陳新宇 史增錄 焦丙炎 王堆金 饒志強 于永良

摘要：根據(jù)棉花種植的農(nóng)藝要求，設(shè)計一種2BJ-2/12型鋪膜播種機。應(yīng)用三維設(shè)計軟件SolidWorks構(gòu)建鋪膜播種機三維模型，完成鋪膜、播種主要零部件設(shè)計及其相關(guān)參數(shù)分析，計算鋪膜機構(gòu)相關(guān)工作參數(shù)，分析穴播器工作過程，從而為棉花鋪膜播種機設(shè)計與優(yōu)化提供技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機械；棉花；鋪膜播種機；穴播器

中圖分類號：S223.2? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2023）06-0059-04

據(jù)2022年棉花產(chǎn)量統(tǒng)計顯示，我國棉花年產(chǎn)量達到597.7萬t，相較于2021年增加了24.6萬t，其中新疆地區(qū)棉花產(chǎn)量為539.1萬t，占比達90.19%，是全國最重要的產(chǎn)棉區(qū)。目前，新疆地區(qū)的棉花種植技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，且根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c形成了地膜覆蓋精量穴播、膜下滴灌的種植方案[1]。該方案選用早熟、適宜機采的品種，播種盤穴數(shù)為12～15穴，同時配以機械化種植，其可在播種面積逐步減少的環(huán)境下，仍能保持產(chǎn)量不降低、甚至使產(chǎn)量呈穩(wěn)步上升的態(tài)勢。

隨著技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)有的棉花播種機械由拖拉機牽引來完成播種作業(yè)，工作時可將平地、鎮(zhèn)壓、開溝、鋪膜、覆土、播種等多道工序集中在一臺播種機上來完成作業(yè)[2]。為進一步提高棉花鋪膜播種機的作業(yè)質(zhì)量，減少機械化播種作業(yè)中存在的鋪膜不展、膜破、膜孔錯位等問題，設(shè)計了一款2BJ-2/12型鋪膜播種機。該機可實現(xiàn)鋪設(shè)滴灌、鋪膜、播種的聯(lián)合作業(yè)，同時利用四桿機構(gòu)的仿形功能來實現(xiàn)鋪膜播種覆土部件的隨地仿形作業(yè)，在提升鋪膜播種效率和質(zhì)量的同時，也可實現(xiàn)棉花生產(chǎn)的提質(zhì)增效。

1 鋪膜播種機的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

棉花鋪膜播種機結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該鋪膜播種機主要由懸掛架、滴灌帶架、種箱、覆土圓片、開溝圓片、展膜桿及其他部件組成。由于兩組裝置前后交錯組成，可同時播種12穴，從而達到寬幅播種要求。

1.2 工作原理

在進行播種作業(yè)時，鎮(zhèn)壓滾筒首先將土壤壓實，開溝圓片隨之開出膜溝，接著展膜桿將地膜沿著兩邊的膜溝展開，同時壓膜輪將地膜壓入膜溝中，一級覆土圓片隨之將膜溝兩邊的土壤覆在地膜上并壓實。將棉花種子放入種箱中，在作業(yè)時再進入穴播器，種子在自重和離心力的作用下會落入穴播器的型孔，然后落入閉合的鴨嘴中。隨著穴播器的旋轉(zhuǎn)，方嘴會在地膜上打出一個個孔穴，隨之鴨嘴也打開將種子投入到孔穴中，同時二級覆土圓片將附近的土壤翻入覆土滾筒內(nèi)，隨著滾筒的翻滾，土壤也從導(dǎo)土葉片輸送到地膜上，并進行鎮(zhèn)壓動作。至此，完成整個開溝、鋪膜、播種、覆土的過程。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

棉花鋪膜播種機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵零部件及相關(guān)參數(shù)設(shè)計

2.1 機架的設(shè)計

機架結(jié)構(gòu)如圖2所示。機架是整個鋪膜播種機的關(guān)鍵部件，主要由懸掛架、主梁、四桿機構(gòu)拉桿、邊梁組成，其功能是連接拖拉機、安裝鋪膜、播種等作業(yè)部件，因此也可以分為懸掛部分、連接部分、副框架3大部分。由于大部分的工作部件都需要與其直接連接，所以機架所承受的負載最大，需保證有足夠的強度和剛度[3]。

懸掛部分是連接于拖拉機的基礎(chǔ)連接件，連接方法采用三點懸掛方式。該懸掛方式轉(zhuǎn)向方便靈活，回轉(zhuǎn)半徑小，具有良好的機動性，無論是運輸還是作業(yè)，該機具都不需要額外的機構(gòu)來進行牽引或升降。

副框架部分通過平行四桿機構(gòu)與懸掛主梁進行連接。該機構(gòu)上將集成各個作業(yè)部件，并隨著拖拉機的行進方向來進行作業(yè)。在任何狀態(tài)下，四桿機構(gòu)的上、下拉桿始終保持平行，尤其是在作業(yè)時，地面會有高低不平的情況，工作部件也會隨著四桿機構(gòu)產(chǎn)生上下浮動運動。這時，整個播種單體可實現(xiàn)仿形功能[4]，能有效減少穴播器的懸空時間，從而提高整體播種質(zhì)量。

經(jīng)查閱相關(guān)手冊和進行受力分析后[5-7]，懸掛主梁選用120 mm×120 mm×8 mm的矩形管；上、下懸掛架分別選用40 mm、30mm的扁鋼焊接；邊梁選用60 mm×30 mm×4 mm的矩形管，以保證其具有足夠的剛度和強度。

2.2 鋪膜機構(gòu)的設(shè)計

在作業(yè)時，地膜分為左右兩組進行鋪放，均采用牽拉放膜的放膜方式。鋪膜機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其由膜桿支柱、開溝圓片、展膜桿、壓膜輪、覆土圓片等組成。地膜放置在架膜桿上，隨著導(dǎo)膜桿、展膜桿等部件向后方拉展開，其被壓膜輪壓在膜溝中。在此過程中，地膜首先受到架膜桿轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的縱向拉力，再受到壓膜輪壓緊地膜時產(chǎn)生的橫向拉力，兩個方向的合力使地膜貼緊地面時橫向張緊且平整[8]。

開溝器是確保鋪膜質(zhì)量的關(guān)鍵，開溝的深度一般為60～80 mm。開溝器要求開溝直、深度一致、挖掘整齊、對土壤的適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)簡單、阻力小[9]。設(shè)計采用曲面圓片的設(shè)計，偏斜圓片放置，可使圓片的刃口方向與機具的前進方向相錯并形成一個夾角，角度一般選取30°～40°，這時圓片曲線則為開溝曲線。隨著機具不斷前進，圓片也就開出了一條窄窄的膜溝。

在鋪膜的同時，壓膜輪也需要將地膜壓入膜溝中。因為壓膜輪的直徑對壓膜質(zhì)量影響極大，所以需要對其直徑進行精量計算，如圖4所示。壓膜輪的寬度應(yīng)視開溝器的開溝寬度來確定，選取范圍30～60 mm。

壓膜輪最小直徑D3應(yīng)滿足：

[D3≥2e1-cosλ] （1）

式中：D3為壓膜輪直徑，mm；e為壓膜輪鎮(zhèn)壓深度，mm，一般取5 mm；λ為壓膜輪翻轉(zhuǎn)角，一般取20°；經(jīng)計算D3 = 182 mm。

2.3 穴播器的設(shè)計

播種工作由穴播器通過旋轉(zhuǎn)來完成。其由種箱、輸種管、觀察窗、鴨嘴成穴器總成、穴播輪盤等組成，如圖5所示。機具的前進運動帶動穴播器旋轉(zhuǎn)，種子受重力影響從種箱向下輸送到穴盤內(nèi)，再隨著旋轉(zhuǎn)通過舀勺式取種器進入鴨嘴內(nèi)，鴨嘴同樣在旋轉(zhuǎn)中完成戳破地膜、排種、離開地膜的一系列動作，至此完成整個播種過程。

穴播器半徑計算是設(shè)計中必不可少的，它與轉(zhuǎn)速、穴距、播深、成穴器數(shù)量等相關(guān)數(shù)據(jù)有關(guān)，一般范圍為160～300 mm。如式（2）所示。

[R=zm+2πn2π] （2）

式中：R為穴播輪半徑，mm；z為成穴器數(shù)量，個；m為株距（穴孔距離），mm；n為播深，mm。

綜合棉花的農(nóng)藝種植要求，確定z=11，m=104.2 mm，n=30 mm。經(jīng)代入式（2）后計算得R=212.42 mm，即直徑為424.84 mm。對排種器和其他機構(gòu)的安裝位置進行綜合考慮后，選取穴播輪寬度為82 mm。

2.4 覆土機構(gòu)的設(shè)計

覆土機構(gòu)與機架相連接，由覆土倒架、覆土圓片、覆土滾筒、導(dǎo)土葉片、漏土口等組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。隨著機具的前行，覆土圓片會取出部分土壤，然后送入覆土滾筒內(nèi)，這時覆土滾筒做旋轉(zhuǎn)運動，同時導(dǎo)土葉片也隨著滾筒旋轉(zhuǎn)，將土壤從邊緣逐漸向內(nèi)輸送，到達漏土口時便撒出。

覆土滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7所示。結(jié)合棉花種植的農(nóng)藝需求，覆土滾筒共有6條漏土口，并與種植行數(shù)和行距相對應(yīng)，以用于排出符合的土壤。如若有較大的土塊或其他不易排出的根莖經(jīng)過時，會持續(xù)向中間排雜口輸送，并由其負責(zé)將這些混合物從軸向排出。為了防止?jié)L筒劃破地膜，在加工時需要清除表面毛刺。

覆土圓片主要作用于超寬地膜，其選用45剛制成，同時結(jié)合棉花種子的需土量，圓片直徑為250 mm。

3 主要工作參數(shù)計算和工作過程分析

3.1 鋪膜機構(gòu)工作參數(shù)計算

在鋪膜過程中，拉膜速度與作業(yè)速度需保持在合理范圍內(nèi)，這樣才能保證鋪出一張高質(zhì)量、高效率的膜。經(jīng)查詢相關(guān)手冊，選取鋪膜播種機的作業(yè)速度為2.5～4 km/h，即0.69～1.11 km/s。同時薄膜在被拉出時應(yīng)與該速度保持一致，可通過式（3）求出膜卷的轉(zhuǎn)速。

[n=60×1 000 v1D1π] （3）

式中：n為膜卷棍的轉(zhuǎn)速，r/min；v1為薄膜被拉出時的速度，m/s；D1為膜卷棍外徑，mm，取250 mm；經(jīng)計算得出膜卷棍n的轉(zhuǎn)速范圍為52.74～84.83 r/min。

3.2 穴播器工作過程分析

穴播器在作業(yè)時做旋轉(zhuǎn)運動，種子自輸種管進入穴播輪內(nèi)腔，并隨著穴播器旋轉(zhuǎn)而進行流動，且呈半月環(huán)流群，隨后種子依次進入鴨嘴內(nèi)進行播種。穴播輪內(nèi)腔分為充種、清種、點種、投種4個部分，如圖8所示。

充種區(qū)時種子處于流動狀態(tài)，在此過程中會有種子進入夾種片的夾種口，完成夾種；清種區(qū)時，在夾種片處的多余種子將會由于重力作用而落下，完成清種；點種區(qū)時種子自夾種片落入下方的舀勺式取種口，由于兩者之間距離較短，之后會落入閉合的鴨嘴中；投種區(qū)時鴨嘴由于旋轉(zhuǎn)將會打開，種子自打開的鴨嘴進入種穴中，完成投種。在此過程中，穴播輪的振動會使種子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，容易脫落，造成空穴，因此需使這部分的影響降到最小[10]。

4 結(jié)論

研究設(shè)計的一款2BJ-2/12型鋪膜播種機，采用了平行四桿仿形機構(gòu)設(shè)計及并排交錯放置機具的方法，可實現(xiàn)寬幅高效播種，提高種植效率和作業(yè)質(zhì)量；采用先鋪膜后播種的方式，集鎮(zhèn)壓、開溝、鋪膜、播種、覆土等作業(yè)為一體，降低了種植中的人工成本，提高了作業(yè)效率；整機結(jié)構(gòu)簡單、布置合理，整體性能穩(wěn)定，通用性好，可較好滿足作業(yè)需要。

參考文獻

[1] 董萬誠，張立新，李文春，等.新疆棉花播種機械應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].新疆農(nóng)機化，2021（2）：11-15.

[2] 劉飛，趙滿全，吳英思.播種鋪膜穴播機的設(shè)計及棉花排種性能試驗[J].農(nóng)機化研究， 2015， 37（7）： 135-138.

[3] 張世杰. 2BMK―1/3 型穴播式鋪膜播種機的設(shè)計與試驗[J].中國農(nóng)機化學(xué)報， 2013， 34（4）： 113-117.

[4] 馬華永，王衛(wèi)兵，王坤，等.平行四桿仿形機構(gòu)設(shè)計及運動仿真[J].機械工程師， 2014 （7）： 121-123.

[5] 李寶筏.農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社， 1999.

[6] 中國農(nóng)業(yè)機械化研究院.農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊（上冊）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社， 2007.

[7] 鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)機械學(xué)院，吉林工業(yè)大學(xué).農(nóng)業(yè)機械理論及設(shè)計（上冊）[M].北京：中國工業(yè)出版社， 1961.

[8] 顏利民.旱作水稻滴灌鋪膜播種機關(guān)鍵部件設(shè)計與研究[D]. 石河子：石河子大學(xué)， 2014.

[9] 王方艷.棉花覆膜播種機主要部件的設(shè)計[J].農(nóng)機化研究， 2010， 32（7）： 142-145.

[10] 王吉奎.穴播輪中棉種的運動規(guī)律與夾持取種機理研究[D].楊凌： 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2010.

Study on the Design of Cotton Mulching Film Planter

CHEN Xinyu1，SHI Zenglu1，2，JIAO Bingyan1，WANG Duijin3，RAO Zhiqiang3，YU Yongliang3

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China; 2. Xinjiang Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment， Urumqi 830052， China; 3. Xinjiang Tiancheng Agricultural Machinery Manufacturing Co.， LTD.， Korla Xinjiang 841000， China）

Abstract：? According to the agronomic requirements of cotton cultivation， a 2BJ-2/12 mulching film planter is designed. The 3D design software SolidWorks is applied to build the 3D model of the mulching film planter. It completes the design of the main parts of mulching film and seeding and the analysis of related parameters， calculates the relevant working parameters of the mulching mechanism， analyzes the working process of the hill-drill planter， and provides technical solutions for the design and optimization of the cotton mulching film planter.

Key words：? agricultural machinery; cotton; mulching film planter; hill-drill planter

收稿日期：2023-08-28

基金項目：新疆農(nóng)機研發(fā)制造推廣應(yīng)用一體化項目（YTHSD2022-02）

作者簡介：陳新宇（2000—），男，學(xué)士，從事工程技術(shù)與裝備方面的研究。

通信作者：史增錄（1986—），男，碩士，碩士生導(dǎo)師，從事工程技術(shù)與裝備方面的研究。