呂小蓮，胡志超，劉敏基，于向濤，張會娟

(1 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇 南京210014;2 滁州學(xué)院 機械與電子工程學(xué)院，安徽 滁州239000)

花生是世界上廣泛栽培的主要油料和經(jīng)濟作物，中國是世界上主要的花生生產(chǎn)和消費國，同時也是最大的花生出口國，年出口創(chuàng)匯達6.1 億美元［1-2］.覆膜種植是我國花生生產(chǎn)的一大特色［3］，目前花生地膜覆蓋種植機械化程度還較低，基本上是采用先播種、后覆膜，出苗前劃膜放苗的農(nóng)藝過程，嚴重制約了地膜覆蓋種植技術(shù)的推廣應(yīng)用.覆膜打穴播種是近幾年發(fā)展起來的一項新型播種技術(shù)，因?qū)ν寥赖臄_動小，有利于土壤的保墑和抗旱，還可省去人工破膜環(huán)節(jié)，在節(jié)省工時的同時，避免燒苗，確保全苗.國內(nèi)關(guān)于覆膜穴播的研究基本處于單項技術(shù)研究階段，對于系統(tǒng)集成、聯(lián)合作業(yè)技術(shù)的研究，尚處于起步階段［4-8］.本文利用虛擬設(shè)計軟件UG 對氣吸式花生覆膜穴播機進行了參數(shù)化設(shè)計，通過虛擬仿真技術(shù)對該機結(jié)構(gòu)及整體配置進行了虛擬測試，并通過樣機的田間性能試驗對其整機及關(guān)鍵工作部件的作業(yè)性能進行了測試.

1 花生覆膜播種農(nóng)藝技術(shù)要求

花生壟作覆膜機播時的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求參考文獻［9-10］:播種前需整地，除去地表雜質(zhì)，整地后松土層需大于60 mm;起壟，壟高為100～120 mm，2行種植時多采用寬窄行種植，壟面寬通常為500～600 mm，壟上種植2 行花生株間對齊，間距為250～350 mm;最佳播種深度為50 mm，播種深度要一致，絕對誤差不超過規(guī)定的20%，對于地溫較低或土壤濕度大的地塊，可適當(dāng)淺播，但不得小于30 mm，反之可適當(dāng)加深，但不超過60 mm;播種密度要求花生2 行壟作播種穴距為155～185 mm，穴距誤差值不超過規(guī)定穴距的10%，土壤肥力好的密度相應(yīng)小一些，肥力差的密度大些.

2 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

該機主要由施肥裝置、起壟犁、鋪膜裝置、穴播輪、覆土裝置等部分組成，如圖1.

穴播機通過牽引架三點懸掛在拖拉機上，施肥開溝器、起壟犁安裝在機架前端，按照花生播種農(nóng)藝施肥及起壟要求調(diào)整位置及深度.地輪通過鏈傳動帶動排肥器工作，實現(xiàn)定量施肥.穴播輪采用壓板開啟式成穴組件，成穴組件徑向安裝在滾輪體上;采用氣吸式排種裝置，利用風(fēng)機負壓使排種盤實現(xiàn)精量取種;穴播輪通過支架掛接在機架上，保證穴播輪與地表充分接觸，當(dāng)遇到障礙物或堅實度過大時，可隨時抬起避免成穴部件損壞.機具作業(yè)時，先由起壟犁將兩側(cè)的土推向內(nèi)側(cè)，同時施肥開溝器開出肥溝，施肥裝置在地輪的帶動下將種肥排入肥溝內(nèi)，平土板將壟面平整，開溝器按壟寬開出膜邊溝，覆膜裝置鋪膜，并由穴播輪成穴器的壓膜輪將地膜壓入膜邊溝，同時將膜邊壓緊，成穴部件打穿地膜在土壤上完成破膜、成穴、投種過程，隨后由覆土裝置完成膜邊覆土及苗帶覆土的過程.

圖1 2BQHM-2 型花生覆膜穴播機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural sketches of 2BQHM-2 type peanut mulching film and punching planter

3 關(guān)鍵工作部件的設(shè)計

3.1 穴播輪的設(shè)計

穴播輪主要由成穴器、傳動系統(tǒng)及氣吸式排種裝置三部分構(gòu)成，如圖2.其在機具作業(yè)中主要完成膜上成穴及精量取種、播種的作用，是花生覆膜穴播機的核心部件，其工作質(zhì)量的好壞決定該機的作業(yè)性能.

3.1.1 成穴器的設(shè)計 成穴器是穴播輪的主要工作部件之一，由滾輪體、壓膜輪、成穴組件等部分組成.其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:滾輪體半徑(R)、成穴組件個數(shù)(Z)、成穴深度(H)、固定鴨嘴傾角(鴨嘴前面與其中線夾角，α)、活動鴨嘴傾角(鴨嘴后面與其中線夾角，β)及鴨嘴開度(d).滾輪體半徑與播種穴距、成穴深度、成穴組件個數(shù)等有關(guān)，其關(guān)系如下.

圖2 穴播輪結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural sketches of the dibbler

式中，R 表示滾輪體半徑(mm);Z 表示成穴組件數(shù)(個);t 表示播種穴距(mm);H 表示成穴深度(mm).

由于穴播輪工作過程中依靠滾輪體滾動前進成穴并帶動吸種盤取種，其轉(zhuǎn)速過高對精量取種及成穴均不利，因此，為了使成穴器有較高的理想工作速度，R 取值應(yīng)大，但R 過大，滾輪結(jié)構(gòu)尺寸過大，使整機質(zhì)量加大，不利于機組懸掛，同時對壟面質(zhì)量、機組作業(yè)的靈活性均產(chǎn)生不利的影響.根據(jù)花生壟作覆膜播種農(nóng)藝可知，通常情況下最佳播種深度為50 mm，常用穴距為155～185 mm，滾輪體半徑的取值范圍一般在340～480 mm 之間［5-11］，依據(jù)作業(yè)及技術(shù)要求，設(shè)計時選擇滾輪體半徑(R)為460 mm，播種深度(H)為50 mm，綜合考慮各參數(shù)代入上式得到，成穴組件個數(shù)Z≈10.

成穴鴨嘴傾角對成穴效果、入土性能、充種效果等均有較大影響.固定鴨嘴傾角(α)是引起挑膜的主要因素，其大小影響成穴器入土性能、出土?xí)r是否挑膜及出土?xí)r的動土量，由分析可知其越小挑膜越嚴重，且隨作業(yè)速度的增加加劇，但其過大則不利于入土，造成膜孔增大，活動鴨嘴傾角(β)的存在，使穴孔、膜孔增大，但其過小，則難保證鴨嘴內(nèi)充種，在參考文獻［1-13］及分析的基礎(chǔ)上，固定鴨嘴傾角(α)取15°～25°，一般取β 等于α，設(shè)計的成穴組件結(jié)構(gòu)對稱且活動鴨嘴頂端各點的軌跡落在固定鴨嘴頂端各點軌跡形成的包絡(luò)線內(nèi)，降低其對膜孔及穴孔的影響.鴨嘴開度決定種子排出效果，為使種子順利排出，鴨嘴開啟時開口大小應(yīng)滿足1.2dmax～1.5dmax(dmax為花生種子最大尺寸)，其大小可由下式確定.

式中，φ 表示活動嘴轉(zhuǎn)角(°);d 表示鴨嘴開度(mm);l 表示活動嘴長度(mm).

3.1.2 穴播輪傳動系統(tǒng) 主要由連接盤、傳動軸、掛輪機構(gòu)等部分組成，如圖3.

圖3 傳動系統(tǒng)配置圖Fig.3 Configuration diagrams of the transmission system

分析得排種盤吸種孔線速度vp與穴播輪前進速度vm關(guān)系如下:

式中，D 表示排種盤直徑(cm);q 表示每穴粒數(shù)(個);η 表示穴播輪滑移率(%);Z 表示排種盤吸種孔數(shù)(個);t 表示穴距或株距(cm);n 表示排種盤吸種孔排數(shù)(排).

由上式可知，穴播輪前進速度直接影響排種盤吸種孔線速度大小，進而影響種子充填性能，當(dāng)vp過高時，吸種孔充種時間短，易造成漏播，且排種盤轉(zhuǎn)速較大，種子產(chǎn)生的離心力就大，需要的吸種負壓也越高，由于穴播輪吸種負壓是由拖拉機輸出軸間接提供的，因此轉(zhuǎn)速范圍受到限制.一般排種盤吸種孔線速度vp不易超過0.35 m/s［10］，由此可確定機具作業(yè)的速度范圍.

由于掛輪機構(gòu)傳動比為內(nèi)輥子鏈輪與鏈輪配合比值，其值大小決定排種盤吸孔線速度大小，該值越大，排種盤轉(zhuǎn)速越低，吸種時間越長，利于吸種，但其值的大小影響到排種盤吸種孔數(shù)及尺寸參數(shù).根據(jù)播種要求及便于穴距調(diào)整，設(shè)計中選取掛輪機構(gòu)比值為1.5 ∶1.0.

3.1.3 氣吸式排種裝置 主要由氣室、排種盤、種子室等組成，見圖4.排種盤孔徑大小由播種花生的幾何尺寸決定［10］，設(shè)計中選取大?；ㄉ托×；ㄉ欧N盤的吸孔直徑分別為6.0 和5.0 mm，排種盤吸種孔按徑向分為2 排，根據(jù)選取掛輪機構(gòu)比值及成穴部件個數(shù)，確定每排吸種孔為15 個，滿足每穴播種量為2 粒.

氣室吸種負壓是決定穴播輪吸種能力的主要因素，不同品種的花生種子由于物理特性的差別，所需吸附力的大小也不同.在豎直面內(nèi)回轉(zhuǎn)的排種盤上，1 個吸種孔吸住1 粒種子所需吸附力為［10，14-15］:

式中，p0表示單個吸種孔吸力(N);d 表示吸種孔直徑(cm);Q 表示單粒種子的重力、離心力及種子群內(nèi)摩擦力的合力(N);C 表示種子重心與排種盤之間距離(cm).

由于實際作業(yè)中，受外界環(huán)境條件影響較大，因此引入吸種可靠性系數(shù)K1(K1=1.8～2.0，一般種子千粒質(zhì)量小，形狀近似球形時，取小值)和工作穩(wěn)定可靠系數(shù)K2(K2=1.6～2.0，種子千粒質(zhì)量大時，取大值)，針對不同種子，在最大極限條件下，可求出氣室所需最大吸種負壓為［10］:

式中，m 表示單粒種子質(zhì)量(kg);g 為重力加速度(m/s2);d 為吸種孔直徑(cm);vp為吸種孔中心處線速度(cm/s);r 為吸種孔轉(zhuǎn)動半徑(m);λ 為種子的摩擦阻力綜合系數(shù)，α 為種子自然休止角.

3.2 覆土裝置

主要由覆土圓盤及覆土滾輪兩部分組成.覆土圓盤主要完成膜邊覆土及苗帶供土作用，工作時將壟溝兩側(cè)的土推向壟溝并帶入覆土滾輪，完成膜邊及苗帶覆土，通過調(diào)節(jié)其角度及入土深度可改變?nèi)⊥亮看笮?覆土圓盤、覆土滾輪與穴播輪的相互配置，見圖5.覆土裝置均采用彈簧連接的方式，通過調(diào)節(jié)彈簧可改變覆土圓盤及覆土滾輪對地表的壓力，同時遇到障礙物時可自行抬起，實現(xiàn)過載保護的作用.覆土滾輪主要由拉桿、大(小)滾輪、調(diào)節(jié)軸等組成，見圖6.

圖5 覆土裝置配置圖Fig.5 Configuration diagrams of the casing soil device

圖6 覆土滾輪結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure sketches of the casing soil wheel

通過拉桿掛接在機架連接軸上，與覆土圓盤配合進行苗帶覆土.拉桿由兩部分組成，拉桿2 空套在拉桿1 中，可調(diào)節(jié)其前后位置.機具前進時通過拉桿帶動滾輪前進，當(dāng)覆土圓盤將土送入滾輪后通過大滾輪內(nèi)的導(dǎo)土片及小滾輪內(nèi)的擋土板共同實現(xiàn)苗帶覆土.覆土滾輪通過螺釘固定在調(diào)節(jié)軸上，可對滾輪在一定范圍內(nèi)進行左右調(diào)節(jié)，滿足不同種植模式的需要.

3.3 鋪膜裝置

鋪膜裝置主要由固定座、調(diào)節(jié)桿、地膜安裝輪等部件組成(圖7).通過調(diào)節(jié)桿可實現(xiàn)對地膜鋪放高度的調(diào)節(jié)，同時可滿足不同寬度的膜輥安裝.設(shè)計的樣機鋪膜裝置可滿足寬度為800～1 200 mm 的地膜鋪放，可通過高度調(diào)節(jié)滿足不同作業(yè)條件下地膜鋪放的要求，提高鋪膜質(zhì)量為后續(xù)成穴提供良好的作業(yè)條件.

圖7 鋪膜裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure sketches of the mulching film device

4 樣機虛擬檢測與制作

利用UG 軟件對設(shè)計的機具進行整體裝配及虛擬仿真運動分析，測試各運動部件的協(xié)調(diào)性、合理性，檢驗穴播機在運動過程中是否發(fā)生干涉，能否達到設(shè)計過程的預(yù)期效果，虛擬仿真過程如下.

先建立2BHQM-2 型覆膜穴播機零部件三維實體模型，虛擬裝配穴播機，建立運動分析主模型(施加載荷，添加約束與驅(qū)動)，然后定義測試內(nèi)容，進行虛擬仿真分析，輸出測試參數(shù)曲線及數(shù)據(jù).最后，分析測試結(jié)果，進行結(jié)構(gòu)與參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計.

在穴播輪三維實體主模型上依據(jù)實際工作中各部件的連接形式及結(jié)構(gòu)特點在主模型上設(shè)定添加相應(yīng)的邊界條件、載荷、運動副等，添加約束時應(yīng)根據(jù)實際情況選擇約束的類型、作用點和方向，得運動分析模型.利用運動分析模型對成穴過程進行仿真，模擬成穴鴨嘴的入土、開啟、出土過程，研究設(shè)定條件下成穴部件相關(guān)位置及參數(shù)是否滿足設(shè)計要求.通過UG 中運動分析模塊，分別在固定鴨嘴及活動鴨嘴的外圓尖點上建立測試點Marker1、Marker2，然后在后處理(Postprocessor)中用跟蹤(Trace)Marker 點繪制出其運動軌跡曲線，對成穴性能進行測試.由整機裝配及虛擬仿真運動分析結(jié)果可知，該機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理，各部件結(jié)構(gòu)尺寸及運動過程較好地滿足了設(shè)計需要，整機質(zhì)量為236.5 kg(由于虛擬裝配時省去了螺栓等連接件，整機質(zhì)量比實際較輕)，重心有些偏后，在此基礎(chǔ)上對樣機結(jié)構(gòu)尺寸進行了相應(yīng)的調(diào)整，使其重心接近中心位置.在虛擬樣機設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了樣機制作.

5 田間性能試驗結(jié)果及分析

試驗在江蘇省農(nóng)科院試驗田進行，土壤類型為輕壤土，按照國家農(nóng)業(yè)部標準NY/T 987-2006《鋪膜穴播機作業(yè)質(zhì)量》的要求［16］，在滿足作業(yè)效率的前提下，對該機的工作流暢性、可靠性及不同作業(yè)速度、吸種負壓下作業(yè)效果進行測試.表1 為滿足作業(yè)要求及條件下最高作業(yè)速度(機具作業(yè)速度為0.82 m/s，吸種負壓為4.35 kPa)播種四粒紅時測試結(jié)果，機具田間作業(yè)效果良好.

表1 性能試驗結(jié)果Tab．1 The performance test results

由試驗結(jié)果及分析可知:在滿足作業(yè)效率的前提下，該機作業(yè)穩(wěn)定、各部件工作流暢，成穴質(zhì)量、播種質(zhì)量等各項指標均滿足氣吸式覆膜穴播機作業(yè)技術(shù)要求;隨著作業(yè)速度的增加，成穴部件撕膜、挑膜現(xiàn)象加劇，膜孔長度變大，均勻性變差，孔穴錯位合格率降低，分析是由于隨機具作業(yè)速度的增加，成穴部件對地膜及穴孔土壤的作用力加劇所致;隨吸種負壓增加，合格率增加的同時，重播率也相應(yīng)提高;成穴過程出現(xiàn)部分穴播深度不能滿足要求，甚至出現(xiàn)無法破膜現(xiàn)象，造成種子播種深度不足，有些種子播在膜上，分析原因主要由于苗帶土壤堅實度過大或出現(xiàn)大塊較硬的雜物，使成穴部件無法進入土壤造成;播種過程中存在漏播問題，分析原因除了排種器吸種問題外，還存在鴨嘴開啟不及時或未開啟的現(xiàn)象，這是由于土壤較松軟，壓板無法將鴨嘴及時打開或無法開啟所致，此外夾雜引起鴨嘴關(guān)閉不嚴，造成漏播.

6 結(jié)論

利用UG 虛擬設(shè)計與仿真軟件對氣吸式花生覆膜穴播機進行了設(shè)計與研究，針對該機的作業(yè)特點及農(nóng)藝要求，對該機關(guān)鍵部件進行了分析與設(shè)計，通過虛擬裝配及運動仿真，測試組成部件相互間的協(xié)調(diào)性及結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，并通過對成穴部件的成穴過程及成穴軌跡的虛擬仿真，對其成穴性能進行了測試，在此基礎(chǔ)上完成了樣機制作.由樣機田間性能試驗結(jié)果可知，該機作業(yè)穩(wěn)定、各部件工作流暢，成穴質(zhì)量、播種質(zhì)量均能較好地滿足氣吸式覆膜穴播機作業(yè)技術(shù)要求;虛擬仿真結(jié)果與該機實際情況較為一致，表明基于虛擬仿真技術(shù)的設(shè)計結(jié)果與測試結(jié)果是合理的，為穴播機的進一步研究奠定了基礎(chǔ).

［1］尚書旗，王方艷，劉曙光，等.花生收獲機械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20(1):20-25.

［2］張智猛，胡文廣，許婷婷，等.中國花生生產(chǎn)的發(fā)展與優(yōu)勢分析［J］.花生學(xué)報，2005，34(3):6-10.

［3］呂小蓮，劉敏基，王海鷗，等.花生膜上播種技術(shù)及其設(shè)備研發(fā)進展［J］.中國農(nóng)機化，2012(1):89-92.

［4］盧勇濤，陳學(xué)庚，李亞雄.鴨嘴滾筒式氣吸精量穴播器的設(shè)計與試驗［J］.中國農(nóng)機化，2012(1):104-106.

［5］曹文，丁俊華，李在臣.精密穴播輪的研究與設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009，211(2):21-25.

［6］杜瑞成，楊善東，郭志東，等.三種覆膜穴播成穴器方案設(shè)計與理論分析［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003，17(2):15-18.

［7］王吉奎，坎雜，吳杰，等.夾持自鎖式棉花精量穴播器的設(shè)計與試驗［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006，37(5):54-56.

［8］楊善東，杜瑞成，郭志東，等.聯(lián)合作業(yè)穴播機的設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究，2007(11):118-119.

［9］中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1990.

［10］李寶筏.農(nóng)業(yè)機械學(xué)［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2008.

［11］馬旭，馬成林，張守勤.地膜覆蓋播種機成穴器的研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，1989(4):20-27.

［12］陳學(xué)庚，王敏.氣吸鴨嘴滾筒式精密穴播器關(guān)鍵因素的研究［J］.農(nóng)機化研究，2011(3):130-137.

［13］夏俊芳，許綺川，吳一鳴，等.旱作多功能精密穴播輪成穴機理的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2001，17(5):11-14.

［14］劉文忠，趙滿全，王文明，等.氣吸式排種裝置排種性能理論分析與試驗［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(9):133-138.

［15］劉彩玲，宋建農(nóng)，王清旭，等.氣吸輥式水稻精量直播排種器的設(shè)計與試驗研究［J］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，17(2):134-138.

［16］NY/T 987-2006.鋪膜穴播機作業(yè)質(zhì)量［S］.北京:中華人民共和國農(nóng)業(yè)部，2006.