整地播種一體機的設計與應用

王黎陽，楊發(fā)展，李維華，姜芙林，薦世春

（1.青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島 265200；2.山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院，山東濟南 250100）

近年我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化水平逐步提高，已基本滿足傳統(tǒng)的農(nóng)藝要求，然而與國外規(guī)模化生產(chǎn)相比，還存在著技術起步較晚，整體水平較低，且大部分為單一化作業(yè)［1-3］。以魯東部分地區(qū)為例，地勢平坦，作業(yè)面積廣闊，耕整地與播種工作基本擺脫了人工作業(yè)，且能夠參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機型種類較多，但存在著機具的作業(yè)功能比較單一，在整地作業(yè)后，動力機具還需要離開耕作區(qū)更換播種機再進行播種作業(yè)和后續(xù)的鎮(zhèn)壓等工序，不僅費時費力，也容易耽誤農(nóng)時［4-5］。

集成化作業(yè)農(nóng)機具可以實現(xiàn)一次進地作業(yè)同時完成耕地、整地、滅茬、起壟等多項作業(yè)，是一項保護性作業(yè)方式。但由于起步較晚，許多機型開發(fā)后還未能進行充分的田間試驗，極易導致機具難以滿足農(nóng)藝要求，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不利影響。基于上述分析，為加速推動農(nóng)機集成化與聯(lián)合化作業(yè)，越來越多的專家學者投身其中，如喻啟忠等［6］研發(fā)了一種22BZL-8型聯(lián)合整地播種機，可以實現(xiàn)多種作業(yè)同時進行，并通過更換部件實現(xiàn)不同穴播模式的轉換；王超柱等［7］研發(fā)了一種旋耕施肥播種機，并通過試驗獲得了不同播種模式下的作業(yè)效果。

本研究通過對不同耕整地作業(yè)模式及市場現(xiàn)有機型的深入對比篩選［8，9］，總結現(xiàn)有聯(lián)合化作業(yè)機具的不足，選取碎土整平效果較優(yōu)的立式旋耕機與小麥條播機進行集成，研制出一種施肥、整地、播種一體化作業(yè)機，提出將肥箱搭載于立式旋耕機上，采用溝播施肥方式，通過立式旋耕攪勻肥料，提高肥料利用率及小麥吸收效率，并采用液壓懸掛架連接不同農(nóng)機具，既能滿足作業(yè)要求，還可有效調(diào)節(jié)農(nóng)機高度，提高作業(yè)靈活性與農(nóng)機間的匹配程度。通過施肥、整地、播種等多種工作集成作業(yè)，可以有效保護耕層結構，為小麥生長提供良好的種床環(huán)境，對提高作業(yè)質量、減少勞動成本、提高肥料利用率、實現(xiàn)小麥增產(chǎn)具有重要意義［10，11］。

1 整地播種一體機結構形式與工作原理

1.1 設計思路

通過對比現(xiàn)有幾種主要耕作模式及對應農(nóng)藝要求，提出以下設計思路：

（1）在傳統(tǒng)整地機械中進行篩選比照，選擇立式旋耕機與能夠實現(xiàn)精量播種的條播機整合為可以集成作業(yè)的一體機，并通過優(yōu)化改良關鍵工作部件，提高整機作業(yè)性能。

（2）為提高不同農(nóng)機具間的匹配程度，使用液壓懸掛架進行連接，可以在作業(yè)過程中調(diào)節(jié)農(nóng)機工作高度（進而實現(xiàn)對播種深度的調(diào)整），且有利于作業(yè)前的機具運輸。

1.2 整機基本結構

本研究對整地播種一體機設計的主要結構形式如圖1所示，整機主要包括施肥裝置、立式旋耕機（動力驅動耙）與小麥條播機。

圖1 整機結構簡圖

整機采用三點懸掛方式與拖拉機連接，動力傳動方式如圖2所示，減速箱輸入軸由拖拉機輸出的萬向節(jié)獲得動力，通過變速箱調(diào)節(jié)轉速，并通過錐齒輪傳動改變傳動的轉速方向，帶動動力耙箱體中的齒輪組傳動，進而驅動動力耙的刀組進行立式旋耕作業(yè)。刀組兩側與后方設有刮土板，可有效防止作業(yè)過程中土壤飛濺，保證整平效果。動力耙與碎土輥之間除使用銷軸連接外，使用液壓缸連接用以調(diào)節(jié)碎土輥作業(yè)深度。

圖2 傳動方式示意圖

動力驅動耙部分采用與施肥箱、施肥器組合設計。施肥箱安裝于動力耙主箱體上方，施肥方式采用溝播施肥，施肥器安裝于動力耙前側橫梁上。整機中的施肥器擬采用分層施肥原理，通過一次分三層施肥，滿足小麥生長過程中的肥料需求。

一體機播種部分采用小麥條播機進行播種作業(yè)，主要由懸掛架、種箱、排種輪、種子調(diào)整器等結構組成，播種機與動力耙之間采用液壓懸掛架連接，不僅連接緊密，還可通過液壓調(diào)節(jié)播種機高度，在運送過程中提升播種機使整機總體長度縮小，減少轉彎半徑，增大整機運送的靈活性。

1.3 工作原理

一體機工作原理如圖3所示。機具在作業(yè)過程中首先進行施肥作業(yè)，將肥料撒入土壤中，立式旋耕在進行碎土整平作業(yè)的同時，將肥料攪勻入土；待旋耕之后迅速進行整平鎮(zhèn)壓，增加土壤的緊實度，為小麥種子生長提供良好的種床環(huán)境，最后進行播種作業(yè)。通過整機一次入田，可同時完成施肥、整地、鎮(zhèn)壓、播種等多項作業(yè)。行進過程中，肥箱與種箱通過自配小電機獲得動力進行排肥與播種作業(yè)，旋耕部分由拖拉機獲得工作動力。

圖3 一體機作業(yè)原理圖

2 一體機關鍵部件設計

如今農(nóng)業(yè)機械聯(lián)合化發(fā)展的主要障礙為不同農(nóng)機匹配程度較低、銜接性不足，因此本研究設計的整地播種一體機以減少耕層土壤破壞、提供優(yōu)良種床環(huán)境為目標，對整地播種一體機的關鍵作業(yè)部位立式旋耕部分的幾項關鍵部件進行優(yōu)化設計。

2.1 旋耕刀組運動參數(shù)計算

立式旋耕機工作時，旋耕刀依靠齒輪的嚙合傳動，因此選擇一組相鄰的旋耕刀進行分析，其整體運動為繞刀軸中心的圓周運動與機具前進帶來的直線運動的合成［12，13］。刀組運動分析示意圖如圖4所示。

在轉向相反的相鄰旋耕vt刀上各取一點a1、a2，得出兩點的位移分別為：

圖4 旋耕刀運動分析圖

式中：R為旋耕刀刀尖與中心軸間的最大距離；va為整機前進速度；τ旋耕刀初始安裝夾角；ω為旋耕刀圓周運動角速度；t為運動時間；L為相鄰旋耕刀盤中心距。

由方程（1）與方程（2）可知，立式旋耕機的旋耕刀運動軌跡為擺線，根據(jù)位移公式可以進一步推導出旋耕刀軌跡路線上任一點的曲率半徑ρ為：

其中，λ為余擺線運動中的刀具速比，其表達式為：

由公式（4）可見，在整機作業(yè)過程中，刀具工作角速度保持不變，速比λ隨整機前進速度的增大而減小，由公式（3）可知λ減小會導致軌跡路線曲率圓減小，曲率半徑逐漸增大。由速比λ不同可分為兩種情況：

以一組相鄰旋耕刀為觀察對象，用 Solid-Works進行三維實體建模，并通過Motion插件對旋耕刀進行運動仿真，賦予兩旋耕刀數(shù)值為260 rad／min、轉向相反的轉速，以及前進速度 v，通過跟蹤刀尖行動軌跡來觀察旋耕刀作業(yè)效果，不同前進速度的軌跡路線如圖5所示。可見前進速度v加快會導致耕作區(qū)域逐漸稀疏，只有軌跡為余擺線路線時，才能達到良好的碎土作業(yè)效果。

圖5所示的作業(yè)軌跡也適用于臥式旋耕，臥式旋耕刀尖軌跡為豎直面內(nèi)的擺線形狀，隨著速度加快臥式旋耕刀向后拋土能力逐漸降低至消失，并嚴重影響耕作深度，而立式旋耕的作業(yè)速度只會影響碎土效果，與耕深及溝底平整度無關，因此，立式旋耕可以使用較大工作速度，但為了保證碎土整平效果，立式旋耕機的速比取λ＞1，工作參數(shù)正常為：v＝0.5～1.5 m／s；ω＝190～260 rad／min；h＝20～28 cm。

圖5 旋耕刀不同前進速度軌跡圖

2.2 碎土輥設計

碎土輥設置在動力驅動耙后，在旋耕作業(yè)后進行工作，可以將旋耕未能打碎的堅硬土塊進行二次破碎，并將經(jīng)過旋耕整平后呈疏松狀態(tài)的耕層土壤進行壓實，碎土輥上布滿輥齒，有助于破碎大塊土壤，輥齒前端呈弧線型，可以有效減少入土阻力，提高碎土輥作業(yè)穩(wěn)定性。碎土輥結構形式如圖6。

圖6 碎土輥結構示意圖

碎土輥作業(yè)原理與圓盤耙相似，因此按照圓盤耙結構參數(shù)公式進行理論計算，碎土輥直徑D主要與作業(yè)深度有關，表達式為：

式中：K為徑深比系數(shù)，根據(jù)耙種類不同，取值區(qū)間不同，總取值區(qū)間為3～7；amax為最大工作深度。

研究表明，小麥、玉米的播深為30～50 mm時產(chǎn)量表現(xiàn)較為突出，取經(jīng)驗參數(shù)K最大值7，由式（6）可得碎土輥主體直徑為350 mm。通過圓盤耙耙片厚度計算公式確定碎土輥輥齒厚度：

根據(jù)公式（7）得出輥齒厚度取值范圍為：2.8 mm＜δ＜7.0 mm，綜合考慮板材標準厚度、工作可靠性與加工簡易性問題，取輥齒厚度為10 mm。

2.1.2 節(jié)介紹了哈希函數(shù)可以用于檢驗消息是否被篡改，但是消息的接收方卻無法確認消息的發(fā)送方是誰。數(shù)字簽名能很好地克服該缺點，用戶首先產(chǎn)生2把不同密鑰，其中一把為私鑰，需要秘密保管；另一把為公鑰，需要公開發(fā)布，且他人很難從用戶的公鑰推算出相應的私鑰。一個數(shù)字簽名方案[16-17]包含3個多項式時間算法：

輥齒間距計算公式為：

式中：a為工作深度。

滿足公式（8）即可保證碎土作業(yè)不會產(chǎn)生泥土堵塞現(xiàn)象，取間距為90 mm的輥齒12個為一組，呈螺旋型排布于碎土輥上，保證只有少量輥齒同時作業(yè)，防止同一時間受力過大造成震顫；按照螺旋排布可有效防止多邊形效應，其排布方式展開圖見圖7。

圖7 碎土輥輥齒排列展開示意圖

為保證碎土輥能夠適應不同土壤環(huán)境，不會產(chǎn)生泥土黏附堵塞現(xiàn)象，在相鄰碎土輥的輥齒間安裝刮土板，以便及時清除碎土輥作業(yè)時輥壁黏附的泥土雜草，能夠有效保證作業(yè)質量。

2.3 液壓懸掛架

2.3.1 受力分析 圖8為液壓懸掛架結構示意圖，總體包括主支撐架、支撐梁、液壓缸、懸掛機架等部分。

圖8 液壓懸掛架結構示意圖

主支撐架主要用于承受液壓缸的支撐，與支撐梁一同對懸掛機架進行三點支撐，懸掛機架與播種機連接，連接方式采用銷軸與掛鉤連接，靈活度高、承載能力強。液壓懸掛架整體受到自身重力、條播機重力與液壓缸支持力作用，可看作兩點固定的四桿機構，整體與局部受力如圖9所示［14-16］。

圖9 液壓懸掛架受力分析圖

對其進行受力分析，可得受力平衡表達式：

2.3.2 仿真模型建立 通過UG進行三維實體建模并進行動力學運動仿真，動力耙連接機架作為固定部分設置固定副，液壓懸掛架各活動部分間采用旋轉副連接，懸掛機架與條播機相對靜止因此設為整體連桿，將液壓缸兩部分設為相對滑動的滑塊副，以液壓缸自身為矢量方向，設置v＝10 mm／s的勻速運動方式作為驅動力。液壓懸掛架與播種機金屬結構選擇鋼材為45＃，播種機處額外增加100 kg質量以模擬種箱裝滿時的工作狀態(tài)，求解時長30 s，步長500。

圖10 液壓懸掛架仿真模型建立

2.3.3 結果討論 通過仿真計算導出液壓缸滑動副處力矩圖與扭矩圖，如圖11、圖12所示。

液壓缸在勻速推進過程中，所受扭矩微弱，液壓懸掛架將條播機逐漸抬起并使其做圓周運動，直到提高至最大高度。由圖11可以看出，在0～7 s內(nèi)液壓缸力矩緩慢提高，主要因為在此期間條播機提升較為緩慢，在豎直方向位移變化較小。在7～19 s內(nèi)力幅迅速增大到35 000 N并保持相對穩(wěn)定，在此期間條播機豎直位移變化幅度較大，需克服重力與慣性力，因此所需力幅極大。在19～27 s內(nèi)液壓缸力幅減少到26 000 N左右，在27～30 s內(nèi)力幅迅速減小至5 000 N以下，因為條播機高度升到最大，不需要額外增加推力克服重力提升條播機。

由仿真可得作業(yè)過程中液壓缸作用力幅值大小，可通過此方法選出能夠滿足工作的液壓缸，提高懸掛架可靠性，達到靈活調(diào)整條播機高度的效果。

圖11 液壓懸掛架運動力矩

圖12 液壓懸掛架運動扭矩

3 一體機主要技術參數(shù)

該整地播種一體機的主要技術參數(shù)見表1。

表1 一體機主要技術參數(shù)

4 田間試驗

4.1 試驗地點

于2019年在平度市田莊鎮(zhèn)開展田間試驗，遵循試驗地選擇標準，選取面積為333.3 m2的地塊進行田間檢測（圖13），所選田塊地勢平坦、無障礙物，土壤為砂姜黑土，試驗面積滿足機具作業(yè)要求，玉米收獲后秸稈打碎回收，未拋撒入田。

4.2 作業(yè)性能測定方法

一體機入田作業(yè)使用約翰迪爾6J-2104輪式拖拉機進行懸掛牽引，動力為210馬力。課題組遵循JB／T 8401.1—2017《旋耕聯(lián)合作業(yè)機械》中旋耕聯(lián)合作業(yè)機評定標準對一體機進行測試，根據(jù)評定要求，耕深、耕深穩(wěn)定性、植被覆蓋率、碎土率根據(jù)GB／T 5668旋耕機評定標準進行檢驗評定，各行排種量一致性變異系數(shù)、總排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)、種子破損率、播種均勻性變異系數(shù)、播深合格率根據(jù)GB／T 9478谷物條播機評定標準進行檢測評定。耕深與播深測量方法見圖14。

4.2.1 耕深及穩(wěn)定性 根據(jù)旋耕機相關作業(yè)性能測定要求，測定時，沿機組前進方向，每相隔2 m在左、右兩側各取一點，共取20點進行測定，根據(jù)GB／T 5668旋耕機評定標準計算耕深平均值與耕深穩(wěn)定性。

4.2.2 碎土率與植被覆蓋率 在已耕地的每個行程中測定一點，選取0.5 m×0.5 m面積內(nèi)的耕層土壤進行測定，土塊大小按照最長邊長度進行劃分，分別為＜4 cm、4～8 cm和＞8 cm三個等級，以＜4cm的土塊質量在總質量中所占比重作為碎土率，并在測定碎土率所選測點上通過耕前、耕后植被平均值進行覆蓋率計算。

4.2.3 排種（肥）量一致性變異系數(shù)及穩(wěn)定性在一體機未工作狀態(tài)下對條播機部分進行測定，JP2以工作行進理論速度折算電機轉速驅動排肥軸，以行進50 m為基準，測定行數(shù)為9行，重復5次，按照公式計算各行排量與總排量一致性變異系數(shù)，并同時計算總排量穩(wěn)定性。按照JB／T 8401.1—2017《旋耕聯(lián)合作業(yè)機械》評定標準，排肥量一致性變異系數(shù)與穩(wěn)定性測試方式與排種量測定方式相同。

4.2.4 種子破損率 從多個排種器排出的種子中以100 g為標準取5份樣本，選出破損種子進行稱量并計算在總質量中的占比，減去試驗前測定的種子原始破損率，進行5次重復測定取平均值。

4.2.5 播種均勻性 播種機進行下地試驗，在一個往返單程內(nèi)選取5個測定區(qū)域，測定行數(shù)為9行，條播機左、中、右各3行，測定區(qū)域不覆蓋土層，以100 mm為一個區(qū)段，每行分別選取30個區(qū)段進行測定，計算標準差、平均數(shù)等以計算均勻性。

4.2.6 播深合格率 在一體機進行一次往返作業(yè)后，在往返路徑上各選取5個區(qū)域進行測定，每個區(qū)域測定隨機5個點，挖開土壤用米尺量取覆土深度h，并計算測定區(qū)域內(nèi)覆土深度為（h＋1）cm的點占總測定點數(shù)的百分比，作為播深合格率。

4.2.7 功率消耗 采用電測法，對拖拉機動力輸出軸進行全程測定，分別測定扭矩、轉速和平均功率，進而計算出行程與工況平均值。

4.3 一體機作業(yè)評定結果

經(jīng)測定，該一體機測試結果（表2）滿足國家標準的要求。

表2 一體機作業(yè)評定結果

5 結論

（1）一機多能，集成作業(yè)。彌補了單一模式作業(yè)中存在的農(nóng)機銜接性差、延誤農(nóng)時等缺點，整機一次入田作業(yè)可同時完成施肥、整地、播種等多項工作，能夠避免機具多次入田導致的土壤壓實板結問題，可以有效保護耕層結構，提供優(yōu)質種床環(huán)境，有利于種子萌發(fā)。

（2）整機工作所需動力要求不高，作業(yè)流程簡單，操作方便，效率高，成本低，勞動強度小。采用溝播施肥方式，避免土表肥料被雨水沖蝕；肥料入田后通過動力耙攪動，均勻分散，避免肥料堆積造成土壤酸化板結。

（3）采用液壓懸掛架進行不同農(nóng)機間的連接，在保證連接強度的前提下可以有效調(diào)節(jié)作業(yè)高度，在運輸過程中減少整體長度。整機不同部件連接均采用螺栓連接或銷軸連接等可拆卸式連接方式，既可以一體化作業(yè)，也可以分開作業(yè)。

（4）該整地作業(yè)一體機作業(yè)質量滿足國家標準的要求，具有良好的作業(yè)效果，且與臥旋播種機相比不會出現(xiàn)墑溝及纏草現(xiàn)象，能夠適應高速、耕深更深的作業(yè)環(huán)境。