拋揚式膜際覆土馬鈴薯播種聯合作業機設計與試驗

石林榕 楊小平 趙武云 孫 偉 李榮斌 孫步功

(1.甘肅農業大學機電工程學院， 蘭州 730070； 2.酒泉市鑄隴機械制造有限責任公司， 酒泉 735000)

0 引言

甘肅省為馬鈴薯重要的主產區，種植面積逐年增加，但機械化作業水平較低[1-3]。壟作覆膜種植為甘肅的主要栽培模式，尤其寬壟雙行鋪膜種植機應用廣泛，效益較高[4]。

國外沒有針對地膜覆蓋技術的馬鈴薯播種機，且現有機型價格昂貴、維修耗時長[5]；國內學者根據不同地域馬鈴薯種植農藝研制出1220B型寬壟雙行馬鈴薯聯合作業機[6]、2CM-4型馬鈴薯播種施肥聯合作業機[7]、2CM-2型馬鈴薯播種機[8]、2CMG-4 型馬鈴薯播種施肥聯合作業機[9]、小型多功能馬鈴薯種植機[10]等，以上研究表明馬鈴薯寬壟種植模式較傳統種植模式優勢明顯。

針對甘肅省地膜覆蓋大壟雙行種植農藝模式，本文設計拋揚式膜際覆土馬鈴薯播種聯合作業機。依據連桿原理確定仿形架的開溝器安裝尺寸；研究種勺結構對取種率的影響；借助EDEM軟件進行鏈勺不同最大直徑、深度條件下對單種合格指數、漏播指數和重播指數影響的研究，并優選出取種性能較優的鏈勺尺寸，以期為甘肅省壟作地膜覆蓋馬鈴薯種植提供針對性較強的機型。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

如圖1所示，拋揚式膜際覆土馬鈴薯播種聯合作業機主要由主架、仿形架、旋耕裝置、排肥裝置、排種裝置、尾架、拋揚式覆土裝置等組成。其中，排種主要由鏈勺式排種裝置等完成；覆膜過程主要由膜架、壓膜桿等完成；膜際覆土主要由拋揚式覆土裝置、覆土鏟等完成。整機以三點懸掛方式與拖拉機聯接。

圖1 拋揚式膜際覆土馬鈴薯播種聯合作業機結構圖Fig.1 Structure diagrams of throwing and covering soil on film edge of potato combine seeder1.懸掛架 2.主架 3.旋耕裝置 4.起壟犁 5.仿形架 6.壟體整形板 7.開溝器 8.地輪 9.膜架 10.壓膜桿 11.拋揚式覆土裝置 12.覆土鏟 13.尾架 14.液壓油缸 15.升降架 16.鏈勺式排種裝置 17.排肥裝置 18.鋪管架 19.減速箱

1.2 機械種植農藝

拋揚式膜際覆土馬鈴薯播種聯合作業機機械化播種農藝作業過程如圖2所示。甘肅省河西走廊馬鈴薯種植農藝為：壟寬700 mm，壟高280 mm，壟距1 200 mm，種植行距400 mm，根據當地土質和降雨量，播種深度范圍為80～140 mm；膜際覆土量范圍為30～50 mm。馬鈴薯機械化播種具體作業過程如圖2a所示:先由旋耕裝置的旋耕刀片將地面分為相間的層土區和碎土區，其中1號層土區用于支撐壟型，2號碎土區用于投放種薯，3號碎土區用于起壟。圖2b為排肥裝置在中間層土區施基肥、起壟犁起壟、壟體整形板優化壟型、排種開溝器開溝和排種、覆膜，同時，3號碎土區保留一部分碎土用于膜際覆土；如圖2c所示，對地膜覆蓋壟型進行膜際覆土。

圖2 馬鈴薯播種聯合作業機農藝作業過程Fig.2 Agronomic processes of potato combine seeder1.層土 2.碎土 3.壟溝第1層碎土 4.馬鈴薯 5.地膜 6.基肥 7.壟溝第2層碎土 8.膜際覆土

1.3 工作原理

圖3 馬鈴薯播種聯合作業機運動傳遞過程Fig.3 Movement process of potato combine seeder1.三點懸掛架 2.動力輸入軸 3.變速箱 4.旋耕刀軸 5.地輪 6.排肥輪軸 7.勺鏈排種器動力輸入軸 8.勺鏈排種器傳動軸 9.液壓馬達 10.動力傳遞軸 11.拋揚葉輪軸 12.液壓缸

如圖1～3所示，作業時，拖拉機牽引整機以一定的速度前行。同時拖拉機動力輸出軸通過變速箱將動力傳遞至旋耕刀軸，在旋耕裝置作用下將地分為層土區和碎土區，如圖2a所示；安裝在仿形架上的地輪在土壤摩擦力作用下旋轉，分別帶動排肥裝置和鏈勺式排種裝置，排肥過程稍前于起壟過程，并施基肥于層土B區，其后起壟犁起壟和壟體整形板整型；同時，兩套鏈勺式排種裝置將馬鈴薯通過排種開溝器按一定株距交叉投放于碎土區。播種地膜在壓膜架的作用下鋪放于壟面，此時，層土區A、C兩側碎土區還存在一定量的碎土，如圖2b所示；拖拉機液壓系統驅動液壓馬達，帶動拋揚式覆土裝置進行二次碎土和覆土作業，如圖2c所示。

1.4 主要技術指標

拋揚式膜際覆土馬鈴薯播種聯合作業機主要技術參數如表1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 機架

2.1.1機架組成

傳統馬鈴薯聯合作業機機架屬于一體[11-12]，馬

表1 馬鈴薯播種聯合作業機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of potato combine seeder

鈴薯播深一致性較差；由于機體較長，運輸過程中容易發生側翻。為避免以上問題出現，本文設計的機架主要由主架、仿形架和尾架等組成(圖4)。主架用于安裝旋耕裝置，通過三點懸掛機構調節作業深度。仿形架用于安裝排肥裝置和播種裝置，與主架通過鉸接連接，仿形能保證馬鈴薯播深一致性；尾架用于安裝拋揚式覆土裝置，與仿形架鉸接，可通過液壓油缸作用升降覆土裝置，方便運輸。

圖4 機架結構圖Fig.4 Structure diagrams of frame1.主架 2.仿形架 3.尾架 4.液壓油缸 5.頂架 6.壓簧

2.1.2地輪安裝尺寸確定

開溝器與地輪在與土壤發生接觸的過程中保持穩定，根據連桿原理分析可將仿形架仿形過程簡化為曲柄滑塊機構，開溝器受到的土壤及自身重力扭矩與土壤對地輪向上的扭矩平衡。

對圖5b分析可知，矢量方程為

lOC=lOA+lAC

(1)

lOD=lOB+lBD

(2)

由式(1)、(2)可知A、C、D點坐標為

(3)

(4)

(5)

式中l3——開溝器與鉸接點O間的安裝距離，mm

R——地輪半徑，mm

l1——桿1長度，mm

α——桿1與x軸正向間的角度，(°)

β——桿2與x軸正向間的角度，(°)

θ——桿1與桿3間的夾角，(°)

由圖5b分析可知，桿2與水平線間的角度β始終為270°，因此式(4)可簡化為

(6)

為了使地輪與開溝器仿形量同步，C、D點y方向速度應相等，可得

l1cosα=l3cos(α-θ)

(7)

由式(7)可知，開溝器與地輪水平方向離O點安裝長度應相等，但地輪隨地面起伏與O點水平距離時刻發生變化，本機將開溝器安裝于地輪軸上來解決該問題。已知h2=90 mm、R=375 mm，根據馬鈴薯機械化種植農藝要求，種植深度按110 mm計算可得開溝器安裝高度為h1=295 mm，輪軸與O點的距離應大于地輪半徑，通過直角三角形邊長公式計算可知l1>364 mm，最終取l1為400 mm。

2.2 鏈勺式排種裝置

2.2.1排種裝置結構

鏈勺式排種器是目前馬鈴薯播種機應用較廣泛的作業部件。聯合作業機選取的鏈勺式排種裝置結構由種箱、鏈輪、鏈、張緊調節桿、防落板、鏈勺和導種管等組成，如圖6a所示。馬鈴薯種薯鏈勺式排種裝置使用鏈條帶動取種勺從種箱中舀取種薯，鏈條回轉將種薯運至開溝器處進行排種。為便于觀察，減少仿真時間，刪除與排種過程無關的部件，應用Solidworks軟件對馬鈴薯種薯排種裝置簡圖進行建模，以.mesh格式導入EDEM軟件，仿真簡圖如圖6b所示。

圖6 鏈勺式排種裝置Fig.6 Structure diagrams of chain-spoon potato metering device1.種箱 2.傳動張緊彈簧 3.鏈輪 4.防落板 5.鏈勺 6.鏈7.導種管 8.安裝座 9.張緊調節桿

2.2.2種勺尺寸優化確定

鏈勺式排種裝置的取種性能直接影響馬鈴薯播種機的播種質量，種勺基本尺寸對鏈勺式排種裝置的取種率有重要影響[13]。種勺直徑取決于種薯長度，深度取決于種薯厚度，為了增加充種穩定性，種勺深度小于種薯厚度的0.5倍[14-15]，選取“新大坪”整薯200個，長、寬、厚統計平均值范圍為64.5～89.5 mm、74～53.5 mm、42.5～63 mm。通過對馬鈴薯統計長和厚區間取平均，鏈勺上開口直徑D、深度H初值分別設為77、26.5 mm。鏈勺基本尺寸如圖7所示。為了優選鏈勺基本尺寸，借助EDEM軟件進行鏈勺不同最大直徑D、深度H條件下對單種合格指數、漏播指數和重播指數影響的研究，并以單種合格指數為重點考察指標，兼顧漏播指數和重播指數，優選出種勺結構參數。

圖7 鏈勺基本尺寸Fig.7 Basic sizes of spoons

2.2.2.1種薯模型

挑選球形、橢球形和不規則形3種類型統計平均值接近的種薯分別進行建模。具體建模過程為：將種薯沿最大輪廓切開，將切面與白紙貼合，用鉛筆

將輪廓描出；再將馬鈴薯沿寬度方向切片，根據馬鈴薯切片方向曲率確定切片厚度，曲率決定切片薄厚，切片厚度基本范圍為10～20 mm，并將每片輪廓描出，將全部馬鈴薯切片的輪廓線自頂向下的順序導入Solidworks，采用放樣命令進行馬鈴薯建模，將馬鈴薯三維模型以.mesh格式導入EDEM軟件中對馬鈴薯模型進行顆粒填充，馬鈴薯離散元模型如圖8所示。馬鈴薯填充顆粒信息如表2所示。

圖8 馬鈴薯離散元模型Fig.8 Discrete element model of potato

表2 馬鈴薯填充顆粒信息Tab.2 Information of potato filling particles

2.2.2.2仿真過程

種薯仿真所需參數如表3所示。

表3 種薯基本力學和接觸力學參數Tab.3 Physical and contact parameters of potato

仿真模型所選相關參數最大程度與實際條件保持一致，根據前進速度0.69 m/s和河西馬鈴薯種植穴距130 mm，鏈勺間距為113 mm，參考文獻[13]可得

v1=vl/L

(8)

式中v——整機前進速度，m/s

v1——鏈條線速度，m/s

L——理論粒距，mm

l——種勺間距，mm

圖9 排種仿真過程Fig.9 Process of chain-spoon potato metering device system

經過計算取種勺的運動速度為0.6 m/s，有效生成種薯310粒，仿真時間為168 s，其中0.7 s用于生成馬鈴薯種薯群。仿真時間步對仿真影響較大，若時間步過大，仿真可能發散；若時間步過小，會增加計算時間[17]，通過EDEM軟件自帶功能自動估算時間步為1.11×10-4s。馬鈴薯種薯排種仿真過程如圖9所示。隨著升運鏈回轉，種薯受到取種勺向上的推力和相鄰種薯的摩擦阻力，種薯被取種勺分離出種群，繼續隨升運鏈旋轉至排種口，完成一個周期的排種任務。

由仿真過程發現，薯群較厚時，種薯模型漏播率較小，重播率較大；仿真進行到后半程時，排種過程漏播率增大，重播率減小。

2.2.2.3試驗方案與結果

種薯仿真試驗方案及結果如表4所示。仿真試驗方差分析結果見表5。

由表5可知，種勺最大直徑對單粒合格指數、漏播指數和重播指數影響極顯著(P<0.01)，種勺深度對漏播指數影響顯著(0.01

表4 仿真試驗方案與結果Tab.4 Results and scheme of simulation experiment

表5 方差分析Tab.5 Variance analysis

注：*表示顯著(P<0.05)；** 表示極顯著(P<0.01)。

2.3 拋揚式膜際覆土裝置

2.3.1結構

如圖10所示，拋揚式覆土裝置主要由起土鏟、拋揚葉輪、碎土板和覆土整形犁等組成。當聯合作業機作業時，拖拉機液壓系統通過油管接通液壓馬達驅動拋揚葉輪旋轉，使起土鏟鏟起土壤向后上拋揚，土壤與碎土板碰撞細碎后落至地膜際邊，再經過覆土整形板刮勻覆土。

地膜覆土質量是影響地膜覆蓋馬鈴薯種植的關鍵因素之一[18]。覆膜土壤細碎程度和覆土量影響土壟溫度，覆土質量較差極易被風雨破壞，進而影響馬鈴薯出苗率和產量。為了保證拋揚式覆土裝置在作業過程中對地膜覆土的一致性和穩定性，需對影響其作業質量的關鍵參數(拋揚葉輪結構參數、轉速)進行理論計算和分析。

圖10 拋揚式膜際覆土裝置結構圖Fig.10 Structure diagram of throwing and covering soil on film edge of potato combine seeder1.外側板 2.起土鏟 3.拋揚葉輪 4.內側板 5.覆土整形板6.傳動軸 7.傳動防護罩Ⅰ 8.液壓馬達 9.支架 10.碎土板11.傳動防護罩Ⅱ

2.3.2膜際覆土量

圖11 膜際覆土作業過程Fig.11 Operation process with covering soil on film edge1.起土鏟 2.拋揚葉輪 3.固定架 4.碎土板 5.壟頂 6.壟溝 7.壟溝土 8.覆膜土

圖11為覆土作業過程：起土鏟將土壤鏟起，土壤經拋揚葉輪離心力作用拋至碎土板，細碎后在內側板和外側板的導向下落到地膜際邊，進行鎮壓，單側鏟起的土量應與單側膜際覆土量相當。如圖11所示，當聯合作業機在單位時間內由A點至A′點時，地膜兩側覆土量為

Q=2γΔtvS

(9)

其中

式中Q——地膜兩側覆土量，kg/h

Δt——單位覆土時間，h

γ——沙壤土容重，取1 300 kg/m3

S——起土鏟有效橫截面積，本文取6.668×10-3m2

w——起土鏟有效寬度，取0.24 m

r——起土鏟鏟形有效半徑，取0.20 m

由式(9)計算出Q=43 064.60 kg/h，又因整機前進速度為0.69 m/s，經過計算可知整機行走0.5 m單邊覆土量為5.98 kg，滿足膜際邊覆土要求。

圖12 拋揚葉輪運動分析Fig.12 Kinematic analysis of impeller

2.3.3拋揚葉輪的轉速

如圖12所示，拋揚葉輪作業時，拋揚葉輪一邊繞軸旋轉，一邊隨牽引機直線前行。拋揚葉輪葉片上一點的絕對運動軌跡是一條由旋轉運動與直線運動合成的擺線。牽引速度和拋揚葉輪旋轉角速度不同，對拋揚葉輪覆土性能產生不同的影響。細碎后的土壤在重力作用下落至膜際對地膜進行壓實。葉輪將單位時間鏟起的土壤細碎后拋向碎土板，這一過程葉輪轉速、葉片大小、葉片傾角均對覆土過程有影響。葉片半徑R1處某一點坐標為

(10)

式中R1——拋揚葉輪葉片端點的最大回轉半徑，m

ω——葉輪回轉角速度，rad/s

t——時間，s

h3——起土鏟后端距溝底的高度，m

(11)

v>ω(h3-R1)

(12)

整機前進速度為0.69 m/s，設計R1為230 mm，h3為70 mm。由式(12)可得ω<4.31 rad/s。為提高碎土性能，需提高ω，最終確定葉輪回轉角速度為4 rad/s。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗條件與材料

2017年4月，在甘肅省酒泉市鑄隴機械制造有限責任公司試驗田進行了拋揚式膜際覆土馬鈴薯播種聯合作業機田間作業性能試驗。試驗地土壤為沙壤土，田面較平整。試驗前對聯合作業機進行調試，在肥箱中加入磷酸二銨固體顆粒化肥，在種箱中添加平均三軸尺寸為77 mm×64 mm×53 mm的整塊種薯，種薯含水率為63.5%，表皮帶少量土粉。覆膜掛接架安裝(黑色)聚乙烯地膜(0.01 mm)，可采用地膜回收機收集。鏈勺式排種裝置的鏈勺最大直徑為77 mm，深度為25.5 mm。測定試驗指標前需將試驗后的地塊劃分為10個小區，每個小區為長度20 m的單壟。

3.2 試驗方法

試驗動力采用東方紅MF554型拖拉機，標定功率為40.45 kW，作業機前進速度為0.69 m/s。依據NY/T 1415—2007《馬鈴薯種植機質量評價技術規范》測定合格指數、漏種指數、重播指數、種植深度合格率和種薯間距合格指數[19-20]，覆土傾角作為能夠體現聯合作業機工作性能的測試指標；重點對旋耕裝置、鏈勺式排種裝置和拋揚式測覆土裝置的運轉情況進行檢驗。膜際覆土量和土量傾角分別用精度1 mm鋼板尺和角度尺測量，對每個小區按5 m距離分別測取膜際覆土傾角。拋揚式膜際覆土馬鈴薯播種聯合作業機田間試驗如圖13所示。

圖13 田間試驗Fig.13 Field test

3.3 結果分析

拋揚式膜際覆土馬鈴薯播種聯合作業機田間試驗結果如表6所示。由試驗結果可得，拋揚式膜際覆土馬鈴薯播種聯合作業機試驗指標均達到國家標準要求。試驗中整機傳動運轉平穩可靠，旋耕裝置

能將土壤分離為3個交替區(層土區和碎土區)。鏈勺式排種裝置取種流暢、排種精確。拋揚式覆土裝置傳動比合理，葉輪能將起土鏟鏟起土壤拋出，未發現起土鏟后端出現壅土現象，葉輪轉速能將土壤細碎，能將地膜兩邊覆蓋緊實，覆土角度合理。與傳統馬鈴薯聯合作業播種機播深合格率相比提升了4.87%[18]。

表6 田間試驗結果Tab.6 Results of field test

4 結論

(1)設計的馬鈴薯播種聯合作業機采用分段機架，播深合格率指標優于傳統播種機。依據離散元法優選出取種效果較好的鏈勺尺寸。計算出拋揚式膜際覆土裝置核心部件的結構和運動參數，提高了地膜際邊覆土質量。

(2)田間試驗表明，拋揚式膜際覆土馬鈴薯播種聯合作業機播種合格指數為88.6%，漏種指數為5.3%，重播指數為6.1%，種植深度合格率為90.4%，種薯間距合格指數為89.4%，覆土傾角為65.3°，田間性能試驗指標均達到行業標準要求，能夠完成旋耕、施肥、馬鈴薯播種、起壟、覆膜、膜際覆土一體化作業。

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