吳雨康，薛金林，高輝松，孫星釗，張步軍，程成

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京市，210031； 2. 連云港市元天農(nóng)機(jī)研究所，江蘇連云港，222002；3. 連云港市中興機(jī)械制造有限公司，江蘇連云港，223800)

0 引言

近年來，我國大豆產(chǎn)量缺口持續(xù)走高，為了實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有耕地面積的基礎(chǔ)上提升大豆產(chǎn)量，大豆玉米帶狀間作種植模式被提出并得到廣泛推廣與應(yīng)用。對比兩種作物單獨(dú)種植模式，該模式踐行了“玉米不減產(chǎn)，多收一茬豆”的理念，有效地增加了大豆產(chǎn)量，提高了經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。但是，這種高產(chǎn)種植效益卻受到播種機(jī)械化水平低的限制。目前，應(yīng)用于該模式的播種機(jī)具大多由玉米、大豆單作播種機(jī)經(jīng)過簡易的改裝而來，不能達(dá)到理想的作業(yè)效果[4]。而且以現(xiàn)有播施條件，采取不同機(jī)具進(jìn)行多次單項作業(yè)，不但成本高，且程序復(fù)雜，不符合種植實(shí)際，導(dǎo)致農(nóng)戶種植意愿較低。

目前，國外一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)研制出較為精密的播種機(jī)，基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大豆(玉米)在生產(chǎn)過程中大面積機(jī)械化作業(yè)。如德國某公司研制出了一款Solitair9氣力式精量播種機(jī)，美國某公司研制的DV9R0玉米精量播種機(jī)，它們工作可靠，性能優(yōu)越，但是整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較大，且生產(chǎn)成本較高。國內(nèi)的河北某公司研制出2BFGY-5(8)型玉米旋耕施肥播種機(jī)，山東理工大學(xué)研制2BMFY-4型智能玉米免耕播種機(jī)，這些機(jī)具都具有較高的作業(yè)效率，但是無法滿足同時播種2種形狀、株距等種植特點(diǎn)不同的作物，不適應(yīng)于大豆玉米帶狀間作種植模式[5-8]。

本文針對大豆玉米帶狀復(fù)合種植機(jī)械化水平不高、現(xiàn)有機(jī)械難以適應(yīng)不同區(qū)域種植環(huán)境與條件要求等問題，依據(jù)江蘇省大豆玉米帶狀復(fù)合種植的農(nóng)藝要求，設(shè)計了2BSQF-6型大豆玉米帶狀復(fù)合種植播種機(jī)，為積極響應(yīng)國家關(guān)于大力發(fā)展大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)，擴(kuò)大大豆種植面積，提升大豆玉米帶狀復(fù)合種植機(jī)械化水平，促進(jìn)農(nóng)民減本增效，助力鄉(xiāng)村振興，提供了適宜的裝備支持。

1 整機(jī)機(jī)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)計要求

大豆玉米帶狀復(fù)合種植是作物栽培技術(shù)的創(chuàng)新，采用大豆玉米帶狀間作套種，高低協(xié)同，高效利用邊行優(yōu)勢和光能。依據(jù)江蘇省大豆玉米帶狀復(fù)合種植模式的農(nóng)藝要求，2BSQF-6型大豆玉米帶狀復(fù)合種植播種機(jī)采用2行玉米與4行大豆這一種植模式，并滿足以下設(shè)計要求。

1) 考慮到江蘇省及臨近地區(qū)在大豆玉米播種期與生長期多雨及高溫的區(qū)域特點(diǎn)，為了保證大豆、玉米種植后穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，播種機(jī)具備開溝起壟功能，便于排澇與灌溉。

2) 考慮到江蘇省及臨近地區(qū)的大豆玉米帶狀復(fù)合種植大都是在麥茬地上進(jìn)行種植，為了減少殘留麥秸稈對種植的影響及減少機(jī)具多次入地作業(yè)，播種機(jī)應(yīng)集旋耕、施肥、起壟、播種、鎮(zhèn)壓等功能于一體。

3) 需要滿足縮株保密的種植要求，播種單體具備株行距可調(diào)、播量可控的能力。

4) 為便于玉米對行收獲，玉米播種單體設(shè)計在中間。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

2BSQF-6型大豆玉米復(fù)合播種機(jī)可同時完成旋耕、起壟、施肥、播種、鎮(zhèn)壓等作業(yè)。整機(jī)主要由三點(diǎn)懸掛裝置、旋耕裝置、起壟裝置、施肥裝置、機(jī)架主體以及播種單體構(gòu)成，如圖1所示。

播種機(jī)的前端包括三點(diǎn)懸掛裝置、旋耕裝置，三點(diǎn)懸掛安裝于機(jī)架前部，用于掛接在動力機(jī)械上，旋耕裝置位于機(jī)架下方，進(jìn)行松土碎土與滅茬作業(yè)；整機(jī)的中端包含施肥裝置和起壟裝置，施肥裝置安裝于機(jī)架上方，進(jìn)行開溝施肥作業(yè)，機(jī)架下方安裝起壟裝置，用于起壟作業(yè)；播種單體位于播種機(jī)后端，通過仿形機(jī)構(gòu)掛接于機(jī)架后端，進(jìn)行開溝播種以及鎮(zhèn)壓作業(yè)。

1.3 工作原理

播種機(jī)掛接在動力裝置上后，開始作業(yè)前，將開溝器、鎮(zhèn)壓器等可調(diào)節(jié)高度的裝置調(diào)整至合適位置，同時調(diào)節(jié)仿形連桿在機(jī)架上左右橫移的位置來確定播種行距，完成作業(yè)前準(zhǔn)備工作。機(jī)具開始作業(yè)時，動力輸入至旋耕刀組傳動齒輪箱，經(jīng)由傳動齒輪箱左右兩輸出軸帶動旋耕刀組運(yùn)轉(zhuǎn)開始旋耕碎土滅茬作業(yè)；排肥器由電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動，經(jīng)塑料軟管將肥料送入管靴式開溝器開辟的溝壑中，完成施肥作業(yè)；然后通過起壟裝置完成起壟作業(yè)；再由圓盤開溝器進(jìn)行壟上開溝作業(yè)，機(jī)械式排種器由滾動地輪經(jīng)傳動裝置提供動力輸入，將種子排入溝壑中，并覆土鎮(zhèn)壓。

所設(shè)計的播種機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of the seeder

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 旋耕起壟裝置

旋耕作業(yè)時，旋耕刀的運(yùn)動即為機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動與刀軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的合運(yùn)動，如圖2所示。機(jī)具前進(jìn)方向為x軸正向，前進(jìn)速度設(shè)為Vq，旋耕刀軸沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，耕作深度設(shè)為h。

圖2 旋耕刀運(yùn)動軌跡示意圖

旋耕刀開始運(yùn)轉(zhuǎn)時，刀具端點(diǎn)D滿足以下運(yùn)動方程。

(1)

式中：R——刀具回轉(zhuǎn)半徑，mm；

ω——旋耕刀角速度，rad/s；

t——時間，s。

旋耕速比ξ與旋耕刀具端點(diǎn)的瞬時回轉(zhuǎn)速度Rω以及機(jī)具的前進(jìn)速度Vq之間滿足以下關(guān)系。

(2)

通過式(1)對時間t求導(dǎo)，可求得任意一點(diǎn)的水平分速度為Vx和豎直分速度為Vy，為保證旋耕刀從入土到離開土壤時正常工作，應(yīng)滿足水平分速度Vx<0，即應(yīng)當(dāng)滿足以下關(guān)系。

Vq<(R-h)ω

(3)

經(jīng)查閱文獻(xiàn)得旋耕速比ξ>1，則切土與拋土效果較好。故要確保旋耕刀從切入土壤到離開土壤時均工作，就要在滿足式(3)的基礎(chǔ)上，同時保證旋耕速比ξ>1。一般旋耕機(jī)前進(jìn)速度為0.5～2 m/s，耕深在1～25 cm，本文在考慮機(jī)組實(shí)際工作狀態(tài)后，確定機(jī)具前進(jìn)速度Vq為1 m/s，耕深為200 mm。

為確定回轉(zhuǎn)半徑R，求出旋耕轉(zhuǎn)速n即可，而轉(zhuǎn)速n與通過同一安裝平面內(nèi)安裝的刀片數(shù)Z以及切土節(jié)距S滿足以下關(guān)系。

(4)

一般旱地旋耕Z取值為2～3，依據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，Z取值為2，考慮到耕作地土質(zhì)較為疏松，設(shè)定土壤切土節(jié)距S為15 cm，將所有數(shù)值代入式(4)，求解出轉(zhuǎn)速n=200 r/min，則旋耕刀角速度ω=20.94 rad/s，依據(jù)旋耕刀參數(shù)表最后確定其回轉(zhuǎn)半徑R為245 mm。

在刀具選型上，臥式旋耕常用刀型為彎刀和直角刀，彎刀有較為銳利的正切刃和側(cè)切刃，正面切削刃口較寬，側(cè)面切削刃口為弧形曲線式，具備優(yōu)異的劃切性能，有較好的松土和拋翻能力，考慮實(shí)際作業(yè)環(huán)境中存在前茬作物殘茬較多的情況，最終選用IT245型彎刀作為旋耕刀具。相鄰兩彎刀間間距為40 mm，依據(jù)幅寬確定左右刀具各安裝30把，考慮到耕作后土壤不能過于雜亂，刀具應(yīng)該以螺旋線的方向布置，且位于一條螺旋線上的刀具的旋向應(yīng)保持一致。

為了滿足較大幅寬下的作業(yè)要求，本機(jī)采用了中間傳動正配置的傳動方式，該布置形式傳遞動力大，效率高，但存在傳動箱占據(jù)耕幅，彎刀切削不到傳動箱體下方土壤的現(xiàn)象。為此，本機(jī)在旋耕裝置中間位置設(shè)有開溝小犁，保證中間位置的土壤也能旋耕到位。

旋耕裝置由傳動齒輪箱、刀軸、刀座、刀片、擋土板以及開溝小犁組成。整體布置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 旋耕裝置示意圖

旋耕裝置進(jìn)行松土后，起壟裝置完成導(dǎo)土和翻土作業(yè)。起壟裝置主要包括起壟鏟曲面、翼板以及鏟柄，如圖4所示。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊，半螺旋曲面有較好翻土效果。因此，起壟曲面采用半螺旋形曲面設(shè)計，該裝置可通過固定螺栓連接實(shí)現(xiàn)起壟高度200～250 mm范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。左右兩起壟鏟將旋耕后的松土鏟入起壟鏟曲面上，松土沿曲面向兩側(cè)拋翻，最后由翼板與擋土板配合完成松土的整形成壟。

圖4 起壟裝置示意圖

2.2 播種裝置

播種裝置是播種機(jī)最為關(guān)鍵的部件之一，主要包括滾動地輪、機(jī)架、鎮(zhèn)壓強(qiáng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳動裝置、種箱、機(jī)械式排種器、仿形連桿連接支架以及圓盤開溝器等，如圖5所示。在動力機(jī)械的牽引下，滾動地輪與地面接觸產(chǎn)生驅(qū)動力，經(jīng)蝸輪蝸桿傳動裝置將動力輸入指夾式排種器內(nèi)，驅(qū)動排種器進(jìn)行排種作業(yè)；同時，該滾動地輪還具有覆土與鎮(zhèn)壓的功能。

圖5 播種單體結(jié)構(gòu)圖

播種機(jī)上常見的排種器可以分為機(jī)械式和氣力式，機(jī)械式排種器包括指夾式、窩眼式、圓盤式排種器，而氣力式根據(jù)氣流的作用方式不同可分為氣吹式、氣吸式和氣壓式三種類型[9]?；谝韵略颍疚倪x用機(jī)械指夾式排種器：(1)氣力式排種器具有對種子大小、形狀適應(yīng)能力強(qiáng)，不易傷種，可用于高速作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，但其用于玉米等不規(guī)則種子的播種時功率消耗相對較大，當(dāng)種子群運(yùn)動不合理時，容易出現(xiàn)漏播、重播等現(xiàn)象，同時其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。(2)指夾式排種器結(jié)構(gòu)簡單，修理維護(hù)容易，使用成本低，并且能保證一定的播種質(zhì)量，農(nóng)戶使用意愿強(qiáng)。

2.3 仿形機(jī)構(gòu)

為了確保在復(fù)雜地形上的作業(yè)質(zhì)量，播種機(jī)主體機(jī)架與后端播種裝置之間需要采用柔性連接。由于單鉸接單自由度仿形機(jī)構(gòu)存在單拉桿角度變化過大的問題，本文設(shè)計為平行四連桿雙自由度仿形機(jī)構(gòu)，通過復(fù)合作用效果來減小播種單體振動幅度，保證了開溝播種鎮(zhèn)壓作業(yè)的穩(wěn)定性。

平行四連桿雙自由度仿形機(jī)構(gòu)穩(wěn)定工作的前提是尺寸參數(shù)設(shè)計的合理性，即保證機(jī)構(gòu)的上下仿形量及其仿形角設(shè)計的正確性。通常上下仿形量設(shè)為80～120 mm[10-11]，考慮到播種機(jī)首先進(jìn)行旋耕作業(yè)，地表較平整，故降低對仿形的要求，故將仿形量設(shè)定在 80～100 mm之間，仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示。

圖6 仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

為確保連接播種單體的穩(wěn)定性，本文設(shè)計的獨(dú)立仿形四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)該滿足以下關(guān)系。

h=L[sin(α2-α)+sin(α1+α)]

(5)

式中：L——仿形連桿長度，mm；

α——工作角，(°)；

α1——上仿形角，(°)；

α2——下仿形角，(°)；

h——總仿形量，mm。

由式(5)可得，在總仿形量h一定的前提下，仿形連桿長度L與上仿形角α1以及下仿形角α2成反比關(guān)系，即仿形連桿長度越長，仿形角越小，播種裝置穩(wěn)定性越好，播種效率越高。

圖6中總仿形量h為上仿形量h1(即B點(diǎn)移至B1點(diǎn)時的垂直距離)與下仿形量h2(B點(diǎn)移至B2點(diǎn)時的垂直距離)之和。依據(jù)實(shí)際工作環(huán)境需求，初步將工作角設(shè)定為0°，上仿形量h1設(shè)為85 mm，考慮到穩(wěn)定性的因素，α1及α2假設(shè)為20°。

將設(shè)定的上仿形量h1、上仿形角α1以及工作角α代入式(5)，計算出仿形連桿長度L=248.52 mm，取值為250 mm，將所得數(shù)據(jù)代入式(6)中可確定下仿形量h2的數(shù)值。

h2=Lsin(α2-α)

(6)

由式(6)可得，h2=85.50 mm，處于80～100 mm的合理區(qū)間，滿足設(shè)計要求。

獨(dú)立仿形四桿機(jī)構(gòu)裝配圖如圖7所示。

圖7 獨(dú)立仿形連桿裝配圖

2.4 功率分析

復(fù)合播種機(jī)作業(yè)功率消耗主要有旋耕切削功耗N1、開溝功耗N2、前進(jìn)阻力功耗N3以及電動排肥功耗N4。以此得出復(fù)合播種機(jī)整機(jī)功耗

N=N1+N2+N3+N4

(7)

2.4.1 旋耕切削功耗分析

旋耕切削主要是刀片切削土壤消耗的功率[12]，用式(8)表示。

Nr=0.1kBHVd

(8)

式中：Nr——理想旋耕切削功耗，kW；

k——旋耕比阻，N/m2；

B——工作幅寬，m；

H——旋耕高度，cm；

Vd——前進(jìn)速度，m/s。

結(jié)合大豆玉米復(fù)合播種農(nóng)藝要求，旋耕比阻k取值9.5[13]，工作幅寬B取值2.5 m，旋耕高度H取值15 cm，前進(jìn)速度Vd取值1.3 m/s，代入式(8)，得出Nr=46.313 kW。

考慮到存在傳動損失的因素，結(jié)合傳動效率λ，得出旋耕切削功耗

(9)

將傳動效率λ設(shè)為0.7，代入式(9)，得出N1= 66.161 kW。

2.4.2 開溝功耗分析

開溝起壟裝置所受到牽引阻力主要為開溝起壟曲面和翼板與土壤相互作用，開溝播種的功率消耗[14]用式(10)表示。

N2=0.1k1bhVd

(10)

式中：b——開溝寬度，m；

h——開溝深度，cm；

k1——切土比阻，N/cm2。

取b=0.15 m，h=20 cm，Vd=1.3 m/s，k1=35 N/cm2，代入式(10)，計算得N2=13.65 kW，由于復(fù)合播種機(jī)涉及開溝施肥以及開溝播種，因此最終確定開溝功耗約N2為28 kW。

2.4.3 前進(jìn)阻力功耗分析

前進(jìn)阻力功耗與起壟阻力[15]、重力等因素有關(guān)。

N3=σFVd

(11)

式中：σ——比例系數(shù)；

F——牽引阻力，kN。

各項取值為σ=0.2，F(xiàn)=12.5 kN，Vd=1.3 m/s，代入式(11)，計算出N3=3.25 kW。

2.4.4 電動排肥功耗分析

施肥裝置中排肥器由單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)選用額定電壓12 V，額定功率100 W的直流電機(jī)，因此N4=0.1 kW。

將所有計算結(jié)果代入式(7)，計算出總功耗N=97.511 kW，因此復(fù)合播種機(jī)配套動力功率不低于97 kW。

3 樣機(jī)性能試驗

3.1 試驗方法

為了驗證復(fù)合播種機(jī)的工作性能，將以播種深度合格率、粒距合格率以及漏播率作為性能指標(biāo)進(jìn)行田間試驗。

復(fù)合播種機(jī)在江蘇省連云港灌云縣大豆農(nóng)場行試驗(圖8)，試驗地土壤類型為鹽土，地勢平坦，前茬覆蓋率為75.8%，對土壤狀態(tài)進(jìn)行測試，經(jīng)過測定得知其含水率為16.1%，土壤緊實(shí)度為973.5 kPa，土壤堅實(shí)度為2.87 kgf/cm2。試驗配套拖拉機(jī)功率為100 kW，機(jī)具行進(jìn)速度為4.7 km/h，參照GB/T 20865—2017《免(少)耕施肥播種機(jī)》以及GB/T 6973—2005《精密播種機(jī)試驗方法》中的規(guī)范方法進(jìn)行相關(guān)試驗，對復(fù)合播種機(jī)的作業(yè)效果進(jìn)行檢測。

圖8 田間試驗

3.2 試驗結(jié)果與分析

田間試驗得出的主要試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)Tab. 2 Experimental data

依據(jù)復(fù)合播種機(jī)的田間試驗效果，復(fù)合播種機(jī)在保證一次性實(shí)現(xiàn)旋耕、施肥、起壟、播種、鎮(zhèn)壓的作業(yè)功能的同時將播種深度合格率穩(wěn)定在93.3%，漏播率以及重播率控制在了8%以下，在粒距合格指數(shù)表現(xiàn)上，大豆和玉米分別為85%和95.2%，整體展現(xiàn)了良好的作業(yè)效果。

4 結(jié)論

1) 為落實(shí)玉米大豆復(fù)合種植技術(shù)要求，做到“玉米不減產(chǎn)、多收一季豆”的生產(chǎn)目標(biāo)，大豆、玉米復(fù)合播種機(jī)是一項關(guān)鍵設(shè)備。本文設(shè)計了可實(shí)現(xiàn)2行玉米和4行大豆的帶狀復(fù)合種植的2BSQF-6型大豆玉米復(fù)合種植播種機(jī)。主要設(shè)計的關(guān)鍵部件包括旋耕起壟裝置、播種裝置以及平行四連桿雙自由度仿形機(jī)構(gòu)，該機(jī)集旋耕、施肥、起壟、播種等作業(yè)功能于一體。此外，對關(guān)鍵部件的功耗進(jìn)行需求分析，得出整機(jī)需求功率為97.511 kW，以此選擇合適的動力源。

2) 所設(shè)計的樣機(jī)經(jīng)過田間試驗表明，大豆玉米播種深度合格率均為93.3%，大豆和玉米的粒距合格指數(shù)分別為85%和95.2%，漏播率均控制在8%以下，機(jī)具各項指標(biāo)均滿足大豆玉米帶狀復(fù)合種植的農(nóng)藝要求。

3) 該機(jī)具特別適合于播種季與生長季雨水多地區(qū)麥茬地的大豆玉米帶狀復(fù)合種植。同時，該機(jī)具提升了大豆玉米帶狀復(fù)合種植機(jī)械化水平，減少了投入成本，有效地提高了作業(yè)效率，增強(qiáng)了農(nóng)戶種植意愿，對推動發(fā)展大豆玉米復(fù)合種植技術(shù)具有重大意義。