李 偉，郝延杰，廖培旺，張愛(ài)民，孫冬霞

棉花是中國(guó)重要的戰(zhàn)略物資［1］，黃河三角洲地區(qū)鹽堿地資源豐富，宜棉區(qū)域廣闊，是中國(guó)主要產(chǎn)棉區(qū)之一。近幾年種棉效益逐年降低，打擊了農(nóng)民種植棉花的自信心，實(shí)現(xiàn)棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，增加植棉效益，對(duì)保障棉花穩(wěn)定供給具有重要意義。

播種工序是棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化關(guān)鍵環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)科研工作者對(duì)播種機(jī)有了一定的研究。李革等［2］對(duì)覆土滾筒的導(dǎo)土板螺旋角、螺旋頭數(shù)等主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析和試驗(yàn)，提出合理取值范圍，為覆土滾筒的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步改進(jìn)提供了理論依據(jù)。陳學(xué)庚等［3］研制出2BMSJ－12型棉花雙膜覆蓋精量播種機(jī)，較常規(guī)穴播出苗早2～3 d，出苗率94%，穴粒數(shù)合格率85%，適應(yīng)新疆棉花密植種植農(nóng)藝要求。王方艷［4］對(duì)一種棉花覆膜播種機(jī)的主要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了主要結(jié)構(gòu)。黃春輝等［5］闡述了一種多功能棉花覆膜播種機(jī)覆土滾筒的結(jié)構(gòu)和工作原理以及在不同棉花種植模式中的應(yīng)用。劉媛杰等［6］對(duì)棉花覆膜播種機(jī)振動(dòng)與激勵(lì)源進(jìn)行了分析，分析了作業(yè)速度9.8～10.5 km／h 和 7.5～8.0 km／h 時(shí)的振動(dòng)激勵(lì)。 針對(duì)黃河三角洲區(qū)域的棉花播種實(shí)際情況，山東省濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所設(shè)計(jì)了2BMMD－4型苗帶清整型夏棉精量免耕播種機(jī)、2BMC－4／8型棉花雙行錯(cuò)位苗帶精量穴播機(jī)、2BMJ－3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)、2BMJ－2／4A型棉花覆膜精量播種機(jī)、2BMZ－3／6A 型折疊式覆膜精量播種機(jī)、2BMZ－3／6A 型折疊式智能棉花精量播種機(jī)［7］，本研究將對(duì)該系列播種機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

1　關(guān)鍵技術(shù)

1.1　一器雙行錯(cuò)位排種技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)高密度夏棉空間布置最優(yōu)化、單株棉花生長(zhǎng)空間最大化，最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)目的，設(shè)計(jì)了一器雙行錯(cuò)位排種器［8］。一器雙行錯(cuò)位排種器是在鴨嘴式排種器基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，由兩個(gè)鴨嘴式排種器并列組成，排種口交錯(cuò)開(kāi)啟，即第一個(gè)排種器排種口為開(kāi)啟－關(guān)閉－開(kāi)啟－關(guān)閉，第二個(gè)排種器排種口為關(guān)閉－開(kāi)啟－關(guān)閉－開(kāi)啟，如圖1（a）所示。鴨嘴式排種器主要由鴨嘴式排種口及內(nèi)部充種機(jī)構(gòu)組成，其工作原理是彈簧保持伸長(zhǎng)狀態(tài)，鴨嘴關(guān)閉，內(nèi)部圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，充種機(jī)構(gòu)工作，種子進(jìn)入排種位置；排種器轉(zhuǎn)動(dòng)到某一位置時(shí)，彈簧被壓縮，種子經(jīng)過(guò)開(kāi)啟的鴨嘴落入種床，鴨嘴又在彈簧彈力作用下實(shí)現(xiàn)關(guān)閉，完成排種過(guò)程。一器雙行錯(cuò)位排種器實(shí)現(xiàn)了66 cm＋10 cm種植規(guī)格，滿足機(jī)采棉的要求，同時(shí)通過(guò)排種口的交錯(cuò)布置，低空穴率的種子出苗后成規(guī)律的等腰三角形排列，合理利用了水、肥和光熱資源，實(shí)現(xiàn)棉花高產(chǎn)且不影響機(jī)械化采摘。將其安裝在2BMC－4／8型棉花雙行錯(cuò)位苗帶精量穴播機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，出苗后的空間排布如圖1（b）所示。

圖1　一器雙行錯(cuò)位排種器

1.2　雙重仿形播種覆膜技術(shù)

為提高播種深度一致性，保證覆膜質(zhì)量，在一級(jí)傳動(dòng)棉花精量播種裝置的基礎(chǔ)上［9］，設(shè)計(jì)了雙重仿形播種覆膜裝置。每組由每?jī)蓚€(gè)相鄰一級(jí)傳動(dòng)仿形播種單體與一組仿形覆膜機(jī)架組成，共3組。一級(jí)傳動(dòng)仿形精量播種單體應(yīng)用四連桿仿形以及同心圓理論實(shí)現(xiàn)一級(jí)傳動(dòng)，鏈條長(zhǎng)度不變，傳動(dòng)更可靠，實(shí)現(xiàn)組內(nèi)仿形；二級(jí)仿形實(shí)現(xiàn)了覆膜機(jī)構(gòu)的仿形。同時(shí)排種器安裝在四連桿下方，縮短縱向長(zhǎng)度，減少仿形滯后，提高播深一致性。深度調(diào)節(jié)手輪及鎖緊裝置實(shí)現(xiàn)播種深度靈活調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖2　雙重仿形播種覆膜裝置

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，利用adams動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行了分析（圖3）。仿真結(jié)果表明，一級(jí)傳動(dòng)仿形播種單體利用四連桿實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面仿形，仿形輪隨地面輪廓高低起伏，開(kāi)溝器相對(duì)于地面輪廓曲線產(chǎn)生了相應(yīng)的上下運(yùn)動(dòng)，滿足仿形要求。排種器與仿形輪距離近，提高播深一致性，但存在仿形滯后情況。有向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，開(kāi)溝器相對(duì)地面出現(xiàn)了提前向下仿形，開(kāi)溝深度相對(duì)較深；有向上運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，開(kāi)溝器相對(duì)于地面會(huì)提前向上仿形，開(kāi)溝深度相對(duì)較淺。因此在不出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象的前提下，開(kāi)溝器和仿形輪的距離應(yīng)盡量縮短［10，11］。通過(guò)仿形覆膜機(jī)架實(shí)現(xiàn)了地膜對(duì)地面仿形作業(yè)，保證地膜始終貼近地面，覆膜平整，保證了覆膜質(zhì)量，提高地膜利用率。

圖3　運(yùn)動(dòng)仿真

1.3　機(jī)架橫向折疊技術(shù)

為縮短機(jī)架橫向?qū)挾龋O(shè)計(jì)了一種液壓控制寬幅對(duì)折機(jī)架。機(jī)架為框架式，由中間機(jī)架、左機(jī)架、右機(jī)架3個(gè)機(jī)架和左右側(cè)2個(gè)油缸組成。3個(gè)機(jī)架采用鉸鏈連接。液壓油缸一端連接中間機(jī)架，一端連接兩側(cè)機(jī)架，液壓油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)兩側(cè)機(jī)架運(yùn)動(dòng)。作業(yè)時(shí)，對(duì)折機(jī)架在液壓油缸控制下平展便于作業(yè)。在左右機(jī)架和中間機(jī)架鏈接處設(shè)置了自鎖和自扣裝置，保證整體機(jī)架工作時(shí)處于穩(wěn)定的水平狀態(tài)。田間行走及道路運(yùn)輸時(shí)，左右機(jī)架與中間機(jī)架呈90°對(duì)折，提高道路通過(guò)性。左右液壓缸液壓閥可單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)特殊地段的2行、4行作業(yè)［12］。機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　液壓控制寬幅對(duì)折機(jī)架

為驗(yàn)證在實(shí)際情況中機(jī)架結(jié)構(gòu)可靠性，將播種機(jī)各部分按實(shí)際材料進(jìn)行定義，按實(shí)際情況裝配，利用s olidworks的motion模塊進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，在一個(gè)周期內(nèi)受力最大位置是在機(jī)架鉸鏈鏈接處，最大受力為253 N（圖5），小于機(jī)架和銷軸的抗剪模量（45＃鋼、抗拉強(qiáng)度為600 MPa、屈服強(qiáng)度為 355 MPa）。機(jī)架實(shí)際折疊圖如圖6所示。

圖5　受力分析

圖6　機(jī)架折疊

1.4　雙輪鎮(zhèn)壓裝置

為提高土壤緊實(shí)度，保證化肥發(fā)揮最佳作用及為棉花生長(zhǎng)創(chuàng)造良好種床，設(shè)計(jì)了雙輪鎮(zhèn)壓裝置，包括全幅整平鎮(zhèn)壓裝置和對(duì)行鎮(zhèn)壓裝置（圖7）。旋耕與播種機(jī)構(gòu)中間有全幅整平鎮(zhèn)壓裝置，該裝置可對(duì)種床進(jìn)行鎮(zhèn)壓，還可以調(diào)節(jié)旋耕深度，同時(shí)利用鏈條與排肥機(jī)構(gòu)連接成為排肥驅(qū)動(dòng)輪，整機(jī)仿形也利用了此裝置。為降低鎮(zhèn)壓輪重量，鎮(zhèn)壓輪設(shè)計(jì)成Φ350 mm的中空通輥，鎮(zhèn)壓輪骨架由中軸和中軸上4個(gè)均勻分布支撐盤(pán)構(gòu)成。具有覆土、鎮(zhèn)壓功能的對(duì)行鎮(zhèn)壓裝置在排種器正后方，通過(guò)自重和彈簧力的雙重作用來(lái)壓實(shí)種溝，對(duì)土壤壓強(qiáng)達(dá)到 0.3～0.5kg／cm2，保證播種效果［8］。

圖7　雙輪鎮(zhèn)壓裝置

1.5　兩段式覆土滾筒

覆土滾筒的作用是將覆土圓盤(pán)取出的土壤利用導(dǎo)土板輸送到播種行的中部位置壓膜，防止地膜被風(fēng)破壞，雖是播種末尾工序，卻對(duì)種子出苗有直接影響［13］。為提高覆土質(zhì)量，將覆土滾筒設(shè)計(jì)為兩段式覆土滾筒，導(dǎo)土板頭數(shù)為4頭，導(dǎo)土板螺旋角為20°，滾筒直徑380 mm，長(zhǎng)度560 mm，滿足了土壤沿導(dǎo)土板螺旋面軸向滑動(dòng)的條件。漏土口相對(duì)布置，導(dǎo)土板分段式螺旋，使得土壤排出速度快、壓膜牢固。滾筒兩側(cè)設(shè)計(jì)15個(gè)片狀抓地爪，抓地能力加強(qiáng)，滾筒始終轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)拖壞地膜［12］。其結(jié)構(gòu)如圖8所示，實(shí)際壓膜效果見(jiàn)圖9。

進(jìn)入滾筒的土壤要實(shí)現(xiàn)輸送目的，首先要可以在滾筒內(nèi)壁上升，然后在導(dǎo)土板的作用下軸向移動(dòng)，移動(dòng)到開(kāi)口處土壤輸出。土壤沿導(dǎo)土板螺旋面軸向滑動(dòng)的條件是導(dǎo)土板頭數(shù)為 3～4 頭［2］。

圖8　兩段式覆土滾筒

圖9　壓膜效果

當(dāng)土壤在導(dǎo)土板處于臨界滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，要滿足以下條件：

N＝F′sinα

F＝N tanθ

式中，F(xiàn)為土壤沿導(dǎo)土板螺旋線切線方向滑動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，方向與螺旋線切線一致；N為螺旋面對(duì)土壤的支反力，方向垂直于導(dǎo)土板螺旋面；F′為土壤顆粒隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，自身重力和四周土壤對(duì)其擠壓力沿圓周方向的合力，方向垂直地面向下；α為導(dǎo)土板螺旋角；θ為導(dǎo)土板表面與土壤摩擦角。只有土壤摩擦力小于F沿某點(diǎn)切面螺旋線方向分力，土壤才沿導(dǎo)土板向下滑動(dòng)，即 F＜F′cosα。

地膜兩側(cè)被土壤壓實(shí)，同時(shí)土壤利用導(dǎo)土板進(jìn)入到地膜中間進(jìn)一步將中部壓實(shí)，相對(duì)布置的漏土口在中間部位土壤行兩側(cè)形成交替等距排列的土壤堆，實(shí)現(xiàn)了壓膜嚴(yán)實(shí)膜面展、覆土均勻一條線效果。并對(duì)覆膜效果進(jìn)行了性能檢測(cè)，結(jié)果如表1所示，覆膜性能參數(shù)全部達(dá)到或超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JB／T 7732－2006《鋪膜播種機(jī)》。

表1　覆膜效果性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果 （單位：%）

2　結(jié)論

1）研制的系列播種機(jī)遵循農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合，實(shí)現(xiàn)了多功能聯(lián)合作業(yè)，達(dá)到棉花保墑增產(chǎn)的目的。

2）針對(duì)實(shí)際問(wèn)題解決了5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了模擬仿真及大田試驗(yàn)，采用關(guān)鍵技術(shù)的播種機(jī)較好地完成了播種、覆膜等環(huán)節(jié)的作業(yè)，提高了機(jī)具作業(yè)水平。

3）關(guān)鍵技術(shù)是新型播種體系的核心，結(jié)合播種模式與機(jī)具對(duì)新技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)證明，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是可行的。

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