武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所舒虹杰杜錚王銳盧澤民廖劍

直插式膜上播種機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所舒虹杰杜錚王銳盧澤民廖劍

∶地膜覆蓋播種技術(shù)是解決我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)期缺水問題的關(guān)鍵性栽培技術(shù)措施，而傳統(tǒng)膜上播種機(jī)存在挑膜、撕膜、種穴錯(cuò)位等問題。本文根據(jù)膜上播種的特殊農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種新型膜上播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)了開穴器垂直入土、出土，解決了挑膜、撕膜、種穴錯(cuò)位等問題。本文主要介紹了該播種機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)其進(jìn)行了理論分析及虛擬樣機(jī)仿真驗(yàn)證，證明了該播種機(jī)的設(shè)計(jì)的合理性，能滿足農(nóng)藝要求。

∶膜上播種機(jī)；運(yùn)動(dòng)仿真

1 前言

地膜覆蓋播種技術(shù)是解決我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)期缺水問題的關(guān)鍵性栽培技術(shù)措施之一，能夠起到保溫、保墑、改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力，抑制雜草生長(zhǎng)，減輕病害、早熟和增產(chǎn)的作用，在我國(guó)得到大面積的推廣[1]。

目前，國(guó)內(nèi)研發(fā)的覆膜播種機(jī)械大都采用傳統(tǒng)的作業(yè)方式，即先播種后鋪膜。這種作業(yè)方式增加了作業(yè)工序，需要在出苗前人工或者機(jī)械破膜放苗。存在放苗不及時(shí)，造成燒苗的風(fēng)險(xiǎn)，如馬鈴薯機(jī)械化播種[2]。近幾年來，一種新型播種技術(shù)—膜上打孔播種技術(shù)逐漸發(fā)展起來。因?yàn)樵诓シN過程中，采用特制打孔器對(duì)覆蓋好地膜的土壤進(jìn)行打孔播種。這樣省去了破膜放苗的工序，同時(shí)對(duì)土壤擾動(dòng)小，利于抗旱、保墑，既節(jié)省了人力、工時(shí)，又避免了因放苗不及時(shí)而燒苗現(xiàn)象，同時(shí)結(jié)合節(jié)水灌溉施肥技術(shù)進(jìn)行膜下滴灌，更能顯著提高產(chǎn)量[3]。然而現(xiàn)有的膜上播種機(jī)械，在精量播種、播種均勻性、播種穩(wěn)定性、播深、株距調(diào)節(jié)等方面仍存在很多技術(shù)問題[4]。因此，本文設(shè)計(jì)一種株距、行距、播深可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)開穴器垂直入土，入土最低點(diǎn)強(qiáng)制投種的膜上播種機(jī)，滿足膜上播種農(nóng)藝要求[5-6]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1a、圖1b所示，該機(jī)構(gòu)主要由行走輪1、一級(jí)鏈輪組2、機(jī)架3、扶手組件4、排種輪5、排種器6、導(dǎo)種管7、曲柄8、連桿9、不完全齒輪組10、齒條11、齒輪軸12、開穴器13、開穴器蓋板14、擋塊15組成。

該播種機(jī)動(dòng)力傳遞過程：通過推動(dòng)扶手組件4，使整機(jī)在平整好的地面上行走，此時(shí)行走輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，通過一級(jí)鏈輪的傳遞，帶動(dòng)齒輪軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)。齒輪軸12分別通過不完全齒輪組10帶動(dòng)齒條水平運(yùn)動(dòng)，通過鏈傳動(dòng)輸送動(dòng)力到曲柄軸。曲柄軸又分別將動(dòng)力傳動(dòng)到排種輪5和曲柄8，曲柄8通過連桿9帶動(dòng)開穴器13工作。

播種機(jī)前進(jìn)時(shí)，通過鏈傳動(dòng)的速度放大，使不完全齒輪組10帶動(dòng)齒條組件11及與其相連的開穴器13運(yùn)動(dòng)，開穴器13絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度與播種機(jī)前進(jìn)速度大小相等方向相反。與此同時(shí)齒輪軸12帶動(dòng)偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)（8、9）的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開穴器13垂直方向的運(yùn)動(dòng)。齒輪齒條機(jī)構(gòu)與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的組合，在補(bǔ)償了整機(jī)的水平方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了開穴器垂直入土和出土，解決了挑膜、撕膜和穴孔與種苗錯(cuò)位的問題。開穴器入土到最低點(diǎn)時(shí)，開穴器蓋板與擋塊接觸。繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，開穴器既向上運(yùn)動(dòng)又向后運(yùn)動(dòng)，此時(shí)擋塊強(qiáng)迫開穴蓋板打開，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定排種。

該播種機(jī)參數(shù)，是根據(jù)蘿卜種植的農(nóng)藝及工況要求來選定。其中行距通過調(diào)節(jié)兩排種器距離實(shí)現(xiàn)；株距通過不同不完全齒輪與齒條的配合來實(shí)現(xiàn)；播深通過改變開穴器與開穴導(dǎo)管的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示：

表1 播種機(jī)參數(shù)

3 開穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及虛擬仿真

為驗(yàn)證開穴機(jī)構(gòu)是否滿足垂直入土、出土的要求，需對(duì)開穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，以曲柄1回轉(zhuǎn)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，以水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸，建立運(yùn)動(dòng)分析坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 開穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析原理圖

由于開穴器是剛體，因此開穴器最低點(diǎn)入土和出土過程中x，y方向的運(yùn)動(dòng)和B點(diǎn)一致。對(duì)B點(diǎn)進(jìn)行分析，該播種機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為：

式（3）中：

a—曲柄OA長(zhǎng)度

通過分析式（3）可知，B點(diǎn)x方向絕對(duì)位移值為常數(shù)，對(duì)其求導(dǎo)可知在x方向速度和加速度均為零。在y方向速度周期性變化，在最低點(diǎn)速度為零。因此可知，不完全齒輪齒條-曲柄滑塊組合機(jī)構(gòu)可以滿足開穴器垂直入土、出土的農(nóng)藝要求[5]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證開穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡是否和理論分析一致，利用SolidworksMotion進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，獲得開穴器最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖（3）所示。

圖3 開穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

從圖（3）可以看出，在水平方向上，仿真結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果略有偏離，但是偏離范圍很小，能到達(dá)到膜上播種要求的垂直入土、出土要求。因此該機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，能解決傳統(tǒng)膜上播種機(jī)挑膜、撕膜、種穴與幼苗錯(cuò)位等問題[8]。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)膜上播種的農(nóng)藝需求，設(shè)計(jì)出一種新型直插式膜上播種機(jī)，能夠解決傳統(tǒng)膜上播種機(jī)挑膜、撕膜和穴孔與種苗錯(cuò)位等問題。

（2）該播種機(jī)通過不完全齒輪齒條-曲柄滑塊組合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了開穴器垂直入土、出土。通過開穴擋塊與開穴器運(yùn)動(dòng)軌跡的配合，實(shí)現(xiàn)在入土最低點(diǎn)強(qiáng)制開穴。通過對(duì)該機(jī)構(gòu)的理論分析及運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了播種機(jī)運(yùn)動(dòng)符合預(yù)期，開穴軌跡合理。

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