輕簡型棉花播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：為解決湖南省丘陵山區(qū)小田塊棉花播種勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低和用工成本高等問題，基于棉花種植農(nóng)藝要求，研制了一種輕簡型棉花播種機(jī)，并以穴粒數(shù)合格率、穴距合格率、播種深度合格率和出苗率為指標(biāo)測試其播種性能。該播種機(jī)主要由電動三輪車、機(jī)架、鴨嘴穴播器、電動推桿和調(diào)整裝置等部分組成，可一次完成雙行播種作業(yè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)前進(jìn)速度為1.0 m/s時(shí)，穴粒數(shù)合格率、穴距合格率、播種深度合格率和出苗率分別為93.33%、95.56%、90.00%、78.89%，出苗情況良好，滿足棉花的種植要求。

關(guān)鍵詞：棉花；播種機(jī)；輕簡型；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)

中圖分類號：S223.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2024）11-0081-06

Design and Test of a Light and Simple Cotton Seeder

LU Wei1，LUO Jiang-he1，LI Ming1，LIAO Liang-xiu2，ZHANG Chao-chen1，LI Hui1

（1. Agricultural Equipment Institute of Hunan， Changsha 410125， PRC; 2. Hengyang Bureau of Agricultural and Rural Affairs， Hengyang 421299， PRC）

Abstract： Cotton planting in small fields in the hilly mountainous areas of Hunan Province faces the problems of high labor intensity， low productivity， and high labor costs. Considering the agronomic requirements of cotton planting， a light and simple cotton seeder was developed， and its sowing performance was evaluated based on the qualified rates of seeds per hill， hill spacing， and seeding depth and the seedling emergence rate. The seeder was mainly composed of an electric tricycle， a frame， a duckbill pattern dibbler， an electric pusher， and an adjustment device. It could complete the double row seeding operation at one time. The test results showed that at the moving speed of 1.0 m/s， the qualified rates of seeds per hill， hill spacing， and seeding depth and the seedling emergence rate were 93.33%， 95.56%， 90.00%， and 78.89%， respectively. Moreover， the seedling emergence was satisfactory， which met the requirements of cotton planting.

Key words： cotton; seeder; light and simple; design; test

棉花（Gossypium spp.）被譽(yù)為“纖維之王”和“白色黃金”，是世界各國廣泛種植的重要經(jīng)濟(jì)作物之一[1]。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2023年中國棉花種植面積約為2.79×106 hm2，總產(chǎn)量達(dá)5.62×106 t，是世界上最大的棉花生產(chǎn)國和消費(fèi)國。其中，湖南省棉花種植面積為5.59×104 hm2，位列新疆、湖北、山東、河北之后，居全國第5位[2]；種植主要集中于常德、岳陽和衡陽等地區(qū)[3]，總產(chǎn)量為7.6×104 t。棉花產(chǎn)業(yè)主要包括生產(chǎn)、加工、流通和消費(fèi)等環(huán)節(jié)[4]，屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)。種植是棉花生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一，從種到收有40多道工序，平均用工量超過300個(gè)/hm2，勞動強(qiáng)度大且成本耗費(fèi)高[5-6]。因此，如何提高棉花播種效率和質(zhì)量以及降低生產(chǎn)成本成為棉花生產(chǎn)亟待解決的重要課題。

國內(nèi)外學(xué)者對棉花播種機(jī)進(jìn)行了一系列設(shè)計(jì)與研究。Kathirvel等[7]設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)牽引式棉花播種機(jī)，每穴單粒率為51.02%，雙粒率為36.73%，分別在成本、時(shí)間、能源上節(jié)約了23.65%、90.09%、18.25%。Raghavendra等[1]研制了一種拖拉機(jī)驅(qū)動式壟作3行棉花播種機(jī)，優(yōu)化后的作業(yè)速度為1.25 m/s，相較傳統(tǒng)的人力播種，播種成本顯著降低。Nagdeve等[8]研究了自動播種機(jī)器人機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)和工作程序，實(shí)現(xiàn)了自動化播種。陳學(xué)庚等[9]研制了一種棉花雙膜覆蓋精量播種機(jī)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)空穴率≤3%，穴粒數(shù)合格率≥85%。溫浩軍等[10]設(shè)計(jì)了一種基于棉花基質(zhì)苗床的精密播種機(jī)，單粒籽?！?2%，雙粒率≤5%，空穴率≤3%，播種效果良好。陳勇等[11]設(shè)計(jì)了一種雙倉立式棉種齒盤穴播器，平均播種率為94.50%，重播率為3.57%，空穴率為1.88%。彭勇[12]設(shè)計(jì)了一種24穴棉花精量穴播器，通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)平均穴播單粒合格率為89.65%，重播率為6.43%，漏播率為4.07%。騰悅江[13]設(shè)計(jì)了一種適用于黃河三角洲地區(qū)麥棉輪作體系的棉花苗帶精量穴播機(jī)，能一次性完成旋耕、施肥、播種、鎮(zhèn)壓等程序。2BMM-3免耕粉碎滅茬精量棉花播種機(jī)也適用于黃河三角洲地區(qū)麥棉輪作體系，且排種可靠，漏播率低，仿形效果好，播種深度一致性高[14]。盧宇[15]研制了一種雙U型棉花精量播種機(jī)，該機(jī)在河北地區(qū)與采棉機(jī)配套使用，能一次性完成開溝、施肥、噴藥、鋪設(shè)滴灌帶、平整土地、鋪膜、播種、鎮(zhèn)壓等聯(lián)合作業(yè)，田間試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)其播種合格率為96.9%，漏播率為1.6%，工作效率高且作業(yè)性能穩(wěn)定。

國內(nèi)關(guān)于棉花播種機(jī)的研究多集中在新疆、黃河三角洲和河北等地區(qū)，盡管目前棉花播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量高、機(jī)具功能多且高效，但不同地區(qū)的地理環(huán)境、氣候條件與種植農(nóng)藝均存在差異，棉花播種機(jī)的通用性和適用性不高。湖南省地貌類型多樣，以山地、丘陵為主，田塊小且分散，大型棉花種植設(shè)備不適用于丘陵山區(qū)小田塊和單戶作業(yè)，而且目前小田塊棉花種植主要以人工為主，勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。加之，近年來農(nóng)村務(wù)農(nóng)勞動力缺乏，用工成本高，植棉綜合收益不高，嚴(yán)重制約了棉花產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。為解決湖南省丘陵山區(qū)小田塊棉花播種勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低和用工成本高等問題，筆者基于棉花種植農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種適用于小田塊棉花播種的輕簡型棉花播種機(jī)，同時(shí)開展了田間試驗(yàn)，以期為棉花播種機(jī)的設(shè)計(jì)與研究提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

輕簡型棉花播種機(jī)主要由電動三輪車、機(jī)架、鴨嘴穴播器、電動推桿和調(diào)整裝置等部分組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

棉花播種作業(yè)時(shí)，首先按下推桿電機(jī)控制器的向下伸出按鈕，使電動推桿的伸縮桿伸到最大桿長，此時(shí)兩組鴨嘴穴播器的鴨嘴接近地面。如果鴨嘴距離地面的距離較大，通過調(diào)整裝置的第一短圓管和第二短圓管的開孔調(diào)整鴨嘴與地面的距離。然后，將棉籽加入到種箱中。啟動電動三輪車，電動三輪車以一定速度前進(jìn)，棉籽由種箱經(jīng)過種輪落入鴨嘴排到種溝。待播種完成后，按下控制器的向上縮回按鈕，鴨嘴穴播器脫離地面，即完成了整個(gè)播種過程。

2 主要工作部件設(shè)計(jì)與選型

2.1 鴨嘴穴播器設(shè)計(jì)

2.1.1 鴨嘴穴播器整體結(jié)構(gòu) 鴨嘴穴播器是播種裝置的關(guān)鍵部件，主要由種箱、穴播器殼體、鴨嘴、窩眼輪、存種室、清種毛刷和連接桿等零件組成（圖2）。

2.1.2 鴨嘴穴播器工作原理 播種時(shí)，穴播器隨著電動三輪車的前進(jìn)在地面上滾動和隨地自主仿形，同時(shí)繞主軸旋轉(zhuǎn)。隨著機(jī)具的前進(jìn)，穴播器與土壤產(chǎn)生摩擦，使得穴播器逆時(shí)針轉(zhuǎn)動。棉籽從種箱落入到由穴播器殼體、窩眼輪和清種毛刷組成的存種室，隨著窩眼輪的轉(zhuǎn)動，種子在自身重力作用下進(jìn)入窩眼型孔，清種毛刷和窩眼輪轉(zhuǎn)動方向相同，隨著窩眼輪轉(zhuǎn)動，清種毛刷將多余種子刷出，只保留一定粒數(shù)棉籽。當(dāng)扭簧撥齒機(jī)構(gòu)打開鴨嘴時(shí)，棉籽落入土壤；隨著穴播器旋轉(zhuǎn)，扭簧撥齒機(jī)構(gòu)在扭簧的作用下復(fù)位，鴨嘴關(guān)閉，隨后進(jìn)入下一個(gè)充種和播種周期。

2.1.3 種箱設(shè)計(jì) 種箱包括外置式和內(nèi)置式兩種，其作用是容納種子和將種子導(dǎo)入排種器。內(nèi)置式種箱減小了種子到型孔之間的距離，有利于避免卡種現(xiàn)象。但當(dāng)穴播器向前運(yùn)動時(shí)，種子與種子或輪盤在內(nèi)置式種箱內(nèi)發(fā)生摩擦和撞擊，會增加種子破損率；其次，內(nèi)置式種箱在種子容量上有一定要求和限制，會增加種子的添加次數(shù)；此外，內(nèi)置式種箱安裝在輪盤內(nèi)部，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不便于維修和拆卸。外置式種箱可以避免內(nèi)置式種箱的許多不足之處，但種子到達(dá)排種器的時(shí)間較長，種子較大時(shí)會導(dǎo)致排種器擁堵。基于棉籽的幾何形態(tài)進(jìn)行綜合考慮，最終穴播器采用外置式種箱，容量較大且便于隨時(shí)觀察種箱內(nèi)種子的變化情況[16]。

2.1.4 穴播器設(shè)計(jì) （1）穴播器半徑與寬度。穴播器半徑（R）是鴨嘴穴播器的重要參數(shù)。穴播器在作業(yè)過程中隨電動三輪車的前進(jìn)而滾動，滾筒轉(zhuǎn)速過高不利于穴播器的充種和分種。因此，為了使穴播器具有較高的工作速度，R應(yīng)取較大的數(shù)值；但是R取值過大，滾筒結(jié)構(gòu)尺寸增大，鴨嘴穴播器的重量增加，不利于播種裝置的懸掛[17]。因此根據(jù)公式（1）確定穴播器半徑。

（1）

式中，R為穴播器半徑（mm），T為棉花的播種株距（mm），Z為成穴器數(shù)量（個(gè)），H為播種深度（mm）。根據(jù)棉花播種農(nóng)藝要求，成穴器數(shù)量取7，播種株距取230 mm，播種深度取60 mm，代入公式（1）得出穴播器半徑為196 mm。

穴播器寬度也是鴨嘴穴播器的重要參數(shù)。當(dāng)排種器排種時(shí)，種子充種性能的高低受取種口和穴播器側(cè)部距離的影響。穴播器越窄，取種器與輪盤側(cè)部距離越短，充種性能越好，因此在穴播器容納排種器和其他結(jié)構(gòu)的條件下，穴播器的寬度應(yīng)盡可能窄小，最終穴播器寬度取98 mm[18]。

（2）重合度。成穴器的重合度（ε）為鴨嘴入土過程中對應(yīng)于穴播器的轉(zhuǎn)角（θ1+θ2）與相鄰兩鴨嘴所對應(yīng)的中心角（θ0）之比。如圖3所示，鴨嘴入土點(diǎn)為A點(diǎn)，出土點(diǎn)為B點(diǎn)，θ1、θ2、θ0、ε的表達(dá)式見公式（2）、（3）、（4）。通過計(jì)算可得重合度為1.567 8（＞1）。

（3）鴨嘴壓力角。鴨嘴由活動鴨嘴和固定鴨嘴組成，主要作用是擠壓土壤成穴和將種子送入種穴，固定鴨嘴安裝在穴播器上。作業(yè)時(shí)，固定嘴的壓力角影響鴨嘴的入土和出土性能以及穴孔大小和動土量，因此選擇合適的壓力角非常重要。為了保證排種和成穴器入土順利，如圖4所示，A、D點(diǎn)分別為固定嘴、活動嘴與穴播器殼體的交點(diǎn)，固定嘴壓力角設(shè)計(jì)為β≥θ1或θ2，活動嘴的壓力角γ一般情況下等于β。穴播的固定嘴和活動嘴的壓力角一般選取15°～25°，結(jié)構(gòu)對稱且活動嘴的運(yùn)動軌跡包絡(luò)在固定嘴B點(diǎn)運(yùn)動軌跡之內(nèi)，以免夾土堵塞成穴器導(dǎo)致空穴[12，19]。

（4）排種器。排種器是穴播器的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)之一，其排種質(zhì)量直接影響到穴播器能否滿足播種要求。如圖5所示，該機(jī)采用窩眼輪式排種器，主要由毛刷輪、排種輪和存種室等構(gòu)件組成。種箱內(nèi)的種子在自身重力作用下進(jìn)入存種室，毛刷輪和排種輪同向轉(zhuǎn)動，毛刷刷去窩眼內(nèi)多余的種子，窩眼型孔中的種子被護(hù)種板遮蓋留住。待鴨嘴插入到土壤并開啟，種子在自身重力的作用下落入種穴完成播種。

2.1.5 穴播器額定轉(zhuǎn)速分析 為了確保種子能夠順利進(jìn)入鴨嘴完成播種，穴播器滾動過程中種子需要始終在穴播器滾筒底部。如果穴播器滾筒轉(zhuǎn)速過高，過大的離心力會導(dǎo)致種子貼在穴播器滾筒內(nèi)壁上無法進(jìn)入鴨嘴，從而造成無法排種。如圖6所示，要使穴播器滾筒內(nèi)壁的種子始終保持在滾筒底部，需要滿足公式組（5）。

（5）

式中，P為種子的離心力（N），R為穴播器半徑（mm），ω為滾筒轉(zhuǎn)動角速度（rad/s），m為種子質(zhì)量（kg），N為滾筒內(nèi)壁對種子的法向作用力（N），g為重力加速度（m/s2），θ為種子與滾筒中心的連接線和滾筒垂直中心線的夾角（°），F(xiàn)為種子與滾筒內(nèi)壁的摩擦力（N）。當(dāng)N=0時(shí)，mgcosθ=-mω2R；當(dāng)θ=π時(shí)，ω=。為確保播種質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算，穴播器的最大轉(zhuǎn)速應(yīng)小于67.56 r/min[20-21]。

2.2 輔助裝置選型

2.2.1 電動推桿選型 電動推桿是一種能將電動機(jī)螺旋運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U直線伸縮運(yùn)動的伸縮件。伸縮件是控制系統(tǒng)中的基本構(gòu)件，主要有氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)3種類型，可以根據(jù)不同工作條件選用不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但工作時(shí)響應(yīng)速度慢、運(yùn)動精度低且誤差和噪聲較大，還需配置氣泵或者氣源等設(shè)備驅(qū)動。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力較大，但工作時(shí)也需配置液壓缸、液壓泵和控制閥等元件，空間占用大、維護(hù)不方便且成本高，同時(shí)液壓油的泄露還會導(dǎo)致環(huán)境污染。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的初期投資可能相對較高，但具有高效、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。電動推桿是一種電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，除了包含電動機(jī)外，還包含機(jī)械設(shè)備，一般靠直流電源驅(qū)動，利用控制器輸入控制信號控制電動推桿工作，噪聲小，不會對環(huán)境造成污染。綜合考慮后選用電機(jī)推桿作為該播種裝置的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動推桿的推力直接影響到推桿的正常工作，在提升過程中，需要克服播種裝置的重力；為確保播種機(jī)的正常工作，其行程也應(yīng)滿足播種裝置提升距離的要求[22-24]。因此，依據(jù)前期試驗(yàn)和計(jì)算，選用型號為PFDE24V-200-5的鋁合金電動推桿，電壓24 V，功率30 W，工作行程250 mm，速度5 mm/s，最大推力1 000 N，工作溫度20～30℃。

2.2.2 電動三輪車選型 電動三輪車具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動靈活、維護(hù)簡單、維修方便和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)倒順行駛和停車功能，可以靈活穿行于馬路和田間，應(yīng)用十分廣泛。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求輕簡型棉花播種機(jī)的動力驅(qū)動裝置能在小田塊進(jìn)行田間作業(yè)，且要求倒順行駛和停車操作靈活方便，因此選用型號為QL1200DZH的電動三輪車作為動力源。該車整車質(zhì)量為180 kg，尺寸為2 945 mm×1 102 mm×1 365 mm，額定功率及對應(yīng)轉(zhuǎn)速分別為1 500 W和4 400 r/min，最高車速為51 km/h，電動機(jī)額定電壓為60 VDC，電瓶電壓及容量分別為12 V和4.52 Ah。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 材料與方法

3.1.1 材料與設(shè)備 試驗(yàn)所用棉花種子為湖南省棉花科學(xué)研究所研制的湘K27，試驗(yàn)設(shè)備主要為輕簡型棉花播種機(jī)。

3.1.2 試驗(yàn)方法 2023年8月在湖南省農(nóng)業(yè)裝備研究所試驗(yàn)田開展田間試驗(yàn)，9月13日采集棉花的出苗信息。試驗(yàn)前通過旋耕機(jī)對土地進(jìn)行淺旋，使地表平整。劃定30 m長的測區(qū)開展田間試驗(yàn)（圖7），播種機(jī)1個(gè)行程播種2壟，考慮0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m/s 5個(gè)前進(jìn)速度，每個(gè)速度下播種6行，每行隨機(jī)測定15穴，試驗(yàn)結(jié)果取平均值[25-26]。

3.1.3 評價(jià)指標(biāo)選取 根據(jù)GB/T 6973—2005、NY/T 1143—2006和DG/T 007—2024標(biāo)準(zhǔn)，選用穴粒數(shù)合格率（A）、穴距合格率（B）、播種深度合格率（C）和出苗率（D）作為試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式分別見公式（6）、（7）、（8）、（9）。

（6）

（7）

（8）

（9）

式中，n1、n2、n3、n4分別為穴粒數(shù)合格數(shù)、穴距合格數(shù)、播種深度合格數(shù)、出苗數(shù)量，N1、N2、N3、N4均為測定總穴數(shù)。

3.2 結(jié)果與分析

對輕簡型棉花播種機(jī)的田間試驗(yàn)性能進(jìn)行測定（圖8），發(fā)現(xiàn)隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加，穴粒數(shù)合格率和穴距合格率均呈先上升后下降的趨勢，而播種深度合格率先下降再上升再下降（圖9）。當(dāng)前進(jìn)速度為0.6 m/s時(shí)，穴粒數(shù)合格率和穴距合格率最小，分別為85.56%和86.67%。當(dāng)前進(jìn)速度為1.0 m/s時(shí)，穴粒數(shù)合格率和穴距合格率最大，分別為93.33%和95.56%，較前進(jìn)速度0.6 m/s時(shí)分別提高了9.08%和10.26%；此時(shí)播種深度合格率也最大，達(dá)到90.00%。因此選擇前進(jìn)速度1.0 m/s進(jìn)行田間出苗試驗(yàn)。

在前進(jìn)速度1.0 m/s條件下，棉花出苗情況如圖10所示。對出苗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)出苗率為78.89%，平均1.08株/穴，標(biāo)準(zhǔn)差為0.78，變異系數(shù)為0.72。

4 結(jié)論

為解決湖南省丘陵山區(qū)小田塊棉花播種勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低和用工成本高等問題，設(shè)計(jì)了一種輕簡型棉花播種機(jī)，整機(jī)輕便且結(jié)構(gòu)簡單，一次作業(yè)完成兩行播種，自動控制排種器接地和離地作業(yè)，能夠減輕勞動強(qiáng)度，提高棉花播種工作效率和降低生產(chǎn)成本。

研究以穴粒數(shù)合格率、穴距合格率、播種深度合格率和出苗率為評價(jià)指標(biāo)，考慮不同電動車前進(jìn)速度，開展田間試驗(yàn)。當(dāng)前進(jìn)速度為1.0 m/s時(shí)，穴粒數(shù)合格率、穴距合格率和播種深度合格率均分別為93.33%、95.56%、90.00%，在該速度下進(jìn)行棉花播種，出苗率為78.89%，出苗情況良好，滿足棉花的種植要求。

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（責(zé)任編輯：王婷）