牽引式馬鈴薯整地施肥播種噴藥聯合作業機的設計

陳長海，畢春輝，王明軍，楊 沫

(哈爾濱市農業科學院，哈爾濱 150029)

0 引言

目前，我國的馬鈴薯種植面積在533.3萬hm2以上，預計到2020年將突破0.07億hm2以上，主要分布在西南、東北、西北等地區，面積和產量均占世界的1/4左右[1]。中國已成為馬鈴薯生產和消費第一大國。目前，我國馬鈴薯種植面積最大的是內蒙古，其次是貴州、黑龍江、甘肅等。黑龍江省的馬鈴薯種植面積約占全國馬鈴薯種植面積的11%，位于全國第三位[2]。目前，我國馬鈴薯種植方式均采用整地、施肥種植兩個作業工序分開作業，還有很大一部分地區采用整地、施肥、種植3個作業工序分開作業[3]。這種方式種植造成了機具作業次數多、對土壤壓實嚴重，增加了作業成本；作業時間長，不能在有限的播種期內進行適時播種；土壤保墑效果不佳等問題。

國內馬鈴薯播種機主要分為3大類：一是單純播種的播種機；二是肥、種一體的播種機；三是種、肥、藥三位一體的播種機，該項技術起步較晚，還不成熟。整地、施肥、播種、噴藥四位一體的馬鈴薯聯合作業機技術還處于摸索階段。

國外馬鈴薯機械化生產起步較早、發展快、機械化程度高， 20世紀80年代德、英、法等國家相繼實現了馬鈴薯生產機械化。德國馬鈴薯主產區的氣候條件、土壤特點與黑龍江省北部地區的生產條件基本相似，常年種植面積約28萬hm2，從種植到收獲基本實現機械化。但是，進口機具價格昂貴同時外國進口的機具尤其是在黑龍江省黏重土壤條件下多數有“水土不服”癥狀，因此不適宜在全省全面引進應用[4]。因此，研制適合黑龍江省特殊土壤條件的高效優質的馬鈴薯整地、施肥、種植及噴藥聯合作業機是馬鈴薯種植過程中亟待解決的關鍵環節，該項技術及機具是農機和農藝相結合的技術，適于形勢發展需要，推廣前景廣闊。

1 總體結構及主要技術指標

1.1 總體結構

本文設計的聯合作業機主要是集成旋耕整地技術及馬鈴薯播種技術而創新研發，將傳統馬鈴薯整地、播種分次作業優化為一次作業的聯合作業機—牽引式馬鈴薯整地施肥播種噴藥聯合作業機。該機通過優化設計整機模塊化組裝方案，使機架、整地部件、地輪架、播種架通用單體、施肥單體、噴藥單體等部件合理、協調組合；同時，可根據行距靈活調整，不僅使機器區域適應性廣，而且有利于產業化批量生產。其采用了交叉取種技術，配以震動排種部件，實現了精量播種[5]；施肥與播種相對位置固定，使種肥相對位置精確，肥效一致。同時，設計了種床消毒滅菌系統，在播種的同時對種床進行消毒滅菌，極大地降低馬鈴薯病菌的感染率，提高了秧苗成活率，增加產量。

該聯合作業機由機架、組合連接機架、旋耕整地部件、施肥部件、播種部件、噴藥部件及鎮壓部件等組成，如圖1所示。

1.2 主要技術指標

配套動力/kW：88以上

配套方式：牽引式

外形尺寸(長×寬×高)/mm：6 510×1 750×3 900

壟距/cm：70～90

株距/cm：17～44

作業行數：4

作業效率/hm2·h-1：1.2～1.6

漏播率/%：≤3

重播率/%：≤3

種箱容積/L：2 200

施肥箱容積/L：600

藥箱容積/L：350

種薯質量/g：40～100

結構質量/kg：2 900

1.牽引架 2.組合連接機架 3.旋耕機 4.噴藥箱 5.施肥箱 6.播種單體 7.種薯箱 8.鎮壓輥 9.行走地輪 10.覆土圓盤 11.播種開溝器 12.施肥開溝器圖1 整機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of whole machine

2 工作原理

聯合作業機田間播種作業時，操作拖拉機的液壓手柄控制機具上的伸縮液壓缸將機具降低至工作狀態；拖拉機將動力通過動力輸出軸傳遞至動力分配變速箱，一部分動力傳至旋耕機進行旋耕作業，另一部分傳至藥泵進行噴藥作業；拖拉機牽引機具前進行走[6]，行走地輪隨著拖拉機的前進而旋轉前行，旋轉的行走地輪通過鏈條將旋轉動力分別傳至施肥部件、播種部件；肥料和種薯分別排入各自開溝器開出的溝內；藥液同時噴淋到種薯及與其接觸的土壤上；覆土圓盤進行覆土，鎮壓輥進行鎮壓。牽引式馬鈴薯整地施肥播種噴藥聯合作業機田間播種作業圖如圖2所示。

3 關鍵工作部件及主要參數確定

3.1 施肥播種傳動系統的設計

施肥、播種的動力均由行走地輪提供，采用行走地輪作為動力[7]，因其在作業速度有變化時仍能保證一致的施肥量和株距。行走地輪通過萬向節伸縮傳動軸將動力傳給主動鏈輪，通過12A滾子鏈條將動力分別傳給施肥、播種部件。施肥播種傳動示意圖如圖3所示。

圖2 播種作業后圖片Fig.2 The picture of after planting

1.行走地輪 2.萬向節伸縮傳動軸 3.主動鏈輪 4.過渡鏈輪 5.施肥主動鏈輪 6.施肥鏈輪 7.播種主動鏈輪 8.播種鏈輪圖3 施肥播種傳動示意圖Fig.3 Schematic diagram of drive of fertilizer and sow

施肥傳動比為

播種傳動比為

3.2 旋耕機的設計

3.2.1 旋耕機傳動設計

因旋耕機作業幅寬3.6m，因此采用雙側箱分別傳動，傳動示意圖如圖4所示。

1.萬向節伸縮傳動軸 2.主變速箱 3.側變速箱 4.右旋耕刀軸 5.左旋耕刀軸圖4旋耕機傳動示意圖Fig.4 Schematic diagram of rotary tiller drive

3.2.2 旋耕刀軸轉速

旋耕刀軸及旋耕刀是旋耕機的重要工作部件，直接影響整地質量及功率消耗。旋耕刀選用不易纏草、土壤適用性好的彎形刀。設計同一切土區旋耕刀數Z=2，旋耕刀回轉半徑R=245mm。

該作業機組理論前進速度設計為3.5～4km/h，因此旋耕刀軸的轉速要與機組前進速度相匹配，過高會增加功率消耗，過低會影響碎土質量[8]。

旋耕刀端點的回轉切線速度與機組前進速度之比定義為旋耕速比λ(查找資料與實踐結合取λ=8)，即

λ=Rω/υm

(1)

由n=ω/2π，帶入式(1)得

n=λυm/2πR

(2)

式中υm—機組前進速度(m/s)；

R—旋耕刀的回轉半徑(mm)；

ω—旋耕刀的回轉角速度(rad/s)；

n—刀輥轉速(r/min)。

將數值帶入式(2)，經計算得n=327r/min，取整n=330r/min。

切土節距為

S=6000υm/nz

(3)

式中υm—機組前進速度(m/s)；

n—刀輥轉速(r/min)；

z—同一切土小區內旋耕刀數。

將式(1)帶入式(2)得

S=πR/5λz

(4)

將數值帶入式(4)經計算得S=7.6mm。碎土質量理想，耕底平整。

3.3 播種部件設計

播種部件設計為取種勺與橡膠輸送帶結構，為了保證充種、剔種順暢，種勺雙列排布[9]，排距Sp=115mm，取種勺間距為Ss=68mm。

試驗表明：取種勺線速度為0.5m/s時[10]，播種質量最佳，速度過高漏播率增加，過低重播率增加[4]。下面驗證該作業機傳動合理性，即

υs=πDd·nd

(5)

因nd=nL/iZ；nL=υJ/πDL，帶入式(5)得

υs=Dd·υJ/DL·iZ

(6)

式中υs—取種勺線速度(m/s)；

Dd—輸種帶輪直徑(m)，Dd=0.35m；

DL—地輪直徑(m)，DL=0.8m；

υJ—機組前進速度(m/s)，υJ=1.1m/s；

iZ—播種傳動比；

nd—輸種帶輪轉速(r/min)；

nL—地輪轉速(r/min)。

將數值帶入式(6)，得υs=0.49m/s，與最佳值0.5m/s非常接近，證明該作業機傳動系統合理。

3.4 施肥部件設計

施肥器主體采用不銹鋼與高強尼龍，排肥輪是耐磨性高的“牛筋”材質的“荷蘭”施肥器，施肥穩定，性能可靠。施肥器三維模型示意圖如圖5所示。

圖5 施肥器三維示意圖Fig.5 Schematic diagram of Fertilizer 3d

3.5 株距和施肥量調節機構設計

播種株距大小和施肥量多少的調節原理是一致的，通過更換施肥(播種)鏈輪，改變各自傳動比實現調節，不僅調節方便而且準確可靠。松開張緊輪，卸下去鏈條、施肥(播種)鏈輪，更換上與所需株距(施肥量)對應的鏈輪即可。調節機構示意圖如圖6所示。

調節機構要保證調節方便快捷、準確，快捷調速機構示意圖如圖7所示。其中，固定座套通過彈性脹銷與施肥(播種)軸固定連接，固定座套上安裝兩個內六角圓頭螺釘；施肥(播種)鏈輪的周向力通過傳遞至施肥軸；快捷擋銷固定施肥(播種)鏈輪的軸向位置。調速時，拔下快捷擋銷，即可快捷更換施肥(播種)鏈輪。

1.施肥(播種)主動鏈輪 2.支撐鏈輪 3.施肥(播種)鏈輪 4.張緊輪 5.滾子鏈圖6 調節機構示意圖Fig.6 Schematic diagram of adjusting mechanism

1.施肥(播種)軸 2.固定座套 3.內六角圓頭螺釘 4.施肥(播種)鏈輪 5.快捷擋銷圖7 快捷調速機構示意圖Fig.7 Schematic diagram of speed regulating mechanism

3.6 噴藥系統設計

噴藥系統主要由具有循環混拌功能的隔膜泵、控制閥、過濾器及分配器組成。每行布置2個噴頭，噴頭布置如圖8所示。該噴藥系統主要是對種薯及種床(與種薯直接接觸的土壤)進行消毒滅菌[6]。因此，噴頭采用前后對置，用以實現對種薯及種床無死角進行噴淋消毒滅菌。

4 試驗效果

近兩年先后試制兩臺樣機，并先后在哈爾濱市對青山鎮馬鈴薯基地、齊齊哈爾市富裕馬鈴薯基地建立兩個試驗點，累計作業333.3hm2。作業效果非常理想，機具性能穩定，故障率低，在作業期間只出現過少許易損件更換現象。這兩個基地均是哈爾濱麥肯有限責任公司的供應商，在作業期間麥肯公司農藝技術人員多次來基地進行技術指導、檢查，檢查播種深度均勻性、株距均勻度、重播率、漏播率等，然后利用專用的分析軟件對播種機進行綜合性能分析。該機平均綜合性能值是92.5，進口馬鈴薯播種機如Grimme(格力莫)的平均綜合性能值是91左右。由此可見，該機具的性能是非常理想、可靠。

1.播種開溝器 2.前置噴頭 3.種薯導槽 4.種薯 5.后置噴頭圖8 噴頭布置示意圖Fig.8 Schematic diagram of sprinkler head

在試驗期間，黑龍江農墾農業機械試驗鑒定站對機具進行性能檢測。檢測結果表明：主要性能指標重播率和漏播率全部低于3%，均高于國家標準。機具作業期間得到多方面領導、專家和廣大農民朋友的一致認可及好評。

該機播種質量高，株距均勻，重播率低，漏播率低，播種深度一致，壟形飽滿。旋耕使土壤松碎不僅有利于馬鈴薯生長而且便于后續中耕作業。

5 結論

1)通過理論分析同時結合田間實際作業試驗表明：研制的“牽引式馬鈴薯整地施肥播種噴藥聯合作業機”一次作業可順利實現馬鈴薯整地、雙側深施肥開溝、施肥、播種開溝、播種、種床消毒滅菌、覆土及鎮壓等多項作業，各項性能指標均達到設計要求，性能穩定。

2)采用旋耕整地技術與播種技術結合的聯合作業機，減少了作業工序、成本、提高了效率，保墑效果極佳，而且旋耕可將拖拉機碾壓后的土壤旋至疏松，非常利于馬鈴薯生長，起壟高度一致亦即覆土深度一致，出苗整齊。

3)樣機試制完成后進行333.3hm2的實際播種作業，同時邀請黑龍江農墾農業機械試驗鑒定站對機具進行性能檢測，結果證明：主要性能指標重播率和漏播率都低于3%，均高于國家標準。

4)該項技術及機具不僅適合黏重土壤馬鈴薯種植，更加適合沙壤土馬鈴薯種植區，其市場需求旺盛，推廣前景廣闊。