孫 偉，劉小龍，王虎存，張 華，吳建民，楊小平，王關平

（甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，蘭州 730070）

0 引 言

馬鈴薯是西北黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)特色優(yōu)勢作物之一，為抑蒸保墑，該區(qū)馬鈴薯種植大部分采用覆膜抗旱節(jié)水技術[1-2]。馬鈴薯覆膜栽培按作業(yè)工序分為2種，一種是先播種后覆膜，且在膜上覆蓋一層3～5 cm厚的土壤，依靠膜上的土壤重力和幼芽自然向上作用使幼苗自動破膜、自然出苗[3]。該模式的優(yōu)點是解決了人工放苗問題，缺點是膜面覆土后減弱了地膜的增溫效果。另一種是先覆膜后破膜播種，該模式可以提前在上年秋季或當年頂凌起壟覆膜，具有蓄秋墑、抗春旱、提地溫等優(yōu)點，能有效解決春旱嚴重而影響播種的問題，在西北旱區(qū)得到了大面積的推廣應用。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國機械化膜上種植技術取得了較大進步，研發(fā)出了滾輪式[4-6]、直插式[7-11]、回轉式[12-13]成穴機構，實現(xiàn)了玉米、花生、棉花等作物的膜上播種。現(xiàn)有的馬鈴薯膜上成穴機構基本上采用上述成穴機理[14-15]，但馬鈴薯種植深度遠大于這些作物，要求成穴機構在打孔過程中豎直位移較大而水平位移較小，需解決撕膜和挑膜等問題。為此，設計了雙曲柄多桿式膜下成穴機構，在此基礎上，針對西北雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)馬鈴薯大壟雙行栽培模式，研發(fā)出了馬鈴薯膜上打孔種植機，并進行了田間試驗。

1 整機結構及工作原理

1.1 農(nóng)藝要求

圖 1為西北雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)馬鈴薯大壟雙行栽培模式示意圖。壟臺高度為150～200 mm，壟頂寬度為650～700 mm，壟底寬度為900～950 mm，相鄰壟臺中心距為1 200 mm，播種深度為150 mm，寬窄行種植，行距分別為400 mm和800 mm。西北雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)馬鈴薯適宜的種植密度為52 500～60 000株/hm2[16]，則株距為317 mm。選用寬度為1 200 mm、厚度為0.01 mm的黑色地膜覆蓋壟臺。

圖1 馬鈴薯大壟雙行栽培模式示意圖Fig.1 Diagram of double row with big ridge in potato cultivation

1.2 總體結構及主要技術參數(shù)

圖 2為馬鈴薯膜上打孔種植機結構簡圖，馬鈴薯膜上打孔種植機主要由機架、排種系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、提土機構、膜下成穴機構、覆土機構和行走系統(tǒng)等構成。

結合西北雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)馬鈴薯大壟雙行栽培模式和動力計算結果，作業(yè)機主要技術參數(shù)如表1所示。

圖2 整機結構簡圖Fig.2 Structure diagram of whole machine

表1 作業(yè)機主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of machine

1.3 工作原理

工作時，馬鈴薯膜上打孔種植機通過懸掛機構與拖拉機三點懸掛架連接，地輪在壟溝內(nèi)行走。在拖拉機牽引下種植機地輪通過鏈傳動驅動打孔機構完成打孔、投種作業(yè)，同時，將動力傳至排種系統(tǒng)和對穴覆土機構分別完成排種和對穴覆土作業(yè)。當成穴器運動至排種系統(tǒng)護種槽下方，勺鏈式排種器將種薯投擲至成穴器接種杯；成穴器在打孔作業(yè)過程中，當插植點達到種植深度，成穴器啟閉機構開啟排種口，種薯被投入穴孔。動力傳動系統(tǒng)將拖拉機動力輸出軸的動力通過變速箱傳遞給提土機構，提土機構將壟溝底部土壤鏟起并提升至覆土機構，對穴覆土機構完成穴（膜）孔封堵作業(yè)。

2 主要工作部件設計

2.1 雙曲柄多桿膜下成穴機構

圖3為雙曲柄多桿膜下成穴機構簡圖。

圖3 膜下成穴機構Fig.3 Sketch of potato hill-drop under film mechanism

如圖3a所示，雙曲柄多桿膜下成穴機構主要由機架、主動鏈輪、曲柄、打孔連桿、成穴器、張緊輪、連桿等構成。每套打孔總成配備2組成穴機構，根據(jù)農(nóng)藝要求，2組成穴機構間距為400 mm。為達到通風透光的目的，同壟兩行薯苗間隔布局[17]，2組成穴機構異步作業(yè)，起始相位角相差180°。圖3b為雙曲柄多桿膜下成穴機構簡圖[18]，OA和DC均為曲柄，AB和BC均為連桿，連桿BC一端與曲柄DC鉸接，另一端與打孔連桿AB鉸接，在打孔連桿AB上安裝了成穴器EF。工作時，膜下成穴機構隨機組以速度vm前進，行走輪驅動曲柄OA和DC以角速度ω1順時針轉動，連桿AB和BC隨之運動，同時帶動成穴器EF實現(xiàn)打孔作業(yè)。

如圖3b所示，以O為原點，水平方向為橫軸、豎直方向為縱軸，建立OXY直角坐標系。依據(jù)圖3b中的坐標建立插植點F的軌跡方程如式（1）所示[19]。

依公式（1）可知，成穴機構各參數(shù)對插植點F水平位移和垂直位移都有影響。以曲柄OA為例，結合農(nóng)藝要求和整機結構尺寸，當L2=120 mm，L3=140 mm，L4=233 mm，L5=227 mm，L6=278 mm，且下曲柄OA和上曲柄DC始終保持平行，即 γ=0°時，下曲柄 OA長度 L1和 F點軌跡關系如圖4所示。

圖4 L1與插植點軌跡的關系Fig.4 Relationship between L1 and sowing trajectory

從靜態(tài)軌跡圖4a中可以看出，隨著下曲柄OA長度L1的增大，插植點F的水平位移逐漸增大，垂直位移逐漸縮小；從動態(tài)軌跡圖4b中可以看出，插植點F形成動態(tài)軌跡曲線類似長幅擺線，隨著下曲柄OA長度的增大，繞扣的橫弦隨之增大，縱軸（繞扣交點與最低點的連線）變短，軌跡側偏角（縱軸與豎直方向夾角）減小。容易看出，繞扣橫弦影響穴孔大小，繞扣橫弦愈大，成穴器對土壤擾動愈大，傷穴愈嚴重；繞扣縱軸影響打孔深度，縱軸愈長，在穴口大小一定的情況下穴孔愈深；軌跡側偏角決定投種點與穴口中心的錯位程度，軌跡側偏角愈大，投種點偏離穴口中心的水平距離愈大，種穴錯位愈嚴重。同理可得，曲柄DC的長度主要影響垂直方向上的位移，水平方向基本不受影響；連桿BC的長度主要影響成穴器所成穴孔與壟面線的相對位置，連桿 BC長度愈長，穴孔愈深；連桿AB長度愈長，傷穴愈小，穴孔深度愈淺；曲柄OA和DC的相位差角γ（即θ1與θ4之差）愈大，傷穴愈嚴重。為此，得到一組較優(yōu)參數(shù)為：L1=80 mm，L2=120 mm，L3=130 mm，L4=233 mm，L5=227 mm，L6=278 mm，γ=0°，圖5為插植點F的靜、動態(tài)軌跡。

圖5 插植點F的運動軌跡Fig.5 Motion trajectory of planting point F

由圖5可知，繞扣縱軸為156 mm，滿足馬鈴薯膜下播種深度的要求[20]；繞扣橫弦為12 mm，對孔穴土壤擾動??；軌跡側偏角為15°，使得投種點偏離穴孔中心的水平距離為d·tanβ，約40 mm，而膜孔長度在80 mm左右，且要求穴孔完全被土壤覆蓋，膜孔全覆土率要求≥90%，可以保證馬鈴薯正常出苗，滿足打孔播種要求[21-22]。

2.2 側開式排種機構

在成穴器打孔過程中，當插植點達到種植深度時，排種口開啟，種子被置入穴孔。常見的排種口開啟方式為順開式，即成穴器沿前進方向被分成兩半，前半部分被固定在穴播輪上，后半部分為活門，與前半部分鉸接。排種口主要靠穴播輪自身重力對壓板（和活門為一體）的壓力強行開啟，或者靠內(nèi)置凸輪機構強行開啟[5,23]。排種口開啟后，插植點回轉半徑與活門外緣點回轉半徑差大于種子尺寸，否則，活門出土時會擾動排出的種子。因此該排種方式不適合尺寸較大的馬鈴薯種薯播種。

為避免順開式不足，設計了側開式排種口，圖 6為側開式排種口開啟機構簡圖。側開式排種機構由活門、接種杯、預緊彈簧、活門拉索、活門拉桿、調(diào)整螺絲、排種凸輪和搖臂等構成，其中拉索A與B為一整體。作業(yè)時，排種凸輪由近休止角轉向遠休止角時，搖臂拉動活門拉索，進而帶動活門拉桿打開活門。排種完成后，排種凸輪由遠休止角轉向近休止角，排種活門在預緊彈簧作用力下閉合。為防止活門閉合時夾土，設計中考慮成穴器出土后閉合。由于雙曲柄多桿膜下成穴機構打孔1次，排種口開啟 1次，所以成穴器從入土至出土時雙曲柄多桿膜下成穴機構曲柄轉過的角度為排種凸輪遠休止角 Ф,約為45°。

圖6 側開式排種口開啟機構簡圖Fig.6 Structure diagram of side opening device

成穴器以及排種口尺寸由種薯尺寸確定，切塊薯平均尺寸為56.4 mm×44.3 mm×31.8 mm[24]，為順利排種，成穴器頂端截面尺寸取80 mm×80 mm，排種口尺寸取80 mm×65 mm。排種活門完全開啟至閉合活門拉索移動距離s為52 mm。由此可以求得排種凸輪偏置距離e（即偏距圓半徑）為

式中r為排種凸輪基圓半徑，該設計中取25 mm；q為搖臂軸中心至拉索固定點間的距離，取208 mm；q′為搖臂軸中心至滾輪中心間的距離，取116 mm。

2.3 跨越式提土裝置

為防止土壤水分散失和引起春季大風揭膜，需要封堵地膜孔洞。膜上覆土裝置功用就是將土壤按種植要求覆蓋在已播膜面上。目前常見的膜上覆土裝置有滾輪式、滾筒式和旋耕式[25-27]，滾輪式和滾筒式覆土裝置對土壤提升高度有限，旋耕式多用于全膜面覆土，為此采用跨越式膜上覆土裝置[28]。如圖 7所示，跨越式膜上覆土裝置由起土鏟、升運帶張緊機構、從動輪、刮土板、升運帶、起土鏟深度調(diào)節(jié)器及主動輪等構成。本團隊開發(fā)的馬鈴薯施肥播種起壟全膜覆蓋種行覆土一體機采用升運帶式提土裝置[24]，對加工和裝配精度要求較高，存在升運帶“跑偏”的問題，為解決該問題，該機將升運帶改為升運鏈。

圖7 提土裝置機構簡圖Fig.7 Mechanism diagram of soil lifting mechanism

圖 8為提土機構工作原理圖，刮土板上的土壤表面與水平面呈一夾角ψ，該夾角為土壤內(nèi)摩擦角。每個刮土板上的土壤量即為升運帶l長度（即相鄰刮土板間距）的輸送量，輸送土壤體積由端面面積與刮土板寬度相乘求得，設機組前進速度為v，升運帶速度為v′，則機組前進長度l′提土量Q為[28]

式中η為輸送效率，主要與充滿系數(shù)、升運帶打滑率有關；γ為升運帶與水平面的夾角，（°）；h為刮板高度，mm；b為刮板寬度，mm；i為升運帶速度與前進速度之比。

為便于確定對穴覆土機構開啟時刻，成穴器插植點入土位置與覆土器縱向尺寸取1個理論穴距，即317 mm。地輪滑移率取4%[29]，穴孔和覆土最大錯位量為12.7 mm，膜孔長度為80 mm，若完全封堵穴孔，覆土直徑不小于92.7 mm。覆土過程中土壤相對地面做平拋運動，由于覆土口離地間隙較?。?50 mm），機組前進速度較低（0.8 m/s），土壤在膜面上形成近似圓錐體，西北黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)土質以黃綿土為主，表層土壤內(nèi)摩擦角約為28°[30]，則體積為0.054×10-3m3。成穴器為楔形體，當成穴器在打孔作業(yè)過程中開啟排種口，所成穴孔為四棱臺，打孔深度為150 mm，根據(jù)種薯尺寸，排種口開啟尺寸為 100 mm×65 mm，添堵穴孔所需土壤體積為0.87×10-3m3。該裝置采用5mm×100 mm橡膠帆布傳動帶，刮板間距l(xiāng)取100 mm，刮板高度h 取60 mm，升運帶速度v′與前進速度v之比為1.38，升運帶與水平面的夾角γ取45°。輸送效率取0.7，機組前進1個株距（長度317 mm），根據(jù)式（4）可得，升運帶理論輸土量 V為1.37×10-3m3，故滿足設計要求。

圖8 提土機構工作原理Fig.8 Work principal of lifting mechanism

2.4 對穴覆土裝置

圖 9為對穴覆土裝置結構圖，對穴覆土裝置由貯土室、覆土活門、壓縮彈簧、活門拉索、調(diào)整螺絲、位置調(diào)整孔、覆土凸輪和搖臂構成，其中拉索A′與B′為一整體。作業(yè)時，覆土凸輪由遠休止角轉向近休止角時，覆土活門上連接的活門拉索放松，覆土活門在土壤重力以及壓縮彈簧作用力下打開，土壤流出覆土活門，完成覆土作業(yè)。當覆土凸輪由近休止角轉向遠休止角時，活門拉索強行關閉覆土活門。調(diào)整螺絲可以調(diào)整活門拉索覆土活門閉合起始狀態(tài)。

由于1個株距（長度317 mm）升運帶理論輸土量V為1.37×10-3m3，故貯土室體積要略大于此值；由上述內(nèi)容可知，覆土直徑不小于92.7 mm，活動門開啟后覆土口尺寸s取為100 mm×100 mm，為增加貯土室容積，降低高度，將貯土室設計為四棱臺，左右兩側壁拔模角度為30°，側壁傾角遠大于土壤與鋼的內(nèi)摩擦角，以確保土壤的流動性。機組前進一個株距，凸輪旋轉一周，活動門啟閉一次，則周期T為

式中D為理論穴距，mm。

圖9 對穴覆土裝置結構圖Fig.9 Structure diagram of covering soil device

活動門開啟后土壤開始做自由落體運動，則土壤流出貯土室的時間t為

進而可知，凸輪近休止角Фs為

活動門完全開啟至閉合活門拉索移動距離 s′可以根據(jù)活動門結構尺寸得到，本設計中，活動門之間的夾角為120°，活門拉索移動距離s′為41.7 mm。由此可以求得覆土凸輪偏置距離e′（即偏距圓半徑）為

式中r0為基圓半徑，該設計中取25 mm；p為搖臂軸中心至拉索固定點間的距離，取208 mm；p′為搖臂軸中心至滾輪中心間的距離，116 mm；則覆土凸輪偏置距離e′為48 mm。

2.5 傳動系統(tǒng)

馬鈴薯膜上打孔種植機傳動系統(tǒng)如圖10所示。

拖拉機動力輸出軸通過萬向傳動軸將動力傳遞給種植機變速箱，經(jīng)變速箱降速后帶動提土裝置工作。為保打孔、下種、對穴覆土三道工序協(xié)調(diào)，排種系統(tǒng)、成穴機構及對穴覆土機構動力由地輪驅動，為提高附著力，選用“人”字型花紋輪胎，并且倒裝。

地輪旋轉一周，所需種植株數(shù)n為

式中d′為地輪直徑，取440 mm；D為理論穴距，317 mm；δ為地輪滑移率，取4%。

由于 2組成穴機構異步作業(yè)，為確保成穴器打孔動力，設計了中間軸。先將 1對地輪傳至中間軸，再由中間軸傳至膜下成穴機構、排種系統(tǒng)和成穴器、覆土裝置活門啟閉系統(tǒng)。為滿足農(nóng)藝要求，地輪旋轉 1周，成穴器打孔次數(shù)為n1，則

圖10 傳動系統(tǒng)Fig.10 Transmission system

式中z1為地輪軸鏈輪齒數(shù)，取27；z2為中間軸輸入鏈輪齒數(shù)，取12；z3為中間軸輸出鏈輪齒數(shù)，取26；z4為膜下成穴機構曲柄軸鏈輪齒數(shù)，取13。

同理可知，成穴器、覆土裝置活門啟閉次數(shù)為 n1，則

式中 z5為啟閉系統(tǒng)過渡鏈輪齒數(shù)；z6為成穴器、覆土裝置活門啟閉凸輪軸鏈輪齒數(shù)。z5和z6相同，取13。

膜下打孔機構打孔1次，勺鏈式排種系統(tǒng)排種1次，則

式中z7為排種系統(tǒng)輸入鏈輪齒數(shù)，取13；z8為排種系統(tǒng)輸出鏈輪齒數(shù)，取13；z9為上排種軸鏈輪齒數(shù)，取12；n′為相鄰排種勺間節(jié)距數(shù)，該機采用勺鏈式排種器，選用12A型雙側彎板鏈條，每6節(jié)布置雙側彎板用來安裝種勺。

3 田間試驗

3.1 試驗條件與方法

馬鈴薯膜上打孔種植機田間性能驗證試驗在隴中黃土高原旱農(nóng)區(qū)定西鳳翔鎮(zhèn)馬鈴薯種植基地進行，如圖 11所示。壟臺高度為150 mm，壟頂寬度700 mm，壟底寬度900 mm，相鄰壟臺中心距為 1200 mm。試驗土壤為黃綿土，含水率為16.39%，容重為1 300～1 350 kg/m3，堅實度＜0.25 MPa。試驗中機組前進速度為0.7 m/s。農(nóng)藝要求膜下播種深度為150 mm，理論穴距317 mm。作業(yè)完成后，參照GB/T 6242－2006《種植機械馬鈴薯種植機試驗方法》、NY/T 1415－2007《馬鈴薯種植機質量評價技術規(guī)范》和NY/T 987－2006《鋪膜穴播機作業(yè)質量》標準對播種機作業(yè)性能的測定要求，測定膜下播種深度合格率、穴位錯孔率、穴距合格率、地膜采光面機械破損程度的試驗數(shù)值[31-33]。

圖11 田間試驗Fig.11 Field experiment

膜下播種深度合格率、穴孔錯位率、穴距合格率測定方法：在一塊地內(nèi)沿地塊的長度和寬度中點連十字線，將地塊劃分為4塊，隨機抽取對角2塊作為檢測樣本。在樣本地塊中，按對角線取 5個小區(qū)，每個小區(qū)長度為4.2 m（約12個穴距），測定3行，以穴孔為測點，共測10點。統(tǒng)計膜孔完全封堵個數(shù)，垂直切開種床土壤，在剖面上統(tǒng)計播種深度合格數(shù)、穴距合格數(shù)及穴孔錯位數(shù)。計算每個小區(qū)的膜下播種深度合格率、穴孔錯位率、穴距合格率及膜孔全覆土率，然后求10個小區(qū)的指標平均值作為測試結果。

式中ε為膜下播種深度合格率，%；τ為穴孔錯位率，%；ζ為穴距合格率，%；μ為膜孔全覆土率，%；k為總測定穴孔個數(shù)，個；n為膜下播種深度合格穴孔數(shù)，個，其中農(nóng)藝要求膜下播種深度（d±1.0）cm為合格，即140 mm≤d≤160 mm合格；f為膜孔與穴孔錯開1/2膜孔直徑及以上的穴孔個數(shù)，個，其中膜孔直徑為90 mm，則膜孔與穴孔錯開距離c＜45 mm為合格；m為穴距合格數(shù)，個，其中以理論穴距（D±1.0）cm為合格，即 331 mm≤D≤361 mm合格；j為對穴覆土合格數(shù)，膜孔完全封堵為合格。

地膜采光面機械破損程度測定方法：隨機抽取 5 m作業(yè)壟長，測量采光面機械破損的縫長或邊長、采光面展平寬度。式中η′為地膜采光面機械破損程度，mm/m2；li為測試區(qū)內(nèi)第i處采光面機械破損的縫長或邊長，mm；L為測試區(qū)長度，m；b′為測試區(qū)內(nèi)采光面展平寬度平均值，m。

3.2 試驗結果與分析

利用上述測定計算方法，所得馬鈴薯膜上打孔種植機性能試驗結果如表2所示。表3為播種性能對照表。

表2 田間性能試驗結果Table 2 Results of field performance test

表3 播種性能對照表Table 3 Comparison table of hill-drop performance

田間試驗表明，膜下播種深度合格率、穴孔錯位率、穴距合格率、膜孔全覆土率和地膜采光面機械破損程度分別為92%、5%、88%、93%和52.1 mm/m2。田間性能試驗指標均達到國家和行業(yè)標準要求，試驗結果滿足設計要求，能夠實現(xiàn)馬鈴薯膜上打孔播種和對穴覆土一體化作業(yè)。

4 結 論

為實現(xiàn)馬鈴薯機械化膜上種植，針對西北黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)普遍采用的大壟雙行栽培模式，設計了馬鈴薯膜上打孔種植機。

1）對樣機關鍵部件進行了分析與設計，確定了雙曲柄多桿膜下成穴機構、側開式排種機構、提土裝置、對穴覆土裝置、傳動系統(tǒng)結構及工作參數(shù)。設計的馬鈴薯膜上打孔種植機可以實現(xiàn)接種、打孔和對穴覆土聯(lián)合作業(yè)。

2）田間試驗結果表明，設計的馬鈴薯膜上打孔種植機膜下播種深度合格率、穴孔錯位率、穴距合格率、膜孔全覆土率和地膜采光面機械破損程度分別為 92%、5%、88%、93%和52.1 mm/m2。能夠滿足馬鈴薯膜下打孔種植農(nóng)藝要求。田間性能試驗指標均達到國家和行業(yè)標準要求。

[參 考 文 獻]

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