基于機采棉播種關鍵技術的分析

李 偉，郝延杰，廖培旺，張愛民，孫冬霞

棉花是中國重要的戰(zhàn)略物資［1］，黃河三角洲地區(qū)鹽堿地資源豐富，宜棉區(qū)域廣闊，是中國主要產棉區(qū)之一。近幾年種棉效益逐年降低，打擊了農民種植棉花的自信心，實現棉花生產全程機械化，減輕勞動強度，增加植棉效益，對保障棉花穩(wěn)定供給具有重要意義。

播種工序是棉花生產全程機械化關鍵環(huán)節(jié)，國內科研工作者對播種機有了一定的研究。李革等［2］對覆土滾筒的導土板螺旋角、螺旋頭數等主要參數進行了優(yōu)化分析和試驗，提出合理取值范圍，為覆土滾筒的設計和進一步改進提供了理論依據。陳學庚等［3］研制出2BMSJ－12型棉花雙膜覆蓋精量播種機，較常規(guī)穴播出苗早2～3 d，出苗率94%，穴粒數合格率85%，適應新疆棉花密植種植農藝要求。王方艷［4］對一種棉花覆膜播種機的主要部件進行了設計，確定了主要結構。黃春輝等［5］闡述了一種多功能棉花覆膜播種機覆土滾筒的結構和工作原理以及在不同棉花種植模式中的應用。劉媛杰等［6］對棉花覆膜播種機振動與激勵源進行了分析，分析了作業(yè)速度9.8～10.5 km／h 和 7.5～8.0 km／h 時的振動激勵。 針對黃河三角洲區(qū)域的棉花播種實際情況，山東省濱州市農業(yè)機械化科學研究所設計了2BMMD－4型苗帶清整型夏棉精量免耕播種機、2BMC－4／8型棉花雙行錯位苗帶精量穴播機、2BMJ－3A型基于機采棉的智能精量播種機、2BMJ－2／4A型棉花覆膜精量播種機、2BMZ－3／6A 型折疊式覆膜精量播種機、2BMZ－3／6A 型折疊式智能棉花精量播種機［7］，本研究將對該系列播種機關鍵技術進行闡述。

1　關鍵技術

1.1　一器雙行錯位排種技術

為實現高密度夏棉空間布置最優(yōu)化、單株棉花生長空間最大化，最終實現增產目的，設計了一器雙行錯位排種器［8］。一器雙行錯位排種器是在鴨嘴式排種器基礎上改進而成，由兩個鴨嘴式排種器并列組成，排種口交錯開啟，即第一個排種器排種口為開啟－關閉－開啟－關閉，第二個排種器排種口為關閉－開啟－關閉－開啟，如圖1（a）所示。鴨嘴式排種器主要由鴨嘴式排種口及內部充種機構組成，其工作原理是彈簧保持伸長狀態(tài)，鴨嘴關閉，內部圓盤轉動，充種機構工作，種子進入排種位置；排種器轉動到某一位置時，彈簧被壓縮，種子經過開啟的鴨嘴落入種床，鴨嘴又在彈簧彈力作用下實現關閉，完成排種過程。一器雙行錯位排種器實現了66 cm＋10 cm種植規(guī)格，滿足機采棉的要求，同時通過排種口的交錯布置，低空穴率的種子出苗后成規(guī)律的等腰三角形排列，合理利用了水、肥和光熱資源，實現棉花高產且不影響機械化采摘。將其安裝在2BMC－4／8型棉花雙行錯位苗帶精量穴播機進行田間試驗，出苗后的空間排布如圖1（b）所示。

圖1　一器雙行錯位排種器

1.2　雙重仿形播種覆膜技術

為提高播種深度一致性，保證覆膜質量，在一級傳動棉花精量播種裝置的基礎上［9］，設計了雙重仿形播種覆膜裝置。每組由每兩個相鄰一級傳動仿形播種單體與一組仿形覆膜機架組成，共3組。一級傳動仿形精量播種單體應用四連桿仿形以及同心圓理論實現一級傳動，鏈條長度不變，傳動更可靠，實現組內仿形；二級仿形實現了覆膜機構的仿形。同時排種器安裝在四連桿下方，縮短縱向長度，減少仿形滯后，提高播深一致性。深度調節(jié)手輪及鎖緊裝置實現播種深度靈活調節(jié)，如圖2所示。

圖2　雙重仿形播種覆膜裝置

為驗證結構設計合理性，利用adams動力學仿真軟件進行了分析（圖3）。仿真結果表明，一級傳動仿形播種單體利用四連桿實現了對地面仿形，仿形輪隨地面輪廓高低起伏，開溝器相對于地面輪廓曲線產生了相應的上下運動，滿足仿形要求。排種器與仿形輪距離近，提高播深一致性，但存在仿形滯后情況。有向下運動趨勢時，開溝器相對地面出現了提前向下仿形，開溝深度相對較深；有向上運動趨勢時，開溝器相對于地面會提前向上仿形，開溝深度相對較淺。因此在不出現堵塞現象的前提下，開溝器和仿形輪的距離應盡量縮短［10，11］。通過仿形覆膜機架實現了地膜對地面仿形作業(yè)，保證地膜始終貼近地面，覆膜平整，保證了覆膜質量，提高地膜利用率。

圖3　運動仿真

1.3　機架橫向折疊技術

為縮短機架橫向寬度，設計了一種液壓控制寬幅對折機架。機架為框架式，由中間機架、左機架、右機架3個機架和左右側2個油缸組成。3個機架采用鉸鏈連接。液壓油缸一端連接中間機架，一端連接兩側機架，液壓油缸的伸縮運動帶動兩側機架運動。作業(yè)時，對折機架在液壓油缸控制下平展便于作業(yè)。在左右機架和中間機架鏈接處設置了自鎖和自扣裝置，保證整體機架工作時處于穩(wěn)定的水平狀態(tài)。田間行走及道路運輸時，左右機架與中間機架呈90°對折，提高道路通過性。左右液壓缸液壓閥可單獨控制，實現特殊地段的2行、4行作業(yè)［12］。機架結構如圖4所示。

圖4　液壓控制寬幅對折機架

為驗證在實際情況中機架結構可靠性，將播種機各部分按實際材料進行定義，按實際情況裝配，利用s olidworks的motion模塊進行了仿真。結果表明，在一個周期內受力最大位置是在機架鉸鏈鏈接處，最大受力為253 N（圖5），小于機架和銷軸的抗剪模量（45＃鋼、抗拉強度為600 MPa、屈服強度為 355 MPa）。機架實際折疊圖如圖6所示。

圖5　受力分析

圖6　機架折疊

1.4　雙輪鎮(zhèn)壓裝置

為提高土壤緊實度，保證化肥發(fā)揮最佳作用及為棉花生長創(chuàng)造良好種床，設計了雙輪鎮(zhèn)壓裝置，包括全幅整平鎮(zhèn)壓裝置和對行鎮(zhèn)壓裝置（圖7）。旋耕與播種機構中間有全幅整平鎮(zhèn)壓裝置，該裝置可對種床進行鎮(zhèn)壓，還可以調節(jié)旋耕深度，同時利用鏈條與排肥機構連接成為排肥驅動輪，整機仿形也利用了此裝置。為降低鎮(zhèn)壓輪重量，鎮(zhèn)壓輪設計成Φ350 mm的中空通輥，鎮(zhèn)壓輪骨架由中軸和中軸上4個均勻分布支撐盤構成。具有覆土、鎮(zhèn)壓功能的對行鎮(zhèn)壓裝置在排種器正后方，通過自重和彈簧力的雙重作用來壓實種溝，對土壤壓強達到 0.3～0.5kg／cm2，保證播種效果［8］。

圖7　雙輪鎮(zhèn)壓裝置

1.5　兩段式覆土滾筒

覆土滾筒的作用是將覆土圓盤取出的土壤利用導土板輸送到播種行的中部位置壓膜，防止地膜被風破壞，雖是播種末尾工序，卻對種子出苗有直接影響［13］。為提高覆土質量，將覆土滾筒設計為兩段式覆土滾筒，導土板頭數為4頭，導土板螺旋角為20°，滾筒直徑380 mm，長度560 mm，滿足了土壤沿導土板螺旋面軸向滑動的條件。漏土口相對布置，導土板分段式螺旋，使得土壤排出速度快、壓膜牢固。滾筒兩側設計15個片狀抓地爪，抓地能力加強，滾筒始終轉動不會拖壞地膜［12］。其結構如圖8所示，實際壓膜效果見圖9。

進入滾筒的土壤要實現輸送目的，首先要可以在滾筒內壁上升，然后在導土板的作用下軸向移動，移動到開口處土壤輸出。土壤沿導土板螺旋面軸向滑動的條件是導土板頭數為 3～4 頭［2］。

圖8　兩段式覆土滾筒

圖9　壓膜效果

當土壤在導土板處于臨界滑動狀態(tài)時，要滿足以下條件：

N＝F′sinα

F＝N tanθ

式中，F為土壤沿導土板螺旋線切線方向滑動時的摩擦阻力，方向與螺旋線切線一致；N為螺旋面對土壤的支反力，方向垂直于導土板螺旋面；F′為土壤顆粒隨滾筒轉動時，自身重力和四周土壤對其擠壓力沿圓周方向的合力，方向垂直地面向下；α為導土板螺旋角；θ為導土板表面與土壤摩擦角。只有土壤摩擦力小于F沿某點切面螺旋線方向分力，土壤才沿導土板向下滑動，即 F＜F′cosα。

地膜兩側被土壤壓實，同時土壤利用導土板進入到地膜中間進一步將中部壓實，相對布置的漏土口在中間部位土壤行兩側形成交替等距排列的土壤堆，實現了壓膜嚴實膜面展、覆土均勻一條線效果。并對覆膜效果進行了性能檢測，結果如表1所示，覆膜性能參數全部達到或超過國家標準JB／T 7732－2006《鋪膜播種機》。

表1　覆膜效果性能檢測試驗結果 （單位：%）

2　結論

1）研制的系列播種機遵循農機與農藝融合，實現了多功能聯合作業(yè)，達到棉花保墑增產的目的。

2）針對實際問題解決了5項關鍵技術，進行了模擬仿真及大田試驗，采用關鍵技術的播種機較好地完成了播種、覆膜等環(huán)節(jié)的作業(yè)，提高了機具作業(yè)水平。

3）關鍵技術是新型播種體系的核心，結合播種模式與機具對新技術進行試驗證明，各項關鍵技術是可行的。

參考文獻：

［1］武建設，陳學庚.新疆兵團棉花生產機械化發(fā)展現狀問題及對策［J］.農業(yè)工程學報，2015，31（18）：5－10.

［2］李 革，艾力·哈斯木，康秀生，等.地膜播種機螺旋覆土滾筒的參數優(yōu)化［J］.農業(yè)工程學報，2003，19（6）：135－138.

［3］陳學庚，趙 巖.棉花雙膜覆蓋精量播種機的研制［J］.農業(yè)工程學報，2010，26（4）：106－112.

［4］王方艷.棉花覆膜播種機主要部件的設計［J］.農機化研究，2010，32（7）：142－145.

［5］黃春輝，李國祥.多功能棉花鋪膜播種機覆土滾筒設計與應用［J］.新疆農機化，2015（1）：40－41.

［6］劉媛杰，胡 燦，樸在林.棉花覆膜播種機振動測試試驗與激勵源分析［J］.農機化研究，2016，38（8）：151－154.

［7］孫冬霞，宋慶奎，李 偉，等.黃河三角洲區(qū)域麥棉連作農機農藝融合技術體系研究［J］.中國農機化學報，2015，36（4）：308－313.

［8］ 張愛民，孫冬霞，王歡成，等.2BMC－4／8型棉花雙行錯位精量穴播機的設計與試驗［J］.中國農機化學報，2015，36（2）：1－5，12.

［9］孫冬霞，李明軍，石 磊，等.機采棉精播機關鍵部件運動仿真及有限元分析［J］.農機化研究，2018，40（2）：46－55.

［10］趙淑紅，蔣恩臣，閆以勛，等.小麥播種機開溝器雙向平行四桿仿形機構的設計及運動仿真［J］.農業(yè)工程學報，2013，29（14）：26－32.

［11］白曉虎，張祖立.基于ADAMS的播種機仿形機構運動仿真［J］.農機化研究，2009，31（3）：40－42.

［12］宋德平，宋慶奎，成永朋，等.基于機采棉的折疊式棉花覆膜播種機設計與試驗［J］.中國農機化學報，2015，36（6）：27－31.

［13］李 革.寬膜覆蓋播種機種子覆土流通主要參數的研究［J］.種植機械專輯，1999（10）：15－17.