1、铺膜铺管马铃薯播种机的设计与试验 赵晓雪 黄勇 陈绍杰 李景彬 石河子大学机械电气工程学院 石河子开发区锐益达机械装备有限公司 摘 要： 针对新疆干旱地区马铃薯种植需求, 设计了带有铺膜铺管装置的马铃薯播种机, 分析了播种机工作原理, 确定了关键部件结构参数。为研究其种植精度, 以重种指数、漏种指数、播种深度合格率及粒距变异系数为评价指标, 在新疆和硕展开田间播种试验。试验结果表明:该机具重种指数 4.1%, 漏种指数 2.0%, 粒距合格率 9 3.9%, 粒距变异系数 1 8.3%, 播种深度合格率 8 5.0%;在机具作业速度为 1.2 m/s 时, 生产率为 0.5 6 hm2/h。该
2、播种机具性能优良, 生产效率较高, 可满足新疆干旱地区马铃薯种植要求。关键词： 马铃薯; 干旱地区; 铺膜铺管; 播种精度; 生产率; 作者简介：赵晓雪 (1992-) , 女, 山东泰安人, 硕士研究生, (E-mail) 。作者简介：李景彬 (1980-) , 男, 河南淮阳人, 副教授, 硕士生导师, (E-mail) 。收稿日期：2016-11-11基金：新疆生产建设兵团中青年科技创新领军人才项目 (2016BC001) Study and Test of Potato Planter with Filming and Piping DeviceZhao Xiaoxue Huang Y
3、ong Chen Shaojie Li Jingbin College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University; Shihezi Development Zone Ruiyida Machinery and Equipment Co., LTD; Abstract： To meet the arid areas potato growing demand in Xin jiang, this article is designed a potato planter with filming and piping
4、device.This paper described the operation principle of the potato planter, and determine the basic form and structure parameters of the key parts.In order to study its working performance, thinking the value of the index of leakage, the qualified rate of sowing depth and the variation coefficient of
5、 grain distance, penman does insemination experiment on field in Heshuo, Xinjiang.Experiments shows that the spacing coefficient of wide ridge potato planter is17%, leakage sowing rate is 1%, repeat rate is 5%, qualified rate of row depth is 85%.The productivity of planter is 0.56hm2/h when the plan
6、ter speed is 1.2m/s.The planter with excellent performance, high production efficiency and meet the requirements of Xinjiang Agricultural Water Saving Irrigation.Keyword： potato; wide ridge; irrigation agricultural; sowing precision; productivity; Received： 2016-11-110 引言马铃薯作为第四大粮食作物, 营养丰富、产量高、适应性广。
7、2015 年, 农业部提出马铃薯主粮化战略, 把马铃薯种植提升到新的高度, 其种植面积呈逐年递增趋势1-2, 截止 2013 年, 我国马铃薯种植面积已达到 577 万 hm, 总产量达8 899 万 t, 单产 15.4t/hm。但单产能力低于世界平均水平 18.5%3, 其根本原因在于马铃薯种植工序繁杂, 种植方式以人工、畜力种植为主, 成本高、劳动强度大、工作效率低、粒距及播种精度无法保证, 而马铃薯机械化种植是解决我国马铃薯产业发展瓶颈的有效方法。新疆位于我国西北边陲, 年降水量只有 150mm, 年蒸发量 1 5003 000mm, 干旱指数达 1015, 是我国典型的灌溉农业区4-
8、5, 采用滴灌并合理布置滴灌带位置能显著提高农业用水利用率、确保农业用水可持续发展6-7。国外对马铃薯播种机的研究比较成熟, 美国洛甘农机开发出新型开沟器, 能减小种薯在种沟中滚动, 降低粒距变异系数。德国格力莫开发了 4 行、6 行两种机型, 可一次完成多种作业8。H.Buitenwer9等人研究发现, 勺式马铃薯播种装置皮带运行线速度越高, 种薯粒距均匀性越好, 同时减小从动皮带轮的尺寸可提高播种机播种性能。我国马铃薯播种机的研究处于起步阶段, 播种装置主要形式有针扎式、薯夹式、板阀式及勺式等10。李小昱11发明了板阀式马铃薯播种装置, 具有结构简单、成本低、工作平稳等优点, 但只能播种整
9、薯, 对种薯形状要求较高。高明全12等人研制的 2CM-2 型马铃薯播种机, 能一次性完成开沟、排种、镇压及覆土等多种作业。我国现有马铃薯播种机种类繁多, 但种植性能与国外机型存在一定差距, 且无法满足灌溉农业区马铃薯种植需求。铺膜铺管起垄种植方式能促进马铃薯在干旱环境中的生长13, 本文设计了一种铺膜铺管马铃薯播种机, 以使其提高播种机种植性能, 满足干旱地区马铃薯种植需求。1 整体结构及工作原理播种机由施肥装置、开沟装置、播种装置、起垄装置、铺膜铺管装置及覆土等装置组成, 整机结构如图 1 所示。工作时, 拖拉机带动播种机前进, 地轮通过轴与链传动系统将拖拉机输出动力传递给排肥装置及播种装
10、置;排肥器将肥料播撒于地表, 开沟器位于排肥口正后方, 将土壤与肥料混合并开出 2 条种沟;播种装置为带-勺式排种器, 种勺随播种带转入种箱底部, 将种薯舀入种勺, 种薯随种勺越过上驱动带轮最高点处时, 向前滚动由前一种勺背面托住, 待种勺转至最底端时, 种薯由自身重力落入种沟;排种过程完成后, 起垄犁将种薯覆盖并起垄;铺管装置铺设滴灌带, 铺膜装置铺设地膜, 覆土圆盘将地膜两侧覆盖。其种植效果如图 2 所示。整机结构参数如下:配套动力/k W:70外观尺寸 (长宽高) /mm:2 5001 2301500整机质量/kg:850作业行数:4适应粒距/mm:170250种箱容积/L:470肥箱容
11、积/L:190地轮宽度/mm:157起垄宽度/mm:1 100地轮直径/mm:600图 1 马铃薯播种机结构图 Fig.1 Structure diagram of potato planter 下载原图1.清种装置 2.排肥装置 3.牵引装置 4.机架 5.开沟器 6.地轮 7.起垄犁 8.平土仿形板 9.铺膜装置 10 压膜轮 11.覆土圆盘 12.铺管装置 13.种箱 14.种勺 15.播种带 16.种薯隔离件图 2 种植效果示意图 Fig.2 Sketch map of planting effect 下载原图2 关键零部件设计2.1 播种装置衡量马铃薯播种机工作性能的关键在于播种装置
12、, 该播种机播种装置采用带-勺式排种器, 由播种带、种勺、上驱动带轮、下从动带轮、清种装置、种带通道及种箱等零件组成。播种带具有良好的缓冲吸震作用, 确保播种粒距均匀性;根据以往经验取种速度越高, 种薯均匀性越好, 同时播种带线速度不得超过0.55m/s14-15, 因此将取种勺设计为交叉两行分布, 同列相邻两种勺间距为110mm, 在播种带线速度相同的情况下, 取种速度为单行种勺的 2 倍;为防止播种带沿上从动带轮轴线方向跑偏, 上从动带轮采用弧面设计;种带通道中设有种薯隔离部件, 防止种薯在下落过程中错位;马铃薯播种装置由两条种带通道组成, 一次播种可起两垄, 每垄交错分布两行种薯。2.1
13、.1 种带通道种薯在播种带上输送过程如图 3 所示。种薯在升运过程中要翻越上驱动带轮, 若 FN+FS67mm。由于投种均匀性与种薯释放角有关, 切块种薯形状差异较大, 且种薯于种勺中的放置位置也不尽相同。为了得到较为统一的种薯释放角, 减小下从动带轮直径、增大播种带线速度可提高排种均匀性。综合考虑播种装置整体尺寸及下从动带轮包角, 该播种机上驱动带轮直径取 160mm, 下从动带轮直径取 120mm。种薯随播种带转至种带通道底部, 受自身重力落入种沟, 投种状态分析如图 3所示。种薯受播种机前进速度的影响, 产生水平分速度 V 机 , 不利于排种均匀性16-17, 将种带通道向播种机前进方向
14、倾斜 10, 产生与机具前进方向相反的水平分速度 Vx可抵消部分水平速度18。种薯运行速度为图 3 种薯输送过程示意图 Fig.3 Sketch map of seed potatotransport 下载原图2.1.2 种箱种箱的尺寸为长 1 200mm宽 750mm高 700mm、切块种薯流动性较差, 种箱根据马铃薯休止角 (2434) , 种箱两侧壁与水平面夹角设计为 70, 后壁与水平面夹角设计为 50。为防止种勺与种薯接触过多造成机械损伤, 种箱设有隔料板将种薯分为充种区与隔种区, 隔种板高度太高, 种薯与种勺接触时间过短, 易造成漏种;隔料板高度过低种薯与种勺接触时间过长, 易造成
15、种薯机械损伤, 因此隔料板高度为 500mm。2.1.3 清种装置为降低播种机重种指数、节约种薯成本, 播种机设有清种装置。种勺中多于 1粒种薯时, 在清种装置作用下将多余种薯清除出种勺, 重新落回至种箱。该清种装置采用机械式振源, 播种带装有种勺的一面为光滑面;另一面分布有两条连续矩形凸起, 配合清种滚轮产生连续振动, 打破种薯、播种带、种勺间力系平衡, 达到清种目的。振幅设计为可调式, 由手柄调节, 清种装置振幅越大, 重种指数越小, 漏种指数越大;振幅越小, 重播指数越大, 漏种指数越小。充种过程完成后, 种薯随种勺继续提升, 若出现多于 1 粒种薯的情况, 现以 2粒种薯做受力分析如图
16、 4 所示。种薯对播种带的正压力 N0 时, 种薯对播种带产生跳动19-20。有式中 g重力加速度;振动角频率;清种滚轮沿振动方向的振幅;绝对位移与播种带夹角; d种薯开始振动的最小相位角;播种带与铅垂方向夹角;种薯与种薯间摩擦力;bd物料跳动指数。图 4 清种装置示意图 Fig.4Sketch map of cleaning device 下载原图1.清种轨道 2.调节手柄 3.清种滚轮 4.梯形凸起当跳动指数 bd或抛掷指数 D 等于 1 时, 出现跳动临界条件。当 bd=1 时, 得出种薯跳动的临界振次 n 跳 和临界振幅 跳 , 即根据种带通道宽度 R 取 130mm, =40, 种带
17、凸起最高处定为 15mm, 清种振幅调节手柄位于最低端时振幅最小, 此时 =40, 参数代入上得 n 临 =5.4, 代入上式得 临 =13.5, 符合种薯跳动临界振幅要求;矩形凸起宽度取 20mm, 相邻两矩形凸起间宽度取 30mm, 清种滚轮直径取 20mm, 种带线速度不得超过0.55m/s, 当播种带线速度取 0.3m/s 时, n=6 次, nn 临 。2.2 传动比的确定根据马铃薯种植粒距调研结果, 首先选取标准粒距为 250mm, 传动系统由三轴构成, 地轮轴、中间轴、上驱动带轮轴。地轮采用 5.0-12 人字形花纹轮胎, 充气外径为 590mm, 最大工作外径为 607mm, 根据设计要求, 中间轴与地轮轴转速基本一致, 整体传动比要求降速, 地轮轴与中间轴的上链轮齿数 Z1 取 24、Z2取 22, 传动比为 1112。中间轴到上驱动带轮轴传动比的确定, 即其中, n 为地轮转动 1 周播下马铃薯粒数;D 为轮胎外径, 则地轮转动 1 周播下7 粒种薯。式中 l同列种勺间距的 1/2 (mm) ;d上驱动带轮直径 (mm) ;
