基于機(jī)收的棉花覆膜播種機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

李　偉，宋慶奎，宋德平，梅紅星，張愛民

(1.濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東 濱州　256616；2.濱州市農(nóng)業(yè)局，山東 濱州　256600)

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基于機(jī)收的棉花覆膜播種機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

李偉1，宋慶奎1，宋德平1，梅紅星2，張愛民1

(1.濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東 濱州256616；2.濱州市農(nóng)業(yè)局，山東 濱州256600)

摘要：介紹了2BMJ-4型棉花覆膜播種機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及工作原理。該機(jī)一次進(jìn)地即可完成苗帶干土清理、開溝、施肥、播種、鋪膜、壓膜及覆土等作業(yè)工序，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的刮土板能夠把棉花苗帶上0~5cm含鹽堿量極高的表土層刮到苗帶以外，提高了鹽堿地棉花的出苗率，還能夠加大種床與膜床的高度差，延長(zhǎng)棉苗在地膜下的生長(zhǎng)時(shí)間，使放苗時(shí)間更加集中，可節(jié)省大量勞動(dòng)力。田間試驗(yàn)表明：該機(jī)作業(yè)效果能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)收；刮土板；鋪膜；劃行器；播種機(jī)

0引言

我國(guó)是世界主要的棉花生產(chǎn)、消費(fèi)和進(jìn)口國(guó)，同時(shí)也是主要的棉紡織產(chǎn)品出口國(guó)[1]。近幾年，棉花種植面積逐年減少，歸結(jié)起來，主要是以下兩點(diǎn)：一是棉花生產(chǎn)用工較多，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，勞動(dòng)力成本逐年上升，植棉成本隨之上升，棉農(nóng)植棉積極性受挫[2]；二是近年來我國(guó)糧棉爭(zhēng)地矛盾的逐漸凸顯，農(nóng)民種植糧食不僅用工較少，而且糧食價(jià)格較棉花價(jià)格更有保障。我國(guó)的棉花供給安全已受到威脅，加快棉花生產(chǎn)的全程機(jī)械化和增加不適宜糧食種植的鹽堿地棉花種植面積和棉花產(chǎn)量，已成為棉花生產(chǎn)的必然需求[3]。

棉花播種環(huán)節(jié)的機(jī)械化直接影響到后續(xù)各個(gè)環(huán)節(jié)的機(jī)械化，加強(qiáng)棉花播種機(jī)研究，有助于后續(xù)管理及收獲環(huán)節(jié)機(jī)械化作業(yè)的實(shí)現(xiàn)，并能夠?yàn)槊藁ㄔ霎a(chǎn)提供最根本的保障[4]。為此，根據(jù)機(jī)采棉的種植模式和鹽堿地棉花的播種需要，研制了2BMJ-4型棉花覆膜播種機(jī)。該機(jī)設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定，一次進(jìn)地即可完成苗帶干土清理、開溝、施肥、播種、鋪膜及壓膜、覆土等作業(yè)工序，能夠提高鹽堿地棉花的出苗率，減少用工，是一臺(tái)符合機(jī)采棉種植農(nóng)藝要求的復(fù)式作業(yè)機(jī)具。

1結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　整機(jī)結(jié)構(gòu)

2BMJ-4型棉花覆膜播種機(jī)采用三點(diǎn)懸掛方式與輪式拖拉機(jī)掛接，一次進(jìn)地即可完成苗帶干土清理、開溝、施肥、播種、鋪膜、壓膜及覆土等多項(xiàng)作業(yè)。該機(jī)主要包括牽引懸掛裝置、劃行器、四連桿仿形機(jī)構(gòu)、肥箱、種箱、地輪、可折疊裝置、覆土滾筒、覆土圓盤、壓膜輪、膜輥、鋪膜開溝鏟、鎮(zhèn)壓輪、勺輪式排種器及播種開溝器、施肥開溝器、刮土板等，如圖1所示。

1.牽引懸掛裝置　2.劃行器　3.四連桿仿形機(jī)構(gòu)　4.肥箱　5.種箱

1.2　主要技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)

播種機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。

1.3　工作原理

2BMJ-4型棉花覆膜播種機(jī)工作前，先將覆土滾筒抬起，再將地膜橫頭從膜卷上拉出，經(jīng)壓膜輪和覆土滾筒拉到機(jī)具后面，用土埋住地膜的橫頭；放下覆土滾筒，機(jī)組開始前進(jìn)，機(jī)具前部的刮土板的苗帶刮土部分將苗帶表面的干土層清理掉，刮土板的后部分將被清理的干土分向兩側(cè)并盡量刮平，以方便鋪膜作業(yè)；施肥開溝器開溝，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)并通過傳動(dòng)鏈輪鏈條傳給排肥器，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的施肥功能；播種開溝器同時(shí)開溝，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)排種器排種，后面的鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行鎮(zhèn)壓，然后覆膜開溝鏟開溝；機(jī)具行走帶動(dòng)地膜輥旋轉(zhuǎn)，地膜逐漸脫離地膜輥平鋪于地表，地膜兩側(cè)通過壓膜輪壓入鏵式犁開溝器開好的溝內(nèi)；覆土圓盤將一部分土翻入地膜溝中，經(jīng)膜上鎮(zhèn)壓輪壓實(shí)，另一部分土翻入覆土滾筒內(nèi)，覆土滾筒內(nèi)的導(dǎo)土板將土輸送到滾筒的另一端覆在地膜上，防止大風(fēng)揭膜，完成整個(gè)作業(yè)過程。

表1　播種機(jī)性能參數(shù)

2主要工作部件的設(shè)計(jì)與選擇

2.1　刮土板的設(shè)計(jì)

棉花覆膜播種對(duì)種床和膜床有著較高的整備要求，必須保證棉種播在濕土上，膜床能夠方便將地膜鋪平，保證播種和鋪膜質(zhì)量。通常采用刮土板來實(shí)現(xiàn)種床的干土清理和膜床的刮平，通過大量的試驗(yàn)及改進(jìn)，設(shè)計(jì)的刮土板結(jié)構(gòu)如圖2所示。該刮土板具備以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1)僅對(duì)種帶部分深刮土，降低了刮土功耗。

2)能夠刮走含鹽堿量極高的表土層，提高棉花出苗率。該刮土板的前半部分刮土深于后半部分5cm，這種設(shè)計(jì)使得棉花苗帶上0~5cm含鹽堿量極高的表土層被刮土板到苗帶以外，提高了棉花的成苗率，對(duì)于鹽堿地上的棉花種植很有價(jià)值[5]。

1.手輪　2.絲杠調(diào)整機(jī)構(gòu)　3.刮土板板體

3)加大了種床與膜床的高度差，棉苗地膜下的生長(zhǎng)時(shí)間得以延長(zhǎng)。這種刮土板的設(shè)計(jì)使得種床與膜床的高度差加大，在棉花出苗后形成如圖3所示的狀態(tài)，棉苗在地膜下的生長(zhǎng)時(shí)間得以延長(zhǎng)，還可避免因種床與膜床高度差過低，放苗不及時(shí)造成的燒苗，可以短時(shí)間內(nèi)集中放苗，節(jié)省大量人力。

圖3　棉花出苗后的狀態(tài)示意圖

4)采用絲杠調(diào)整升降，調(diào)整更加方便。該刮土板采用絲杠調(diào)整來代替依靠改變緊固螺栓的緊固位置來調(diào)整刮土板離地高度，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刮土板升降，可以方便地調(diào)整刮土板的刮土深度。這樣不僅提高了刮土板調(diào)整的精度，而且提高了調(diào)整操作的便捷性，符合人機(jī)一體化的設(shè)計(jì)理念；同時(shí)這種設(shè)計(jì)還縮短了刮土板刮土深度調(diào)整時(shí)間，提高了機(jī)具的工作效率。升降調(diào)整機(jī)構(gòu)為螺旋絲杠機(jī)構(gòu)，制造成本不高，對(duì)于整機(jī)的價(jià)格影響不大，便于普及使用。

2.2　四連桿仿形機(jī)構(gòu)

仿形機(jī)構(gòu)能夠使播種單體隨地面起伏變化而變化，為播種深度的一致性、種子出苗高度的一致性和植株生長(zhǎng)的整齊度提供了可能[6]。為保證棉花的播深一致性，該機(jī)每組施肥播種單體前面通過兩組四連桿仿形機(jī)構(gòu)與機(jī)架相連，四連桿仿形機(jī)構(gòu)通過兩個(gè)U型卡安裝在機(jī)架橫梁上，通過調(diào)整該機(jī)構(gòu)彈簧的預(yù)緊力可以控制仿形的靈敏度和可靠性。

可以通過圖4說明四連桿仿形的原理：上桿L上和下桿L下長(zhǎng)度相等且始終保持平行，鉸接點(diǎn)A和鉸結(jié)點(diǎn)B鉸接在機(jī)架上，鉸接點(diǎn)C和鉸接點(diǎn)D鉸接在播種單體上，C點(diǎn)和D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與整個(gè)播種單體的運(yùn)動(dòng)同步。該平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)仿形過程中，AB始終平行于CD，AC始終平行于BD，由于AB始終固定在機(jī)架上，保持豎直，CD始終平行于AB，所以CD也始終垂直；整個(gè)播種單體的仿形軌跡始終是平行于地面的，這樣開溝深度就不會(huì)受到地面高度變化的影響,從而可以保證播深一致[7]。

圖4　四連桿簡(jiǎn)圖

2.3　施肥開溝器及播種開溝器

1)施肥開溝器。2BMJ-4型棉花覆膜播種機(jī)施肥開溝器設(shè)計(jì)時(shí)，主要有以下幾點(diǎn)要求：一是可以在不同土質(zhì)的土壤中工作；二是需要有較好的入土能力，開溝阻力小；三是要能夠防殘膜、雜草等的纏繞；四是在不影響使用效果的情況下結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單，成本不能過高。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)的施肥開溝器如圖5所示。

該開溝器的開溝犁頭為耐磨材料加工而成，且可單獨(dú)拆卸，方便更換。其前端入土部分為尖角，開溝起土角度20°、入土隙角8°，有較好的入土能力，開溝阻力?。粋?cè)板可防止開溝開出的土過早回落到肥溝內(nèi)，防堵散肥板可防止矩形導(dǎo)肥管堵塞并能使肥料均勻落地，防纏繞裝置可防止雜草、殘膜等纏繞。

2) 播種開溝器。種子的發(fā)芽生長(zhǎng)與種床有很大的關(guān)系，播種開溝器的設(shè)計(jì)除了要滿足上面所提到的施肥開溝器的要求外，還要滿足以下兩點(diǎn)要求：一是開出的種溝必須直，深度一致；二是土層不能混亂，下層必須為濕土[8]。根據(jù)以上要求，設(shè)計(jì)的播種開溝器如圖6所示。

1.開溝犁頭　2.開溝器小側(cè)板　3.防堵散肥板

1.開溝犁頭　2.開溝器小側(cè)板　3.開溝器大側(cè)板

該開溝器的開溝犁頭為耐磨材料加工而成，且可單獨(dú)拆卸，方便更換。其前端入土部分為尖角，開溝起土角度20°，入土隙角8°，有較好的入土能力，開溝阻力小；大小側(cè)板可防止開溝開出的土過早回落到種溝內(nèi)，土層不混亂，下層可保證為濕土，與四連桿仿形機(jī)構(gòu)配合使用開出的種溝深度一致，防纏繞裝置可防止雜草、殘膜等纏繞。

2.4　排種器的選擇

通過大量的對(duì)比試驗(yàn)，最后優(yōu)選出勺輪式排種器作為該機(jī)使用的排種器。勺輪式排種器工作時(shí)，分種勺從種子堆中舀取數(shù)粒種子，隨著排種輪的旋轉(zhuǎn)，處于分種勺持種空間中的1~2粒種子繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，隨其轉(zhuǎn)到一定高度的時(shí)候，靠自重和離心力的共同作用被投入到投種輪中，最后到達(dá)投種口，完成整個(gè)排種過程[9]。選用勺輪式排種器的中小勺盤，雖不能嚴(yán)格達(dá)到單粒精播，但通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單粒率超過87%,且非單粒穴內(nèi)不超過兩粒種子，能夠滿足機(jī)采棉播種的要求且價(jià)格相對(duì)于其它的排種器低廉。綜合考慮，選擇勺輪式排種器作為該機(jī)排種器。

2.5　鋪膜覆土機(jī)構(gòu)

該播種機(jī)的覆土機(jī)構(gòu)由鋪膜覆土機(jī)架、鋪膜開溝器、膜輥、壓膜輪、覆土滾筒及覆土圓盤等組成。

為解決在運(yùn)輸過程中，機(jī)具長(zhǎng)度過長(zhǎng)帶來的不便，該播種機(jī)在進(jìn)行鋪膜覆土機(jī)構(gòu)與前面的施肥播種部分的連接設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)可折疊的連接機(jī)構(gòu)。這樣，當(dāng)機(jī)具處于工作狀態(tài)時(shí)(該部分如圖1中7所示)，在運(yùn)輸過程中，松開折疊機(jī)構(gòu)的兩個(gè)緊固螺栓，將覆膜機(jī)構(gòu)向上折疊，可以縮短機(jī)具的整體長(zhǎng)度，方便運(yùn)輸。

根據(jù)地膜覆蓋的農(nóng)藝技術(shù)要求，為保證埋溝壁里側(cè)垂直，選擇鏵式犁開溝器作為覆膜機(jī)構(gòu)的開溝器，開溝深度5～8cm。

鋪膜覆土機(jī)構(gòu)的壓膜輪設(shè)計(jì)，對(duì)鋪膜質(zhì)量有著不可忽視的影響。膜邊平鋪在膜溝內(nèi)，壓膜輪要與膜保持垂直運(yùn)動(dòng)，一定要走在開好的膜溝內(nèi)，保證隨地形的變化自動(dòng)仿形，不能出現(xiàn)懸空，并且要使得壓膜輪的圓弧面緊貼溝壁，這樣可以提高地膜的張緊力，保證鋪膜質(zhì)量。

2.6　劃行器

由于采棉機(jī)對(duì)棉花行距有嚴(yán)格要求，機(jī)采棉播種就必須滿足行距要求。一般來說機(jī)采棉播種要能夠滿足76cm等行距的要求，這就要求在播種機(jī)上設(shè)計(jì)導(dǎo)向裝置，也就是劃行器。

1)劃行器工作原理。2BMJ-4型棉花覆膜播種機(jī)機(jī)劃行器采用液壓起降式，由劃印圓盤、液壓缸、液壓動(dòng)力傳送裝置及液壓控制裝置等組成，如圖7所示。其中，操縱液壓控制裝置使左端液壓缸柱塞的伸出，左側(cè)劃行器被放下，播種機(jī)開始作業(yè)，左側(cè)劃印圓盤開始劃痕；當(dāng)播種機(jī)行駛至耕作邊界時(shí)，操縱液壓控制裝置使左側(cè)液壓缸柱塞縮回，左側(cè)液壓缸行程至最短，左側(cè)劃行器被完全升起，此時(shí)開始轉(zhuǎn)彎換向；駕駛員將機(jī)具調(diào)整至拖拉機(jī)中心對(duì)準(zhǔn)劃出的印痕，隨后操縱液壓控制裝置使右端液壓缸的柱塞伸出，右側(cè)劃行器被放下，播種機(jī)繼續(xù)作業(yè)，右側(cè)劃印圓盤開始劃印，劃出下次轉(zhuǎn)彎換向后拖拉機(jī)中心需要對(duì)準(zhǔn)的劃痕。

劃行器的臂長(zhǎng)設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的，駕駛員可以根據(jù)各自的駕駛瞄準(zhǔn)習(xí)慣，選擇以拖拉機(jī)中心對(duì)行或者以拖拉機(jī)右前輪對(duì)行。

1.左側(cè)劃行器　2.左側(cè)液壓缸　3.右側(cè)液壓缸　4.右側(cè)劃行器

2)劃行器臂長(zhǎng)的確定。作業(yè)拖拉機(jī)選東方紅X804，其前輪中心線間距y=1.63m,行距為0.76m。機(jī)采棉播種采用梭形行走法，需要左右各裝1個(gè)劃行器。

駕駛員以拖拉機(jī)右前輪對(duì)行時(shí)，劃行器的左臂長(zhǎng)L左、右臂長(zhǎng)L右，計(jì)算公式分別為[10]

L左=(x+y)/2+a=2.715m

L右=(x-y)/2+a=1.085m

式中L左—?jiǎng)澬衅髯蟊坶L(zhǎng)(m)；

L右—?jiǎng)澬衅饔冶坶L(zhǎng)(m)；

x—播種機(jī)兩處外開溝器的距離(m)；

y—拖拉機(jī)前輪中心線間距(m);

a—行距(m)。

當(dāng)以中心對(duì)行時(shí)，左右臂長(zhǎng)相等，則

L=x/2+a=1.9 m

3田間試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)條件與方法

參考JB/T7732-2006《鋪膜播種機(jī)》和GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)，2015年4月，田間生產(chǎn)試驗(yàn)先后在山東省濱州市的濱城區(qū)、沾化區(qū)、無棣縣共計(jì)233.3hm2的機(jī)采棉示范基地上進(jìn)行。性能測(cè)試的項(xiàng)目主要包括播種平均深度、施肥平均深度、機(jī)具的通過性、種肥的覆土狀況、種肥之間的距離及覆膜的性能等；檢測(cè)設(shè)備包括卷尺、標(biāo)桿和秒表等。

3.2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

1) 種肥情況。播種機(jī)調(diào)試完成，正常作業(yè)后，隨機(jī)劃定小區(qū)，進(jìn)行種肥播深和種肥間距等測(cè)定，經(jīng)測(cè)定，種肥試驗(yàn)結(jié)果表2和表3所示。

2)鋪膜情況。播種機(jī)調(diào)試完成，開始正常作業(yè)后，隨機(jī)劃定小區(qū)，進(jìn)行鋪膜性能測(cè)定，經(jīng)測(cè)定，鋪膜性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表2　種肥播深及種肥間距統(tǒng)計(jì)表

表3　播種施肥性能試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表4　鋪膜性能試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4結(jié)論

1)該創(chuàng)新設(shè)計(jì)的刮土板能夠刮走棉花苗帶上含鹽堿量極高的表土層，有利于鹽堿地種植的棉花出苗。這種刮土板加大了種床與膜床的高度差，可以延長(zhǎng)棉苗在地膜下的生長(zhǎng)時(shí)間，有利于集中放苗，節(jié)約勞動(dòng)力。以絲杠為調(diào)整機(jī)構(gòu)，刮土板的上下位置調(diào)整可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整手輪來實(shí)現(xiàn)，提高了調(diào)整精度和速度，操作更方便，符合人機(jī)一體化的設(shè)計(jì)理念。

2)設(shè)計(jì)了液壓起降式的劃行器，操作更具便捷性，提高了作業(yè)效率。

3)一次進(jìn)地即可完成苗帶干土清理、開溝、施肥、播種、鋪膜、壓膜及覆土等多項(xiàng)作業(yè)，省工省時(shí)且避免機(jī)具多次壓實(shí)土壤。覆膜裝置在運(yùn)輸過程中可實(shí)現(xiàn)向上折疊，結(jié)構(gòu)合理，便于運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)可靠。

4)該機(jī)尚有一些不足，存在改進(jìn)的空間。如該機(jī)還不夠智能化，可以考慮設(shè)計(jì)合理的種肥情況監(jiān)控裝置，防止種肥漏播 ，還可以考慮通過光電仿形提高仿形精度。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0145-EA

Design and Experiment of Membrance Planter for Cotton Based on Mechanical Harvesting

Li Wei1, Song Qingkui1, Song Deping1, Mei Hongxing2, Zhang Aimin1

(1.Binzhou Agricultural Machinery Research Institute，Binzhou 256616,China; 2.Agricultural Bureau of Binzhou City,Binzhou 256600,China)

Abstract：The main structure and working principle of 2BMJ-4 type cotton membrane planter were introduced in this paper, the clearing dry soil in seeding strip, ditching, fertilization, sowing and mulching, pressing film, earthing can be finished in one time by this planter. The scraper bar was innovative design, by which, 0~5cm topsoilcontaining high salinitycan be scrape offand pushed outside cotton seeding strip. The seeding rate of cotton in saline land was improved; time of sending out cotton seeding was more concentrated so that labor force was saving because height difference between seed bed and membrane bed was added and growth time of cotton seeding under film was extended.The field experiment shows thatoperation effectiveness can meet the design requirements.

Key words：mechanical harvest ; scraper bar; plastic film mulch; row marker; planter

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0145-05

作者簡(jiǎn)介：李偉(1983-)，男，山東惠民人，研究實(shí)習(xí)員,(E-mail)Lw163126@163.com。通訊作者：張愛民(1976-)，男，山東惠民人，高級(jí)工程師,(E-mail)bzzam@163.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B02)；山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2015TZ201)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015GNC112007)

收稿日期：2015-10-12