三角鏈半杯勺式丘陵山區馬鈴薯精密播種機設計與試驗

段宏兵 陳志鵬 宋波濤 余參參 徐 濤

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.農業農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

近年來，國內外馬鈴薯機械化播種技術水平逐步提升。國外以德國Grimme和美國Double L等馬鈴薯種植機械制造公司為代表，主要生產大中型馬鈴薯播種施肥聯合作業裝備，采取半懸掛式或牽引式，均可一次性完成開溝、施肥、施藥、播種和起壟覆土等作業；此類播種機大量采用自動化控制、液壓系統供種、播種電子監測等先進技術，智能化和精量化程度高[1-4]。但國外馬鈴薯的種植土壤條件、降水氣候等均與國內存在明顯差異，且國外馬鈴薯種植機械的體積大、價格昂貴，不符合我國國情，難以在我國丘陵山區馬鈴薯產區應用。戴飛等[5]設計了一種全面覆土式馬鈴薯播種機，田間試驗結果表明該機型性能穩定，試驗指標均符合國家和行業標準要求。呂金慶等[6]設計了一種雙行馬鈴薯種植機，該播種機配備勺式排種器，在東北地區進行了推廣應用。中機美諾科技股份有限公司開發的1240A型馬鈴薯播種機配套動力100 kW，能一次性完成開溝施肥、播種、覆土等功能，減少作業機具進地次數，減輕土壤壓實程度，提高了作業效率和排種播種精度。國內這些機型主要針對北方大面積栽培農藝要求研制，不適用于我國南方丘陵山區的土壤特性和自然環境。

目前絕大多數馬鈴薯播種機都以鏈勺式排種器為主[7-12]，為降低漏播現象，一般都增加了人工補種座進行人工補種，增加了用戶的勞動強度[13-14]。

傳統的鏈勺式馬鈴薯播種機采用“上下”鏈輪結構，為提高單粒播種的準確性，取種勺結構尺寸較小，同時增加了主動或被動的振動裝置，使得鏈勺式排種器結構復雜。

一般丘陵山區土壤粘性大，開溝起壟后會出現起壟高度低、起壟不平整、土壤松散度高等現象，松散的土壤使土壤與種薯接觸不緊密，影響種子發芽生長，降低了產量。

針對以上問題并結合南方丘陵山區的馬鈴薯種植農藝要求[15-16]，本文設計一種對壟型進行整形鎮壓的三角鏈半杯勺式馬鈴薯精密播種機，并開展田間試驗加以驗證。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

三角鏈半杯勺式馬鈴薯精密播種機主要由排肥系統、排種系統、開溝起壟裝置、整形鎮壓裝置等部件組成，結構如圖1所示。

圖1 三角鏈半杯勺式馬鈴薯精密播種機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of triangular chain half-cup spoon-shaped potato precision planter1.排肥系統 2.拖拉機 3.靴式開溝器 4.排種系統 5.地輪系統 6.開溝起壟裝置 7.總機架 8.整形鎮壓裝置

1.2 工作原理

三角鏈半杯勺式馬鈴薯精密播種機傳動系統結構如圖2所示。該機通過后三點懸掛方式與拖拉機聯接。拖拉機牽引機具在已整理好的待播地實施播種作業，前置排肥系統再將肥料撒到田地；地輪隨著拖拉機前行轉動，兩地輪之間的傳動軸將動力傳送給與其配合的內六角桿上三聯鏈輪，三聯鏈輪通過鏈條帶動三角排種鏈主動輪，并帶動取種勺運動，從而完成取種、清種、導種過程，并將種薯排放到靴式開溝器開出的種溝；后置開溝起壟裝置和整形鎮壓裝置完成對種薯的開畦溝、起壟、整形和鎮壓。通過調整三聯鏈輪與三角排種鏈主動輪的傳動比實現株距的調整。

圖2 傳動系統結構圖Fig.2 Structure diagrams of transmission system1.立式軸承 2.地輪 3.三聯鏈輪 4.鏈輪 5.三角排種鏈主動輪

1.3 技術要求

三角鏈半杯勺式馬鈴薯精密播種機適用于單壟單行的馬鈴薯種植模式，種植模式尺寸和播種后馬鈴薯排列方式如圖3所示，整機工作幅寬1 500 mm，壟頂總寬210 mm,壟底寬510 mm。鏵式開溝犁的開溝深度y約120 mm,行距700 mm。土垡與地面方向夾角δ≈57°。綜合考慮整機結構與質量，提高播種效率和穩定性，半杯勺采取雙排交錯布置。農藝表明，單壟單行種植條件，馬鈴薯株距范圍為150～300 mm[17-19]。

圖3 三角鏈半杯勺式馬鈴薯精密播種機種植壟型Fig.3 Planting ridge shape of triangular chain half-cup spoon-shaped potato precision planter1.地面 2.大壟 3.種薯 4.溝 5.種薯排列形式

1.4 主要技術參數

整機主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數Tab.1 Main working parameters

2 排種系統結構與排種過程分析

2.1 排種系統結構與工作原理

三角鏈半杯勺式排種器結構如圖4所示，其排種原理為：地輪轉動傳遞動力到主動鏈輪，主動鏈輪通過鏈條帶動兩個從動鏈輪轉動，在鏈條上設有呈交錯排列的半杯勺和回收板，半杯勺在轉動過程中會穿過柔性板進入到取種區Ⅰ，依次舀取一個或多個種薯；當半杯勺運行至主動鏈輪上方進入到清種區Ⅱ，半杯勺內多余的種薯在重力和排種鏈的振動下，沿著兩旁的回收板落入二次滑道中，最終沿著二次滑道下沿回到種箱；通過清種區后，半杯勺內的單粒種薯下落至導種區Ⅲ，在導種滑道和前一個半杯勺背部的支撐下向下運動，當到達投種點時，種薯失去支撐力，并在重力的作用下完成投種。

圖4 排種器結構與工作原理圖Fig.4 Diagram of seed meter structure and working principle1.連接板 2.第一從動輪 3.排種鏈條支撐架 4.排種鏈 5.導種滑道 6.第二從動輪 7.半杯勺 8.回收板 9.隔種板10.二次滑道 11.主動鏈輪 12.種箱 13.柔性限流板擋板 14.柔性板 15.種薯滑道 16.種薯 Ⅰ.取種區 Ⅱ.清種區 Ⅲ.導種區 Ⅳ.地面

2.2 排種系統工作過程分析

如圖4所示，排種系統按照對種薯的作用過程分為取種區Ⅰ、清種區Ⅱ和導種區Ⅲ3部分，半杯勺依次通過3個區域，從而完成取種、清種和導種過程，最終實現投種。

2.2.1取種過程分析

半杯勺經過種箱，從中舀取種子。半杯勺的取種長度與寬度決定了舀取種薯的數量。半杯勺理想取種狀態是1粒種薯(種薯1)的長度方向與半杯勺中心軸線方向平行，另1粒種薯(種薯2)的厚度方向與半杯勺中心軸線方向平行，如圖5a所示；半杯勺直徑方向只裝入1粒種薯，如圖5b所示。

圖5 半杯勺取種過程示意圖Fig.5 Schematic of half-cup spoon taking seed process

由圖5可知，在理想狀態下半杯勺取種長度A應大于或等于種薯1的厚度C2和種薯2的長度C1之和。半杯勺取種寬度方向上要求只拾取一個種薯，多余種薯能順利滑落，即半杯勺取種寬度不大于種薯寬度。由文獻[20-21]可知，單個種薯質量在30～50 g，長度、寬度、厚度范圍分別在45～55 mm、40～45 mm、35～40 mm，因此半杯勺取種長度A取90～95 mm，取種寬度B取40～45 mm。

2.2.2清種過程分析

半杯勺攜帶一個或多個種薯繞主動鏈輪旋轉，半杯勺由傾斜狀態變為水平狀態，種薯2在半杯勺斗的支撐下始終保持穩定狀態，直至到達攜種區。而種薯2與種薯1接觸面較小，始終處于不穩定的狀態，在重力G和由旋轉方向改變帶來的慣性力F1的作用下，種薯2從半杯勺滑落，進入二次滑道，返回種箱。如圖6所示，同時為保證種薯2能夠穩定置于半杯勺斗內，半杯勺厚度d應小于種薯寬度的一半，半杯勺深度d1略大于種薯厚度的一半。

圖6 半杯勺清種過程示意圖Fig.6 Schematic of half-cup spoon cleaning process

2.2.3導種過程和投種過程分析

半杯勺攜帶1粒種薯繞第二從動輪旋轉，半杯勺由水平狀態轉變為向下傾斜狀態，種薯從半杯勺斗脫離，并滾落至前一個半杯勺背部，如圖7a所示。在重力G和前一個半杯勺的支撐作用下以勻速V1到達投種口，從而完成整個播種過程。如圖7b所示。

圖7 導種過程和投種過程示意圖Fig.7 Schematic of seed delivering process and seeding process

3 關鍵工作部件設計

3.1 排種系統

3.1.1半杯勺

在楊鍇等[22]設計的半杯勺基礎上，依照切塊種薯三軸尺寸和楊鍇的試驗結果，對其進行了優化。縮減半杯勺整體高度，半杯勺斗小端與半杯勺底部相齊，大端低于半杯勺連接圓環2～3 mm。半杯勺的結構與尺寸保證取種時能取到2或3粒種薯；在清種區下部種薯與連接圓環緊密接觸，處于穩定狀態，而上部多余種薯在重力等作用下跌落，實現單粒精播的要求，如圖8所示。在半杯勺的上部粘附一層厚度為0.5 mm的橡膠襯套，以減少半杯勺的棱角對種薯的劃傷。

圖8 半杯勺結構圖Fig.8 Schematics of half-cup spoon structure1.半杯勺 2.橡膠襯套 3.12A側鏈板 4.U型側板 5.半杯勺斗

3.1.2二次滑道

當半杯勺攜種薯至清種區時，如勺內有超過2粒及以上的種薯時，會由于質心力矩不平衡向下滾落，由回收板接住，然后滾落至兩旁的二次滑道中最終回到種箱。為防止種薯無法滑動無法回到種箱而造成的種薯堆積，二次滑道與種箱底板之間的夾角β的余角應大于種薯在該二次滑道所用材料的滑動摩擦角，經測試播種時選用的種薯含水率在75%～85%時，種薯切塊面的靜滑動摩擦角最大為34.2°[23]，因此β取38°。為了防止種薯較多時發生阻塞，下開口尺寸要求大于3粒種薯并排排列尺寸，樣機設計下開口b為100 mm，試驗表明二次滑道的結構和尺寸能夠滿足設計要求。二次滑道板由1.5 mm鋼板折彎成型，將角度γ1、γ2、γ3分別設置成γ1+γ2+γ3=360°，這樣保證鋼板平行便于安裝，其結構如圖9所示。

圖9 二次滑道結構示意圖Fig.9 Schematics of secondary slide

3.1.3柔性板

圖10 種箱總成Fig.10 Seed box assembly1.種薯滑道 2.柔性板 3.種箱 4.半杯勺 5.回收板

種箱中的種薯直接與運動中的半杯勺和種薯滑道發生接觸，半杯勺前一個階段投種完畢后通過種薯滑道進入種箱取種，在取種過程中，種薯在種薯滑道里受到半杯勺的撞擊而導致傷薯率較高。為減少此現象，設計了一種柔性板，安裝在種薯滑道和種箱底部之間，如圖10所示。柔性板選用彈性較好的丁基橡膠板制成。與半杯勺中心對應位置開細長的矩形槽，在半杯勺通過時，柔性板變形并與半杯勺緊密接觸，通過后迅速封閉，防止種薯下落到種薯滑道。為避免傳動鏈條對柔性板的碰撞和摩擦，在柔性板中間位置開設方口。

3.2 排肥系統

考慮拖拉機的負荷平衡分布和縱向操縱穩定性，將排肥系統前置，如圖11所示。排肥系統由一個肥料箱和與其對應的施肥盤總成、驅動裝置總成、調節裝置總成等部件組成。排肥系統用U型螺栓固定在拖拉機前橋上。驅動裝置總成由排種系統上電機和拖拉機內電源組成。調節裝置總成由電機調速器、漏孔面積調節器和撒播寬度調節器組成，依靠調節裝置總成來調節施肥速度和施肥幅度。

圖11 排肥系統Fig.11 Fertilizer system1.肥料箱 2.網柵格 3.調節施肥寬度板 4.施肥盤總成 5.施肥幅度調節器 6.驅動裝置總成 7.機架

3.3 靴式開溝器

針對丘陵山區馬鈴薯的栽培模式，其播種深度(100～150 mm)[16]的控制是非常重要的因素，如圖1所示，馬鈴薯播種機的播種深度主要通過三點懸掛架掛機位置、地輪高度、靴式開溝器入土深度共同控制。其中，靴式開溝器對播種深度一致性至關重要[5]。設計的靴式開溝器由前刀刃、溝側土壤分流板、溝側翼板、立柱和支撐方管組成，如圖12所示。

前刀刃的作用是使開溝器具有較好的入土性能，因此需保證前刀刃對土壤具有滑切作用，即滿足

(1)

式中α1——前刀刃入土角，(°)

φ1——前刀刃與土壤間摩擦角，(°)

圖12 靴式開溝器結構示意圖Fig.12 Schematics of boot opener1.定位孔 2.立柱 3.溝側翼板 4.支撐方管 5.溝側土壤分流板 6.前刀刃

其中φ1為14°～38°，所以取α1為150°。前刀刃的高度h1取210 mm。為保證開溝器的開溝深度，側翼形成“V”形種溝，開溝器寬度b1略大于種薯滑道寬度，取200 mm；為減小工作阻力，使刃口將土壤剪開，使溝側土壤分流板向后滑移,需滿足

β1<π-2φ1

(2)

式中β1——兩溝側土壤分流板的夾角，(°)

因此取β1為76°[24]。

3.4 開溝起壟裝置

根據種薯單壟單行的種植特性[24]，結合傳統鏵式犁的犁體曲面設計方法，設計了一種開溝起壟犁，如圖13所示，開溝起壟裝置主要由卡盒、單翼式開溝起壟犁(左、右)、雙翼式開溝起壟犁、立柱等構成。

圖13 開溝起壟裝置結構示意圖Fig.13 Schematic of ditch covering device1.卡盒 2.后機架 3.單翼式開溝起壟犁(左) 4.雙翼式開溝起壟犁 5.單翼式開溝起壟犁(右) 6.立柱

根據圖3壟行結構，考慮壟上土壤回填等因素，開溝起壟裝置開溝土量應多于壟上土量。開溝犁體曲面的設計方法與傳統耕地所用的鏵式犁體類似，并根據農業技術要求，確定溝壁坡度角δ為40°～60°[25]。其中δ為土垡與地面方向夾角，如圖14所示為理想的溝形截面輪廓。圖中：lcd為溝面寬度，根據起壟要求，取346.5 mm;lab為溝底寬度，mm;hbd為開溝深度，取120 mm;lef為土梗邊線距離，mm；hbf為土梗頂端到溝底距離，mm；h為頂邊線高度，mm;l為曲面寬度，mm;δ為57°。

圖14 開溝起壟犁體的正視圖輪廓Fig.14 Front view contour of trenching plough body

3.5 整形鎮壓裝置

整形鎮壓裝置是對開溝起壟裝置起壟后進行整形及鎮壓，是實現起壟鎮壓的核心部件。播種后對起壟行整形鎮壓可以減少土壤中的大孔隙，使土壤與種子緊密接觸，有利于土壤保墑、提高地溫作用以及使土壤和種子之間的接觸更緊密；加強土壤的毛細管吸水功能，使種子發芽后根系發達、穩固，對種薯生長非常重要，對馬鈴薯的產量提升有很大的作用[26-30]。目前國內針對整形鎮壓的研究較少，主要通過雙圓盤機構進行起壟，沒有對壟行整形鎮壓，因此導致壟型不飽滿、松散的土塊在表面分布較多，導致土塊之間的縫隙偏大，影響種子發芽生長，降低了產量。為保證壟型和壟面緊實平整，設計了整形鎮壓裝置，如圖15所示。

圖15 整形鎮壓裝置結構示意圖Fig.15 Structural diagram of plastic repression device1.方管連接板 2.仿形橫桿 3.仿形限位卡 4.仿形縱向方管 5.整形鎮壓輪

3.5.1整形鎮壓裝置結構與工作原理

整形鎮壓裝置主要是由方管連接板、仿形橫桿、仿形限位卡、仿形縱向方管及整形鎮壓輪等組成。

仿形橫桿安裝在方管連接板的套筒內，可以相對于套筒轉動，同時連接仿形限位卡，控制仿形縱向方管在上下的運動位置，整形鎮壓輪與仿形縱向方管通過軸連接，實現與仿形縱向方管相對轉動。

機具作業時，整形鎮壓輪開始對開溝起壟裝置的起壟行進行整形鎮壓。當遇到高低不平的壟行時，整形鎮壓輪也隨之上下運動，仿形縱向方管上下運動，同時仿形限位卡也發生轉動，仿形橫桿相對套筒轉動，當仿形縱向方管上下運動達到仿形的最大量時，仿形定位卡會限制仿形縱向方管運動。通過使用平行四桿仿形，可以使播種機的重心前移，結構緊湊。

3.5.2整形鎮壓裝置結構參數確定

在穩定的工作條件下，根據壟型的尺寸來設計鎮壓輪的結構尺寸；根據所要求的仿形量來確定平行四桿機構的結構尺寸。馬鈴薯播種機的仿形機構根據地形土壤條件而定，通常情況下，對于起壟后整形鎮壓，上下仿形量各為40～50 mm，從圖16中可知，上下仿形機構總仿形量H為

H=H1+H2=S(sin(σ1+σ)+sin(σ2-σ))

(3)

式中H——總仿形量，mm

H1、H2——上、下仿形量，mm

σ——牽引角，(°)

σ1、σ2——上、下仿形角，(°)

S——仿形橫桿長度，mm

圖16 平行四桿在xy平面上的參數Fig.16 Parallel four-bar parameters on xy plane

由式(3)可知，若所需的仿形量相同，平行四桿的上下拉桿越短時，牽引角σ變化區域越大，反之則相反，為使鎮壓輪穩定工作，需牽引角σ的值變化區域越小越好，但這樣上下拉桿長度會增加，導致機具重心后移，播種機的三點懸掛所受力變大，播種機縱向穩定性不利，為此需確定拉桿長度和仿形角的最優參數。

現有播種機的上下仿形擺動角為6°～22°，根據方管連接板的尺寸選擇XOP為200 mm,當取開始位置時σ1=0°，由于上、下仿形量相等，計算一側的仿形量即可，仿形橫桿的長度S計算式為

(4)

式中，H1取50 mm;σ1取7°～8°。

經計算S為359～410 mm，上下仿形量是由仿形限位卡確定，因此仿形限位卡與仿形方管之間的距離L1為

L1=S-Scos(σ1+σ)

(5)

取S=400 mm,σ1+σ=7.18°,得L1=3.14 mm。

4 田間性能試驗

4.1 試驗條件與材料

2018年6—8月，在農業農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室試驗田內進行了三角鏈半杯勺式馬鈴薯精密播種機的田間作業性能試驗。試驗地長150 m,寬90 m,試驗地土壤為黃棕壤，平均土壤堅實度為2 570 kPa。試驗前先對播種機進行調試，將開溝起壟裝置的開溝深度調節成120 mm。選用30～50 g的“華恩一號”作為試驗種薯并將其加入種箱，種薯的平均含水率為77.8%。

4.2 試驗方法

使用約翰迪爾奔野300型拖拉機為動力，通過后三點懸掛牽引三角鏈半杯勺式馬鈴薯精密播種機，該機標定功率22.1 kW。按照GB/T 25417—2010《馬鈴薯種植機技術條件》、NY/T 1415—2007《馬鈴薯種植機質量評價技術規范》和JB/T 51017—1999《中耕作物精密播種機產品質量分等》對播種機進行性能測試。播種機的前進速度調整到1.9～2.0 km/h，株距調整為230 mm時進行試驗。同一條件下試驗3次。播種試驗以粒距合格指數、重播指數、漏播指數和合格粒距變異系數為評定指標，取3次的平均值；起壟試驗以壟面寬度、壟溝寬度、壟高和壟距為評定指標，取3次的平均值。三角鏈半杯勺式馬鈴薯精密播種機田間試驗如圖17所示。

圖17 田間試驗Fig.17 Photos of field trials

4.3 試驗結果與分析

表2和表3為播種和起壟的田間試驗結果，由表2和表3可知，馬鈴薯播種機的播種和起壟的田間試驗指標均達到了國家標準要求，在試驗過程中發現，整機的各個部件運作平穩可靠，能一次性完成施肥、開溝、播種、開溝起壟、整形鎮壓等作業。

表3 田間起壟試驗結果Tab.3 Test results of ridge in field

5 結論

(1)設計了一種三角鏈半杯勺式馬鈴薯精密播種機，該機主要由排肥系統、靴式開溝器、排種系統、地輪、開溝起壟裝置、機架、整形鎮壓裝置組成，可一次性完成施肥、開溝、播種、開溝起壟、整形鎮壓等作業。

(2)與傳統的鏈勺式馬鈴薯播種機相比，該播種機主要做了如下改進：排種器部分采用1個主動輪、2個從動輪的形式使得整個排種鏈呈“三角形”排布，增加了水平清種區，使多余種薯在清種區依靠自身重力完成清種，降低了漏播指數和重播指數；半杯勺采用管狀結構，結構尺寸加大，增加了取種的可靠性和取種數量，尤其是對形狀不規則的切塊薯效果更好；增加了鎮壓裝置，對土壤實現仿形鎮壓，使得種薯與土壤密實接觸，加快了種薯的生長，有利于馬鈴薯的高產。

(3)田間試驗結果表明，三角鏈半杯式精密馬鈴薯播種機的粒距合格指數為83.26%，重播指數為8.36%，漏播指數為8.38%，合格粒距變異系數為22.31%，壟高、壟底寬、壟面寬和壟距的穩定系數均在97%以上，該機性能穩定、作業效果較好、各項指標均符合馬鈴薯播種的相關要求。試驗在農業農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室試驗田里進行，試驗田的土壤條件和大多數南方丘陵山區相類似，為黃棕壤土質，試驗結果表明該機對黃棕壤的適應性較好。