2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)設(shè)計

趙成龍，尹海鵬，楊 華，蔣增強(qiáng)，孫 姣，王 波

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314)

農(nóng)膜覆蓋技術(shù)的廣泛應(yīng)用對促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展,提高農(nóng)作物產(chǎn)量，保障糧食和經(jīng)濟(jì)作物的供給安全做出了重大貢獻(xiàn)[1-3]。地膜覆蓋技術(shù)的應(yīng)用在我國北方旱地地區(qū)十分廣泛，2015年我國地膜覆蓋面積超過2 600萬hm2，新疆、甘肅、山東仍是地膜使用量最大的地區(qū)。近年來，在市場的驅(qū)動下，起壟覆膜技術(shù)發(fā)展十分迅速，起壟覆膜機(jī)的應(yīng)用也越來越廣泛，但與之對應(yīng)的膜上播種技術(shù)的發(fā)展卻比較滯后。國外的播種技術(shù)研究起步較早，但基本都是平播機(jī)，不具備起壟覆膜后二次進(jìn)地播種作業(yè)需求。國內(nèi)針對全膜雙壟溝播種技術(shù)的配套大型化播種機(jī)具研制處于起步階段，目前用于旱地全膜雙壟溝播種作業(yè)機(jī)具主要依靠滾輪式穴播器和手持式點播槍，普遍存在撕膜、挑膜和膜孔錯位的現(xiàn)象[4-7]，而且此類機(jī)具作業(yè)效率低、勞動強(qiáng)度大，不能滿足我國膜上播種作業(yè)的需求。

根據(jù)市場所需，筆者及其科研團(tuán)隊設(shè)計出一種成本較低、效率高、受地域農(nóng)藝限制小、使用范圍廣的膜上自走式播種機(jī)，以最大限度滿足國內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。設(shè)計的全膜雙壟溝精密播種機(jī)具有以下創(chuàng)新特點：(1)機(jī)組自帶動力源，完成起壟覆膜后二次進(jìn)地自走式播種作業(yè)，代替純?nèi)斯げシN或半自動播種；(2)機(jī)具排種器方便選配、更換，可實現(xiàn)農(nóng)作物平鋪膜和起壟膜的轉(zhuǎn)換播種，打破農(nóng)業(yè)播種設(shè)備專機(jī)專用現(xiàn)狀；(3)突破農(nóng)作物播種過程中受地域與農(nóng)藝的限制，實現(xiàn)播深、輪距、行距均可調(diào)，最大程度滿足不同地區(qū)需求。

1 播種機(jī)總體結(jié)構(gòu)

西北旱地通常在覆膜后等待降雨以改善土壤墑情，設(shè)計的2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)主要用于在已經(jīng)覆完膜的地塊中自走作業(yè)。作業(yè)時前、后輪胎行走在地膜接縫處的壓土帶上，具有良好的護(hù)膜功能。設(shè)計時，考慮到不同地區(qū)對株距、覆膜行寬有不同的要求，該播種機(jī)的前橋和后橋均設(shè)有輪距可調(diào)機(jī)構(gòu)；同時，為滿足同一地區(qū)不同農(nóng)作物及不同地區(qū)同一農(nóng)作物對行距和播種深度的不同需求，排種器總成的懸掛、排種器的安裝位置方便調(diào)節(jié)。機(jī)組整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由自走式底盤、播種器總成、操控系統(tǒng)總成、制動系統(tǒng)總成、電控系統(tǒng)總成、機(jī)罩構(gòu)成。

1.車架；2.后橋總成；3.制動器總成；4.分輸氣管；5.排種器總成；6.前橋總成；7.液壓輸油管；8.方向盤；9.座椅；10.總輸氣管；11.操控系統(tǒng)總成；12.電控系統(tǒng)總成；13.機(jī)罩(局部) 1.Frame；2.Rear axle assembly；3.Brake assembly；4.Branch air conduit；5.Seeder unit assembly；6.Front axle assembly；7.Hydraulic oil pipe line；8.Steering wheel；9.Seat；10.Total air conduit；11.Operated controlsystem assembly； 12.Electronic control system assembly；13.hood(part)圖1 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The whole structure of 2BZ-4 planter with wholeplastic-film mulching on double ridges

2 工作原理及技術(shù)參數(shù)

2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)前橋為轉(zhuǎn)向橋，后橋為驅(qū)動橋，后橋與發(fā)動機(jī)之間通過皮帶連接。播種作業(yè)時，先根據(jù)不同的農(nóng)作物選配不同的排種器，根據(jù)不同地區(qū)的農(nóng)藝要求調(diào)節(jié)排種器的安裝位置以滿足農(nóng)作物不同的行距要求，再通過調(diào)節(jié)排種器總成在車架上的安裝位置，完成播種深度的調(diào)節(jié)，同時根據(jù)不同地區(qū)覆膜寬度和壟寬，調(diào)整前橋總成和后橋總成的輪距，最后充分檢查液壓輸油管和總、分輸氣管與機(jī)組功能部件間的連接情況，啟動播種機(jī)完成起壟覆膜后二次進(jìn)地自走式護(hù)膜播種作業(yè)。

表1 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 自走式底盤設(shè)計

自走式底盤涉及車架、前橋總成、后橋總成、發(fā)動機(jī)總成、恒壓風(fēng)機(jī)(圖中未標(biāo)識)、座椅、方向盤，如圖1所示。

3.1.1 前橋設(shè)計 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)前橋設(shè)計借鑒拖拉機(jī)前橋技術(shù)[8-11]。如圖2所示，前橋臂焊合與前橋梁焊合之間通過螺栓連接，通過調(diào)節(jié)螺栓的連接位置使前橋輪距L1在1 000～1 400 mm之間可調(diào)。實際操作時，液壓千斤頂作用于前橋梁焊合中部位置使得前橋前輪略微懸空，手動對稱調(diào)整前橋臂焊螺栓的連接位置，保證自走式底盤不偏心，并且調(diào)節(jié)后的前橋應(yīng)保證3對螺栓同時作用，以滿足部件的剛性要求。前輪輪距調(diào)節(jié)過程中，為保證播種機(jī)的自走式底盤的機(jī)動靈活性、操縱穩(wěn)定性以及輪胎的使用壽命[12]，調(diào)節(jié)拉桿和橫拉桿之間也通過螺栓連接，通過改變連接螺栓的位置以保證合理的轉(zhuǎn)向梯形。

1.前橋驅(qū)動輪轂；2.左轉(zhuǎn)向臂；3.左前橋臂焊合；4.調(diào)節(jié)拉桿；5.前橋梁焊合；6.橫拉桿；7.前橋安裝座；8.右前橋臂焊合；9.液壓缸；10.右轉(zhuǎn)向臂1.Drive wheel hub of front axle；2.Left steering arm；3.Left front axle arm weldment；4.Adjusting pull rod；5.Front axle weldment；6.Tie rod；7.Mounting base of front axle；8.Right front axle arm weldment；9. Hydraulic cylinder；10.Right steering arm圖2 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)前橋Fig.2 The front axle of 2BZ-4 planter with wholeplastic-film mulching on double ridges

3.1.2 后橋設(shè)計 受農(nóng)藝限制，播種機(jī)在覆膜后壟上作業(yè)過程中主要以近直線的方式行走，除轉(zhuǎn)彎時受較小的軸向載荷，后橋半軸主要承載扭矩?？紤]到其載荷特點，采用平鍵連接輪胎的后橋驅(qū)動輪轂與后橋半軸，通過螺栓夾緊后橋驅(qū)動輪轂與后橋驅(qū)動輪轂蓋，以提供足夠的徑向載荷，保證后橋輪轂不軸向躥動。通過松開連接螺栓，對應(yīng)半軸上的刻度標(biāo)記，精確調(diào)節(jié)后橋輪距，此設(shè)計使后橋輪距L2在1 000～1 400 mm之間可調(diào)，調(diào)節(jié)方便，調(diào)節(jié)范圍大，具體調(diào)節(jié)辦法同前橋類似，不再贅述。

1.平鍵；2.后橋驅(qū)動輪轂；3.后橋驅(qū)動輪轂蓋1.Flat key；2.Drive wheel hub of front axle；3.Drive wheel hub lid of front axle圖3 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)后橋Fig.3 The rear axle of 2BZ-4 planter with wholeplastic-film mulching on double ridges

3.2 深度可調(diào)播種器總成設(shè)計

排種器通過U型螺栓與主支撐梁連接，連接體通過銷安裝在自走式底盤車架上，主支撐梁上開有5個銷連接孔，相鄰孔之間間隔15 mm，通過改變銷連接的位置，使農(nóng)作物播種深度h在40～100 mm之間可調(diào)。同時主支撐梁橫梁上的刻度標(biāo)記，通過調(diào)節(jié)U型螺栓的安裝位置，可精確調(diào)節(jié)株距S1、S2(無特殊播種要求S1=S2)，使株距在380～550 mm之間可調(diào)。實際調(diào)節(jié)或更換時，應(yīng)先調(diào)節(jié)保證株距，用液壓千斤頂作用于主支撐梁中部位置，使排種器懸空，松開U型螺栓，根據(jù)農(nóng)藝需求的S1、S2調(diào)節(jié)U型螺栓位置并擰緊螺栓，最后調(diào)節(jié)主支撐梁與車架之間螺栓的連接位置滿足播種深度要求。

1.主支撐梁；2.回位拉桿；3.排種器；4.U型螺栓1. Main support beam；2. Return pull rod；3. Seeder unit；4. U-bolt圖4 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)排種器總成Fig.4 The assembly of seeder unit of 2BZ-4 planter withwhole plastic-film mulching on double ridges

4 樣機(jī)田間實驗

4.1 實驗方案

評價一款新型播種機(jī)主要考慮播種機(jī)的單粒率、重播率、空穴率和破碎率[4，13]。設(shè)計的2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)具有多功能播種功能，根據(jù)市場上現(xiàn)有的排種器，可實現(xiàn)玉米、黃豆、花生等10余種農(nóng)作物播種。實驗時選擇3種農(nóng)作物，分別是玉米、黃豆、蠶豆，選擇理由如下：(1)2015年甘肅省糧食種植面積達(dá)到284.2萬hm2，其中玉米種植面積100.8萬hm2，占三大主糧總種植面積的1/3以上，考察該播種機(jī)玉米的播種性能有現(xiàn)實必要性；(2)黃豆代表“厚且短”的一類種子，種子厚度、長度比值接近0.5～0.6，如綠豆、青豆等；(3)蠶豆代表“薄且長”的一類種子，種子厚度、長度比值接近0.2～0.3。另外該款播種機(jī)顯著特點是膜上自走式播種作業(yè)，減員增效明顯，所以實驗時考慮其工作效率。樣機(jī)無實時監(jiān)測功能，上述評價指標(biāo)中單播率和重播率可通過田間實驗的出苗率驗證，空穴率和破碎率的考察在實驗室內(nèi)進(jìn)行。

田間實驗在甘肅省定西市臨洮縣進(jìn)行。實驗用地地勢平坦，土壤為黃綿土，地表覆膜處理。播種機(jī)實驗前取膜內(nèi)土壤樣品，用稱重法測得實驗時土壤含水率約為18.7%，并測得土壤堅實度約為1 009 kPa。實驗中選配的玉米排種器為河北任丘市沃田農(nóng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的OT-6精量排種器；黃豆排種器為武漢艾克美生產(chǎn)的ACME-001型排種器；蠶豆排種器選用我公司自制的LT-6排種器。

田間播種作業(yè)實驗同上述3種農(nóng)作物的種子，并用同樣的排種器，在作業(yè)速度分別2 km·h-1和4 km·h-1的工況下播種1 000穴，考察單苗率、重苗率、出苗率、空穴率和作業(yè)效率，實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

圖5 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)播種器樣機(jī)Fig.5 The prototype of 2BZ-4 planter with wholeplastic-film mulching on double ridges

4.2 實驗結(jié)論

實驗室內(nèi)，取3種農(nóng)作物的種子，分別模擬播種1 000穴，驗證不同排種器的排種情況，如表2所示。

表2 實驗室3種農(nóng)作物排種器排種情況

表3 田間3種農(nóng)作物排種器排種情況

結(jié)合表2、表3的實驗數(shù)據(jù)可以看出，農(nóng)作物的出苗情況受播種作業(yè)速度、排種器性能、種子形狀、地塊質(zhì)量影響明顯。黃豆種子表面光滑且接近于圓弧面有利于被排種器吸氣負(fù)壓盤孔吸住而呈現(xiàn)出良好的排種性能。本科研團(tuán)隊研發(fā)設(shè)計的2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)總體上達(dá)到播種機(jī)性能要求，使用本播種機(jī)播種作業(yè)時選擇2～3 km·h-1為宜。

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

設(shè)計的2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)在壟上播種機(jī)具方面屬于國內(nèi)首創(chuàng)，添補(bǔ)國內(nèi)膜上自走作業(yè)播種機(jī)具的空白。相較于市場上主流的玉米播種機(jī)(平播)、播種覆膜一體機(jī)、和膜上單/雙行滾輪式穴播器、膜上手持式點播槍，設(shè)計體具有以下創(chuàng)新點：

(1)膜上自走作業(yè)：全膜雙壟溝播技術(shù)被廣泛應(yīng)用，但膜上播種具主要靠手推式穴播機(jī)，效率低、勞動強(qiáng)度大的缺點明顯。該結(jié)構(gòu)自帶動力源，能完成起壟覆膜后二次進(jìn)地自走式作業(yè)，降低勞動強(qiáng)度，提高播種效率。

(2)多功能播種：該結(jié)構(gòu)能完成平鋪膜和起壟膜的轉(zhuǎn)換播種；可壟溝播種也可以壟上播種；可通過選配排種器實現(xiàn)多種農(nóng)作物播種。

(3)適應(yīng)不同區(qū)域，對農(nóng)藝要求低：該結(jié)構(gòu)更好地解決全膜雙壟溝播技術(shù)在不同的地區(qū)以及同一地區(qū)種植不同作物時對播深、輪距、株距的不同要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，播種深度40～100 mm可調(diào)、行走底盤輪距1 000～1 400 mm可調(diào)、行距380～550 mm可調(diào)。

5.2 展望

試制樣機(jī)在田間實驗過程中，設(shè)計的2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機(jī)在提高播種效率、精密播種、出苗率方面取得預(yù)期效果，同時也出現(xiàn)諸多問題，筆者與科研團(tuán)隊后期將在以下方面展開研究：

(1)機(jī)組輕量化研究：播種機(jī)后輪在地膜接縫處壓土帶上行走過程中，由于機(jī)組過重，偶爾有地膜輕微橫向撕裂的現(xiàn)象，降低地膜保濕、保墑的效果，后期將考慮機(jī)組的輕量化研究。

(2)播種深度調(diào)節(jié)裝置設(shè)計：排種器總成調(diào)節(jié)安裝位置(即調(diào)節(jié)農(nóng)作物播種深度)時需要采用液壓千斤頂，且操作起來十分不便，后期研究中將考慮設(shè)計播種深度自動調(diào)節(jié)裝置。

(3)播種實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[14-15]：播種機(jī)雖然滿足≤3.8%的空穴率，但是無法提前監(jiān)測，需通過作物出苗率監(jiān)測，后期研究中將考慮設(shè)計智能播種監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)漏播、重播的實時監(jiān)測。