湖北地區馬鈴薯播種機主要部件設計

杜錚 萬勇 舒虹杰

摘要：根據湖北地區的種植農藝要求，對馬鈴薯起壟播種機開溝器、排肥器、播種裝置、開溝起壟裝置等主要部件進行了參數選擇和結構設計，對關鍵零部件進行了３Ｄ軟件繪圖設計工作。為樣機制作提供了理論基礎，以保證樣機能順利完成開溝、施肥、播種、覆土和鎮壓等工序。

關鍵詞：馬鈴薯；起壟；播種機；結構設計

中圖分類號：Ｓ２３３．７３文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）15－3345-04

The Design of Potato Ridging Planter Suitable for Hubei Area

ＤＵ Ｚｈｅｎｇ，ＷＡＮ Ｙｏｎｇ，ＳＨＵ Ｈｏｎｇ－ｊｉｅ

（Ｗｕｈａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｗｕｈａｎ ４３００５１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｎｔｉｎｇ ａｇｒｏｎｏｍｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｕｂｅｉ ａｒｅａ， ｄｅｖｉｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｐｏｔａｔｏ ｒｉｄｇｅ ｐｌａｎｔｅｒ ｏｐｅｎｅｒ， ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ， ｐｌａｎｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， ｔｒｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｒｉｄｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ， ａｎｄ ３Ｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｇｒａｐｈｉｃｓ ｄｅｓｉｇｎ ｗｏｒｋ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｏｎ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ． Ｉｔ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｒｅｎｃｈｉｎｇ， ｆｅｒｔｉｌｉｚｉｎｇ， ｐｌａｎｔｉｎｇ， ｓｏｉｌ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｏｔａｔｏ； ｒｉｄｇｉｎｇ；ｐｌａｎｔｅｒ； ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ

湖北省馬鈴薯種植近年來呈現出面積擴大、產量提高、效益大增的趨勢。截至２０１０年，冬季馬鈴薯種植面積達到２３萬ｈｍ２，特別是黃岡、荊州、隨州、武漢、咸寧、天門等１２個馬鈴薯開發新區發展迅速。以武漢為例，作為馬鈴薯種植新區，其主要分布在新洲、黃陂、蔡甸、漢南等遠城區，多利用冬閑田種植，即冬春種植，５月收獲。由于武漢地處南方，冬季氣溫較高，開春后雨水較為豐富，收獲季節與北方的內蒙以及南部的福建相互錯開，因此具有極佳的市場潛力與經濟效益。

隨著人力成本的快速增長，湖北地區實施馬鈴薯種植的產業化、機械化是發展馬鈴薯產業的關鍵。但是，目前馬鈴薯南方機械化種植發展總體水平不高，因此開發適合湖北武漢及其周邊地區的馬鈴薯播種機械將是馬鈴薯全程機械化種植的關鍵。根據湖北地區種植馬鈴薯的農藝要求，從種植土壤環境出發，對馬鈴薯播種機的主要部件進行了設計與選型。

１開溝器設計

開溝器的功用主要是在播種機工作時開出種溝，引導種子和肥料進入種溝內，并使濕土覆蓋種子和肥料。在設計開溝器時，根據農藝的要求，種溝要深淺一致且溝形整齊，溝底寬闊、平整。因此，在設計開溝器時，通過外形的改良使其具有良好的入土性能和切土能力，工作過程可靠而不易被雜草、殘茬和土塊堵塞。

設計選用芯鏵式開溝器，如圖１。該開溝器的特點為：工作過程中，開溝器的前棱和兩側對稱的曲面使土壤沿曲面上升，并將殘茬、表層干土塊、雜草向兩側拋出翻倒，使下層營養土上翻；但在開溝器工作的同時增加土壤水分蒸發，不利于保墑，且開溝阻力大，不適于高速播種［1］。但是其具有以下優點：結構簡單，入土性能好，對播種前整地要求不高，而且溝底較平，開出溝寬為１２０～１８０ ｍｍ。

在前期調研中發現，目前北方播種機型下肥量小于南方，因此種薯下地后距離排肥器施肥處較近，有可能造成肥料燒種。故在設計時，項目組決定將投種口與下肥管道分離，采用分層安裝。開溝器主要設計參數如下。

１．１主體結構

芯鏵式開溝器主要由芯鏵、翼板、輸種管和護種罩等主要部件組成［2，3］。芯鏵選用４５＃鋼板，厚４ ｍｍ，通過彎曲焊接制成，鏵尖及刃口處進行淬火處理，以增加硬度及耐磨性。

１．２入土角α

如圖１所示，開溝器入土角過大，入土性能差，且阻力增加。入土角過小會使芯鏵尖而長，強度減弱。選擇合適的入土角，芯鏵入土容易。當入土過程完成后，整個犁架保持水平，確保所有開溝深度一致，避免種薯埋藏深度相近，保證薯塊出芽齊整。一般芯鏵入土角１５°～３５°為宜，為了增加強度，取α＝３８°。

１．３隙角ε

由圖１可以看出，隙角ε影響開溝器在溝底土層的行走狀態。為了有利于入土，減小芯鏵與溝底土層的摩擦阻力，取ε＝５°為宜。

１．４斜切角γ

如圖２所示，對于芯鏵尖的斜切角γ進行設計，由于斜切角γ可以保證土塊、秸稈殘茬、雜草等異物沿刃口向后滑移，而不致纏掛、擁堵。因此此角不能過大，也不能太小。

斜切角γ可由圖３的受力分析確定。欲使土壤在開溝器刃口上的滑切力能克服摩擦力，即需滿足：

Ｐ０ｓｉｎ（９０°－γ）＞Ｆ （１）

由摩擦定律知：Ｆ＝Ｎｔｇ?準，Ｎ＝Ｐ０ｃｏｓ（９０°－γ），將其代入（１）式得：

Ｐ０ｓｉｎ（９０°－γ）＞Ｐ０ｃｏｓ（９０°－γ）×ｔｇ?準（２）

化簡（２）式得：

γ＜９０°－?準（３）

式中，Ｐ０為作用在刃口上的阻力；Ｆ為刃口與土壤的摩擦力；?準為土壤與鋼材的摩擦角。

一般土壤對鋼的摩擦角?準為２６．５°～３５.0°，故取γ＝３０°為宜。

１．５開溝器連接件參數

開溝器其他連接件尺寸如下：鏵高Ｈ＝１５０ ｍｍ；幅寬Ｂ＝１５０ ｍｍ；芯鏵脊線曲率半徑Ｒ＝４００ ｍｍ。

２排肥器設計

對于排肥裝置的設計，由于南方種植密度大，所需肥料多，根據田間實地調查，有些地區甚至每公頃施２ ０００～３ ５００ ｋｇ復合肥，因此，需具有加大容量的肥料排肥器，以適應湖北地區的種植要求。

為了能均衡地施放肥料，設計選用了標準系列中的多功能外槽輪式排肥器如圖４、圖５所示。排肥器主要由撥肥輪、排肥軸驅動管、排量調節手輪、排量調整鎖止手輪、肥料輸送管、施肥管等關鍵部件組成［4，5］。排肥器的主要材料是優質硬質塑料，軸類部件選用Ｑ２３５Ａ鋼。

外槽輪式排肥器工作時，外槽輪旋轉，顆粒化肥靠自重充滿槽輪的凹槽并被槽輪帶著一起旋轉。同時，槽輪外面的肥料在槽輪的撥動和肥料之間的摩擦力作用下也被帶動，由槽輪強制帶出，從排肥舌上掉入輸肥管，然后經開溝器導入種溝中。該排肥器轉動的槽輪和不轉動的阻塞套可以在排種盒內隨排種軸左右移動，通過改變槽輪的長度來調節排肥量。

排肥裝置主要設計參數如下：

２．１排肥口尺寸

排肥口為矩形，寬３０ ｍｍ，長５０ ｍｍ。長度可按需要調節遮蔽。

２．２撥肥輪

撥肥輪齒數為７齒，由優質塑料制成，如圖６為排肥器槽輪３Ｄ模型。撥齒空隙的截面為橢圓形。撥肥輪的轉速ｎ撥由排肥量來確定，每旋轉一圈所排肥量為：

ｑｍａｘ＝［b■（D21-D20）-■d2z×6h］γ×m1 （４）

式中，ｂ、Ｄ１、Ｄ０、ｄｚ、ｈ均為已知的結構參數；γ為碳氨的密度，約為８００ ｋｇ／ｍ３；ｍ１為排肥行數，本樣機使用雙排肥口，取ｍ１＝２，后期將會根據使用情況進行增補。

地輪每轉排肥量可由（５）式計算：

ｑ地＝０．１πＤ地×ｍ２×α×Ｑ（１＋ε） （５）

式中，Ｑ為每公頃施肥量，根據農藝要求，設定Ｑ＝１ ５００ ｋｇ／ｈｍ２；Ｄ地為地輪直徑，直接購買成品橡膠輪進行安裝，輪徑為０．５３ ｍ；ｍ２為播種行數；α為播種行距；ε為地輪滑移率，取０．１。

將以上結構參數以及設計計算數據代入（５）式，由于每分鐘內的施肥量與排肥量必定相等，即

ｎ撥×ｑｍａｘ＝ｎ地×ｑ地 （６）

式中，ｎ地為地輪轉速，可由拖拉機的牽引速度確定，在播種時，機器的前進平均速度（v）為３ ｋｍ／ｈ，則：

ｎ地＝v／πＤ地 （７）

統一單位后計算得到ｎ地＝３０ ｒ／ｍｉｎ。

將ｑｍａｘ、ｑ地、ｎ地代入（6）式得ｎ撥為６６～８５ ｒ／ｍｉｎ。

為滿足不同的使用需求，撥肥輪通過更換不同的傳動比，設計調節轉速ｎ撥為５６、６５、７８ ｒ／ｍｉｎ。

２．３計算排肥量

圖７為排肥器外殼３Ｄ模型。根據排肥器工作原理，總排肥量可由公式Ｑ＝１０４ｉｑｍａｘ／πD地?墜m2（1+ε）進行計算。式中傳動比i=ｎ撥/ｎ地為設計值；其他參數同前文定義，將這些已知參數代入公式，可得到總排肥量Ｑ在２２０～２ １００ ｋｇ／ｈｍ２范圍內，通過調節插板可得到合適的排肥量。

３播種裝置設計

播種裝置由排種鏈勺、前后護種管、錐形種箱、鏈輪等組成。種箱下部采用錐形，箱底傾斜角度大于馬鈴薯的自然休止角，避免箱內種薯產生堆積［6］。在取種的過程中，種薯能憑借重力自然地流向錐體的最下部位。同時種箱下部開孔的橫截面與排種勺相配合，每次僅能使得一個排種勺通過。因此，即使箱內剩余少量的薯塊，排種勺舀取的機會大為增加，也能保證良好的取種率。另外播種器運轉平穩，株距均勻且可根據需要進行調節。

３．１鏈勺的設計

鏈勺使用鋁進行鑄造，質量輕，結構簡單，與鏈條采用螺栓進行連接。取平均勺距Ｌｔ＝１５０ ｍｍ，則勺數ｍｐ＝１３個。

將鏈條連接在上、下鏈輪上，上鏈輪齒數為Ｚ上＝５２齒，下鏈輪齒數Ｚ下＝３５齒；中心距取ａ０＝７１０ ｍｍ；中心連線與鉛直角度約為１２°。鏈輪中心距可以略微調整，以便鏈條的張緊。由以上數據可計算出鏈節數為１５４節，用節距為Ｐ＝１２．７ ｍｍ的鏈條，則鏈長Ｌ＝１ ９５６ ｍｍ，鏈條型號為０８Ａ。

３．２株距的計算

取地輪驅動鏈輪齒數Ｚ地＝５２齒，設計可以使用不同的傳動比進行三檔調節，以針對不同的株距進行播種，則排種鏈輪確定為３種鏈輪進行尺寸設計。由此可調整出３個不同的株距。由給定株距Ｃ＝２３、２８、３３ ｃｍ經過公式（８）計算其齒數。

Ｚｉ＝■ （８）

式中，Ｃｉ為株距，可以取值Ｃ１＝２３，Ｃ２＝２８，Ｃ３＝３３ ｃｍ；Ｄ地為地輪直徑；Ｌ為鏈勺用鏈條長度；Ｚ地為地輪驅動鏈輪齒數；Ｚ下為鏈勺下鏈輪齒數；ｍｐ為鏈勺數；Ｐ為鏈條節距。

將上述數據代入（８）式且圓整后得：Ｚ１＝２０齒，Ｚ２＝２４齒，Ｚ３＝２８齒。

４開溝起壟裝置設計

針對湖北地區的土質黏度較大的特性，以及冬季農藝種植起壟３０ ｃｍ左右的要求，項目組在選擇開溝、起壟裝置時，放棄傳統北方使用的覆土圓盤及圓盤座，改而采用犁鏵進行開溝起壟的工作。

一般市面上的鏵式犁主要工作部件由犁體、小前犁、犁刀和松土鏟等組成（圖８）。但該播種機型工作過程中，其后部加裝的犁鏵主要起開溝起壟的作用，因此在犁體的選擇上主要需偏重加強犁面和犁翼的曲面形式。同時，由于犁翼和犁面是構成犁體曲面的兩個基礎零件，所承擔的開溝起壟過程中的阻力分別占犁鏵全部牽引阻力的５０％和３０％～４０％，包括犁鏵對土壤的切割阻力，犁面對土垡的翻轉和破碎作用力等。所以犁鏵的選擇對于開溝起壟的效果十分關鍵。

經過數次試驗，最終項目組選擇適于湖北地區的犁鏵進行改裝。改裝后的犁鏵能滿足使用要求，達到以下幾點要求：犁鏵安裝角的選擇能保證犁鏵在土壤中的運動阻力盡量的小，以降低整機的工作負荷；翼部安裝角保證土垡離開犁翼時絕對速度小，不至造成壟形破壞；合適的犁壁包容土層角，以降低無益的消耗于土垡對犁壁摩擦的力；犁面曲線有利于土壤起壟，壟形需有利于作物根系生長；犁間間隙可以方便進行調節以適合不同區域的種植模式。

５小結

項目組改型設計的適合湖北地區的馬鈴薯播種機現已試制樣機一臺，經過小規模秋季馬鈴薯播種試驗考核，該機已能初步滿足設計和農藝要求，極大地減輕了農民的勞動強度。但在實際應用時也發現了該機型存在的問題：壟形寬度過于狹窄，不利后期馬鈴薯根部生長；可以嘗試具有不同曲線犁壁的犁鏵，增強起壟效果；施肥量調整不方便，下肥通道可加大，肥箱容積也需加大；種箱過大，可以增加人工操作平臺，以方便農戶觀察投種情況；種薯播種密度較小，不利于提高馬鈴薯單位面積產量。因此，將繼續完善該馬鈴薯播種機的使用性能，力爭早日實現湖北地區馬鈴薯種植的機械化。

參考文獻：

［1］ 馬廷璽，葉艷琴．土垡沿犁體曲面運動軌跡的預測［Ｊ］． 農業機械學報，１９９６（增刊）：１－４．

［2］ 趙滿全，竇衛國，趙士杰，等．２ＢＳＬ－２型馬鈴薯起壟播種機的研制［Ｊ］．內蒙古農業大學學報，２００１，２２（１）：７３－７７．

［3］ 周桂霞，張國慶，張義峰，等．２ＣＭ－２型馬鈴薯播種機的設計［Ｊ］．黑龍江八一農墾大學學報，２００４，１６（３）：５３－５６．

［4］ 趙滿全．２ＢＰ－２Ｂ型鋪膜點播機排肥器參數設計及性能試驗［Ｊ］．內蒙古農牧學院學報，１９９７（１）：１０１－１０４．

［5］ 中國農業機械化科學研究院．農業機械設計手冊（上冊）［Ｍ］．北京：機械工業出版社，１９９０．

［6］ 劉小娟，張書，黃信兵．２ＣＭＦＬ－２型馬鈴薯種植機排種器的設計研究［Ｊ］．農業機械，２００８（２５）：４８－４９．