2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機設計與試驗

張愛民，李明軍，謝 慶，李 偉，陳長林

(1.濱州市農業機械化科學研究所，山東 濱州 256600；2.農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

0 引言

全程機械化是棉花生產的根本出路[1]，在棉花生產全程機械化的過程中，最基本的要求就是能夠實現棉花的機械化采摘[2]。在我國，三行采棉機既可以在田塊面積較大的新疆地區使用，又可以在田塊面積相對較小、種植密度大的黃淮海地區使用；同時三行采棉機的工作效率要遠高于兩行采棉機，而價格要低于五行、六行采棉機[3]，因此三行采棉機在我國的應用十分廣泛。機采棉對于行距的要求十分嚴格，需要76cm等行距種植[4]，而棉花一膜三行等行距種植模式符合機采棉對于行距的要求，是一種高產、輕簡的種植方式[5]。

在棉花生產全程機械化的配套機械中，棉花播種機的研發是重點。在棉花播種機的研發過程中，首先，要堅持農機農藝充分融合；其次，研發機具必須利于搶農時，也就是能同時完成多個工序，盡量減少機具進地次數，起到保墑效果；最后，棉花對播種質量的要求比較高，播深必須控制在1～3cm，過深過淺都不利于棉花的發芽出苗，種床要求下實上虛，也就是棉種要播在實地上[6]。

根據上述棉花的播種要求，結合國內采棉機的使用現狀及棉花一膜三行等行距種植模式的優點，項目組研發了2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機。該播種機針對三行采棉機進行設計，經生產試驗考核，其各項技術參數、性能指標，均達到了設計要求。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構

2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機主要由機架、劃行器、平行四連桿仿形機構、肥箱、種箱、施肥開溝器、播種開溝器、指夾式排種器、平地限深輪、鎮壓輪、展膜滾子、覆土滾筒、覆土圓盤，以及開溝圓盤等部件組成，如圖1所示。

1.機架 2.肥箱 3.種箱 4.平行四連桿仿形機構 5.覆土滾筒 6.覆土圓盤 7.邊膜覆土圓盤 8.開溝圓盤 9.指夾式排種器 10.播種開溝器 11.劃行器 12.施肥開溝器 13.平地限深輪圖1 智能精量播種機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of intelligent precision seeder

1.2 工作原理

播種機工作時，采用三點懸掛方式與拖拉機連接，通過拖拉機牽引進行播種作業。機組前進時，平地限深輪將地表壓平，以方便覆膜作業；施肥開溝器、播種開溝器開溝，排肥器由電機帶動，排種器由鎮壓輪帶動，分別實現播種機的施肥和播種功能；鎮壓輪進行種床鎮壓；開溝圓盤開溝，地膜兩側由壓膜輪壓入由開溝圓盤開好的溝內，覆土圓盤將一部分土翻入地膜溝中，經膜上鎮壓輪壓實，另一部分土翻入覆土滾筒內，覆土滾筒內的導土板將土輸送到滾筒的漏土口，使土覆在地膜上。播種機配備的智能監控系統對播種、施肥進行實時監控，自動分析下種、下肥情況，出現問題能夠及時報警，避免重播(施)、漏播(施)，實現了精準播種、施肥，達到了節種、節肥目的。

2 關鍵部件的設計

2.1 施肥開溝器的設計

施肥開溝器通過U形卡安裝在播種機機架前下橫梁上，為了更好地進行施肥，避免出現施肥開溝器開溝犁頭磨損太快、開溝阻力大、開溝開出的土過早回落、易被雜草、殘膜纏繞等問題[7]，項目組設計的施肥開溝器如圖2所示。

1.矩形管 2.圓形導肥管 3.開溝器大側板 4.開溝器小側板 5.開溝犁頭圖2 施肥開溝器結構簡圖Fig.2 Structure diagram of fertilizer opener

施肥開溝器開溝犁頭由耐磨材料加工而成，可單獨拆卸，方便更換；開溝器側板能有效防止開出的土壤過早地滑落到肥溝內，其結構簡單、經濟可靠，能夠滿足棉花施肥的要求。

2.2 棉花精量播種裝置的設計

本裝置是一種具有單體仿形、一級傳動、智能報警及播種鎮壓功能的棉花單粒精播機構，與播種機機架的前橫梁緊固聯接，構成整機。該機構主要由弧形四連桿部件、智能報警指夾式排種器部件及同心圓一級傳動系統組成，解決了在不平地面上作業時深淺不一致的問題，達到各行播種一致性的技術要求。該機構利用同心圓理論，實現了一級傳動，作業時該機構調整播種深度時鏈條長度不變，對排種器的傳動更為可靠，提高了播種深度一致性、穴距一致性及單粒率等各項性能指標。其結構示意圖如圖3所示。

1.機架前橫梁 2.平行四連桿機構 3.種箱 4.鎮壓輪總成連接板 5.鎮壓輪總成 6.鎮壓輪 7.同心圓軌道板 8.軌道板連接板 9.指夾式排種器 10.播種開溝器圖3 棉花精量播種裝置示意圖Fig.3 Structure diagram of cotton precision seeding device

根據同心圓理論，在鎮壓輪兩輪叉前下方設計有同心圓軌道板，同心圓軌道板上設計有同心圓弧形槽，固定支架上有兩個控制弧形槽上下調整運動軸銷，鎮壓輪總成上端有一個鉸鏈銷軸；在上、下調整改變播深時，由于同心圓弧槽在定位控制銷的約束下，使地輪與排種器軸距離不變，傳動鏈條長度也不變，因此傳動更為可靠。

2.3 播種開溝器的設計

播種機采用的播種開溝器是改進型尖角式開溝器，主要由開溝犁頭、開溝器側板及矩形管等組成，如圖4所示。該開溝器開溝犁頭由耐磨材料加工而成，可單獨拆卸，方便更換，有較好的入土能力，開溝阻力小，且能切斷土壤中的殘根，開溝動土量小，溝底平整，播幅較窄。經大田試驗驗證，其播深一致性好，出苗均勻。開溝器側板不僅能有效防止開出的土壤過早地滑落到種溝，而且還能增強該播種機在大風環境下的作業效果，使得土層不混亂，下層可保證為濕土，與平行四連桿仿形機構配合使用開出的種溝深度一致，能夠滿足棉花播種的要求。

1.開溝犁頭 2.開溝側板 3.矩形管圖4 播種開溝器結構簡圖Fig.4 Structure diagram of furrow opener

2.4 長度伸縮可調劃行器的設計

播種機配備了北斗導航自動駕駛系統，保證行駛的直線性，同時保證76cm等行距。

由于北斗導航系統價格較高，現階段推廣較為困難，為解決這一問題，項目組設計了長度伸縮可調的劃行器，配備了劃行器之后，駕駛員可以根據劃印來駕駛拖拉機，保證棉花為76cm等行距播種。

機采棉播種采用梭行行走法，需要左右各安裝一個劃行器，以駕駛員右前輪對行時計算為例，計算劃行器臂長[8]。駕駛員以拖拉機右前輪對行時，劃行器的左臂長L左、右臂長L右，計算公式為

(1)

(2)

式中L左—劃行器左臂長；

L右—劃行器右臂長；

x—播種機兩處外開溝器的距離；

y—拖拉機前輪中心線間距；

a—行距。

已知該播種機兩處外開溝器的距離x=1.52m，約翰迪爾5-850拖拉機前輪中心線間距y=1.63m，行距a=0.76m，將上述數值分別帶入式(1)、式(2)中，經計算得：L左=2.335m ，L右=0.705m。

當以中心對行時，左右臂長相等，則

通過使用劃行器，行距的一致性能夠得以保證。

3 相關參數計算

3.1 動力配置驗算

使用測功設備對機組行走消耗功率進行實測并與播種、鎮壓的估算消耗功率相加得N1=14kW，考慮到會出現意外的超負荷現象，機組必須有一定的動力儲備，動力儲備功率為N2=5kW，所以播種機的消耗功率為N=N1+N2=19kW。

該播種機的動力由約翰迪爾5-850拖拉機提供，動力輸出功率為53.69kW，滿足播種機作業功率的需求，且具有充足的功率儲備。

3.2 機具的重心位置分析

機組在工作位置時，經測量，有關參數如圖5所示。

G1.化肥質量；G2.種子質量；G3.機架及平地限深輪質量； G4.散件質量；G5.展膜滾子質量；G6.覆土滾筒質量圖5 機具重心位置示意圖Fig.5 Structure diagram of the center of gravity of the machine

機具的重心位置可用式(3)進行計算，即

(3)

由實際測量可得，G1=100kg，G2=10kg，G3=170kg，G4=75kg，G5=25kg，G6=105kg，將上述數值帶入式(3)中，得機具的重心位置X=898.7mm。

3.3 縱向穩定性的校核

懸掛機組對拖拉機穩定性的影響程度，可用穩定儲備系數λ來判斷[9]，λ可由式(4)計算得出。機組穩定性校核示意圖如圖6所示。

(4)

式中G使—機具使用質量；

b—機具重心與拖拉機后輪的水平距離；

W—拖拉機質量；

a—拖拉機重心與后輪的水平距離。

其中，拖拉機重心與后輪的水平距離a為

(5)

式中L—拖拉機軸距；

N1—前輪質量分配；

W—拖拉機重量。

約翰迪爾5-850拖拉機軸距L=2 200mm，前輪質量分配N1=1 700kg，加配重約翰迪爾5-850拖拉機質量W=3 050kg，將上述數值帶入式(5)中，得拖拉機重心與后輪的水平距離a=1 226mm；

機具使用質量G使=485kg，機具重心與拖拉機后輪的水平距離b=1 220mm，加配重約翰迪爾5-850拖拉機質量W=3 050kg，拖拉機重心與后輪的水平距離a=1 226mm，將上述數值帶入式(4)，得λ=0.16。為使機具能夠穩定工作，λ的范圍為λ≤0.4，故該拖拉機機組穩定性安全可靠。

圖6 機組穩定性校核示意圖Fig.6 Structure diagram of unit stability check

3.4 機具所需提升力分析

1)已知約翰迪爾5-850拖拉機下懸掛點后610mm處可提供最大提升力為16.8kN[10]。

2)由圖5可知，機具總質量約為3.75kN，下懸掛點至機具重心距離X=898.7mm。

3)根據以上參數可知，3.75kN×898.7mm<16.8kN×610mm，故提升力安全可靠。

3.5 排種器懸掛梁的校核

根據排種器懸掛梁的情況，畫出受力圖[11]，如圖7所示。

圖7 懸掛梁受力圖Fig.7 Structure diagram of the force of the suspension beam

其中，排種器單體重力：G=600N。

由平衡條件可知，約束反力為FO1=FO2=(G+G+G)/2=3G/2=900N。

下面開始求彎矩，由于O1、O2對稱，所以只求O1、A、B點即可。

A點的彎矩為MA=3G/2×O1A=166.5N·m；B點的彎矩為MB=3G/2×O1B-G×AB=394.5N·m。

根據計算，得出排種器懸掛梁幾個重要點的彎矩圖，如圖8所示。

圖8 梁上各點彎矩圖Fig.8 Structure diagram of the bending moment of each point on the beam

總轉矩：T=TO1+TA+TB+TC+TO2=0

排種器單體升起90°后對梁產生彎矩，則TA=TB=TC=600N×300mm=180N·m。

端點轉矩：TO1=TO2=270N·m，TO1與TO2大小相等，方向相同；TO1A=TO1=270N·m；TAB=TO1-TA=270-180=90N·m。

BC段的扭矩與AB段相同，只是正負號相反；CO2段的扭矩與O1A段相同，只是正負號相反。扭矩圖如圖9所示。

由于M2>M1，所以B點處截面為危險截面。

圖9 梁上各點扭矩圖Fig.9 Structure diagram of torque at each point on the beam

4 機具檢驗

2016年4月，項目組在無棣縣西小王鄉對2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機進行了作業試驗，試驗情況如圖9和圖10所示。試驗結果表明：播種機作業順暢，播深一致性好，覆膜平整，實現了單粒精播，出苗率高。

圖10 2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機大田作業Fig.10 2BMJ-3A type intelligent precision seeding machine based on technology of harvesting cotton by cotton-picker is working in the field

圖11 棉花播后出苗及棉苗生長情況Fig.11 Seedling emergence and growth of cotton seedlings after sowing

2016年5月，山東省農業機械產品質量監督檢驗站在濱州市濱城區秦皇臺鄉王家村對2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機進行了檢驗，檢驗結果如表1所示。

表1 2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機檢驗結果Table 1 Inspection result of 2BMJ-3A type intelligent precision seeding machine based on technology of harvesting cotton by cotton-picker

續表1

數據出自山東省農業機械產品質量監督檢驗站檢驗報告W201605097。

5 結論

1)2BMJ-3A型基于機采棉的智能精量播種機針對三行采棉機進行設計，采用一膜三行等行距種植模式，一次進地可完成種床碎土、側深施肥、種床鎮壓、精量播種、覆土鎮壓、寬幅覆膜及膜后覆土等工序，減少了機具的進地次數，工作效率高，與單項作業相比，減少了棉農的生產成本。

2)對播種機關鍵部件進行了設計：施肥開溝器的設計，避免了開溝犁頭磨損太快、開溝阻力大、土過早回落到溝內、易被雜草及殘膜纏繞等問題；棉花精量播種裝置的設計，利用同心圓理論，實現了一級傳動，解決了在不平地面上作業時深淺不一致的問題；播種開溝器的設計，有較好的入土能力，開溝阻力小，能切斷土壤中的殘根；長度伸縮可調劃行器的設計，保證播種行距的一致性。

3)田間試驗表明：該播種機顯著提高播種質量，各項指標均達到設計要求。