棉花幼苗期封土機(jī)的設(shè)計(jì)

劉 斌，王 蒙※，鄭 偉 ,王 磊

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000；2.山東五征集團(tuán)有限公司）

0 引言

棉花是新疆的主要經(jīng)濟(jì)作物，2020 年，新疆棉花種植面積達(dá)2 501.93khm2[1,2]。棉花種植廣泛采用膜上精量穴播技術(shù)和66 cm+10 cm 的株行距種植模式，能有效促進(jìn)棉苗生長(zhǎng)，降低生產(chǎn)成本[3,4]。新疆春季晝夜溫差大，大風(fēng)天氣頻繁，不利于棉花幼苗期的保溫和保墑，此時(shí)需對(duì)棉花幼苗進(jìn)行封土作業(yè)以確保棉花生長(zhǎng)所需溫度和水分。

目前，國(guó)內(nèi)棉花幼苗期封土作業(yè)主要有人工封土和機(jī)械封土兩種方式，人工作業(yè)成本高、作業(yè)質(zhì)量不一致，已不適應(yīng)棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的需求，因此開發(fā)棉花幼苗期封土作業(yè)機(jī)械勢(shì)在必行。朱金嬌等人設(shè)計(jì)了一種膜上封土機(jī)，采用兩側(cè)旋土取土螺旋送土機(jī)構(gòu)，但送土機(jī)構(gòu)的螺旋軸過長(zhǎng)，作業(yè)效果不穩(wěn)定[5]；倪向東等人設(shè)計(jì)了一種地膜精量封土機(jī)，在旋耕取土裝置后配置碎土鏈輪保證土壤完全破碎，其作業(yè)效果好，但傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，保養(yǎng)和維修成本高[6]；周秀梅設(shè)計(jì)了一種棉花封土機(jī)，采用滾筒機(jī)構(gòu)完成送土和碎土作業(yè)，作業(yè)效率高，但滾筒位置固定，封土作業(yè)時(shí)易傷苗[7]。

本文在前期研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)機(jī)采棉種植模式和幼苗物理特性，設(shè)計(jì)了一種雙螺旋棉花幼苗期封土機(jī)，能實(shí)現(xiàn)取土、送土和覆土連續(xù)作業(yè)，制作樣機(jī)并開展田間試驗(yàn)，以期為幼苗期棉花封土作業(yè)機(jī)械研制提供參考。

1 幼苗期棉苗物理特性分析

為分析棉花幼苗期的物理特性，于2021 年4 月在第八師142 團(tuán)21 連的棉田進(jìn)行田間調(diào)研。棉花種植模式為66 cm+10 cm，棉花品種為新陸早42 號(hào)，平均株高37.65 mm，如圖1。土壤類型為黏土，土壤堅(jiān)實(shí)度為1 286 kPa，土壤含水率為29.4%，環(huán)境溫度為35 ℃，空氣濕度為31%，有一級(jí)風(fēng)，無持續(xù)風(fēng)向。穴播口形狀呈四邊形，其對(duì)角線的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度為30 mm，短邊長(zhǎng)度為15 mm。

圖1 種植模式

采用人工封土，封土層厚度20 mm，封土層寬度200 mm，膜上封土土壤密度使用SPS402F 電子天平測(cè)量，測(cè)量前使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)SPS402F 電子天平校準(zhǔn)，測(cè)得平均土壤密度為2.5×10-4g/mm3。

2 封土機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

棉花幼苗期封土機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2。主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、取土結(jié)構(gòu)、送土結(jié)構(gòu)、落土結(jié)構(gòu)。

圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

棉花幼苗期封土機(jī)工作時(shí)，封土機(jī)機(jī)架與拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛的方式連接。拖拉機(jī)的后動(dòng)力輸出軸通過萬向聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞給封土機(jī)的變速箱，再將動(dòng)力傳遞給位于機(jī)架兩側(cè)的取土機(jī)構(gòu)（旋耕刀總成）以及通過鏈傳動(dòng)連接的送土機(jī)構(gòu)（攪龍），左右兩側(cè)限深輪決定旋耕入土深度。機(jī)具作業(yè)時(shí)，行間土壤被旋耕刀破碎，相鄰的擋土板插入破碎的土壤中，將土壤拋送至柵欄處。成塊的土壤與柵欄碰撞變成細(xì)碎土壤落入送土機(jī)構(gòu)，柵欄還具有排雜功能，能有效阻止土壤中的殘膜、棉稈等雜質(zhì)進(jìn)入送土機(jī)構(gòu)。

隔板將前排攪龍與后排攪龍分離，前排左右送土攪龍負(fù)責(zé)將土壤由兩側(cè)運(yùn)輸至中間，隔板限制解除后，土壤進(jìn)入后排攪龍，后排左右回土攪龍將土壤運(yùn)輸至送土機(jī)構(gòu)兩側(cè)，雙排攪龍的設(shè)計(jì)可增加土壤在攪龍中的橫向輸送時(shí)間，以便提高土壤破碎率。在送土機(jī)構(gòu)的運(yùn)輸過程中，土壤通過與落土板相連的落土口實(shí)現(xiàn)膜上連續(xù)落土，部分土壤用于苗孔的封土，從而完成封土工作。未下落土壤通過兩側(cè)的落土口返回行間，以避免送土機(jī)構(gòu)發(fā)生堵塞，保證封土工作順利進(jìn)行。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架是封土機(jī)最基本的支撐結(jié)構(gòu)，它承載整個(gè)封土機(jī)的質(zhì)量，同時(shí)與拖拉機(jī)相連，所以機(jī)架需要有良好的承載能力[8]。在保證各部件安裝位置準(zhǔn)確的前提下，根據(jù)棉花種植模式66 cm+10 cm 的株行距配置方式，設(shè)計(jì)并計(jì)算出合理的機(jī)架結(jié)構(gòu)參數(shù)，盡可能減輕整機(jī)質(zhì)量以降低拖拉機(jī)功耗。綜上所述，機(jī)架尺寸為820 mm×2 500 mm×100 mm（長(zhǎng)×寬×高），如圖3。

圖3 機(jī)架結(jié)構(gòu)

3.2 取土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

取土結(jié)構(gòu)是封土機(jī)工作的重要組成部分，其中旋耕刀總成部件可以實(shí)現(xiàn)破碎并拋送土壤的動(dòng)作。其主要由刀盤、擋土板、旋耕刀組成，具體結(jié)構(gòu)如圖5。

圖4 旋耕刀總成圖

旋耕刀選用ⅡT245 的型號(hào)[9]，在刀盤圓周內(nèi)總刀數(shù)等分排列，刀盤每轉(zhuǎn)30°便有旋耕刀入土，使切土阻扭矩均勻分布，減小機(jī)具振動(dòng)，且碎土均勻。刀身呈人字形排列，左右旋耕刀交替入土，以平衡旋耕刀切土的側(cè)向反力，減小機(jī)具在水平面內(nèi)的偏轉(zhuǎn)力矩，保持直線前進(jìn)[10]。

3.3 送土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

送土機(jī)構(gòu)主要由攪龍、攪龍槽和隔板三部分組成，如圖5。攪龍由滿面式螺旋葉片與螺旋軸焊接而成，其中攪龍1 和攪龍4 的動(dòng)力輸入端與鏈輪配合，軸承端與吊軸承配合，旋向皆為左旋；攪龍2 和攪龍3 的兩端都是軸承端，旋向皆為右旋。攪龍1 與攪龍2 在一條軸線上為前排攪龍，動(dòng)力來自攪龍1 配合的鏈輪，使兩側(cè)土壤傳遞至中間部位并傳輸?shù)胶笈艛圐?。后排攪龍由在同一軸線上的攪龍3 和攪龍4 組成，動(dòng)力來自攪龍4 配合的鏈輪，使中間部位的土壤傳遞至兩側(cè)。因?yàn)? 個(gè)攪龍的輸送能力相同旋向不同，所以4 個(gè)攪龍葉片直徑、螺距、軸徑相同。

圖5 送土機(jī)構(gòu)

3.3.1 螺旋葉片直徑

計(jì)算棉花種植模式為66 cm+10 cm1 膜3 行封土1 m所需土壤質(zhì)量M，由式（1）計(jì)算得出。

式中M—1 膜3 行封土1 m 土壤質(zhì)量，kg；Lk—單行封土寬度，200×10-3m；Lh—封土厚度，20×10-3m；ρ—封土土壤密度，2.5×102kg/m3。計(jì)算得M為3 kg。

封土機(jī)土壤輸送能力Q如下：

式中v—封土速度，8 km/h。

由式（1）、（2）得Q=24 t/h，為了保證封土作業(yè)穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)封土機(jī)土壤輸送能力提高至1.25 倍，Q取30 t/h。

螺旋葉片直徑根據(jù)輸送能力、輸送物料類型、結(jié)構(gòu)和布置形式等確定為公式（3）[11]。

式中D0—螺旋葉片直徑，mm；K—物料綜合系數(shù)，取值0.049；C—傾角系數(shù)，取值1；λ—物料的單位容積質(zhì)量，t/m3，經(jīng)前期田間調(diào)研，取值1.7 t/m3；ψ—顆粒的填充度，取值0.3[12]。代入公式求得螺旋葉片直徑D0=149 mm。依據(jù)GB/T 36865-2018[13]，設(shè)計(jì)螺旋葉片直徑D0=160 mm。

經(jīng)田間調(diào)研得，當(dāng)土壤粒徑大于30 mm 時(shí)，封土作業(yè)的土壤易壓傷棉苗，故攪龍?jiān)试S通過的最大的土壤顆粒的直徑為30 mm，即攪龍與隔板的間隙[14]。因此前后兩排攪龍的軸間距為220 mm。

3.3.2 螺距

螺距不僅決定著螺旋的升角，還決定物料運(yùn)行的滑移面，所以螺距的大小直接影響著物料輸送過程[15]。根據(jù)公式（4）計(jì)算螺距大小。

式中P—螺距，m；按標(biāo)準(zhǔn)的水平螺旋輸送機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，取K1=（0.8～1.0）[13]。由公式計(jì)算得出螺距的取值范圍P=（128mm～160mm），螺距取上限值160 mm。

3.3.3 螺旋軸軸徑

攪龍軸徑d由公式（5）計(jì)算得出。

式中x=（0.2～0.35）[13]，考慮設(shè)計(jì)成本和加工條件，在保證強(qiáng)度和質(zhì)量的情況下，設(shè)計(jì)螺旋軸為空心軸，螺旋軸軸徑d=423 mm。

3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

該機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)械傳動(dòng)，由動(dòng)力輸入軸、減速箱、動(dòng)力輸出軸、鏈輪等組成。動(dòng)力輸出軸和鏈輪分別帶動(dòng)取土機(jī)構(gòu)和送土機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。送土機(jī)構(gòu)的軸線位置與動(dòng)力輸出軸的軸線位置相距較遠(yuǎn)，為保證傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，其傳動(dòng)方式采用鏈傳動(dòng)。封土作業(yè)時(shí)，前排左右送土攪龍將土壤由兩側(cè)運(yùn)輸至中間，后排左右回土攪龍將土壤由中間運(yùn)輸至兩側(cè)，多余土壤通過兩側(cè)的落土口返至田間。為確保封土作業(yè)的完成，前側(cè)螺旋送土機(jī)構(gòu)與后側(cè)螺旋送土機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向相反。拖拉機(jī)的后動(dòng)力輸出軸額定轉(zhuǎn)速為540r/min，為滿足封土作業(yè)需求，根據(jù)公式（6）可計(jì)算出攪龍轉(zhuǎn)速。

式中C—傾角系數(shù)，取值1；n—攪龍轉(zhuǎn)速，r/min。

計(jì)算得攪龍轉(zhuǎn)速305 r/min。整個(gè)傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比i則由公式（7）計(jì)算得出。

式中n0—后動(dòng)力輸出軸額定轉(zhuǎn)速，r/min；n2—攪龍轉(zhuǎn)速，r/min。

經(jīng)計(jì)算總傳動(dòng)比i=1.77，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)一級(jí)減速器和鏈輪加速兩級(jí)調(diào)速機(jī)構(gòu)。為避免鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏大，保證整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比分配，取錐齒輪減速器的傳動(dòng)比為i1=2.2，則鏈輪的傳動(dòng)比i2由公式（8）計(jì)算得出。

式中i—總傳動(dòng)比；i1—減速器傳動(dòng)比。

將總傳動(dòng)比及減速器傳動(dòng)比代入公式得鏈輪傳動(dòng)比i2=0.8。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖6。

圖6 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

3.5 落土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攪龍槽上分布前后兩排落土機(jī)構(gòu)，由落土口與焊接在落土口下的落土板組成，如圖7。為保證出土量和封土位置的準(zhǔn)確性，根據(jù)66 cm+10 cm 的種植模式，相鄰兩個(gè)落土口的中心位置為760 mm；根據(jù)土壤物理參數(shù)特性和覆土寬度，確定落土口長(zhǎng)度為100 mm，寬度為200 mm。后排回土攪龍槽的兩側(cè)各有一大小為150 mm×200 mm的溢土口，使未下落土壤返回行間，避免雙排攪龍發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

圖7 落土結(jié)構(gòu)

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證封土作業(yè)效果，于2021 年4 月在第八師142 團(tuán)21 連的棉田進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖8。拖拉機(jī)型號(hào)為約翰迪爾6B-954，試驗(yàn)地面積為10.6 hm2，棉花種植模式為66 cm+10 cm，棉花品種為新陸早42 號(hào)。

圖8 田間試驗(yàn)

4.2 試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸額定轉(zhuǎn)速為540 r/min，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5262-2008[16]中的五點(diǎn)法，在試驗(yàn)田中劃出5個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)的長(zhǎng)度為30 m，寬度為14 個(gè)膜幅。以封土機(jī)作業(yè)速度8 km/h 并參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6297-2007[17]進(jìn)行試驗(yàn)。在每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)隨機(jī)抽取3 處，每處面積取封土長(zhǎng)度10 m，寬度1 個(gè)膜幅。對(duì)棉花幼苗總株數(shù)、未封土幼苗數(shù)、受損幼苗數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取封土率和傷苗率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.2.1 封土率試驗(yàn)

封土作業(yè)時(shí)，棉苗所在的穴播口應(yīng)被土壤包圍，即苗孔完全封住。所以測(cè)量封土率時(shí)，統(tǒng)計(jì)取樣點(diǎn)幼苗總數(shù)和未封土（苗孔未完全封住）的幼苗數(shù)量，按公式（9）計(jì)算封土率。

式中F—封土率，%；Nf—未封土幼苗數(shù)，株；N—幼苗總數(shù)，株。

4.2.2 傷苗率試驗(yàn)

封土作業(yè)時(shí)，封土機(jī)輸送的土壤存在未能及時(shí)破碎的較大粒度土塊，容易砸傷壓傷棉苗，影響棉苗正常生長(zhǎng)。因此在完成封土率試驗(yàn)后，測(cè)出封土后受損幼苗的數(shù)量，按公式（10）計(jì)算傷苗率。

式中S—傷苗率，%；Ns—受損幼苗數(shù)，株。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

田間試驗(yàn)結(jié)果如表1。對(duì)表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可得封土率為97.7%、傷苗率為0.9%。結(jié)果表明各項(xiàng)參數(shù)均符合指標(biāo)，即該封土機(jī)的設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

表1 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

（1）本文針對(duì)與膜上精量穴播技術(shù)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的封土農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種與66 cm+10 cm 的種植模式相匹配的棉花幼苗期封土機(jī)，可高效完成封土工作，其傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，維修方便。

（2）對(duì)封土工作的流程進(jìn)行了分析，完成了關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該封土機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)承載性好，采用型材直接焊接成型，動(dòng)力來源為拖拉機(jī)后輸出軸，掛接方式為三點(diǎn)懸掛，掛接方便，易于拆卸和維修；旋耕刀和取土板的設(shè)計(jì)保證了土壤破碎和傳輸作業(yè)的順利進(jìn)行；前后雙排攪龍既實(shí)現(xiàn)了碎土功能，又完成了運(yùn)輸作業(yè)，使細(xì)碎的土壤順利到達(dá)落土口；根據(jù)棉花種植行距設(shè)計(jì)的落土機(jī)構(gòu)使細(xì)碎土壤有效封穴。

（3）在棉株平均高度為37.65 mm、封土機(jī)作業(yè)速度為8 km/h 條件下，通過田間試驗(yàn)測(cè)得封土率為97.7%、傷苗率為0.9%、碎土率為91.6%。各項(xiàng)指標(biāo)滿足封土農(nóng)藝要求，封土均勻、土壤細(xì)碎、土壤輸送不易堵塞、出土量精準(zhǔn)，封土效率和質(zhì)量顯著提高。