張愛民，李明軍，謝 慶，李 偉，陳長林

(1.濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東 濱州 256600；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

全程機(jī)械化是棉花生產(chǎn)的根本出路[1]，在棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的過程中，最基本的要求就是能夠?qū)崿F(xiàn)棉花的機(jī)械化采摘[2]。在我國，三行采棉機(jī)既可以在田塊面積較大的新疆地區(qū)使用，又可以在田塊面積相對較小、種植密度大的黃淮海地區(qū)使用；同時(shí)三行采棉機(jī)的工作效率要遠(yuǎn)高于兩行采棉機(jī)，而價(jià)格要低于五行、六行采棉機(jī)[3]，因此三行采棉機(jī)在我國的應(yīng)用十分廣泛。機(jī)采棉對于行距的要求十分嚴(yán)格，需要76cm等行距種植[4]，而棉花一膜三行等行距種植模式符合機(jī)采棉對于行距的要求，是一種高產(chǎn)、輕簡的種植方式[5]。

在棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的配套機(jī)械中，棉花播種機(jī)的研發(fā)是重點(diǎn)。在棉花播種機(jī)的研發(fā)過程中，首先，要堅(jiān)持農(nóng)機(jī)農(nóng)藝充分融合；其次，研發(fā)機(jī)具必須利于搶農(nóng)時(shí)，也就是能同時(shí)完成多個(gè)工序，盡量減少機(jī)具進(jìn)地次數(shù)，起到保墑效果；最后，棉花對播種質(zhì)量的要求比較高，播深必須控制在1～3cm，過深過淺都不利于棉花的發(fā)芽出苗，種床要求下實(shí)上虛，也就是棉種要播在實(shí)地上[6]。

根據(jù)上述棉花的播種要求，結(jié)合國內(nèi)采棉機(jī)的使用現(xiàn)狀及棉花一膜三行等行距種植模式的優(yōu)點(diǎn)，項(xiàng)目組研發(fā)了2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)。該播種機(jī)針對三行采棉機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)生產(chǎn)試驗(yàn)考核，其各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)、性能指標(biāo)，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)主要由機(jī)架、劃行器、平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)、肥箱、種箱、施肥開溝器、播種開溝器、指夾式排種器、平地限深輪、鎮(zhèn)壓輪、展膜滾子、覆土滾筒、覆土圓盤，以及開溝圓盤等部件組成，如圖1所示。

1.機(jī)架 2.肥箱 3.種箱 4.平行四連桿仿形機(jī)構(gòu) 5.覆土滾筒 6.覆土圓盤 7.邊膜覆土圓盤 8.開溝圓盤 9.指夾式排種器 10.播種開溝器 11.劃行器 12.施肥開溝器 13.平地限深輪圖1 智能精量播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of intelligent precision seeder

1.2 工作原理

播種機(jī)工作時(shí)，采用三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)連接，通過拖拉機(jī)牽引進(jìn)行播種作業(yè)。機(jī)組前進(jìn)時(shí)，平地限深輪將地表壓平，以方便覆膜作業(yè)；施肥開溝器、播種開溝器開溝，排肥器由電機(jī)帶動(dòng)，排種器由鎮(zhèn)壓輪帶動(dòng)，分別實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的施肥和播種功能；鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行種床鎮(zhèn)壓；開溝圓盤開溝，地膜兩側(cè)由壓膜輪壓入由開溝圓盤開好的溝內(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漏土口，使土覆在地膜上。播種機(jī)配備的智能監(jiān)控系統(tǒng)對播種、施肥進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)分析下種、下肥情況，出現(xiàn)問題能夠及時(shí)報(bào)警，避免重播(施)、漏播(施)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)播種、施肥，達(dá)到了節(jié)種、節(jié)肥目的。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 施肥開溝器的設(shè)計(jì)

施肥開溝器通過U形卡安裝在播種機(jī)機(jī)架前下橫梁上，為了更好地進(jìn)行施肥，避免出現(xiàn)施肥開溝器開溝犁頭磨損太快、開溝阻力大、開溝開出的土過早回落、易被雜草、殘膜纏繞等問題[7]，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的施肥開溝器如圖2所示。

1.矩形管 2.圓形導(dǎo)肥管 3.開溝器大側(cè)板 4.開溝器小側(cè)板 5.開溝犁頭圖2 施肥開溝器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of fertilizer opener

施肥開溝器開溝犁頭由耐磨材料加工而成，可單獨(dú)拆卸，方便更換；開溝器側(cè)板能有效防止開出的土壤過早地滑落到肥溝內(nèi)，其結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)可靠，能夠滿足棉花施肥的要求。

2.2 棉花精量播種裝置的設(shè)計(jì)

本裝置是一種具有單體仿形、一級傳動(dòng)、智能報(bào)警及播種鎮(zhèn)壓功能的棉花單粒精播機(jī)構(gòu)，與播種機(jī)機(jī)架的前橫梁緊固聯(lián)接，構(gòu)成整機(jī)。該機(jī)構(gòu)主要由弧形四連桿部件、智能報(bào)警指夾式排種器部件及同心圓一級傳動(dòng)系統(tǒng)組成，解決了在不平地面上作業(yè)時(shí)深淺不一致的問題，達(dá)到各行播種一致性的技術(shù)要求。該機(jī)構(gòu)利用同心圓理論，實(shí)現(xiàn)了一級傳動(dòng)，作業(yè)時(shí)該機(jī)構(gòu)調(diào)整播種深度時(shí)鏈條長度不變，對排種器的傳動(dòng)更為可靠，提高了播種深度一致性、穴距一致性及單粒率等各項(xiàng)性能指標(biāo)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

1.機(jī)架前橫梁 2.平行四連桿機(jī)構(gòu) 3.種箱 4.鎮(zhèn)壓輪總成連接板 5.鎮(zhèn)壓輪總成 6.鎮(zhèn)壓輪 7.同心圓軌道板 8.軌道板連接板 9.指夾式排種器 10.播種開溝器圖3 棉花精量播種裝置示意圖Fig.3 Structure diagram of cotton precision seeding device

根據(jù)同心圓理論，在鎮(zhèn)壓輪兩輪叉前下方設(shè)計(jì)有同心圓軌道板，同心圓軌道板上設(shè)計(jì)有同心圓弧形槽，固定支架上有兩個(gè)控制弧形槽上下調(diào)整運(yùn)動(dòng)軸銷，鎮(zhèn)壓輪總成上端有一個(gè)鉸鏈銷軸；在上、下調(diào)整改變播深時(shí)，由于同心圓弧槽在定位控制銷的約束下，使地輪與排種器軸距離不變，傳動(dòng)鏈條長度也不變，因此傳動(dòng)更為可靠。

2.3 播種開溝器的設(shè)計(jì)

播種機(jī)采用的播種開溝器是改進(jìn)型尖角式開溝器，主要由開溝犁頭、開溝器側(cè)板及矩形管等組成，如圖4所示。該開溝器開溝犁頭由耐磨材料加工而成，可單獨(dú)拆卸，方便更換，有較好的入土能力，開溝阻力小，且能切斷土壤中的殘根，開溝動(dòng)土量小，溝底平整，播幅較窄。經(jīng)大田試驗(yàn)驗(yàn)證，其播深一致性好，出苗均勻。開溝器側(cè)板不僅能有效防止開出的土壤過早地滑落到種溝，而且還能增強(qiáng)該播種機(jī)在大風(fēng)環(huán)境下的作業(yè)效果，使得土層不混亂，下層可保證為濕土，與平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)配合使用開出的種溝深度一致，能夠滿足棉花播種的要求。

1.開溝犁頭 2.開溝側(cè)板 3.矩形管圖4 播種開溝器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of furrow opener

2.4 長度伸縮可調(diào)劃行器的設(shè)計(jì)

播種機(jī)配備了北斗導(dǎo)航自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，保證行駛的直線性，同時(shí)保證76cm等行距。

由于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)價(jià)格較高，現(xiàn)階段推廣較為困難，為解決這一問題，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了長度伸縮可調(diào)的劃行器，配備了劃行器之后，駕駛員可以根據(jù)劃印來駕駛拖拉機(jī)，保證棉花為76cm等行距播種。

機(jī)采棉播種采用梭行行走法，需要左右各安裝一個(gè)劃行器，以駕駛員右前輪對行時(shí)計(jì)算為例，計(jì)算劃行器臂長[8]。駕駛員以拖拉機(jī)右前輪對行時(shí)，劃行器的左臂長L左、右臂長L右，計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中L左—?jiǎng)澬衅髯蟊坶L；

L右—?jiǎng)澬衅饔冶坶L；

x—播種機(jī)兩處外開溝器的距離；

y—拖拉機(jī)前輪中心線間距；

a—行距。

已知該播種機(jī)兩處外開溝器的距離x=1.52m，約翰迪爾5-850拖拉機(jī)前輪中心線間距y=1.63m，行距a=0.76m，將上述數(shù)值分別帶入式(1)、式(2)中，經(jīng)計(jì)算得：L左=2.335m ，L右=0.705m。

當(dāng)以中心對行時(shí)，左右臂長相等，則

通過使用劃行器，行距的一致性能夠得以保證。

3 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

3.1 動(dòng)力配置驗(yàn)算

使用測功設(shè)備對機(jī)組行走消耗功率進(jìn)行實(shí)測并與播種、鎮(zhèn)壓的估算消耗功率相加得N1=14kW，考慮到會出現(xiàn)意外的超負(fù)荷現(xiàn)象，機(jī)組必須有一定的動(dòng)力儲備，動(dòng)力儲備功率為N2=5kW，所以播種機(jī)的消耗功率為N=N1+N2=19kW。

該播種機(jī)的動(dòng)力由約翰迪爾5-850拖拉機(jī)提供，動(dòng)力輸出功率為53.69kW，滿足播種機(jī)作業(yè)功率的需求，且具有充足的功率儲備。

3.2 機(jī)具的重心位置分析

機(jī)組在工作位置時(shí)，經(jīng)測量，有關(guān)參數(shù)如圖5所示。

G1.化肥質(zhì)量；G2.種子質(zhì)量；G3.機(jī)架及平地限深輪質(zhì)量； G4.散件質(zhì)量；G5.展膜滾子質(zhì)量；G6.覆土滾筒質(zhì)量圖5 機(jī)具重心位置示意圖Fig.5 Structure diagram of the center of gravity of the machine

機(jī)具的重心位置可用式(3)進(jìn)行計(jì)算，即

(3)

由實(shí)際測量可得，G1=100kg，G2=10kg，G3=170kg，G4=75kg，G5=25kg，G6=105kg，將上述數(shù)值帶入式(3)中，得機(jī)具的重心位置X=898.7mm。

3.3 縱向穩(wěn)定性的校核

懸掛機(jī)組對拖拉機(jī)穩(wěn)定性的影響程度，可用穩(wěn)定儲備系數(shù)λ來判斷[9]，λ可由式(4)計(jì)算得出。機(jī)組穩(wěn)定性校核示意圖如圖6所示。

(4)

式中G使—機(jī)具使用質(zhì)量；

b—機(jī)具重心與拖拉機(jī)后輪的水平距離；

W—拖拉機(jī)質(zhì)量；

a—拖拉機(jī)重心與后輪的水平距離。

其中，拖拉機(jī)重心與后輪的水平距離a為

(5)

式中L—拖拉機(jī)軸距；

N1—前輪質(zhì)量分配；

W—拖拉機(jī)重量。

約翰迪爾5-850拖拉機(jī)軸距L=2 200mm，前輪質(zhì)量分配N1=1 700kg，加配重約翰迪爾5-850拖拉機(jī)質(zhì)量W=3 050kg，將上述數(shù)值帶入式(5)中，得拖拉機(jī)重心與后輪的水平距離a=1 226mm；

機(jī)具使用質(zhì)量G使=485kg，機(jī)具重心與拖拉機(jī)后輪的水平距離b=1 220mm，加配重約翰迪爾5-850拖拉機(jī)質(zhì)量W=3 050kg，拖拉機(jī)重心與后輪的水平距離a=1 226mm，將上述數(shù)值帶入式(4)，得λ=0.16。為使機(jī)具能夠穩(wěn)定工作，λ的范圍為λ≤0.4，故該拖拉機(jī)機(jī)組穩(wěn)定性安全可靠。

圖6 機(jī)組穩(wěn)定性校核示意圖Fig.6 Structure diagram of unit stability check

3.4 機(jī)具所需提升力分析

1)已知約翰迪爾5-850拖拉機(jī)下懸掛點(diǎn)后610mm處可提供最大提升力為16.8kN[10]。

2)由圖5可知，機(jī)具總質(zhì)量約為3.75kN，下懸掛點(diǎn)至機(jī)具重心距離X=898.7mm。

3)根據(jù)以上參數(shù)可知，3.75kN×898.7mm<16.8kN×610mm，故提升力安全可靠。

3.5 排種器懸掛梁的校核

根據(jù)排種器懸掛梁的情況，畫出受力圖[11]，如圖7所示。

圖7 懸掛梁受力圖Fig.7 Structure diagram of the force of the suspension beam

其中，排種器單體重力：G=600N。

由平衡條件可知，約束反力為FO1=FO2=(G+G+G)/2=3G/2=900N。

下面開始求彎矩，由于O1、O2對稱，所以只求O1、A、B點(diǎn)即可。

A點(diǎn)的彎矩為MA=3G/2×O1A=166.5N·m；B點(diǎn)的彎矩為MB=3G/2×O1B-G×AB=394.5N·m。

根據(jù)計(jì)算，得出排種器懸掛梁幾個(gè)重要點(diǎn)的彎矩圖，如圖8所示。

圖8 梁上各點(diǎn)彎矩圖Fig.8 Structure diagram of the bending moment of each point on the beam

總轉(zhuǎn)矩：T=TO1+TA+TB+TC+TO2=0

排種器單體升起90°后對梁產(chǎn)生彎矩，則TA=TB=TC=600N×300mm=180N·m。

端點(diǎn)轉(zhuǎn)矩：TO1=TO2=270N·m，TO1與TO2大小相等，方向相同；TO1A=TO1=270N·m；TAB=TO1-TA=270-180=90N·m。

BC段的扭矩與AB段相同，只是正負(fù)號相反；CO2段的扭矩與O1A段相同，只是正負(fù)號相反。扭矩圖如圖9所示。

由于M2>M1，所以B點(diǎn)處截面為危險(xiǎn)截面。

圖9 梁上各點(diǎn)扭矩圖Fig.9 Structure diagram of torque at each point on the beam

4 機(jī)具檢驗(yàn)

2016年4月，項(xiàng)目組在無棣縣西小王鄉(xiāng)對2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)進(jìn)行了作業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如圖9和圖10所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：播種機(jī)作業(yè)順暢，播深一致性好，覆膜平整，實(shí)現(xiàn)了單粒精播，出苗率高。

圖10 2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)大田作業(yè)Fig.10 2BMJ-3A type intelligent precision seeding machine based on technology of harvesting cotton by cotton-picker is working in the field

圖11 棉花播后出苗及棉苗生長情況Fig.11 Seedling emergence and growth of cotton seedlings after sowing

2016年5月，山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站在濱州市濱城區(qū)秦皇臺鄉(xiāng)王家村對2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 Inspection result of 2BMJ-3A type intelligent precision seeding machine based on technology of harvesting cotton by cotton-picker

續(xù)表1

數(shù)據(jù)出自山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢驗(yàn)報(bào)告W201605097。

5 結(jié)論

1)2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)針對三行采棉機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用一膜三行等行距種植模式，一次進(jìn)地可完成種床碎土、側(cè)深施肥、種床鎮(zhèn)壓、精量播種、覆土鎮(zhèn)壓、寬幅覆膜及膜后覆土等工序，減少了機(jī)具的進(jìn)地次數(shù)，工作效率高，與單項(xiàng)作業(yè)相比，減少了棉農(nóng)的生產(chǎn)成本。

2)對播種機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)：施肥開溝器的設(shè)計(jì)，避免了開溝犁頭磨損太快、開溝阻力大、土過早回落到溝內(nèi)、易被雜草及殘膜纏繞等問題；棉花精量播種裝置的設(shè)計(jì)，利用同心圓理論，實(shí)現(xiàn)了一級傳動(dòng)，解決了在不平地面上作業(yè)時(shí)深淺不一致的問題；播種開溝器的設(shè)計(jì)，有較好的入土能力，開溝阻力小，能切斷土壤中的殘根；長度伸縮可調(diào)劃行器的設(shè)計(jì)，保證播種行距的一致性。

3)田間試驗(yàn)表明：該播種機(jī)顯著提高播種質(zhì)量，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。