種子的狀態(tài)。護(hù)種板的三維實(shí)體，如圖4 中B 所示。

圖4 護(hù)種板三維圖Fig.4 Three-Dimensional diagram of the Protector

圖中板的厚度是2 mm，且板的材料是塑料，具有重量輕等優(yōu)點(diǎn)。板的兩側(cè)具有凸起，為左右種箱構(gòu)成板與護(hù)種板連接的部分，起定位以及連接支撐，確保護(hù)種板與排種輪輪緣處距0.7 mm。

（4）種箱設(shè)計(jì)

播種單體的種箱包涵了填種區(qū)，利用充種區(qū)上的空隙隔出。其有隔板和兩塊側(cè)板構(gòu)成。側(cè)板承受隔板的重量，材質(zhì)均為塑料。種箱的相關(guān)結(jié)構(gòu)角度，見圖5 中A 所示。β 角即為刮種器安裝位置，同時(shí)也是第一塊種箱構(gòu)成板的位置，α 即為種子填充角，α 和β 所夾的圓弧即為種子填充圓弧，種子填充圓弧越長(zhǎng)，充種性能越好，充種時(shí)間越長(zhǎng)，窩眼輪性能越好，但是角度過大，即種箱壁板傾斜角度小于種子自然休止角，導(dǎo)致種子不能下落，造成漏播等狀況。θ 為落種提前角，為了保證種子順利落入鴨嘴的腔內(nèi)。

圖5 種箱設(shè)計(jì)圖Fig.5 Three-dimensional diagram of box parts

因?yàn)榉N箱為內(nèi)化的在外殼上需要加對(duì)應(yīng)的填種孔，但是這樣也保證了種箱的干燥與密閉。種箱的兩塊隔板左右側(cè)附帶凸起，通過插入左右的圓形板中來定位，同時(shí)左右的軸共同承擔(dān)這著種箱的重量。圖5 中B 所示，為種箱部件的三維實(shí)體建模，可看出種箱是由刷種輪軸的一部分、充種區(qū)角度的兩塊塑料板、排種輪所構(gòu)成。圖中左擋板的一部分為方孔，防止種箱的部件因外界土地不平整而使種箱產(chǎn)生的搖晃旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。右外殼和左外殼是鏡像結(jié)構(gòu)布置，但是不同之處為此處不用方軸，而是無外圈圓柱滾子軸承。

（5）排種單體

將上述部件設(shè)計(jì)進(jìn)行集成，獲得菜豆角排種單體三維裝配圖，如圖6 所示?？梢钥闯觯欧N輪與種箱構(gòu)成板之間無干涉運(yùn)行的狀況，且不產(chǎn)生碰撞，且尺寸合理，軸上各個(gè)零部件例如軸承、齒輪、軸套等都有相應(yīng)的定位，并無過約束或者欠約束的情況。

圖6 三維總裝圖Fig.6 3D diagram of assembly

排種器三維實(shí)體建模完成后，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，仿真過程如圖7 所示。軸上的齒輪、軸套、軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中無相關(guān)干涉。從仿真運(yùn)行過程中得知機(jī)器的排種輪軸并無左右竄動(dòng)現(xiàn)象，且軸承無左右竄動(dòng)，具有良好的軸向定位。排種輪上的軸系部件不與其他軸上的軸系部件產(chǎn)生軸線方向上的干涉情況，且無過約束或欠約束的情況，因此整個(gè)排種器的設(shè)計(jì)是合理的；而機(jī)器的實(shí)際工作情況和實(shí)際表現(xiàn)，還有待于實(shí)際下地播種后考證。

圖7 三維仿真主視圖Fig.7 Main View of 3D simulation

2.3 其他裝置的設(shè)計(jì)

由于整機(jī)采用大壟雙行作業(yè)，限定行距為50 mm，可確定覆膜機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)，展膜輪設(shè)計(jì)為“海綿膠皮”輪，既有張力又兼具彈性好，展膜效果佳同時(shí)不損傷膜。和噴藥裝置噴嘴的結(jié)構(gòu)形式及流量控制。筑土裝置，是在播種后的苗帶上筑土，主要是覆蓋播種后膜上破孔防止透風(fēng)、出苗后防止烤苗；壓實(shí)膜?！皥A盤筑土部件”在壟溝（膜的兩側(cè)）取土通過“筑土棍”里的三片螺旋葉片輸送至苗帶上，輸送通暢、輸送位置精準(zhǔn)。各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后進(jìn)行了各裝置的集成設(shè)計(jì)，經(jīng)過試制的樣機(jī)如圖8 所示。

圖8 菜豆角聯(lián)合作業(yè)機(jī)Fig.8 Vegetable beans joint rig

3 田間試驗(yàn)

依據(jù)菜豆角聯(lián)合作業(yè)的要求，為了檢驗(yàn)菜豆角（雜豆）施肥覆膜播種筑土聯(lián)合作業(yè)機(jī)的性能穩(wěn)定性，2020 年5 月于哈爾濱呼蘭區(qū)、雙城市菜豆角生產(chǎn)示范基地開展了田間試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)考核。

圖9 田間試驗(yàn)考核Fig.9 Field experiment assessment

通過大面積田間生產(chǎn)試驗(yàn)考核，檢驗(yàn)了樣機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)，隨機(jī)抽取測(cè)定段進(jìn)行了作業(yè)參數(shù)的測(cè)量：菜豆角的株距21.6 mm，行距為50 mm，播種深度為5 mm；符合菜豆角種植農(nóng)藝要求，且聯(lián)合作業(yè)機(jī)的作業(yè)質(zhì)量穩(wěn)定，因此滿足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)效果非常理想，施肥、播種均勻性好；覆土深度一致；壓膜效果佳；扎孔部件工作穩(wěn)定、效果比較好；筑土帶覆土厚實(shí)一致，累計(jì)作業(yè)面積百余畝。隨后定期跟蹤考察播種后出苗情況，出苗整齊一致，受到廣大農(nóng)民、專家的一致認(rèn)可；秋收季節(jié)到基地進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，以品質(zhì)黃金勾為例：覆膜（試驗(yàn)田）籽粒產(chǎn)量為1 350 kg·hm-2，對(duì)比田籽粒產(chǎn)量為1 125 k·hm-2，平均增產(chǎn)20%。預(yù)期達(dá)到總體目標(biāo)：為寒地菜豆角機(jī)械化種植提供技術(shù)可靠、性能穩(wěn)定的菜豆角（雜豆）施肥播種噴藥覆膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)，提高播種效率、播種質(zhì)量；減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度；為適時(shí)播種提供了保證；為加快我省菜豆角的發(fā)展速度，奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）研發(fā)了一種施肥噴藥覆膜播種筑土多功能聯(lián)合作業(yè)機(jī)，滿足寒地菜豆角（雜豆）的機(jī)械化種植要求；

（2）采用間歇定點(diǎn)精量的施肥方法，主要研發(fā)一種間歇、定點(diǎn)的垂直螺旋式施肥裝置，并設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)的鴨嘴式排種裝置，通過協(xié)調(diào)控制機(jī)構(gòu)對(duì)施肥位置和排種點(diǎn)位置進(jìn)行匹配控制，提高了施肥點(diǎn)和播種點(diǎn)在垂直方向上重合精度，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)人工對(duì)菜豆角穴株的定點(diǎn)施肥要求，且肥料的施用量可調(diào)。

（3）菜豆角聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研制及應(yīng)用提高了菜豆種植的規(guī)范性，節(jié)約肥料，減少環(huán)境污染，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，為適時(shí)播種提供了保證；節(jié)本增效效果明顯。保證了作物的生長(zhǎng)需求，為作物的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)打下了一定基礎(chǔ)，為菜豆角（雜豆）種植業(yè)創(chuàng)造一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。