棉花鋪膜播種機(jī)設(shè)計(jì)研究

陳新宇 史增錄 焦丙炎 王堆金 饒志強(qiáng) 于永良

摘要：根據(jù)棉花種植的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種2BJ-2/12型鋪膜播種機(jī)。應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks構(gòu)建鋪膜播種機(jī)三維模型，完成鋪膜、播種主要零部件設(shè)計(jì)及其相關(guān)參數(shù)分析，計(jì)算鋪膜機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；棉花；鋪膜播種機(jī)；穴播器

中圖分類號(hào)：S223.2? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2023）06-0059-04

據(jù)2022年棉花產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)顯示，我國棉花年產(chǎn)量達(dá)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(dá)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(diǎn)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(jī)采的品種，播種盤穴數(shù)為12～15穴，同時(shí)配以機(jī)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(jìn)步，現(xiàn)有的棉花播種機(jī)械由拖拉機(jī)牽引來完成播種作業(yè)，工作時(shí)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(tái)播種機(jī)上來完成作業(yè)[2]。為進(jìn)一步提高棉花鋪膜播種機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，減少機(jī)械化播種作業(yè)中存在的鋪膜不展、膜破、膜孔錯(cuò)位等問題，設(shè)計(jì)了一款2BJ-2/12型鋪膜播種機(jī)。該機(jī)可實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)滴灌、鋪膜、播種的聯(lián)合作業(yè)，同時(shí)利用四桿機(jī)構(gòu)的仿形功能來實(shí)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(shí)，也可實(shí)現(xiàn)棉花生產(chǎn)的提質(zhì)增效。

1 鋪膜播種機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該鋪膜播種機(jī)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(cuò)組成，可同時(shí)播種12穴，從而達(dá)到寬幅播種要求。

1.2 工作原理

在進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)，鎮(zhèn)壓滾筒首先將土壤壓實(shí)，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(shí)壓膜輪將地膜壓入膜溝中，一級(jí)覆土圓片隨之將膜溝兩邊的土壤覆在地膜上并壓實(shí)。將棉花種子放入種箱中，在作業(yè)時(shí)再進(jìn)入穴播器，種子在自重和離心力的作用下會(huì)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(huì)在地膜上打出一個(gè)個(gè)孔穴，隨之鴨嘴也打開將種子投入到孔穴中，同時(shí)二級(jí)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(jìn)行鎮(zhèn)壓動(dòng)作。至此，完成整個(gè)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(jī)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(jì)

2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)架是整個(gè)鋪膜播種機(jī)的關(guān)鍵部件，主要由懸掛架、主梁、四桿機(jī)構(gòu)拉桿、邊梁組成，其功能是連接拖拉機(jī)、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(jī)架所承受的負(fù)載最大，需保證有足夠的強(qiáng)度和剛度[3]。

懸掛部分是連接于拖拉機(jī)的基礎(chǔ)連接件，連接方法采用三點(diǎn)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(jī)動(dòng)性，無論是運(yùn)輸還是作業(yè)，該機(jī)具都不需要額外的機(jī)構(gòu)來進(jìn)行牽引或升降。

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

經(jīng)查閱相關(guān)手冊和進(jìn)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(qiáng)度。

2.2 鋪膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在作業(yè)時(shí)，地膜分為左右兩組進(jìn)行鋪放，均采用牽拉放膜的放膜方式。鋪膜機(jī)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(dòng)產(chǎn)生的縱向拉力，再受到壓膜輪壓緊地膜時(shí)產(chǎn)生的橫向拉力，兩個(gè)方向的合力使地膜貼緊地面時(shí)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(jì)采用曲面圓片的設(shè)計(jì)，偏斜圓片放置，可使圓片的刃口方向與機(jī)具的前進(jìn)方向相錯(cuò)并形成一個(gè)夾角，角度一般選取30°～40°，這時(shí)圓片曲線則為開溝曲線。隨著機(jī)具不斷前進(jìn)，圓片也就開出了一條窄窄的膜溝。

在鋪膜的同時(shí)，壓膜輪也需要將地膜壓入膜溝中。因?yàn)閴耗ぽ喌闹睆綄耗べ|(zhì)量影響極大，所以需要對其直徑進(jìn)行精量計(jì)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(jì)算D3 = 182 mm。

2.3 穴播器的設(shè)計(jì)

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(jī)具的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)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(jìn)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(dòng)作，至此完成整個(gè)播種過程。

穴播器半徑計(jì)算是設(shè)計(jì)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(gè)；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(jì)算得R=212.42 mm，即直徑為424.84 mm。對排種器和其他機(jī)構(gòu)的安裝位置進(jìn)行綜合考慮后，選取穴播輪寬度為82 mm。

2.4 覆土機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

覆土機(jī)構(gòu)與機(jī)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(jī)具的前行，覆土圓片會(huì)取出部分土壤，然后送入覆土滾筒內(nèi)，這時(shí)覆土滾筒做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(dá)漏土口時(shí)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(shí)，會(huì)持續(xù)向中間排雜口輸送，并由其負(fù)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(shí)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(shí)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(jì)算和工作過程分析

3.1 鋪膜機(jī)構(gòu)工作參數(shù)計(jì)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(jī)的作業(yè)速度為2.5～4 km/h，即0.69～1.11 km/s。同時(shí)薄膜在被拉出時(shí)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(shí)的速度，m/s；D1為膜卷棍外徑，mm，取250 mm；經(jīng)計(jì)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(shí)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，種子自輸種管進(jìn)入穴播輪內(nèi)腔，并隨著穴播器旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行流動(dòng)，且呈半月環(huán)流群，隨后種子依次進(jìn)入鴨嘴內(nèi)進(jìn)行播種。穴播輪內(nèi)腔分為充種、清種、點(diǎn)種、投種4個(gè)部分，如圖8所示。

充種區(qū)時(shí)種子處于流動(dòng)狀態(tài)，在此過程中會(huì)有種子進(jìn)入夾種片的夾種口，完成夾種；清種區(qū)時(shí)，在夾種片處的多余種子將會(huì)由于重力作用而落下，完成清種；點(diǎn)種區(qū)時(shí)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(huì)落入閉合的鴨嘴中；投種區(qū)時(shí)鴨嘴由于旋轉(zhuǎn)將會(huì)打開，種子自打開的鴨嘴進(jìn)入種穴中，完成投種。在此過程中，穴播輪的振動(dòng)會(huì)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(jì)的一款2BJ-2/12型鋪膜播種機(jī)，采用了平行四桿仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及并排交錯(cuò)放置機(jī)具的方法，可實(shí)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(jī)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。

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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(xiàng)目：新疆農(nóng)機(jī)研發(fā)制造推廣應(yīng)用一體化項(xiàng)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。