高濕地塊油菜復(fù)式播種機的整機設(shè)計

宋明翰孫萌萌徐勇何瑞銀魏清

0 引言

江蘇省是我國油菜生產(chǎn)的主要省份，是農(nóng)業(yè)部規(guī)劃的優(yōu)勢“雙低”油菜產(chǎn)品的重要生產(chǎn)區(qū)之一，油菜種植面積在33.33萬hm2左右。近幾年隨著油菜用途的拓展、種植效益的提高，農(nóng)民種植油菜的積極性逐年提高，油菜種植面積多年持續(xù)下滑的局面得到改善。但是油菜生產(chǎn)過程中還存在如下問題[1]：油菜的遲播、晚播，以及漬害、草害、凍害的影響都會導(dǎo)致油菜產(chǎn)量減少[2]；油菜播種時田間秸稈量大、地表土壤含水率高影響油菜機械化播種效率[3]，土壤板結(jié)會造成生產(chǎn)成本的增加[4]；在秸稈還田條件下，土壤中秸稈疊加堆積，播種過程缺少覆土鎮(zhèn)壓環(huán)節(jié)，使土壤顆粒之間粘結(jié)不緊實，油菜種子與土壤接觸不緊密，會造成出苗率低、苗弱、死苗現(xiàn)象[5]。

目前，歐美發(fā)達國家油菜種植已基本實現(xiàn)機械化、智能化，但國外機械并不適用于我國油菜田土壤含水率高、秸稈殘留量大等實際情況。針對江蘇地區(qū)稻茬地秸稈還田、土壤含水率高、粘性大的條件，本課題設(shè)計一套新型的適宜高濕地塊油菜播種的機具，可一次完成秸稈位移、帶狀旋耕、開溝、精量播種等工序。

1 高濕地塊油菜復(fù)式播種機設(shè)計方案

目前國內(nèi)外對于油菜濕地的播種機具的研究未見闡述，本文為了能夠?qū)崿F(xiàn)油菜播種機在極端條件下順利作業(yè)，本課題對整機布局以及部件設(shè)計進行了優(yōu)化。整機功能主要分為四個部分：秸稈移位、帶狀旋耕、開溝、精量播種。機具總體結(jié)構(gòu)見圖1。插秧機機頭通過懸掛架牽引播種

圖1機具總體結(jié)構(gòu)示意圖

機。機具前進過程中，輪齒式秸稈位移裝置隨著機具前進開始回轉(zhuǎn)工作，完成秸稈位移的功能。帶狀旋耕裝置的動力來自選配的柴油發(fā)動機，經(jīng)過中間齒輪傳動箱傳遞給旋耕刀軸，帶動安裝在旋耕刀軸上的旋耕刀高速回轉(zhuǎn)，完成帶狀旋耕作業(yè)。擋土板防止旋耕時產(chǎn)生的土塊飛濺。在插秧機啟動之前，打開柴油發(fā)動機，使旋耕刀軸正常工作；打開播種控制系統(tǒng)電源開關(guān)，通過按鍵和旋鈕輸入所需播種量等參數(shù)。機具作業(yè)時，開啟播種控制系統(tǒng)開關(guān)，光電式編碼器采集測速輪上的轉(zhuǎn)動脈沖信號和當(dāng)前的排種電機轉(zhuǎn)速傳遞給單片機，經(jīng)過PID算法處理計算得到目標(biāo)電機轉(zhuǎn)速，再通過輸出相應(yīng)的PWM波來控制排種電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對油菜籽播量控制。由于油菜易受漬害，因此，通過開溝犁開出一條排水溝，為油菜播種后排出多余水分提供保障。

2 秸稈位移裝置設(shè)計

水稻收割留茬過高、秸稈量過大導(dǎo)致油菜出苗率較低。因此在整機研制中設(shè)計了輪齒式秸稈位移裝置來降低秸稈對機具播種質(zhì)量的影響。本課題設(shè)計的輪齒式秸稈位移裝置，12個輪齒均勻分布于輪盤周圍，該機構(gòu)可以實現(xiàn)對秸稈的壓、挑、撥、排放等作業(yè)。輪齒式秸稈位移裝置呈現(xiàn)“八”字型排列，具有撥草與分草兩種功能。該裝置由齒盤、連接臂、限位螺桿、限位彈簧等部件組成，其中限位彈簧是為了保證該裝置在實際工作中遇到地表起伏不平時能夠具有一定的入土深度和仿形作用，保證種床清秸質(zhì)量。該裝置通過限位螺母安裝在機架上，隨著機具前進而開始回轉(zhuǎn)作業(yè)，達到清理種床的功能。秸稈位移裝置如圖2所示。

圖2秸稈位移裝置

3 旋耕裝置的設(shè)計

復(fù)式作業(yè)機作業(yè)時，旋耕刀片在動力的驅(qū)動下繞刀軸做回轉(zhuǎn)運動，在轉(zhuǎn)速較高時具有良好的耕整地效果。針對土壤含水率超過30%的作業(yè)條件[6]，為使機具達到松土效果，滿足油菜生長條件，本課題選用的旋耕刀軸方案如下：

旋耕刀的種類以及刀片數(shù)量往往會影響旋耕作業(yè)效果，前進速度也是影響旋耕作業(yè)效果的重要因素[7]，當(dāng)前進速度一定時，刀片數(shù)量會影響旋耕作業(yè)質(zhì)量。切土節(jié)距、前進速度與刀片數(shù)量的關(guān)系如式（1）所示：

式中：S——切土節(jié)距，m；

Z——切割單元刀片數(shù)目，個；

v——機具前進速度，m/s；

n——刀軸轉(zhuǎn)速，r/min。

依據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》設(shè)計要求，土壤含水率高于30%時，切土節(jié)距一般為6～9 cm，本文取節(jié)距為6 cm，插秧機的前進速度一般在0～1.8 m/s無級變速，依據(jù)本課題的設(shè)計要求，機具的前進速度為0.41～0.61 m/s。本文前進速度取0.6 m/s，故Z取值為3。旋耕刀軸三維模型如圖3所示。

圖3旋耕刀軸三維模型

本文選用的旋耕彎刀作業(yè)幅寬可達到50 mm，故本文刀盤的布置間距為80 mm[8]，拉裂土壤寬度按經(jīng)驗值選為20 mm，因此種帶旋耕寬度為10 cm，本文設(shè)計的油菜帶狀播種機的工作幅寬為180 cm，排水溝寬度為20 cm，帶狀旋耕作業(yè)幅寬為40 cm，刀盤數(shù)為8個，總刀片數(shù)目為24把，具體的刀片排列方式如圖4所示。

4 播種開溝裝置的選型

圖4旋耕刀片排列方式

排種器是油菜播種機的核心部件，對播種機的播種性能影響最為突出。目前，國內(nèi)外對于油菜播種機的研究主要集中于油菜排種器的優(yōu)化設(shè)計方面，保證播種機作業(yè)過程中排種均勻穩(wěn)定、不傷種，提高播種質(zhì)量。本文通過對比三種常見的油菜排種器（中心強推式排種器、窩眼輪式排種器、正負(fù)氣壓組合式排種器）進行理論選型。經(jīng)綜合考慮，選用安裝便捷、精度較高、種子損傷率較低的窩眼輪式排種器，配套智能化播種控制系統(tǒng)。

我國對于開溝器的研究起步較晚，開溝器的主要類型有犁鏵式開溝器、圓盤式開溝器、鏈?zhǔn)介_溝器等。由于播種機懸掛于插秧機后，插秧機的液壓提升系統(tǒng)以及動力輸出系統(tǒng)對整機質(zhì)量、動力分配方案要求較高，故主動式開溝裝置不適用于本課題開溝器的選型。綜合考慮江蘇稻油輪作區(qū)的田間作業(yè)條件等因素，本課題選用犁鏵式開溝器。

5 樣機的加工與田間試驗

在各部件設(shè)計完成以后，對于樣機進行了加工研制。圖5為樣機實物圖。

圖5樣機實物圖

田間試驗是檢驗機具能否達到設(shè)計要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過田間試驗可以進一步檢驗樣機在田間的實際工作狀態(tài)，檢驗機具設(shè)計的合理性和生產(chǎn)適用性，從中發(fā)現(xiàn)樣機存在的問題，進而為樣機優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)建議[9]。

5.1 試驗條件

1）試驗時間及天氣條件：2020年6月7日，晴。

2）試驗地點：南京市高淳區(qū)下壩鎮(zhèn)禾田坊谷物種植家庭農(nóng)場。

3）土壤類型：重粘土。

4）地表狀況：人工鋪設(shè)秸稈平整地后上水泡田。

5）田塊處理：田塊泡水處理，上水泡田24 h后排出田間積水。

6）試驗前，在0～20 cm土層中測得的物理參數(shù)（每5 cm為1層，每層取1點）：土壤含水率分別為32.4%、38.39%、37.24%、32.43%；土壤堅實度分別為266 kPa、195 kPa、1 995 kPa、2 623 kPa；土壤容重分別為1.66 g/cm3、1.78 g/cm3、1.98 g/cm3、1.97g/cm3。

7）試驗前測量的秸稈物理特性：秸稈平均長度8 cm；秸稈平均含水率54.1%；秸稈平均密度1.63 kg/m2。

8）試驗田塊結(jié)構(gòu)：試驗前規(guī)劃試驗小區(qū)，試驗區(qū)總長60 m、寬15 m，可分為機具掉頭區(qū)域、怠速區(qū)域、測量區(qū)3個部分，詳見圖6。

9）油菜種子：寧雜1818。10）電子稱：精度0.01 g。

11）配套動力：洋馬YR60D插秧機（15.36 kW）。

12）前進速度：設(shè)計速度為0.6 m/s，三個行程中實際測量的速度平均值分別為0.55 m/s、0.51 m/s、0.49 m/s，試驗中總平均速度為0.52 m/s。

5.2 試驗結(jié)果

田間作業(yè)試驗、試驗結(jié)果如圖7、圖8所示，油菜出苗情況見圖9。試驗結(jié)果表明：本課題設(shè)計的高濕地塊油菜復(fù)式播種機在土壤高濕、田間秸稈量大的條件下可以完成播種作業(yè)。

6 結(jié)語

圖6試驗田塊結(jié)構(gòu)示意圖

圖7田間試驗

圖8試驗結(jié)果

圖9油菜出苗狀況

針對江蘇地區(qū)稻油輪作區(qū)域秸稈量大、土壤含水率高及極端氣候?qū)е掠筒诉t播晚播現(xiàn)象，結(jié)合南京市高淳地區(qū)油菜種植的農(nóng)藝要求以及條帶耕作模式的要求，本課題設(shè)計了一臺適宜高濕地塊作業(yè)的油菜復(fù)式播種機，可實現(xiàn)秸稈移位、帶狀旋耕、開溝、播種功能，能夠解決極端條件下的油菜播種問題。