盧賢斌，鐘麗輝，謝昌藝，魏欣月，王 遠(yuǎn)

(西南林業(yè)大學(xué) a.機(jī)械與制造工程學(xué)院；b.大數(shù)據(jù)與智能工程學(xué)院，昆明 650224)

0 引言

馬鈴薯是我國(guó)第四大糧食作物，預(yù)計(jì)2020年50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費(fèi)[1-2]。在2010年，馬鈴薯的世界產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到了3億t多，中國(guó)成為了世界第一產(chǎn)量大國(guó)，產(chǎn)量近7 500萬(wàn)t[3]。我國(guó)也是世界上馬鈴薯種植面積最大的國(guó)家，年種植面積49萬(wàn)hm2多，占全球種植面積的25%，主產(chǎn)區(qū)是西南山區(qū)、西北、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)[4]。其中，西南山區(qū)的播種面積又是國(guó)內(nèi)最大的，約占全國(guó)總面積的1/3。目前，西南山地大部分地區(qū)仍依靠人畜力進(jìn)行馬鈴薯種植，種植過程勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，不能滿足大力發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的需求，提高馬鈴薯種植過程機(jī)械化是改變現(xiàn)狀的一種有效途徑。

國(guó)外馬鈴薯機(jī)械化起步早、發(fā)展快、技術(shù)水平高。二戰(zhàn)后，歐美許多發(fā)達(dá)國(guó)家先后完成了由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的過渡和轉(zhuǎn)化，經(jīng)過幾十年不斷地發(fā)展，其農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平已經(jīng)相當(dāng)完善，現(xiàn)在正朝著大型化、智能化、精量化，以及多功能聯(lián)合型方向發(fā)展[5-8]。20世紀(jì)40年代初，蘇聯(lián)、美國(guó)就開始研制、推廣應(yīng)用馬鈴薯收獲機(jī)械，50年代末即已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化；20世紀(jì)50-60年代，馬鈴薯收獲機(jī)械在蘇聯(lián)、歐美等國(guó)開始廣泛應(yīng)用。這些機(jī)型中，多數(shù)是由大功率拖拉機(jī)改裝而成，主要有歐盟組織研制的鏈?zhǔn)今R鈴薯種植機(jī)[9]、美國(guó)Crary公司研制的Lockwood604/606/608型氣吸式馬鈴薯播種機(jī)、加拿大McLeod CD等人研制的氣力式馬鈴薯精密播種機(jī)[10]、英國(guó)Standen Engineering公司開發(fā)的SP系列馬鈴薯播種機(jī)、德國(guó)GRIMME公司研制的VL19E型雙行馬鈴薯播種機(jī)[11]、意大利F.LLISPEDO公司研制的SPA-1/SPA-2/SPA-4型馬鈴薯播種機(jī)[12]。我國(guó)雖是馬鈴薯產(chǎn)量大國(guó)，但對(duì)馬鈴薯播種機(jī)的研究起步較晚，直到20世紀(jì)60年代初才開始研制，故馬鈴薯總體機(jī)械化水平不高。許多新技術(shù)與工藝在近年的出現(xiàn)，為馬鈴薯播種機(jī)創(chuàng)造了一個(gè)好的發(fā)展平臺(tái)[13]。目前，國(guó)內(nèi)馬鈴薯播種機(jī)主要有2CMFL-2型馬鈴薯種植機(jī)[14]、2CM4B型牽引式馬鈴薯種植機(jī)[15]、2CMF-4型懸掛式馬鈴薯種植機(jī)[17]、2CM-4型馬鈴薯播種施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)[16]、單行懸掛式馬鈴薯施肥種植機(jī)[18]等。上述的馬鈴薯播種機(jī)多以大型拖拉機(jī)為動(dòng)力源，不適于在西南多山、道路狹窄彎曲的地區(qū)應(yīng)用。

為此，研制了一種不以大型拖拉機(jī)為動(dòng)力源，適于西南山地應(yīng)用的手扶式馬鈴薯播種機(jī)，且集開溝、播種、施肥與覆土于一體，旨在減輕西南山地馬鈴薯種植的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，也為相關(guān)小型農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供一定的理論借鑒與技術(shù)參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本文研制的手扶式馬鈴薯播種機(jī)主要由播種、定量施肥、開溝、覆土4大裝置組成，以汽油機(jī)為動(dòng)力源，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，播種裝置由種箱、播種管、擋塊、取種機(jī)構(gòu)、杠桿、搖桿、曲軸和播種鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)等組成。種箱安裝在機(jī)架上；播種管位于其前端，下端正對(duì)著開溝器；擋塊固接在種箱下端；取種機(jī)構(gòu)和種箱之間采用移動(dòng)副相接，其位置由下端的搖桿、曲軸控制；搖桿上端通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接著取種機(jī)構(gòu)，下端與曲軸相連；杠桿安裝在取種機(jī)構(gòu)末端，最后通過播種鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)連接動(dòng)力源。

與馬鈴薯播種裝置并排安裝的是定量施肥裝置，由出肥管、施肥鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)、定量取肥轉(zhuǎn)輪和肥料箱等組成。肥料箱固定在機(jī)架上，定量取肥轉(zhuǎn)輪通過一根軸安裝于肥料箱下端；出肥管上端固連在定量施肥轉(zhuǎn)輪出口，下端通過機(jī)架固定位置，并正對(duì)著播種的墑溝。

動(dòng)力源安裝在播種機(jī)中后部，采用鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力，利用安裝在扶手上的油門手把調(diào)節(jié)輸出功率。因馬鈴薯種植地土質(zhì)較軟，摩擦阻力大，故選用有花紋的膠輪作為行走輪，其外沿上設(shè)置有刮土板，以刮除粘附于膠輪上的泥土。開溝器和覆土器固連于機(jī)架的前部和尾部。播種機(jī)主要零部件采用鋼材制成，表面噴漆防銹。整機(jī)的外形尺寸(L×W×H)為1 280mm×400mm×850mm，質(zhì)量約65kg。

1.種箱 2.播種管 3.擋塊 4.取種機(jī)構(gòu) 5.杠桿 6.搖桿 7.曲軸 8.播種鏈條鏈輪機(jī)構(gòu) 9.膠輪 10.刮土板 11.開溝器 12.覆土器 13.機(jī)架 14.鏈條鏈輪機(jī)構(gòu) 15.出肥管 16.施肥鏈條鏈輪機(jī)構(gòu) 17.汽油機(jī) 18.定量取肥轉(zhuǎn)輪 19.肥料箱 20.扶手 21.油門手把圖1 手扶式馬鈴薯播種機(jī)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the handy potato planter

1.2 工作原理

工作時(shí)，先將馬鈴薯種塊和固體顆粒肥料分別置于種箱和肥料箱中，調(diào)整好開溝器和覆土器的位置；接著，啟動(dòng)汽油機(jī)，雙手握持扶手，通過左手的油門手把控制汽油機(jī)的輸出功率，鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)膠輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)使播種機(jī)向前行進(jìn)；播種機(jī)前端開溝器開出深12～15cm、寬4～6cm的土溝，同時(shí)前輪通過鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給播種裝置和定量施肥裝置；此時(shí)，曲軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)與之相連的搖桿運(yùn)動(dòng)，取種機(jī)構(gòu)則向下移動(dòng)；當(dāng)搖桿運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，馬鈴薯種塊受自重滾入取種機(jī)構(gòu)頂端的傾斜凹坑；隨著曲軸旋轉(zhuǎn)，取種機(jī)構(gòu)開始向上移動(dòng)，當(dāng)其達(dá)到最高點(diǎn)前時(shí)，杠桿一端被擋塊翹起，使得取種機(jī)構(gòu)內(nèi)部的活塞桿上移，直到取種機(jī)構(gòu)到達(dá)最高點(diǎn)；由于重力的作用，馬鈴薯種塊通過播種管，滾入播種的土溝里。

播種作業(yè)的同時(shí)，施肥鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)定量取肥轉(zhuǎn)輪做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)肥料箱下端出口對(duì)正定量取肥機(jī)構(gòu)的取肥套，肥料會(huì)在自重作用下填滿取肥套；隨著定量取肥轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)取肥套對(duì)著出肥管，肥料便施于播種的土溝中，且與種塊的間距約為5cm。

2 主要裝置的設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力源的確定

手扶式馬鈴薯播種機(jī)的功率消耗由以下幾部分組成，即

P=Pq+Pp+Pt+Pf

(1)

其中，Pq為開溝功率消耗；Pp為覆土功率消耗；Pt為播種機(jī)前進(jìn)功率消耗；Pf為傳動(dòng)、摩擦功率消耗。其中，開溝和覆土所消耗功率占總功率消耗的80%以上，其經(jīng)驗(yàn)估算公式為[21]

Pq+Pp=BaKγVm

(2)

其中，a為耕深，10～12cm；Vm為播種機(jī)行進(jìn)速度，0.1～0.2m/s；B為耕幅，5～6cm；Kγ為開溝土壤比阻，0.5～0.6。取較大數(shù)值帶入式(2)計(jì)算得：Pq+Pp≈5.2kW。

又考慮播種機(jī)的傳動(dòng)及摩擦等功率消耗，約占總功率消耗的20%，得出播種機(jī)所需額定總功率為

P=(Pq+Pp)/0.8=6.5kW

(3)

同時(shí)，考慮作業(yè)過程中，地面不平、泥土粘結(jié)性差異等因素，給定一個(gè)功率儲(chǔ)備系數(shù)k=1.5，得出設(shè)計(jì)總功率：P設(shè)=9.75kW。依據(jù)計(jì)算，選用BN192F/D型汽油機(jī)，其最大功率12kW，質(zhì)量約35kg。

2.2 播種裝置

2.2.1 播種裝置的結(jié)構(gòu)和原理

播種裝置主要由種箱、播種管、擋塊、活塞桿、杠桿、搖桿、曲軸，以及播種鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)等組成，如圖2所示。

1.種箱 2.播種管 3.擋塊 4.活塞桿 5.杠桿 6.搖桿 7.曲軸 8.播種鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)圖2 播種裝置的基本結(jié)構(gòu)Fig.2 The basic structure of the sowing device

播種鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給曲軸，帶動(dòng)搖桿使取種機(jī)構(gòu)在種箱里進(jìn)行上下移動(dòng)完成取種，同時(shí)利用安裝在取種機(jī)構(gòu)下端的杠桿頂起活塞桿在取種機(jī)構(gòu)上升到最高點(diǎn)時(shí)，將取種機(jī)構(gòu)上端的馬鈴薯種塊頂出后，由安裝在種箱上的播種管落入墑溝，完成播種。

2.2.2 播種鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1) 設(shè)計(jì)依據(jù)。依據(jù)馬鈴薯品種要求的密度播種，早熟品種株距約20cm，中熟品種株距約25cm，晚熟品種株距約30cm。為滿足不同品種播種距離要求，設(shè)計(jì)了3種傳動(dòng)比。

2) 傳動(dòng)比與鏈輪齒數(shù)。手扶式馬鈴薯播種機(jī)的膠輪每行駛1周，播種裝置可完成的播種次數(shù)M為

M=πD/S

(4)

其中，D為膠輪直徑(cm)，D=30mm；S為株距，取20、25、30cm。此時(shí)，馬鈴薯種植的株距就等效于小鏈輪的周長(zhǎng)，大小鏈輪齒距相同，可以根據(jù)周長(zhǎng)比得到3組鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比，即

(5)

其中，i為傳動(dòng)比；L1為大鏈輪的周長(zhǎng)；L2為小鏈輪的周長(zhǎng)；p為鏈輪節(jié)距；z1為大鏈輪的齒數(shù)；z2為小鏈輪的齒數(shù)。

同理得：i2=3.77，i3=3.14。取小鏈輪齒數(shù)z1=21，圓整后大鏈輪的齒數(shù)分別為99、90、76。且實(shí)際傳動(dòng)比與理論傳動(dòng)比誤差小于±5%，符合設(shè)計(jì)要求。

3) 鏈條節(jié)數(shù)與型號(hào)。以傳動(dòng)比i1進(jìn)行初定中心距a0=20p，i2和i3鏈輪工作時(shí)，通過張緊裝置調(diào)節(jié)?？傻?/p>

(6)

式中Lp—鏈條節(jié)數(shù)。

載荷平穩(wěn)，取工作情況系數(shù)Ka為1.0，鏈輪齒數(shù)系數(shù)Kz為1.1；采用單排鏈，取排鏈系數(shù)Km為1.0?？傻?/p>

(7)

根據(jù)實(shí)際功率和工作條件，選08A鏈條可滿足條件，其節(jié)距為12.7。其實(shí)際中心a距應(yīng)設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)的，取值為254mm。

2.2.3 種箱的設(shè)計(jì)

種箱的容積大小是按照播種的行程、工作幅寬、播種數(shù)量及種子單位容積的質(zhì)量而定的。通過以往的經(jīng)驗(yàn)可得：播種機(jī)在播種的過程中不會(huì)全部把種子都播到地中，種箱內(nèi)會(huì)留有10%左右的剩余種子，因此加種時(shí)需多加一部分，以避免因種箱內(nèi)的種子太少而造成播種質(zhì)量的下降。種箱容積計(jì)算式為

(8)

其中，B為機(jī)具工作副寬，30mm；L為裝滿種箱一次所能行走距離，即一個(gè)往返行程，種植地長(zhǎng)度的2倍，300m；Nmax為單位面積的最大播種量，10kg/hm2；γ為種子的單位容積量，種箱所容納的尺寸規(guī)格為30mm×30mm×30mm的馬鈴薯種塊35個(gè)，均重50g，計(jì)算得到γ≈1.7kg/L。

將上述數(shù)值代入式(8)，計(jì)算得：V=29.1L，實(shí)際尺寸取30L。

2.3 定量施肥裝置

2.3.1 定量施肥裝置的結(jié)構(gòu)和原理

定量施肥裝置由肥料箱、傳動(dòng)軸、取肥機(jī)構(gòu)、出肥管以及施肥鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)組成，如圖3所示。施肥鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸帶動(dòng)取肥機(jī)構(gòu)，從而使定量施肥裝置完成作業(yè)。

1.肥料箱 2.傳動(dòng)軸 3.取肥機(jī)構(gòu) 4.出肥管 5.施肥鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)圖3 定量施肥裝置的基本結(jié)構(gòu)Fig.3 The basic structure of quantitative fertilization device

2.3.2 肥料箱

根據(jù)西南山地馬鈴薯種植的作業(yè)要求，肥料箱容積不能少于0.03m3，可通過下列公式計(jì)算，即

(9)

其中，V為肥料箱容積(m3)；B為機(jī)具工作幅寬(m)；L為種肥箱裝滿一次所能行走的距離(m)；Q為每公頃播種量(kg/hm2)；μ為充滿系數(shù)，取0.7；v為種肥容量(kg/dm3)。

如圖3所示，肥料箱為漏斗形結(jié)構(gòu)，上箱體長(zhǎng)500mm、寬300mm、高200mm；下箱體長(zhǎng)300mm、寬150mm、高150mm。

2.3.3 施肥鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)

播種機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，為了防止肥料直接施于馬鈴薯種塊上而導(dǎo)致馬鈴薯種塊腐爛，所以定量施肥裝置應(yīng)與播種裝置保持一個(gè)相位差，才能完成種植作業(yè)。同時(shí)，施肥鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)和播種鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)的中心距和鏈條節(jié)數(shù)應(yīng)不同，其他參數(shù)完全相同。

1) 鏈條節(jié)數(shù)。以傳動(dòng)比i1初定中心距a0為50p(即635mm)，i2和i3鏈輪工作時(shí)，通過張緊裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。可得

(10)

2) 相位差。相位差的大小，即播種機(jī)從馬鈴薯種塊到施肥處，膠輪所轉(zhuǎn)過的角度，則有

其中，d為馬鈴薯種塊與肥料的間距；D為膠輪的直徑。

2.4 開溝器與覆土板

開溝器為芯鏵式，如圖4所示。馬鈴薯種塊需在溫度7～8℃時(shí)，才能正常發(fā)芽；氣溫潮濕地區(qū)種植深度不超過12cm，氣候較高地區(qū)播種深度約18cm。因此，開溝器設(shè)計(jì)為可調(diào)式，其調(diào)節(jié)范圍10～20cm。工作時(shí)，芯鏵入土開溝，兩側(cè)板向兩側(cè)擠壓土壤形成種溝。其優(yōu)點(diǎn)是開溝寬度大、入土能力強(qiáng)。開溝器入土角度為25°～30°，開溝寬度4～6cm。

圖4 開溝器Fig.4 Opener

覆土器采用與開溝器相似的結(jié)構(gòu)，為保證種塊的生長(zhǎng)狀況，其開口角度應(yīng)大于開溝器的開口角度。覆土器安裝在設(shè)備尾端的機(jī)架上，并保證中心線與開溝器、播種管、出肥管在一條軸線上。作業(yè)時(shí)，覆土器將兩側(cè)翻起的土壤向中間擠壓，覆蓋住種塊和肥料。覆土器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 覆土器Fig.5 Closer

3 結(jié)論

研制的手扶式馬鈴薯播種機(jī)彌補(bǔ)了用拖拉機(jī)為動(dòng)力的播種機(jī)不適于在西南山地應(yīng)用的缺陷，且集開溝、播種、施肥和覆土作業(yè)于一體，不僅減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，還提高了生產(chǎn)效率。該研究為西南山地馬鈴薯種植實(shí)現(xiàn)部分機(jī)械化作業(yè)提供了一定的技術(shù)參考，也為同類小型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的研制提供了一定的理論指導(dǎo)和技術(shù)借鑒。