玉米全膜双垄沟自走直插式精量穴播机设计

戴 飞，杨 正，赵武云，*，张锋伟

(1.甘肃农业大学 工学院，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006)



玉米全膜双垄沟自走直插式精量穴播机设计

戴 飞1，杨 正2，赵武云1，*，张锋伟1

(1.甘肃农业大学 工学院，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006)

为适应中国西北玉米全膜双垄沟播农艺技术要求，解决传统膜上播种机具作业所存在的挑膜、撕膜、穴孔错位等问题，研制了全膜双垄沟自走直插式玉米精量穴播机，为高性能膜上直插播种农机装备的开发奠定理论基础。依据直插播种作业原理，对样机结构组成、传动方案及关键作业部件进行分析；借助Step函数建立运动算例，对影响样机直插播种性能的盘形凸轮轮廓及所对应播种轨迹作分析研究，并进行田间播种试验。完成样机运动放大机构、直插成穴播种装置设计，获得盘形凸轮最大尺寸为182.719 mm，最小曲率半径为53.057 mm及相应Step控制函数；样机播种作业后穴孔错位率达0.43%，地膜采光面机械破损程度为45.5 mm·m-2。自走直插式玉米精量穴播机播种运动轨迹合理，直插成穴装置位于播种段与出土段的水平分速为零，能够实现对全膜双垄沟覆膜种床的自适应低损伤播种，符合膜上播种作业质量评价技术规范要求。

全膜双垄沟；玉米；直插式；穴播机

2013年由甘肃省委、省政府颁布的《“365”现代农业发展行动计划》中明确指出：“甘肃要努力打造国家级旱作农业示范区，在陇东、陇中旱作农业区，把发展粮食生产作为重点，大力推广全膜双垄沟播旱作农业技术，大力提升粮食综合保障能力。”旱地全膜双垄沟播技术是近年来西北旱作农业上发展的一项突破性创新技术，主要针对玉米生产种植提出，要求先起垄铺膜，后在小垄垄沟内完成膜上播种。生产实践表明，全膜双垄沟播技术比普通地膜覆盖栽培单产增幅超过30%，增产效果显著，具有良好的经济效益[1-3]。

2012年甘肃省玉米全膜双垄沟播技术示范推广面积达到7.3×105hm2以上，针对如此庞大的种植面积及其特殊农艺要求，实现机械化膜上精量播种将成为农机装备与全膜双垄沟播农艺技术相融合的重要纽带，是实现全膜双垄沟大田作物生产全程机械化的关键环节之一[4]。相关研究表明，我国西北地区旱地全膜双垄沟播技术相关的播种机具主要依靠传统的滚轮式穴播器和手持式点播枪，普遍存在撕膜、挑膜和穴孔错位的现象，劳动强度高、播种效率低下，严重制约了全膜双垄沟播技术的快速发展[5-6]。为此，结合已有一代样机作业原理设计研制了全膜双垄沟自走直插式玉米精量穴播机，该机采用盘形凸轮—运动放大机构、曲柄—连杆机构，能够实现直插成穴播种装置的投种控制与定点强制开启，整机质量轻便、配套动力小，能够有效缓解播种机具因机型庞大、重量偏高而引发的机具进地伤膜问题，满足玉米全膜双垄沟播农艺技术要求[6-7]。

1 整机结构与工作原理

1.1 结构组成

全膜双垄沟自走直插式玉米精量穴播机主要由发动机、传动系统、机架、行走轮、支撑轮、成穴播种装置、曲柄—连杆机构、盘形凸轮—运动放大机构、水平圆盘排种机构等组成，其具体结构如图1所示[7]。全膜双垄沟自走直插式玉米精量穴播机在田间进行播种作业时，行走轮位于小垄两侧的垄沟内前行，直插成穴装置播种作业亦在小垄两侧垄沟内完成，整机两侧后置支撑轮以小垄中心线位置为基准起到播种支撑、播后镇压双重作用。

1.2 播种作业原理

全膜双垄沟自走直插式玉米精量穴播机作业时，发动机通过链传动将动力传递至行走轮，行走轮分别将动力再传输至凸轮轴，凸轮轴将动力输出至曲柄轴并带动曲柄转动，从而实现了盘形凸轮与曲柄的同步转动；曲柄轴经一对锥齿轮传动将动力传递至排种器所连接的传动轴上，带动排种装置工作，传动路线如图2所示。

1,连杆；2,曲柄；3,水平圆盘排种机构；4,发动机；5,传动系统；6,机架；7,行走轮；8,盘形凸轮；9,运动放大机构；10,直插成穴播种装置；11,支撑轮；12,操作扶手1,Connecting rod; 2,Crank; 3,Horizontal disc type seed metering device; 4,Engine; 5,Drive system; 6,Rack; 7,Road wheel; 8,Disc cam; 9,Motion amplification mechanism; 10,Direct insert planting device; 11,Return roller; 12,Operating armrest图1 全膜双垄沟自走直插式玉米精量穴播机结构图Fig.1 Structure diagram of self-propelled direct insert precision hill-seeder of corn with whole plastic-film mulching on double ridges

图2 作业机传动路线图Fig.2 Transmission roadmap of hill-seeder

当作业机以一定速度V前进时，其曲柄—连杆机构的运动带动成穴播种装置在垂直方向做上下运动，采用盘形凸轮通过滚子摆动从动件与运动放大机构相连接，实现成穴播种装置在水平方向做往复运动。在盘形凸轮—运动放大机构、曲柄—连杆机构的共同作用下使得成穴播种装置相对于覆膜种床能够垂直插入投种与拔出，实现播种时间段成穴装置水平绝对速度为零，如图3所示[6]。

1.3 样机技术参数

为适应玉米全膜双垄沟播农艺技术要求，便于作业机进地且对地膜损伤小，设计的自走直插式穴播机整机质量轻便、配套动力小，其主要技术参数如表1所示。

2 关键部件设计与优化

1,盘形凸轮；2,运动放大机构；3,曲柄；4,连杆；5,成穴播种装置1,Disc cam; 2,Motion amplification mechanism; 3,Crank;4,Connecting rod; 5,Direct insert planting device图3 直插播种作业原理图Fig.3 Schematic diagram of direct insert planting operation

全膜双垄沟自走直插式玉米精量穴播机作业过程中为保证成穴播种装置实现零速投种，其关键在于需要盘形凸轮与运动放大机构在相连接顶杆滚子的接触配合下能够在水平方向驱动成穴播种装置运动，使得该装置在入土、出土时与整机的前进速度大小相等，方向相反，以补偿整机的前进速度。

2.1 凸轮选取与优化

盘形凸轮采用外形封闭凹槽式。由图3可以看出，直插成穴装置的播种运动轨迹与盘形凸轮轮廓轨迹密切相关。盘形凸轮和成穴播种装置的运动规律应满足：凸轮滚子顶杆的位移、速度和加速度应当均匀，以减小凸轮与运动放大机构的刚柔冲击及惯性作用；避免顶杆滚子在与凸轮凹槽接触过程中有拐点和死区等现象产生，进而减少重播、漏播；精准实现机具前进速度补偿，满足成穴播种装置入土、出土时的绝对水平分速度为零。

表1 样机技术参数

Table 1 Technical parameters of the prototype

指标Index规格参数Specificationparameter发动机Engine配套动力Matchedpower/kW发动机转速Enginespeed/(r·min-1)整机重量Machineweight/kg整机尺寸(长×宽×高)Machinesize(L×B×H)/mm地膜规格(厚×宽)Plastic-filmmulchspecifications(L×B)/mm作业株距Rowspacing/mm作业行距Linespacing/mm作业速度Operatingspeed/(m·s-1)排种粒数Seednumber/粒播种深度Depthofseeding/mm生产率Productivity/(hm2·h-1)X165F型柴油机X165FDieselengine2.823000170.81700×545×10900.01×12003304000.52粒(每穴)2ineachhole30～500.18

为满足上述条件，对盘形凸轮结合修正等速运动规律进行优化，凸轮过渡曲线部分可通过Step函数分析实现平滑过渡动作[8]。利用如图4-a—e 对应的Step函数对盘形凸轮驱动的不同运动时间段进行控制，函数变换周期为1.32 s，变换位移为1 000 mm(即由500 mm向-500 mm变化)。

基于Solidworks-motion环境建立运动算例，通过变换Step函数不同过渡时间，分析直插成穴装置相应的播种运动轨迹，进而选取作业效果良好的盘形凸轮轮廓。如图5-a、b所示，1—5号播种运动轨迹与盘形凸轮轮廓分别对应图4中a—e不同过渡时间的Step函数。

由图4、5中Step函数①及其对应的播种运动轨迹、盘形凸轮轮廓可以看出，直插成穴装置的播种轨迹最理想，但盘形凸轮拐点曲率半径很小，甚至有交叉现象，刚柔冲击显著，容易引起滚子顶杆的加速度急剧增大；当Step函数②过渡时间由0 s增加至0.04 s时，成穴装置的播种轨迹合理，但该过渡时间对凸轮轮廓几乎没有影响，拐点曲率半径仍然很小；当Step函数③过渡时间由0 s增加至0.1 s时，成穴装置的播种轨迹亦合理，凸轮拐点曲率半径过渡较平缓，较前两种Step函数作业效果良好；当Step函数④、⑤过渡时间由0 s分别增加至0.2 s、0.33 s时，凸轮拐点曲率半径过渡更加平缓，凸轮与滚子顶杆无冲击，但成穴装置的播种轨迹在入土、出土段弧度过大，易造成覆膜种床的穴孔错位、地膜撕裂与滑移。

a，过渡时间0 s；b，过渡时间0.04 s；c，过渡时间0.1 s；d，过渡时间0.2 s；e，过渡时间0.33 sa，Transient time is 0 s；b，Transient time is 0.04 s；c，Transient time is 0.1 s；d，Transient time is 0.2 s；e，Transient time is 0.33 s图4 不同过渡时间的Step函数图形Fig.4 Step function graph at different transient time

a，播种运动轨迹Seeding kinematic trajectoryb，盘形凸轮轮廓Profile of disc cam图5 不同Step函数下播种运动轨迹与对应凸轮轮廓Fig.5 Seeding kinematic trajectory and corresponding profile of disc cam with different Step function

因此，选取对盘形凸轮驱动的运动时间段控制效果良好的Step函数③，如式(1)所示。

Step(time，0，500，0.28，0)+Step(time，0.28，0，0.38，-1000)+Step(time，0.38，-500，0.94，0)+Step(time，0.94，-500，1.04，1000)+Step(time，1.04，500，1.32，0)

(1)

对盘形凸轮轮廓进行测量，得到满足实际加工要求的盘形凸轮最大尺寸为182.719 mm，最小曲率半径为53.057 mm，设计的盘形凸轮如图6所示。

图6 盘形凸轮示意图Fig.6 Schematic diagram of disc cam

2.2 放大机构设计

为获得成穴播种装置水平速度补偿量但又不增加盘形凸轮尺寸，在自走直插式玉米精量穴播机上设计了运动放大机构。放大机构利用杠杆原理，将连杆按1∶3比例分配，如图7所示。由图分析可知，当推杆运动距离d1时，对应的滑块将移动距离D1，由于短杠杆与长杠杆长度之比为1∶3，所以距离D1=3d1，同样D2=3d2，这样使得与顶杆滚子相接触的盘形凸轮尺寸缩小了3倍，保证了作业机整体的紧凑结构。

2.3 直插成穴装置设计

现有的轮式穴播机大都采用滚压、强排开启成穴器的方式，前者当种床土壤比较松软时，鸭嘴开启失效，易造成漏播与穴孔错位；后者强排机构的连接导杆容易挑膜、压膜。为此，设计一种直插成穴播种装置，如图8所示，在软钢丝绳限长、压板弹簧伸缩共同作用下控制成穴播种装置的开启与关闭[9-10]。

1,凸轮接触滚子；2,推杆；3,短杠杆；4,长杠杆；5,连接杠杆；6,滑块1,Contact roller of cam; 2,Push rod; 3,Short lever; 4,Long lever; 5,Connecting lever; 6,Sliding block图7 放大机构原理图Fig.7 Schematic diagram of motion amplification mechanism

图8 直插成穴播种装置示意图Fig.8 Schematic diagram of direct insert planting device

3 试验设计与分析

3.1 试验地与材料

全膜双垄沟自走直插式玉米精量穴播机田间播种性能试验在甘肃省农业科学院玉米全膜双垄沟种植示范试验地进行。地势平坦，土壤为黄绵土，土壤含水率为14.8%～16.1%，土壤坚实度为1 062.7 kPa。试验地表依照全膜双垄沟播农艺技术要求，经整地起垄后铺膜处理，覆膜厚度为0.01 mm，播种玉米种子为宁单12号。

3.2 试验因素与指标

自走直插式玉米精量穴播机的设计关键在于能够实现对全膜双垄沟覆膜种床的自适应低损伤播种。试验中样机以前进速度为0.5 m·s-1进行作业，按照NY/T 987—2006《铺膜穴播机作业质量》标准测定膜上播种作业后穴位错孔率、地膜采光面机械破损程度的试验数值[11]。

以播种株距330 mm×12株的面积为1个作业小区，用钢卷尺进行人工测量与挑拣相结合的作业方式获取膜孔与孔穴错开1/2膜孔直径及以上的膜孔个数、播种总膜孔数，以3个作业小区的测定平均值为测试结果。穴孔错位率计算式为：

(2)

式中：Y为穴孔错位率，%；ch为作业小区内膜孔与孔穴错开1/2膜孔直径及以上的膜孔个数，个；f为作业小区内测定总膜孔数，个。

测定小区宽为地膜铺膜幅宽(1.2 m)，长度取4 m。按式(3)计算地膜采光面机械破损程度，分别以每6个作业小区的测定平均值为测试结果。

(3)

式中：ε为地膜采光面机械破损程度，mm·m-2；li为小区内第i处地膜机械破损部位的边长或缝长，mm；b0为采光面展平后小区内采光面宽度平均值，mm。

3.3 试验结果

利用(2)～(3)式测定计算，所得的全膜双垄沟自走直插式玉米精量穴播机田间播种性能试验结果如表2所示。由试验结果可以看出，试验指标均符合规范要求。播种过程中，样机在双垄沟小垄两侧垄沟内播种行走稳定，各关键设计机构作业性能可靠，避免了其产生挑膜、撕膜、穴孔错位等覆膜种床损伤问题，满足玉米全膜覆盖双垄沟播的农艺技术要求。

表2 田间播种性能试验结果

Table 2 Performance test results of field seeding

参数Parameter试验值Experimentalvalue技术要求Technicalrequirements穴位错孔率Dislocationofsoilholerate/%地膜采光面机械破损程度Mechanicaldamageofdaylightingplastic/(mm·m-2)0.4345.5≤6≤55

4 结论

(1)为满足我国西北地区玉米全膜双垄沟播农机、农艺相融合要求，设计了一种能够实现对全膜双垄沟覆膜种床自适应低损伤播种的自走直插式玉米精量穴播机。

(2)借助Step函数对盘形凸轮轮廓及其对应播种轨迹进行优化，对作业机运动放大机构、直插成穴播种装置进行设计分析，实现了投种控制与定点强制开启，直插成穴装置位于播种段与出土段的水平分速为零，播种运动轨迹合理。

(3)田间试验表明，全膜双垄沟自走直插式玉米精量穴播机播种作业后穴孔错位率为0.43%，地膜采光面机械破损程度可达45.5 mm·m-2，达到NY/T 987—2006铺膜穴播机作业质量评价技术规范要求。试验过程中发现，当作业机膜上播种时，样机发动机产生的振动对播种效果有一定影响，将在后续设计中考虑选取电动机作为动力源进一步进行试验改进。

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(责任编辑 张 韵)

Design of self-propelled direct insert precision hill-seeder of corn with whole plastic-film mulching on double ridges

DAI Fei1， YANG Zheng2， ZHAO Wu-yun1，*， ZHANG Feng-wei1

(1.SchoolofEngineering，GansuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070，China; 2.GansuPolytechnicCollegeofAnimalHusbandry&Engineering，Wuwei733006，China)

In order to meet the requirements of planting techniques of dry-land corn with whole plastic-film mulching on double ridges in northwest China， to solve the problems about picked film， tore film and dislocation of soil hole caused by the traditional film seeding machine， a self-propelled direct insert precision hill-seeder of corn with whole plastic-film mulching on double ridges has been developed， which provided the theoretical basis for the development of agricultural machinery equipment about high-performance direct insert seeding on plastic-film. According to the direct insert planting operation principle， the prototype structure， transmission scheme and key parts of the hill-seeder were analyzed. With the help of aStepfunction to establish motion studies， the profile of disc cam and the corresponding seeding kinematic trajectory were studied， and the seeding experiment in the field was carried out. The motion amplification mechanism and direct insert planting device have been designed， the maximum size of disc cam was 182.719 mm and the minimum radius of curvature was 53.057 mm， and the correspondingStepfunction was obtained. After the self-propelled direct insert precision hill-seeder worked， the dislocation of soil hole rate was 0.43% and the mechanical damage of daylighting plastic was 45.5 mm·m-2. The sowing motion trajectory of self-propelled direct insert precision hill-seeder was reasonable， the direct insert planting device horizontal velocity component was zero in sowing period and excavating period， which could realize the self-adaption and low damage planting with whole plastic-film mulching on double ridges， to meet the technical requirements specification of planting operation quality on plastic-film.

whole plastic-film mulching on double ridges; corn; direct insert; hill-seeder

http://www.zjnyxb.cn

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.10.02

2015-12-11

国家自然科学基金资助项目(51405086)；甘肃省青年科技基金计划资助项目(1506RJYA020)；甘肃省高等学校科研项目(2015A-079)；甘肃农业大学工学院青年教师科技创新基金资助项目(GXY2013-06)

戴飞(1987—)，男，甘肃榆中人，讲师，从事北方旱区作物生产装备工程研究。E-mail: daifei@gsau.edu.cn

*通信作者，赵武云，E-mail: zhaowy@gsau.edu.cn

S223.2

A

1004-1524(2016)10-1637-07

浙江农业学报ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2016，28(10): 1637-1643

戴飞，杨正，赵武云，等. 玉米全膜双垄沟自走直插式精量穴播机设计[J].浙江农业学报，2016，28(10)： 1637-1643.