棉花幼苗期封土機的設計

劉 斌，王 蒙※，鄭 偉 ,王 磊

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832000；2.山東五征集團有限公司）

0 引言

棉花是新疆的主要經濟作物，2020 年，新疆棉花種植面積達2 501.93khm2[1,2]。棉花種植廣泛采用膜上精量穴播技術和66 cm+10 cm 的株行距種植模式，能有效促進棉苗生長，降低生產成本[3,4]。新疆春季晝夜溫差大，大風天氣頻繁，不利于棉花幼苗期的保溫和保墑，此時需對棉花幼苗進行封土作業以確保棉花生長所需溫度和水分。

目前，國內棉花幼苗期封土作業主要有人工封土和機械封土兩種方式，人工作業成本高、作業質量不一致，已不適應棉花生產全程機械化的需求，因此開發棉花幼苗期封土作業機械勢在必行。朱金嬌等人設計了一種膜上封土機，采用兩側旋土取土螺旋送土機構，但送土機構的螺旋軸過長，作業效果不穩定[5]；倪向東等人設計了一種地膜精量封土機，在旋耕取土裝置后配置碎土鏈輪保證土壤完全破碎，其作業效果好，但傳動機構復雜，保養和維修成本高[6]；周秀梅設計了一種棉花封土機，采用滾筒機構完成送土和碎土作業，作業效率高，但滾筒位置固定，封土作業時易傷苗[7]。

本文在前期研究的基礎上，根據機采棉種植模式和幼苗物理特性，設計了一種雙螺旋棉花幼苗期封土機，能實現取土、送土和覆土連續作業，制作樣機并開展田間試驗，以期為幼苗期棉花封土作業機械研制提供參考。

1 幼苗期棉苗物理特性分析

為分析棉花幼苗期的物理特性，于2021 年4 月在第八師142 團21 連的棉田進行田間調研。棉花種植模式為66 cm+10 cm，棉花品種為新陸早42 號，平均株高37.65 mm，如圖1。土壤類型為黏土，土壤堅實度為1 286 kPa，土壤含水率為29.4%，環境溫度為35 ℃，空氣濕度為31%，有一級風，無持續風向。穴播口形狀呈四邊形，其對角線的長邊長度為30 mm，短邊長度為15 mm。

圖1 種植模式

采用人工封土，封土層厚度20 mm，封土層寬度200 mm，膜上封土土壤密度使用SPS402F 電子天平測量，測量前使用標準砝碼對SPS402F 電子天平校準，測得平均土壤密度為2.5×10-4g/mm3。

2 封土機整機結構和工作原理

2.1 整機結構

棉花幼苗期封土機結構如圖2。主要結構包括機架、傳動系統、取土結構、送土結構、落土結構。

圖2 整機結構

棉花幼苗期封土機工作時，封土機機架與拖拉機通過三點懸掛的方式連接。拖拉機的后動力輸出軸通過萬向聯軸器將動力傳遞給封土機的變速箱，再將動力傳遞給位于機架兩側的取土機構（旋耕刀總成）以及通過鏈傳動連接的送土機構（攪龍），左右兩側限深輪決定旋耕入土深度。機具作業時，行間土壤被旋耕刀破碎，相鄰的擋土板插入破碎的土壤中，將土壤拋送至柵欄處。成塊的土壤與柵欄碰撞變成細碎土壤落入送土機構，柵欄還具有排雜功能，能有效阻止土壤中的殘膜、棉稈等雜質進入送土機構。

隔板將前排攪龍與后排攪龍分離，前排左右送土攪龍負責將土壤由兩側運輸至中間，隔板限制解除后，土壤進入后排攪龍，后排左右回土攪龍將土壤運輸至送土機構兩側，雙排攪龍的設計可增加土壤在攪龍中的橫向輸送時間，以便提高土壤破碎率。在送土機構的運輸過程中，土壤通過與落土板相連的落土口實現膜上連續落土，部分土壤用于苗孔的封土，從而完成封土工作。未下落土壤通過兩側的落土口返回行間，以避免送土機構發生堵塞，保證封土工作順利進行。

2.2 主要技術參數

3 關鍵零部件設計

3.1 機架設計

機架是封土機最基本的支撐結構，它承載整個封土機的質量，同時與拖拉機相連，所以機架需要有良好的承載能力[8]。在保證各部件安裝位置準確的前提下，根據棉花種植模式66 cm+10 cm 的株行距配置方式，設計并計算出合理的機架結構參數，盡可能減輕整機質量以降低拖拉機功耗。綜上所述，機架尺寸為820 mm×2 500 mm×100 mm（長×寬×高），如圖3。

圖3 機架結構

3.2 取土結構設計

取土結構是封土機工作的重要組成部分，其中旋耕刀總成部件可以實現破碎并拋送土壤的動作。其主要由刀盤、擋土板、旋耕刀組成，具體結構如圖5。

圖4 旋耕刀總成圖

旋耕刀選用ⅡT245 的型號[9]，在刀盤圓周內總刀數等分排列，刀盤每轉30°便有旋耕刀入土，使切土阻扭矩均勻分布，減小機具振動，且碎土均勻。刀身呈人字形排列，左右旋耕刀交替入土，以平衡旋耕刀切土的側向反力，減小機具在水平面內的偏轉力矩，保持直線前進[10]。

3.3 送土機構設計

送土機構主要由攪龍、攪龍槽和隔板三部分組成，如圖5。攪龍由滿面式螺旋葉片與螺旋軸焊接而成，其中攪龍1 和攪龍4 的動力輸入端與鏈輪配合，軸承端與吊軸承配合，旋向皆為左旋；攪龍2 和攪龍3 的兩端都是軸承端，旋向皆為右旋。攪龍1 與攪龍2 在一條軸線上為前排攪龍，動力來自攪龍1 配合的鏈輪，使兩側土壤傳遞至中間部位并傳輸到后排攪龍。后排攪龍由在同一軸線上的攪龍3 和攪龍4 組成，動力來自攪龍4 配合的鏈輪，使中間部位的土壤傳遞至兩側。因為4 個攪龍的輸送能力相同旋向不同，所以4 個攪龍葉片直徑、螺距、軸徑相同。

圖5 送土機構

3.3.1 螺旋葉片直徑

計算棉花種植模式為66 cm+10 cm1 膜3 行封土1 m所需土壤質量M，由式（1）計算得出。

式中M—1 膜3 行封土1 m 土壤質量，kg；Lk—單行封土寬度，200×10-3m；Lh—封土厚度，20×10-3m；ρ—封土土壤密度，2.5×102kg/m3。計算得M為3 kg。

封土機土壤輸送能力Q如下：

式中v—封土速度，8 km/h。

由式（1）、（2）得Q=24 t/h，為了保證封土作業穩定性，設計封土機土壤輸送能力提高至1.25 倍，Q取30 t/h。

螺旋葉片直徑根據輸送能力、輸送物料類型、結構和布置形式等確定為公式（3）[11]。

式中D0—螺旋葉片直徑，mm；K—物料綜合系數，取值0.049；C—傾角系數，取值1；λ—物料的單位容積質量，t/m3，經前期田間調研，取值1.7 t/m3；ψ—顆粒的填充度，取值0.3[12]。代入公式求得螺旋葉片直徑D0=149 mm。依據GB/T 36865-2018[13]，設計螺旋葉片直徑D0=160 mm。

經田間調研得，當土壤粒徑大于30 mm 時，封土作業的土壤易壓傷棉苗，故攪龍允許通過的最大的土壤顆粒的直徑為30 mm，即攪龍與隔板的間隙[14]。因此前后兩排攪龍的軸間距為220 mm。

3.3.2 螺距

螺距不僅決定著螺旋的升角，還決定物料運行的滑移面，所以螺距的大小直接影響著物料輸送過程[15]。根據公式（4）計算螺距大小。

式中P—螺距，m；按標準的水平螺旋輸送機進行設計，取K1=（0.8～1.0）[13]。由公式計算得出螺距的取值范圍P=（128mm～160mm），螺距取上限值160 mm。

3.3.3 螺旋軸軸徑

攪龍軸徑d由公式（5）計算得出。

式中x=（0.2～0.35）[13]，考慮設計成本和加工條件，在保證強度和質量的情況下，設計螺旋軸為空心軸，螺旋軸軸徑d=423 mm。

3.4 傳動系統

該機的傳動系統為機械傳動，由動力輸入軸、減速箱、動力輸出軸、鏈輪等組成。動力輸出軸和鏈輪分別帶動取土機構和送土機構轉動。送土機構的軸線位置與動力輸出軸的軸線位置相距較遠，為保證傳動平穩可靠，其傳動方式采用鏈傳動。封土作業時，前排左右送土攪龍將土壤由兩側運輸至中間，后排左右回土攪龍將土壤由中間運輸至兩側，多余土壤通過兩側的落土口返至田間。為確保封土作業的完成，前側螺旋送土機構與后側螺旋送土機構的轉向相反。拖拉機的后動力輸出軸額定轉速為540r/min，為滿足封土作業需求，根據公式（6）可計算出攪龍轉速。

式中C—傾角系數，取值1；n—攪龍轉速，r/min。

計算得攪龍轉速305 r/min。整個傳動裝置的總傳動比i則由公式（7）計算得出。

式中n0—后動力輸出軸額定轉速，r/min；n2—攪龍轉速，r/min。

經計算總傳動比i=1.77，整個傳動系統通過設計一級減速器和鏈輪加速兩級調速機構。為避免鏈輪的結構設計偏大，保證整個傳動系統的傳動比分配，取錐齒輪減速器的傳動比為i1=2.2，則鏈輪的傳動比i2由公式（8）計算得出。

式中i—總傳動比；i1—減速器傳動比。

將總傳動比及減速器傳動比代入公式得鏈輪傳動比i2=0.8。傳動系統如圖6。

圖6 傳動系統示意圖

3.5 落土結構設計

攪龍槽上分布前后兩排落土機構，由落土口與焊接在落土口下的落土板組成，如圖7。為保證出土量和封土位置的準確性，根據66 cm+10 cm 的種植模式，相鄰兩個落土口的中心位置為760 mm；根據土壤物理參數特性和覆土寬度，確定落土口長度為100 mm，寬度為200 mm。后排回土攪龍槽的兩側各有一大小為150 mm×200 mm的溢土口，使未下落土壤返回行間，避免雙排攪龍發生堵塞現象。

圖7 落土結構

4 田間試驗

4.1 試驗條件

為驗證封土作業效果，于2021 年4 月在第八師142 團21 連的棉田進行田間試驗，如圖8。拖拉機型號為約翰迪爾6B-954，試驗地面積為10.6 hm2，棉花種植模式為66 cm+10 cm，棉花品種為新陸早42 號。

圖8 田間試驗

4.2 試驗方法及評價指標

拖拉機后動力輸出軸額定轉速為540 r/min，參照標準GB/T 5262-2008[16]中的五點法，在試驗田中劃出5個測區，每個測區的長度為30 m，寬度為14 個膜幅。以封土機作業速度8 km/h 并參照標準JB/T 6297-2007[17]進行試驗。在每個測區內隨機抽取3 處，每處面積取封土長度10 m，寬度1 個膜幅。對棉花幼苗總株數、未封土幼苗數、受損幼苗數進行統計，取封土率和傷苗率為評價指標。

4.2.1 封土率試驗

封土作業時，棉苗所在的穴播口應被土壤包圍，即苗孔完全封住。所以測量封土率時，統計取樣點幼苗總數和未封土（苗孔未完全封住）的幼苗數量，按公式（9）計算封土率。

式中F—封土率，%；Nf—未封土幼苗數，株；N—幼苗總數，株。

4.2.2 傷苗率試驗

封土作業時，封土機輸送的土壤存在未能及時破碎的較大粒度土塊，容易砸傷壓傷棉苗，影響棉苗正常生長。因此在完成封土率試驗后，測出封土后受損幼苗的數量，按公式（10）計算傷苗率。

式中S—傷苗率，%；Ns—受損幼苗數，株。

4.3 試驗結果

田間試驗結果如表1。對表1 試驗數據進行計算可得封土率為97.7%、傷苗率為0.9%。結果表明各項參數均符合指標，即該封土機的設計達到預期的目標。

表1 田間試驗數據

5 結論

（1）本文針對與膜上精量穴播技術對應產生的封土農藝要求，設計了一種與66 cm+10 cm 的種植模式相匹配的棉花幼苗期封土機，可高效完成封土工作，其傳動系統簡單，結構緊湊，維修方便。

（2）對封土工作的流程進行了分析，完成了關鍵零部件結構設計。該封土機機架結構承載性好，采用型材直接焊接成型，動力來源為拖拉機后輸出軸，掛接方式為三點懸掛，掛接方便，易于拆卸和維修；旋耕刀和取土板的設計保證了土壤破碎和傳輸作業的順利進行；前后雙排攪龍既實現了碎土功能，又完成了運輸作業，使細碎的土壤順利到達落土口；根據棉花種植行距設計的落土機構使細碎土壤有效封穴。

（3）在棉株平均高度為37.65 mm、封土機作業速度為8 km/h 條件下，通過田間試驗測得封土率為97.7%、傷苗率為0.9%、碎土率為91.6%。各項指標滿足封土農藝要求，封土均勻、土壤細碎、土壤輸送不易堵塞、出土量精準，封土效率和質量顯著提高。