折疊式智能化機采棉精量播種機的設計與試驗

張愛民，郝延杰，禚冬玲，李　偉，孫冬霞，王　成

(濱州市農業機械化科學研究所，山東 濱州　256600)

0　引言

土地墑情是棉花發芽的重要因素，在黃河三角洲區域成熟的土地保墑技術是地膜覆蓋[1]。機采棉播種需要地膜覆蓋，同時機采棉行距一致性要求比較高，表現為單行76cm、雙行86cm。隨著城鄉一體化進程的加快，農村生產合作社成為發展趨勢，棉花播種要采取76cm寬幅高效作業方式，以保證棉花采摘的機械化[2]。棉花播種機械智能化是發展趨勢，在保證播種質量的同時降低了勞動強度。

大面積地塊平整度差，會降低播種作業播深一致性，創新設計的一級傳動仿形播種裝置可解決此類問題。棉種種在上實下虛的土層發芽程度好，地膜與地表要預留一定的空間供棉苗生長，利用限深平地滾筒和種帶刮土器成為優選方案。衛星定位同步控制的使用使施肥更加均勻。北斗導航系統減輕了駕駛強度，提高行距一致性。針對機采棉播種智能化作業特點，研制的折疊式智能化機采棉精量播種機有效解決了寬幅作業播種覆膜問題。

1　工藝過程和總體結構

1.1工藝過程

根據機采棉76cm等行距種植模式的播種作業要求，融合智能化技術，提出一種前鎮壓、開溝、與行進速度變化一致性施肥、苗帶干土清理、開溝、單粒播種、壓膜、覆膜及壓土的種植模式[3]。限深平地滾筒可限深和碎土，還可將土壤適度壓實，避免棉種播在虛土上，和種帶刮土器配合使用可以保證棉花的出苗率。種帶刮土器可將種帶上的干土刮向兩側，保證棉種播在濕土上，種床和膜床之間形成更大的高度差，棉苗到地膜的生長空間加大，避免放苗不及時而灼傷棉苗。施肥控制裝置采用衛星定位同步控制，排肥速度與行走速度相適應，排肥更均勻。一級傳動仿形播種裝置實現一級傳動，傳動可靠，提高了播種質量。耐磨播種開溝器可單獨拆卸，方便更換。智能監控系統應用實現播種、施肥實時監控，出現故障及時報警。北斗導航系統滿足高精度行距要求。地膜伸展，壓膜輪將其壓入溝內，覆土器將地膜壓實，完成整個作業過程。

1.2總體結構

折疊式智能化機采棉精量播種機主要由可對折機架、限深平地滾筒、種帶刮土器、一級傳動仿形播種裝置、衛星定位同步施肥裝置、開溝器、鎮壓輪及覆膜滾筒等部分組成，如圖1所示。

可對折機架利用懸掛支架與拖拉機連接，拖拉機帶動機具前進，限深平地滾筒旋轉，將土壤破碎并壓實。種帶刮土器將種帶上的干土刮向兩側，棉種播在濕土上，種床和膜床間的高度差為棉苗生長提供更大生長空間。施肥開溝器為保證將肥料在種子之下，需入土7～10cm，衛星定位同步控制裝置使施肥速度與機具前進速度一致。棉花播種深度在1～3cm，即播種開溝器入土深度，土壤的摩擦使仿形輪轉動，通過鏈條帶動排種軸旋轉進行排種，一級傳動仿形播種機構使仿形輪行走軌跡與地面起伏程度一致，保證了播種深度一致。地膜一端在工作前需用土埋好壓實，機具前進時，隨地膜輥轉動，地膜不斷伸展平鋪于地表，兩側被壓膜輪壓入溝內，覆土結構在地膜兩側覆蓋一部分土壤；導土板將另一部分土壤輸送到滾筒中部，經由矩形缺口流出，地膜兩側和中間位置便被壓實；最終完成鎮壓、施肥、種帶干土清理、開溝播種、覆膜等整個過程。

1.懸掛支架　2.肥箱　3.種箱　4.四連桿仿形播種機構 5.播種覆膜機架　6.膜輥支架　7.膜上覆土滾筒支架 8.膜上覆土滾筒　9.膜上覆土圓盤 10..壓膜輪　11.播種開溝器　12.施肥開溝器 13.種帶刮土器　14.限深平地滾筒　15.限深平地滾筒連接座 圖1　播種機示意圖

1.3技術規格

機采棉精量播種機主要技術參數如表1所示。

表1　主要技術參數

2　關鍵部位設計

2.1可對折機架

可對折機架由中間機架、左機架、右機架3部分組成，均為矩形框架。每個框架后方均利用四連桿與一組播種覆膜機架單體相連。各機架之間通過由鉸鏈聯接板形成的鉸鏈柔性相連；兩個液壓油缸對稱分布在中間機架油缸連接座，油缸推力桿鉸接在左右機架的推拉桿連接座；每組油缸單獨控制；機具在道路行走及田間轉彎時，液壓油缸縮短，左右機架呈90°對折狀態，寬度縮短有利于行走及轉彎；機具工作時，油缸伸長使左右機架與中間機架呈水平狀態，實現三膜六行寬幅播種；在特殊地段，還可以實現四行播種。

利用SolidWorks三維軟件對機架的懸掛支架進行應力分析，如圖2所示。此處應力最大值為230 301 92N/m2,沒有超過Q235A的最大屈服強度。

圖2　懸掛支架應力分析

對機架進行了模態分析，提取機架前6階的頻率，證實機架本身固有頻率與播種機工作激振頻率6～7Hz[4]和路面激勵頻率≤3Hz[5]沒有重疊部分，機架優化合理，模態分析結果如表2所示。

表2　模態分析結果比較

2.2覆土滾筒

覆土滾筒如圖3所示。其可將覆土圓盤取出的部分土壤通過導土板自身螺旋結構將覆土圓盤推入的土壤輸送到播種行的中部位置壓膜，以防地膜被吹走。如土壤中殘膜、秸稈殘余量過多，工作過程中便會被覆土圓盤送入覆土滾筒[6]，體積過大將難以從滾筒排出影響覆土量，甚至堵塞滾筒拖壞地膜。本機采用兩段式覆土滾簡，滾動的動力來自與地膜的摩擦。滾筒兩邊焊接了15片反U形片狀凸起，有利于地膜兩端土壤的覆蓋，凸起安裝位置進行加厚處理。經過試驗確定滾筒內導土板的安裝角度，土壤更易流通；并在滾筒上開了矩形缺口，方便了土壤的排出，減小滾筒與地膜的摩擦力，保證了地膜完整。

1.反U形片狀凸起　2.導土板　3.矩形缺口

2.3播種開溝器

開溝器工作過程中(見圖1)，會受到土壤及雜物的摩擦，開溝器材料耐磨損性能不好會導致磨損太快。開溝器兩側側板小會使開出的土易過早回落造成土層混亂，將開溝器開溝犁頭設計為耐磨材料，可單獨拆卸。前端入土部分為尖角，開溝起土角度20°，入土隙角8°，加入的大小側板可防止開溝開出的土過早回落到種溝內，保證下層為濕土，滿足棉花播種的要求。

2.4播種傳動機構

播種深度的一致性對棉花生長有利，播種裝置可靠性要好，精度要高。圖5為一級傳動棉花精量播種裝置，應用四連桿仿形以同心圓理論實現一級傳動，四連桿平行仿形時鏈條長度不變，鏈條不會掉，保證更好播種質量。四連桿設計為弧形，不妨礙上部肥箱和下部排種器排種器運動，通過加長四連桿的上下拉桿和減小牽引角，縮短了縱向長度，有利于機具道路行駛。

1.鏟　2.鏟柄　3.側板

1.U形卡　2.四連桿單體仿形部件　3.肥箱支架 4.同心圓傳動地輪總成　5.連接支架　6.連接鉸鏈軸 7.主動鏈輪　8.同心圓軌道板　9.軌道板連接支架 10.鏈條　11.連接支架固定螺栓 12.排種器　13.開溝角　14.排種器鏈輪

2.5施肥裝置控制

施肥深度需控制在一定的深度范圍內，并且要均勻，施肥深度淺或某一點施肥量過大會將棉苗燒壞[7]。為保證施肥均勻性，施肥裝置控制采用了電機驅動，利用衛星定位來同步控制電機，實現排肥速度與機具前進速度變化的一致，部件結構更緊湊，排肥精度更高。控制結構如圖6所示。

2.6北斗導航系統

機采棉播種單行為76cm等行距，行距精度越高越有利于機械采摘。這對駕駛人員提出了較高要求，如果人工長時間駕駛，身體及精神出現疲勞會影響行距精度，降低作業效率。利用了北斗導航Ifarm系統，作業過程中，除地頭外，其他采用全程自動控制，實現高精度直線行走，保證行距均勻一致，切實滿足機械采摘作業要求，同時降低勞動強度，提高作業質量。圖7為北斗導航自動駕駛作業過程。

圖6　施肥控制

圖7　北斗導航自動駕駛

3　性能試驗

3.1試驗條件及方法

折疊式智能化機采棉精量播種機室內臺架和田間生產的試驗參考標準來自JB/T7732-2006《鋪膜播種機》。2016年3月，室內臺架試驗在濱州市農業機械化科學研究所試驗室進行，在山東省無棣縣渤海糧倉項目區內示范基地進行了田間生產試驗。試驗田首先進行了棉花秸稈收獲，然后用地膜清理機將地表殘膜清理掉，再耕地整平、澆水，大約15天后耙地保墑，實現土壤上虛下實目的[3]。

3.2鋪膜性能試驗

覆膜性能參數主要有采光面寬度合格率、膜邊覆土寬度合格率、膜邊覆土厚度合格率、地面采光展平度及采光面機械破損程度等，試驗結果如表3所示。由表3可知：播種機主要指標已經達到或超過國家標準JB/T7732-2006《鋪膜播種機》。

表3　覆膜性能試驗結果

3.3播種施肥性能試驗

播種施肥性能參數主要有株距合格率、施肥深度合格率、單粒率、空穴率及種子破碎率等，試驗結果如表4所示。試驗結果表明：播種施肥性能參數全部達到或超過國家標準JB/T7732-2006《鋪膜播種機》。

表4　播種施肥性能試驗結果

4　結論

1)折疊式智能化機采棉精量播種機實現了功能集成創新，進地一次完成多項工序，同時更加智能化，符合農機智能化發展趨勢。

2)可對折機架經過應力校核及模態分析，可實現左右機架對折，有利于道路運輸和田間轉彎；限深平地滾筒和種帶刮土器的配合使用保證了棉苗成活率；衛星定位同步控制在施肥裝置的應用使施肥速度與機具行進速度一致，施肥更加均勻；耐磨式開溝器改善生長環境，一級傳動仿形播種裝置保證了播深一致性；智能監控系統實現施肥、播種實時監控，出現問題可及時報警；兩段式覆膜滾筒將地膜覆蓋更加牢固，不會被風吹走的同時保證棉花生長需要；北斗導航系統的應用使高精度行距要求成為可能，有利于棉花的機械采摘。

3)室內臺架試驗和田間試驗表明：該機覆膜性能參數和播種施肥性能參數都達到或超過國家標準。

參考文獻：

[1]吳慧,許映飛,韓勇,等.地膜覆蓋對棉花營養土穴盤苗產量及養分吸收的影響[J].江蘇農業科學,2014(2):62-63.

[2]王玉榮,陳柏林,趙勇,等.關于當前棉花播種機發展趨向的探討[J].石河子科技,2001(6):27-28.

[3]宋德平,宋慶奎,成永朋,等.基于機采棉的折疊式棉花覆膜播種機設計與試驗[J].中國農機化,2015(6):27-31.

[4]馬成林.精密播種理論[M].長春:吉林科學技術出版社,1999.

[5]Zhang Kepeng, Shao Lin, Lv Jingchun, et al. Modal Analysis on the frame of tractor[J].Automobile Technology, 2012(1):35-39.

[6]陳學庚,趙巖.棉花雙膜覆蓋精量播種機的研制[J].農業工程學報,2010(4):106-112.

[7]王吉奎,坎雜,吳杰,等.夾持自鎖式棉花精量穴播器的設計與試驗[J].農業機械學報,2006(5):54-56，82.