吳雨康,薛金林,高輝松,孫星釗,張步軍,程成
(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,南京市,210031; 2. 連云港市元天農(nóng)機(jī)研究所,江蘇連云港,222002;3. 連云港市中興機(jī)械制造有限公司,江蘇連云港,223800)
近年來(lái),我國(guó)大豆產(chǎn)量缺口持續(xù)走高,為了實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有耕地面積的基礎(chǔ)上提升大豆產(chǎn)量,大豆玉米帶狀間作種植模式被提出并得到廣泛推廣與應(yīng)用。對(duì)比兩種作物單獨(dú)種植模式,該模式踐行了“玉米不減產(chǎn),多收一茬豆”的理念,有效地增加了大豆產(chǎn)量,提高了經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。但是,這種高產(chǎn)種植效益卻受到播種機(jī)械化水平低的限制。目前,應(yīng)用于該模式的播種機(jī)具大多由玉米、大豆單作播種機(jī)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易的改裝而來(lái),不能達(dá)到理想的作業(yè)效果[4]。而且以現(xiàn)有播施條件,采取不同機(jī)具進(jìn)行多次單項(xiàng)作業(yè),不但成本高,且程序復(fù)雜,不符合種植實(shí)際,導(dǎo)致農(nóng)戶(hù)種植意愿較低。
目前,國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)研制出較為精密的播種機(jī),基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大豆(玉米)在生產(chǎn)過(guò)程中大面積機(jī)械化作業(yè)。如德國(guó)某公司研制出了一款Solitair9氣力式精量播種機(jī),美國(guó)某公司研制的DV9R0玉米精量播種機(jī),它們工作可靠,性能優(yōu)越,但是整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,重量較大,且生產(chǎn)成本較高。國(guó)內(nèi)的河北某公司研制出2BFGY-5(8)型玉米旋耕施肥播種機(jī),山東理工大學(xué)研制2BMFY-4型智能玉米免耕播種機(jī),這些機(jī)具都具有較高的作業(yè)效率,但是無(wú)法滿(mǎn)足同時(shí)播種2種形狀、株距等種植特點(diǎn)不同的作物,不適應(yīng)于大豆玉米帶狀間作種植模式[5-8]。
本文針對(duì)大豆玉米帶狀復(fù)合種植機(jī)械化水平不高、現(xiàn)有機(jī)械難以適應(yīng)不同區(qū)域種植環(huán)境與條件要求等問(wèn)題,依據(jù)江蘇省大豆玉米帶狀復(fù)合種植的農(nóng)藝要求,設(shè)計(jì)了2BSQF-6型大豆玉米帶狀復(fù)合種植播種機(jī),為積極響應(yīng)國(guó)家關(guān)于大力發(fā)展大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù),擴(kuò)大大豆種植面積,提升大豆玉米帶狀復(fù)合種植機(jī)械化水平,促進(jìn)農(nóng)民減本增效,助力鄉(xiāng)村振興,提供了適宜的裝備支持。
大豆玉米帶狀復(fù)合種植是作物栽培技術(shù)的創(chuàng)新,采用大豆玉米帶狀間作套種,高低協(xié)同,高效利用邊行優(yōu)勢(shì)和光能。依據(jù)江蘇省大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式的農(nóng)藝要求,2BSQF-6型大豆玉米帶狀復(fù)合種植播種機(jī)采用2行玉米與4行大豆這一種植模式,并滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)要求。
1) 考慮到江蘇省及臨近地區(qū)在大豆玉米播種期與生長(zhǎng)期多雨及高溫的區(qū)域特點(diǎn),為了保證大豆、玉米種植后穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),播種機(jī)具備開(kāi)溝起壟功能,便于排澇與灌溉。
2) 考慮到江蘇省及臨近地區(qū)的大豆玉米帶狀復(fù)合種植大都是在麥茬地上進(jìn)行種植,為了減少殘留麥秸稈對(duì)種植的影響及減少機(jī)具多次入地作業(yè),播種機(jī)應(yīng)集旋耕、施肥、起壟、播種、鎮(zhèn)壓等功能于一體。
3) 需要滿(mǎn)足縮株保密的種植要求,播種單體具備株行距可調(diào)、播量可控的能力。
4) 為便于玉米對(duì)行收獲,玉米播種單體設(shè)計(jì)在中間。
2BSQF-6型大豆玉米復(fù)合播種機(jī)可同時(shí)完成旋耕、起壟、施肥、播種、鎮(zhèn)壓等作業(yè)。整機(jī)主要由三點(diǎn)懸掛裝置、旋耕裝置、起壟裝置、施肥裝置、機(jī)架主體以及播種單體構(gòu)成,如圖1所示。
播種機(jī)的前端包括三點(diǎn)懸掛裝置、旋耕裝置,三點(diǎn)懸掛安裝于機(jī)架前部,用于掛接在動(dòng)力機(jī)械上,旋耕裝置位于機(jī)架下方,進(jìn)行松土碎土與滅茬作業(yè);整機(jī)的中端包含施肥裝置和起壟裝置,施肥裝置安裝于機(jī)架上方,進(jìn)行開(kāi)溝施肥作業(yè),機(jī)架下方安裝起壟裝置,用于起壟作業(yè);播種單體位于播種機(jī)后端,通過(guò)仿形機(jī)構(gòu)掛接于機(jī)架后端,進(jìn)行開(kāi)溝播種以及鎮(zhèn)壓作業(yè)。
播種機(jī)掛接在動(dòng)力裝置上后,開(kāi)始作業(yè)前,將開(kāi)溝器、鎮(zhèn)壓器等可調(diào)節(jié)高度的裝置調(diào)整至合適位置,同時(shí)調(diào)節(jié)仿形連桿在機(jī)架上左右橫移的位置來(lái)確定播種行距,完成作業(yè)前準(zhǔn)備工作。機(jī)具開(kāi)始作業(yè)時(shí),動(dòng)力輸入至旋耕刀組傳動(dòng)齒輪箱,經(jīng)由傳動(dòng)齒輪箱左右兩輸出軸帶動(dòng)旋耕刀組運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始旋耕碎土滅茬作業(yè);排肥器由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng),經(jīng)塑料軟管將肥料送入管靴式開(kāi)溝器開(kāi)辟的溝壑中,完成施肥作業(yè);然后通過(guò)起壟裝置完成起壟作業(yè);再由圓盤(pán)開(kāi)溝器進(jìn)行壟上開(kāi)溝作業(yè),機(jī)械式排種器由滾動(dòng)地輪經(jīng)傳動(dòng)裝置提供動(dòng)力輸入,將種子排入溝壑中,并覆土鎮(zhèn)壓。
所設(shè)計(jì)的播種機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of the seeder
旋耕作業(yè)時(shí),旋耕刀的運(yùn)動(dòng)即為機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動(dòng)與刀軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng),如圖2所示。機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸正向,前進(jìn)速度設(shè)為Vq,旋耕刀軸沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),耕作深度設(shè)為h。

圖2 旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖
旋耕刀開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),刀具端點(diǎn)D滿(mǎn)足以下運(yùn)動(dòng)方程。
(1)
式中:R——刀具回轉(zhuǎn)半徑,mm;
ω——旋耕刀角速度,rad/s;
t——時(shí)間,s。
旋耕速比ξ與旋耕刀具端點(diǎn)的瞬時(shí)回轉(zhuǎn)速度Rω以及機(jī)具的前進(jìn)速度Vq之間滿(mǎn)足以下關(guān)系。
(2)
通過(guò)式(1)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo),可求得任意一點(diǎn)的水平分速度為Vx和豎直分速度為Vy,為保證旋耕刀從入土到離開(kāi)土壤時(shí)正常工作,應(yīng)滿(mǎn)足水平分速度Vx<0,即應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下關(guān)系。
Vq<(R-h)ω
(3)
經(jīng)查閱文獻(xiàn)得旋耕速比ξ>1,則切土與拋土效果較好。故要確保旋耕刀從切入土壤到離開(kāi)土壤時(shí)均工作,就要在滿(mǎn)足式(3)的基礎(chǔ)上,同時(shí)保證旋耕速比ξ>1。一般旋耕機(jī)前進(jìn)速度為0.5~2 m/s,耕深在1~25 cm,本文在考慮機(jī)組實(shí)際工作狀態(tài)后,確定機(jī)具前進(jìn)速度Vq為1 m/s,耕深為200 mm。
為確定回轉(zhuǎn)半徑R,求出旋耕轉(zhuǎn)速n即可,而轉(zhuǎn)速n與通過(guò)同一安裝平面內(nèi)安裝的刀片數(shù)Z以及切土節(jié)距S滿(mǎn)足以下關(guān)系。
(4)
一般旱地旋耕Z取值為2~3,依據(jù)實(shí)際作業(yè)情況,Z取值為2,考慮到耕作地土質(zhì)較為疏松,設(shè)定土壤切土節(jié)距S為15 cm,將所有數(shù)值代入式(4),求解出轉(zhuǎn)速n=200 r/min,則旋耕刀角速度ω=20.94 rad/s,依據(jù)旋耕刀參數(shù)表最后確定其回轉(zhuǎn)半徑R為245 mm。
在刀具選型上,臥式旋耕常用刀型為彎刀和直角刀,彎刀有較為銳利的正切刃和側(cè)切刃,正面切削刃口較寬,側(cè)面切削刃口為弧形曲線(xiàn)式,具備優(yōu)異的劃切性能,有較好的松土和拋翻能力,考慮實(shí)際作業(yè)環(huán)境中存在前茬作物殘茬較多的情況,最終選用IT245型彎刀作為旋耕刀具。相鄰兩彎刀間間距為40 mm,依據(jù)幅寬確定左右刀具各安裝30把,考慮到耕作后土壤不能過(guò)于雜亂,刀具應(yīng)該以螺旋線(xiàn)的方向布置,且位于一條螺旋線(xiàn)上的刀具的旋向應(yīng)保持一致。
為了滿(mǎn)足較大幅寬下的作業(yè)要求,本機(jī)采用了中間傳動(dòng)正配置的傳動(dòng)方式,該布置形式傳遞動(dòng)力大,效率高,但存在傳動(dòng)箱占據(jù)耕幅,彎刀切削不到傳動(dòng)箱體下方土壤的現(xiàn)象。為此,本機(jī)在旋耕裝置中間位置設(shè)有開(kāi)溝小犁,保證中間位置的土壤也能旋耕到位。
旋耕裝置由傳動(dòng)齒輪箱、刀軸、刀座、刀片、擋土板以及開(kāi)溝小犁組成。整體布置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 旋耕裝置示意圖
旋耕裝置進(jìn)行松土后,起壟裝置完成導(dǎo)土和翻土作業(yè)。起壟裝置主要包括起壟鏟曲面、翼板以及鏟柄,如圖4所示。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),半螺旋曲面有較好翻土效果。因此,起壟曲面采用半螺旋形曲面設(shè)計(jì),該裝置可通過(guò)固定螺栓連接實(shí)現(xiàn)起壟高度200~250 mm范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。左右兩起壟鏟將旋耕后的松土鏟入起壟鏟曲面上,松土沿曲面向兩側(cè)拋翻,最后由翼板與擋土板配合完成松土的整形成壟。

圖4 起壟裝置示意圖
播種裝置是播種機(jī)最為關(guān)鍵的部件之一,主要包括滾動(dòng)地輪、機(jī)架、鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置、種箱、機(jī)械式排種器、仿形連桿連接支架以及圓盤(pán)開(kāi)溝器等,如圖5所示。在動(dòng)力機(jī)械的牽引下,滾動(dòng)地輪與地面接觸產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力,經(jīng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置將動(dòng)力輸入指夾式排種器內(nèi),驅(qū)動(dòng)排種器進(jìn)行排種作業(yè);同時(shí),該滾動(dòng)地輪還具有覆土與鎮(zhèn)壓的功能。

圖5 播種單體結(jié)構(gòu)圖
播種機(jī)上常見(jiàn)的排種器可以分為機(jī)械式和氣力式,機(jī)械式排種器包括指夾式、窩眼式、圓盤(pán)式排種器,而氣力式根據(jù)氣流的作用方式不同可分為氣吹式、氣吸式和氣壓式三種類(lèi)型[9]。基于以下原因,本文選用機(jī)械指夾式排種器:(1)氣力式排種器具有對(duì)種子大小、形狀適應(yīng)能力強(qiáng),不易傷種,可用于高速作業(yè)等優(yōu)點(diǎn),但其用于玉米等不規(guī)則種子的播種時(shí)功率消耗相對(duì)較大,當(dāng)種子群運(yùn)動(dòng)不合理時(shí),容易出現(xiàn)漏播、重播等現(xiàn)象,同時(shí)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高。(2)指夾式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,修理維護(hù)容易,使用成本低,并且能保證一定的播種質(zhì)量,農(nóng)戶(hù)使用意愿強(qiáng)。
為了確保在復(fù)雜地形上的作業(yè)質(zhì)量,播種機(jī)主體機(jī)架與后端播種裝置之間需要采用柔性連接。由于單鉸接單自由度仿形機(jī)構(gòu)存在單拉桿角度變化過(guò)大的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)為平行四連桿雙自由度仿形機(jī)構(gòu),通過(guò)復(fù)合作用效果來(lái)減小播種單體振動(dòng)幅度,保證了開(kāi)溝播種鎮(zhèn)壓作業(yè)的穩(wěn)定性。
平行四連桿雙自由度仿形機(jī)構(gòu)穩(wěn)定工作的前提是尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性,即保證機(jī)構(gòu)的上下仿形量及其仿形角設(shè)計(jì)的正確性。通常上下仿形量設(shè)為80~120 mm[10-11],考慮到播種機(jī)首先進(jìn)行旋耕作業(yè),地表較平整,故降低對(duì)仿形的要求,故將仿形量設(shè)定在 80~100 mm之間,仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示。

圖6 仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖
為確保連接播種單體的穩(wěn)定性,本文設(shè)計(jì)的獨(dú)立仿形四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)該滿(mǎn)足以下關(guān)系。
h=L[sin(α2-α)+sin(α1+α)]
(5)
式中:L——仿形連桿長(zhǎng)度,mm;
α——工作角,(°);
α1——上仿形角,(°);
α2——下仿形角,(°);
h——總仿形量,mm。
由式(5)可得,在總仿形量h一定的前提下,仿形連桿長(zhǎng)度L與上仿形角α1以及下仿形角α2成反比關(guān)系,即仿形連桿長(zhǎng)度越長(zhǎng),仿形角越小,播種裝置穩(wěn)定性越好,播種效率越高。
圖6中總仿形量h為上仿形量h1(即B點(diǎn)移至B1點(diǎn)時(shí)的垂直距離)與下仿形量h2(B點(diǎn)移至B2點(diǎn)時(shí)的垂直距離)之和。依據(jù)實(shí)際工作環(huán)境需求,初步將工作角設(shè)定為0°,上仿形量h1設(shè)為85 mm,考慮到穩(wěn)定性的因素,α1及α2假設(shè)為20°。
將設(shè)定的上仿形量h1、上仿形角α1以及工作角α代入式(5),計(jì)算出仿形連桿長(zhǎng)度L=248.52 mm,取值為250 mm,將所得數(shù)據(jù)代入式(6)中可確定下仿形量h2的數(shù)值。
h2=Lsin(α2-α)
(6)
由式(6)可得,h2=85.50 mm,處于80~100 mm的合理區(qū)間,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
獨(dú)立仿形四桿機(jī)構(gòu)裝配圖如圖7所示。

圖7 獨(dú)立仿形連桿裝配圖
復(fù)合播種機(jī)作業(yè)功率消耗主要有旋耕切削功耗N1、開(kāi)溝功耗N2、前進(jìn)阻力功耗N3以及電動(dòng)排肥功耗N4。以此得出復(fù)合播種機(jī)整機(jī)功耗
N=N1+N2+N3+N4
(7)
2.4.1 旋耕切削功耗分析
旋耕切削主要是刀片切削土壤消耗的功率[12],用式(8)表示。
Nr=0.1kBHVd
(8)
式中:Nr——理想旋耕切削功耗,kW;
k——旋耕比阻,N/m2;
B——工作幅寬,m;
H——旋耕高度,cm;
Vd——前進(jìn)速度,m/s。
結(jié)合大豆玉米復(fù)合播種農(nóng)藝要求,旋耕比阻k取值9.5[13],工作幅寬B取值2.5 m,旋耕高度H取值15 cm,前進(jìn)速度Vd取值1.3 m/s,代入式(8),得出Nr=46.313 kW。
考慮到存在傳動(dòng)損失的因素,結(jié)合傳動(dòng)效率λ,得出旋耕切削功耗
(9)
將傳動(dòng)效率λ設(shè)為0.7,代入式(9),得出N1= 66.161 kW。
2.4.2 開(kāi)溝功耗分析
開(kāi)溝起壟裝置所受到牽引阻力主要為開(kāi)溝起壟曲面和翼板與土壤相互作用,開(kāi)溝播種的功率消耗[14]用式(10)表示。
N2=0.1k1bhVd
(10)
式中:b——開(kāi)溝寬度,m;
h——開(kāi)溝深度,cm;
k1——切土比阻,N/cm2。
取b=0.15 m,h=20 cm,Vd=1.3 m/s,k1=35 N/cm2,代入式(10),計(jì)算得N2=13.65 kW,由于復(fù)合播種機(jī)涉及開(kāi)溝施肥以及開(kāi)溝播種,因此最終確定開(kāi)溝功耗約N2為28 kW。
2.4.3 前進(jìn)阻力功耗分析
前進(jìn)阻力功耗與起壟阻力[15]、重力等因素有關(guān)。
N3=σFVd
(11)
式中:σ——比例系數(shù);
F——牽引阻力,kN。
各項(xiàng)取值為σ=0.2,F(xiàn)=12.5 kN,Vd=1.3 m/s,代入式(11),計(jì)算出N3=3.25 kW。
2.4.4 電動(dòng)排肥功耗分析
施肥裝置中排肥器由單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)選用額定電壓12 V,額定功率100 W的直流電機(jī),因此N4=0.1 kW。
將所有計(jì)算結(jié)果代入式(7),計(jì)算出總功耗N=97.511 kW,因此復(fù)合播種機(jī)配套動(dòng)力功率不低于97 kW。
為了驗(yàn)證復(fù)合播種機(jī)的工作性能,將以播種深度合格率、粒距合格率以及漏播率作為性能指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)。
復(fù)合播種機(jī)在江蘇省連云港灌云縣大豆農(nóng)場(chǎng)行試驗(yàn)(圖8),試驗(yàn)地土壤類(lèi)型為鹽土,地勢(shì)平坦,前茬覆蓋率為75.8%,對(duì)土壤狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試,經(jīng)過(guò)測(cè)定得知其含水率為16.1%,土壤緊實(shí)度為973.5 kPa,土壤堅(jiān)實(shí)度為2.87 kgf/cm2。試驗(yàn)配套拖拉機(jī)功率為100 kW,機(jī)具行進(jìn)速度為4.7 km/h,參照GB/T 20865—2017《免(少)耕施肥播種機(jī)》以及GB/T 6973—2005《精密播種機(jī)試驗(yàn)方法》中的規(guī)范方法進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),對(duì)復(fù)合播種機(jī)的作業(yè)效果進(jìn)行檢測(cè)。

圖8 田間試驗(yàn)
田間試驗(yàn)得出的主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 2 Experimental data
依據(jù)復(fù)合播種機(jī)的田間試驗(yàn)效果,復(fù)合播種機(jī)在保證一次性實(shí)現(xiàn)旋耕、施肥、起壟、播種、鎮(zhèn)壓的作業(yè)功能的同時(shí)將播種深度合格率穩(wěn)定在93.3%,漏播率以及重播率控制在了8%以下,在粒距合格指數(shù)表現(xiàn)上,大豆和玉米分別為85%和95.2%,整體展現(xiàn)了良好的作業(yè)效果。
1) 為落實(shí)玉米大豆復(fù)合種植技術(shù)要求,做到“玉米不減產(chǎn)、多收一季豆”的生產(chǎn)目標(biāo),大豆、玉米復(fù)合播種機(jī)是一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)備。本文設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)2行玉米和4行大豆的帶狀復(fù)合種植的2BSQF-6型大豆玉米復(fù)合種植播種機(jī)。主要設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件包括旋耕起壟裝置、播種裝置以及平行四連桿雙自由度仿形機(jī)構(gòu),該機(jī)集旋耕、施肥、起壟、播種等作業(yè)功能于一體。此外,對(duì)關(guān)鍵部件的功耗進(jìn)行需求分析,得出整機(jī)需求功率為97.511 kW,以此選擇合適的動(dòng)力源。
2) 所設(shè)計(jì)的樣機(jī)經(jīng)過(guò)田間試驗(yàn)表明,大豆玉米播種深度合格率均為93.3%,大豆和玉米的粒距合格指數(shù)分別為85%和95.2%,漏播率均控制在8%以下,機(jī)具各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足大豆玉米帶狀復(fù)合種植的農(nóng)藝要求。
3) 該機(jī)具特別適合于播種季與生長(zhǎng)季雨水多地區(qū)麥茬地的大豆玉米帶狀復(fù)合種植。同時(shí),該機(jī)具提升了大豆玉米帶狀復(fù)合種植機(jī)械化水平,減少了投入成本,有效地提高了作業(yè)效率,增強(qiáng)了農(nóng)戶(hù)種植意愿,對(duì)推動(dòng)發(fā)展大豆玉米復(fù)合種植技術(shù)具有重大意義。