馬鈴薯種植機整機與關鍵部件設計

李 洋，劉萌萌，段榮鑫

(中機美諾科技股份有限公司，北京 100083)

0 引言

馬鈴薯是我國主要經濟和糧食兼用作物，分布廣泛，容易栽培[1]。據聯合國糧農組織(FAO)數據統計，2013年全世界種植面積達到1 946萬hm2，年產量3.7億t。馬鈴薯營養豐富，同時可以用作飼料和工業原料。近年來，我國馬鈴薯種植面積逐年增加，截止到2020年我國馬鈴薯種植面積達到560萬hm2以上，總產量約為2 000萬t，是世界上馬鈴薯種植面積及產量最大的國家。隨著馬鈴薯種植面積的不斷擴大，迫切需要實現馬鈴薯種植機械化。播種是馬鈴薯生長的關鍵環節，研究馬鈴薯種植機械整機與關鍵部件設計，對開發適用我國國情的馬鈴薯種植機械有重要作用[1-4]。針對我國目前馬鈴薯播種作業過程重播率、漏播率偏高的難點和瓶頸，以及無法滿足精密播種和高產要求的現狀，設計了馬鈴薯播種機的施肥部件、播種單體等關鍵部件[5-7]。

1 總體方案設計

懸掛式4行馬鈴薯種植機結構如圖1所示。該機主要由主機懸掛架、施肥開溝器、播種開溝器、左右側劃行器、肥箱、種箱、施肥部件、播種部件、起壟培土圓盤、液壓控制系統等組成，種植機施肥和播種部件的動力由液壓馬達提供，機械結構簡單，傳動效率高，制造成本相對較低，且便于維修。

1.劃行器 2.主機架 3.施肥開溝器 4.施肥部件 5.播種單體 6.種箱 7.播種開溝器 8.播種液壓馬達 9.施肥液壓馬達 10.攪拌液壓馬達 11.圓盤培土器 12.地輪部件圖1 懸掛式4行馬鈴薯種植機結構Fig.1 Structure of hanging four-row potato planter

2 關鍵部件設計與分析

2.1 施肥開溝器

馬鈴薯是一種喜肥的糧食作物，處于生長期的馬鈴薯對肥料吸收能力較強，保證充足的營養供給對增產起關鍵作用。針對我國馬鈴薯主產區(北方一季作區)農藝和種植模式的調研得出，我國北方一季作區馬鈴薯種植多數采用單壟單行模式，在播種的同時，將馬鈴薯生長期所需肥料總量的50%作為基肥進行側深施肥，這樣既能提高肥料利用率，又避免化肥的過度浪費。側深施肥是指在馬鈴薯播種的同時，將肥料集中施于種薯下方3～5 cm處的位置，如圖2所示。因此為了使設計的施肥開溝器部件能夠滿足側深施肥的要求，該部件必須設計為高度、寬度可調，如圖3所示。

1.馬鈴薯種薯 2.施肥帶圖2 側深施肥示意Fig.2 Sketch map of side deep fertilization

1.U形螺栓 2.橡膠接肥斗 3.施肥溝擋板 4.高度調節縱梁5.施肥開溝鏟 6.施肥開溝彈齒 7.主機懸掛架 8.彈齒固定橫梁 9.彈齒固定卡子圖3 施肥開溝器結構Fig.3 Structure of fertilizer ditcher components

在實際工作中，施肥開溝彈齒主要工作參數是彈齒的入土角α和入土深度H。這兩個工作參數的選擇，既要保證施肥開溝阻力小，同時還要保證開溝深度滿足側深施肥的要求。彈齒工作時，隨著受到阻力的增加，產生彈性位移，為了滿足工作參數的要求，避免其在工作中損壞，對彈齒進行受力分析。水平方向上受到機器前進產生的阻力Fx和豎直方向上受到機器的下壓力Fy，形成了土壤對彈齒的作用力F，如圖4所示。

圖4 彈齒受力情況Fig.4 Stress condition of fertilization ditching ruler

彈齒受力與入土角α的函數關系為

Fx=Fsinα

(1)

Fy=Fcosα

(2)

式中Fx——彈齒受到的水平分力，N

Fy——彈齒受到的豎直分力，N

F——土壤對彈齒的作用力，N

α——彈齒的入土角，(°)

根據GB/T 19988—2005《農業機械 土壤工作部件 S型彈齒 主要尺寸和間隙范圍》的要求，彈齒工作時的入土角變形量Δα<30°，也就是

Δα=α2-α1≤30°

(3)

馬鈴薯種植深度為120～180 mm，肥料要集中施于種薯下方30～50 mm的位置，因此，彈齒的入土深度必須在230 mm以上才能保證馬鈴薯對深施肥的要求。在彈齒入土角變形量Δα已知的情況下，根據GB/T 19987—2005《農業機械 土壤工作部件 S型彈齒 試驗方法》，可以測定彈齒橫向最大位移量為145 mm，夾角β及夾角變形量Δβ，彈齒的縱向位移量H為

Δβ≤20°

(4)

H=Ltanβ

(5)

式中L——彈齒橫向位移量，mm

由上式可知，當彈齒的橫向位移量取最大值時，縱向位移量H=53 mm。

為滿足馬鈴薯種植農藝對側深施肥的要求，施肥開溝器部件必須設計為高度可調，且調節量要保證>283 mm。如圖3所示，施肥開溝彈齒由彈齒固定卡子固定在彈齒固定橫梁上，通過調節開溝彈齒與彈齒固定卡子之間的緊固螺栓，達到調整彈齒與種溝間距，從而實現施肥寬度的調節。彈齒固定橫梁被固定在高度調節縱梁上，高度調節縱梁上有多個高度調節孔，通過改變緊固螺栓的位置，達到調整彈齒與水平地面的高度，從而實現施肥深度的調節。彈齒每兩個一組，實現單壟雙側深施肥。施肥溝擋板功能是在施肥開溝鏟開溝后，擋住溝兩側回流的土壤，保證肥料流入溝內后土壤回流。

2.2 施肥裝置

施肥部件是馬鈴薯種植機的重要組成部分之一。施肥部件具有肥料預攪拌功能，在肥箱內安裝有螺旋攪拌軸，由液壓馬達(M2)直接驅動，在播種施肥前把需要混合攪拌的多種肥料加入肥箱中，通過種植機電控盒啟動液壓馬達，達到配混肥料的目的，在播種施肥時，可以讓螺旋攪拌軸繼續工作，在攪拌、破碎結塊肥料的同時增加肥料的流動性。施肥盒安裝在肥箱底部，設計為攪龍結構，這種施肥結構的通用性強，顆粒肥料、粉狀肥料均可施撒。排出的肥料通過下肥導流板、橡膠接肥斗流入肥溝，攪龍施肥軸由液壓馬達(M3)直接驅動，在播種施肥前把需要的畝施肥量輸入到種植機電控盒中，工作時安裝在地輪上的轉速傳感器將速度信號發送給播種電控盒，按照預先設計的程序執行計算，再將電信號發給施肥播種控制電磁閥，保證驅動馬達供油量，驅動施肥部件正常工作。在攪龍施肥軸的一端安裝有轉速傳感器，在施肥過程中讀取攪龍施肥軸實際轉速，再將速度信號反饋給種植機電控盒，這樣電控系統實時比對攪龍施肥軸的計算轉速與實際轉速，以達到糾正電磁閥開關量，保證精量施肥，形成閉環控制。

施肥部件如圖5所示，由施肥開溝器、肥箱、螺旋攪拌軸、攪龍施肥盒、下肥導流板、施肥軸轉速傳感器、施肥盒連接軸、攪拌軸連接撥叉、施肥盒連接套管、攪拌液壓馬達(M2)、施肥液壓馬達(M3)組成，施肥部件布置在種植機前部，固定在主機懸掛架上。

1.液壓馬達(M3) 2.液壓馬達(M2) 3.轉速傳感器 4.下肥導流板 5.攪龍施肥盒施 6.肥箱主機懸掛架 7.攪拌軸連接撥叉 8.施肥盒連接套管 9.施肥盒連接軸圖5 施肥部件結構Fig.5 Structure of fertilizing unit

攪龍施肥軸是由螺旋葉片和旋轉軸組成(圖6)，肥料從肥箱下口流入螺旋葉片內并填滿，通過攪龍施肥軸的旋轉將肥料輸送出來。由于馬鈴薯播種時使用的肥料有一定的腐蝕性，因此螺旋葉片和旋轉軸的材質均選用304不銹鋼制造。

圖6 攪龍施肥軸Fig.6 Stirring dragon fertilizer axis

攪龍施肥軸主要設計參數包括螺旋葉片的直徑、螺距，旋轉軸直徑，攪龍施肥軸旋轉1圈的施肥量。

根據經驗公式

Q=47D2Snμρε

(6)

(7)

(8)

S=k1D

(9)

d=(0.2～0.35)D

(10)

T=MSρ

(11)

式中Q——攪龍施肥效率，kg/min

D——螺旋葉片直徑，mm

S——螺距，mm

N——攪龍施肥軸轉速，r/min

Μ——肥料填充系數，取值0.4～0.6

ρ——肥料密度，kg/m3

Ε——傾斜輸送系數，水平取1

A——肥料綜合特性系數，取值45

M——螺旋葉片截面積，mm2

k1——螺距與螺旋葉片直徑的比例系數，取值0.5～0.9

D——旋轉軸直徑，mm

T——攪龍施肥軸旋轉1圈的施肥量，kg

馬鈴薯種植機的攪龍施肥效率計算與種植機的行進速度和單位面積所需施肥量有關，如式(12)所示。

(12)

式中G——單位面積所需施肥量，kg/m2

v——種植機行進速度，km/h

w——種植機作業幅寬，m

x——種植機攪龍施肥軸數量

已知馬鈴薯種植機單位面積所需最大施肥量為120 kg/m2，種植機作業幅寬3.6 m，假設種植機行進速度為5 km/h，攪龍施肥軸數量4個，通過查閱資料，肥料填充系數μ=0.5，肥料綜合特性系數A=45，肥料密度ρ=980 kg/m3，根據設計經驗，螺距與螺旋葉片直徑的比例系數k1=0.8。

螺旋葉片的直徑

螺距

S=k1D=45.6 mm

旋轉軸直徑

d=(0.20～0.35)D=11.40～19.95，取18 mm

攪龍施肥軸旋轉1圈的施肥量：

T=MSρ=0.12 kg

根據上述公式，也可計算出螺旋攪拌軸(圖7)的設計參數，螺旋葉片的直徑140 mm、螺距110 mm，旋轉軸直徑40 mm。

圖7 螺旋攪拌軸Fig.7 Spiral stirring shaft

2.3 基于ANSYS的螺旋攪拌軸模態分析

螺旋葉片在攪拌過程中，由于施肥部件在作業過程中由拖拉機及螺旋攪拌軸等部件的運動會造成機器振動，當振動頻率過大時會對螺旋葉片造成損壞，如表1所示。為分析螺旋葉片的結構強度與穩定性，預測螺旋葉片的結構運動特性，需對螺旋葉片進行模態分析。利用SolidWorks軟件建立螺旋葉片的三維模型，同時保存并更改格式后，將螺旋葉片的三維模型導入ANSYS分析軟件，同時選定螺旋葉片的各項參數并進行網格劃分(圖8)后進行模態分析(圖9)。在界面內，建立與樣機實際結構特性一致的模型。將螺旋葉片材料設置為304不銹鋼。

表1 不同模態頻率Tab.1 Frequencies of different modal 單位：Hz

圖8 網格劃分Fig.8 Grid partition

螺旋葉片作為施肥部件的核心部件，結構穩定性與設計的合理性都對肥料運送性能的好壞起著決定性作用。從圖9可以看出，模態振動頻率范圍為3 149.4～4 593.9 Hz，1階、2階模態延軸向發生了上下擺動與扭曲，3階模態發生了左右的擺動，4階、5階和6階模態發生了滑槽的上下擺動與扭曲。由于振動變形較大，容易發生滾筒的變形及疲勞裂紋，通過查閱相關資料得出，螺旋攪拌軸的振動頻率為142 Hz，因此在應用時不會發生變形。

圖9 模態分析Fig.9 Modal analysis

2.4 播種裝置

播種部件是馬鈴薯種植機的關鍵核心部件，目前國內最常用的播種部件主要有勺鏈式和勺帶式兩種。播種部件的性能直接影響種植機的漏播率、重播率、株距等關鍵技術指標。勺鏈式播種部件排種性能不穩定，正逐步被勺帶式播種部件所替代。

2.4.1 播種單體方案設計

播種單體采用夾線橡膠皮帶傳動，液壓馬達(M1)驅動主動輪旋轉，在夾線橡膠皮帶上交錯固定兩排取種碗(圖10)，與其他類型相比加大了取種概率，通過驅動膠帶轉動實現交錯取種。設計輔助電子振動器(圖11)振動膠帶，根據不同大小種薯的特性，調節振動器的振幅，大種薯減小振幅，小種薯增大振幅，保證每個取種碗里只有一個種薯，并且隨著膠帶運動到頂點，取種碗拋出種薯到導種管，這時取種碗的背面和導種管配合，取種碗背面托住種薯，不讓種薯自由掉落，同時種薯也下行至導種管底部時，種薯接觸到導種管導向槽，導向槽指向種溝中心，薯種掉落到開溝器開出的種溝內，播種過程完成。

圖10 播種單體取種原理Fig.10 Principle of planting unit selection

1.電子振動機構 2.振動輪 3.軸承 4.固定架 5.偏心輪6.振動電機圖11 電子振動機構Fig.11 Electronic vibration mechanism

在播種單體整個工作過程中，要保證播種質量的穩定性：一個播種單體的播種膠帶運轉1圈或多圈時播種數量要一致；多個播種單體同時進行多行播種工作時，各行播種數量要一致；應有較強的適應性和通用性，對于馬鈴薯薯種大小不同、品種不同、不同分級、株距不同時，該播種單體都能正常實現播種作業；漏播率、重播率和傷薯率應達到或超過現行的國家標準要求。播種單體的組成如圖12所示。

1.播種單體種箱 2.電子振動電機 3.支撐彈簧 4.開溝器定位塊 5.播種開溝器 6.播種單體外殼 7.電子振動調節桿 8.主動輪 9.取種膠帶 10.從動輪 11.取種碗圖12 播種單體結構Fig.12 Structure of planting unit selection

2.4.2 播種開溝器

在播種時，播種開溝器是直接與土壤接觸的工作部件，它的工作性能直接影響種子落入壟溝位置的好壞，以及播種質量的高低。雙圓盤式開溝器是各類種植機使用最多最常見的一種開溝部件，所開出的壟溝成V型，但其開出的壟溝寬度較窄、深度淺，土壤容易回流，不能滿足馬鈴薯這種大塊莖種子的播種要求。綜上所述，馬鈴薯的播種開溝器需要滿足耐磨性好、硬度高、開溝寬度大、深度可調、保證開溝后的土壤回流較少、種薯落入溝內后不發生二次位移、落種不易堵塞[8-9]。

馬鈴薯播種開溝器包括開溝鏟、開溝劃印器、開溝鏟主體3個部分，如圖13所示。開溝鏟分為左右鏟，材料選用65Mn鋼，經熱處理達到提高耐磨性和硬度，并由焊接成型，通過螺栓固定在開溝鏟主體上。開溝鏟主體選用60SiMn5高強度材料，還具有一定韌性，在開溝時如遇到金屬、碎石等障礙物可有效保護播種單體，開溝鏟主體通過開溝器定位塊固定在播種單體上，開溝鏟主體上設計多個調節孔，可以根據馬鈴薯播種深度不同進行調節。

2.4.3 馬鈴薯取種碗

國外種植馬鈴薯時絕大多數采用整薯播種，因此，種植機械的播種部件對標準種薯的適應性強，播種質量較高。我國的馬鈴薯種植時，種薯多為切塊薯，取種時重播率和漏播率高，取種碗是播種單體設計時重點要研究的零件。

1.開溝鏟 2.開溝劃印器 3.開溝鏟主體圖13 播種開溝器結構Fig.13 Structure of planting opener

在制作種薯時為人工切塊薯，而且切塊薯每塊要保證l～2個芽眼，質量在50 g左右，因此很難控制其標準形狀(圖14)，所以切塊薯的長、寬、厚尺寸只能確定在一定范圍內，長、寬、厚尺寸分別取值為45～60、40～55和35～45 mm。

圖14 切塊薯Fig.14 Potato chips

在隨機對切塊薯進行測量后，將馬鈴薯取種碗上的關鍵尺寸：取種碗直徑A和取種碗深度B初步設計為65和20 mm(圖15)。取種碗直徑A和取種碗深度B決定著取種的效果，也就影響著播種時的漏播率和重播率。因此將取種碗直徑A和取種碗深度B設置為重點試驗參數。

2.4.4 馬鈴薯取種碗與取種膠帶的安裝尺寸

取種碗與取種膠帶的安裝尺寸(圖16)影響著取種效果，也就決定重播與漏播。因此設計在一條膠帶上交錯固定兩排取種碗，使取種更加充分，盡量避免漏取多取現象的發生。

圖15 取種碗Fig.15 Plant cup

圖16 取種碗安裝示意Fig.16 Installation of plant cup

設計時得知種植機的作業速度與橡膠帶線速度成線性關系。種植機作業時，拖拉機行駛速度就是馬鈴薯種植機的作業速度為vb，地輪軸線速度vd與種植機作業速度相等。由地輪軸轉速傳感器可獲取地輪軸轉速ncd，播種主動輪軸線速度vz，播種膠帶線速度vp，播種主動輪軸nz，由播種主動輪轉速傳感器可獲取主動輪軸轉速ncz，假設播種株距已設定為L，則

vb=vd

(13)

vd=π×dd×nd

(14)

vz=vp

(15)

nz=np

(16)

vz=π×dz×nz

(17)

將上述公式帶入得到

(18)

式中vb——種植機作業速度，m/s

vd——地輪軸線速度，m/s

vz——播種主動輪軸線速度，m/s

vp——播種膠帶線速度，m/s

nd——地輪軸轉速，r/s

nz——播種主動輪軸轉速，r/s

np——取種膠帶轉速，r/s

dd——地輪直徑，m

dz——主動輪直徑，m

Lw——播種膠帶上相鄰兩個種碗的距離，m

L——設定的株距，m

根據切塊薯的尺寸范圍，將馬鈴薯取種碗安裝在取種膠帶上的關鍵尺寸：取種碗縱向安裝距離C和橫向安裝距離D初步設計為137.5和120.0 mm。

當播種株距和種植機作業速度為定值時，取種膠帶上相鄰兩個種碗的距離Lw越小，也就是取種碗縱向安裝距離C越小，取種種帶線速度越低，運轉越平穩，漏播率、重播率、損傷率都會有減小，因此在取種膠帶上采用交錯固定兩排取種碗的方式。但是隨之帶來的問題是，在取種膠帶長度不變的情況下，取種碗縱向安裝距離C越小，取種膠帶上安裝的取種碗數量就越多，取種碗取種空間越小，不利于取種，又會增加漏播率和重播率。因此取種碗縱向安裝距離C在設計時是非常重要的設計參數和試驗參數[10]。

2.5 圓盤培土器

壟作的種植方式能夠有效提高馬鈴薯產量。起壟能夠保證馬鈴薯生長所需的土壤溫度，還具有防旱防澇的特性，同時有利于空氣流通，增加采光量。因此，起壟培土是馬鈴薯種植過程中的一項關鍵作業工序，起壟培土質量直接影響馬鈴薯的后期生長及土壤墑情。

圓盤培土器部件主要由連接橋架、培土圓盤調整架、培土圓盤固定插臂、刮土板、培土圓盤、培土圓盤角度調節拉桿、仿行壓簧和仿行壓簧調節手柄等組成，如圖17所示。圓盤培土器安裝于播種單體后方，由螺栓連接固定。在拖拉機的帶動下，培土圓盤隨之轉動，隨著種薯掉落到壟溝后，當圓盤培覆土器經過種溝時，培土圓盤推動土壤流動，并且在圓盤快速旋轉的同時，把土壤甩起，形成薯壟。培土圓盤的安裝角度可調，兩個培土圓盤對稱裝配，開合角度可通過左右培土圓盤固定插臂來調節，開合角度增大，薯壟形狀變大，以適于不同大小的薯壟。培土器設計有仿形機構，可隨地面起伏變化，通過調整培土器仿行壓簧的壓縮量，可改變圓盤培土器的取土量，壓簧壓緊，取土量大，反之取土量小[11-12]。

1.培土圓盤 2.刮土板 3.培土圓盤角度調節拉桿 4.培土圓盤固定插臂 5.培土圓盤調整架 6.仿形壓簧 7.仿形壓簧調節手柄 8.連接橋架圖17 圓盤培土器結構Fig.17 Structure of disc cultivator

2.6 劃行器

拖拉機進行播種作業時導向裝置必不可少。導向裝置可以幫助拖拉機手按直線行走，這樣可以確保種植機作業時的行距對整，不重播、漏播。在拖拉機沒有采用衛星定位自動駕駛前，機械式劃行器是種植機必備部件。

馬鈴薯種植機的劃行器工作原理與其他種類劃行器沒有差別，只是結構形式略有不同，因此劃行器部件不做過多闡述。劃行器部件主要由劃印板、旋轉擺臂、擺臂固定座、調節拉桿、雙作用液壓油缸組成，如圖18所示。電磁閥體為液壓油缸供油，通過種植機控制盒操作升降。

1.劃印板 2.調節拉桿 3.旋轉擺臂 4.雙作用液壓油缸 5.擺臂固定座 6.主機懸掛架圖18 劃行器部件結構Fig.18 Structure of line marker

3 結束語

本文闡述了馬鈴薯種植機的總體方案設計，并對該機施肥開溝器、施肥裝置、播種開溝器、播種裝置、圓盤培土器和劃行器等關鍵部件進行了詳細分析，對各個組成部件的結構、功能、工作原理及設計參數進行了介紹，為今后馬鈴薯產業的發展作出一定的貢獻。