花生穴播器强制开启机构的设计与试验

顾玲丽，张维强*，刘敏基



花生穴播器强制开启机构的设计与试验

顾玲丽1，张维强1*，刘敏基2

(1.南京农业大学工学院/江苏省智能化农业装备重点实验室，江苏 南京 210031；2.农业部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014)

为解决2BHM–2型花生覆膜打穴播种机穴播器鸭嘴不能及时或充分打开、压板引起地膜破损的问题，设计了一种鸭嘴强制开启机构。强制开启机构由活动鸭嘴、固定鸭嘴、拨杆、限位块组成。工作时，活动鸭嘴在拨杆和限位块的带动下能实现与固定鸭嘴的开启与闭合，从而完成定点播种。根据农艺要求，在分析穴播轮滚动状态基础上，确定了开启机构的结构参数：鸭嘴宽30 mm，高50 mm，拨杆长臂89.7 mm，短臂37.6 mm，限位块距离轮盘圆心119.4 mm。样机模型与原有压板式开启机构进行的田间对比试验的结果表明，压板式开启机构受土壤条件限制，穴粒数合格率最低值仅为85%，而强制开启机构的均达到90%以上，比压板式的提高了5.8%；压板式开启机构对地膜破损较严重，而强制开启机构对地膜几乎无破损。

花生穴播器；鸭嘴；强制开启机构；对比试验

花生穴播器是花生膜上播种[1–3]的关键部件之一，包括排种器与成穴器2个部分[4]。鸭嘴滚轮式穴播器[5]的应用比较广泛，但其鸭嘴的打开需依靠地面对压板的反作用力，受土壤因素的影响较大。当土壤反作用力较小时，与鸭嘴相连的压板所受地面反作用力不足，不能使鸭嘴完全打开，活动鸭嘴打开的可靠性降低[6]。另外，由于长时间在田间工作，与压板相连接的弹簧容易粘上土壤，从而阻碍压板的完全打开，另外鸭嘴的压板比较短，当前进速度较快时，鸭嘴打开时间短，种子也可能来不及排出，这些都可能使种子堵在鸭嘴口，影响播种的穴粒数合格率与投种精度。鸭嘴打开是通过压板受力，其反作用于地膜，还可能引起地膜撕裂，使覆膜效果降低[7]。笔者针对2BHM–2型花生覆膜打穴播种机对土壤的适应性较差，以及因压板带来的穴粒数合格率低，地膜破损程度较高等问题，设计了一种鸭嘴强制开启机构。该开启机构替代了原有压板式机构，能迫使鸭嘴在特定位置打开，完成穴播。通过分析穴播轮的滚动过程，确定开启机构的相关参数。样机与原有机型进行的田间对比试验表明，样机穴粒数合格率达到了90%以上，比原有压板式的合格率提高了5.8%，原有压板式开启机构的地膜破损程度较高，而强制开启机构对地膜几乎无破损。现将结果报道如下。

1　花生穴播器强制开启机构的结构与工作原理

1.1　结构

强制开启机构主要由活动鸭嘴、固定鸭嘴、拨杆和限位块组成。鸭嘴安装在原有机构鸭嘴位置，拨杆与鸭嘴相连，在复位弹簧的作用下指向轮心，限位块安装在距离轮心119.4 mm的圆周上，固定在机架上，相对轮轴静止。鸭嘴固定在穴播轮上，且其活动鸭嘴与固定鸭嘴铰接，安装关系如图1所示。

图1　强制开启机构与穴播轮的安装关系

活动鸭嘴与拨杆焊接为一体，在复位弹簧7和限位块6的共同作用下，拨杆能形成被动式的打开与复位的作业效果，迫使鸭嘴也打开相应角度。

1.2　工作原理

在非工作状态下，拨杆由复位弹簧与固定鸭嘴共同限制，指向轮心。工作时穴播器主要依靠其自身重力使鸭嘴插入土壤，通过鸭嘴的开闭来实现播种。在作业过程中，当鸭嘴转至穴播轮下方插入土壤时，与活动鸭嘴相连的拨杆会与限位块相切，而拨杆在随穴播轮转动过程中又会受到限位块逆向阻力的作用，被动地绕其与活动鸭嘴铰接点转动一定角度，与之相焊接的活动鸭嘴即打开相应的角度，此时花生种子经排种后已到达鸭嘴口，待鸭嘴打开即刻落下，完成穴播；鸭嘴出土时，拨杆与限位块分离，在复位弹簧作用下自动恢复到闭合状态，进入下一次的循环播种。

2　强制开启机构相关参数的确定

2.1　鸭嘴的分布及结构设计

根据2BHM–2型花生覆膜打穴播种机穴播轮的相关参数，在已有的穴播轮半径195 mm、宽度130 mm的基础上[8]，结合花生种植农艺要求，花生的最适宜播深范围为30~50 mm[9]，穴距为150~220 mm，综合考虑，取播深为50 mm。考虑到所要安装排种盘的有效直径，实际作业中受穴播轮质量和地膜摩擦系数的影响，会存在一定滑移，实际穴距增大，鸭嘴在随穴播轮滚动进入土壤时，穴播轮的滚动半径也在变化。

式中：为成穴器数量(个)；为花生播种穴距(mm)；为播种深度(mm)。

计算得知，原有鸭嘴个数为10，均匀分布于轮盘上，符合设计要求，因此可以将设计后的鸭嘴直接安装在原有穴播器轮盘鸭嘴口上。鸭嘴有活动鸭嘴与固定鸭嘴两瓣。固定鸭嘴安装在穴播轮上，在工作过程中，固定鸭嘴压力角会影响其入土性能以及成穴的大小，同时在出土时可能还会影响动土量，甚至引起挑膜等，因此，对固定鸭嘴压力角的选取需慎重。一般取固定鸭嘴压力角为15°~25°。由于强制开启机构是后开式，为了使穴播口尽量小，活动鸭嘴根部应尽量与固定鸭嘴根部相接近。由于鸭嘴宽度对穴播的影响较小，取其值为30 mm。鸭嘴的高度由播深决定，取值50 mm。

鸭嘴开度的大小直接影响到种子能否从鸭嘴口顺利排出，为了不影响落种，可以使鸭嘴开度满足=1.2~1.5max，(max指种子的最大几何尺寸)[10]。max的选择可以根据市面上不同品种的花生尺寸选取，的取值可以确定为23.4~29.25 mm。

鸭嘴开度确定之后，由几何关系可以确定活动鸭嘴转角。

根据压力角及鸭嘴高度可以确定活动鸭嘴长度的取值为52~55 mm，由此确定活动鸭嘴转角为24.56°~32.67°。

2.2　拨杆及限位块的相关参数的确定

限位块和拨杆结构参数的确定是鸭嘴强制开启机构设计的关键。拨杆和限位块位置的确定与鸭嘴开启时间有关，鸭嘴开启时间的长短又决定了拨杆的形状与尺寸。开启机构要保证鸭嘴能在特定位置实现打开与闭合。

为了保证花生播种的穴粒数合格率，在滚轮式穴播器中，鸭嘴应完全进入土壤时打开，在出土时才开始闭合，避免造成夹土，影响落种[11–12]。由于鸭嘴与拨杆焊接，活动鸭嘴所转过的角度即为拨杆所转角度，穴播轮滚动过程如图2所示。

图2　穴播轮的滚动过程

鸭嘴在开启过程中的转角的取值与轮盘半径以及鸭嘴高度有关。为了满足鸭嘴在出土前处于打开、出土后闭合的要求，需=(+)×(1–cos)。

在△22中，

2π––(2)

根据公式(1)~(3)，计算拨杆段长及限位块相对圆心位置的值，=89.7 mm，即拨杆长臂长89.7 mm；=119.4 mm，即限位块到轮心距离为119.4 mm。

在△O KF中，

222–22cos1(4)

2π–2–1(6)

计算可知，=37.6 mm，即拨杆短臂长37.6 mm。由公式(5)、(6)可得、之间夹角=142.8°，即拨杆长臂与短臂之间的夹角为142.8°。

3　田间试验

将强制开启机构与原有的压板开启式机构分别安装于同种穴播轮上，并分别悬挂于机架后方两侧，左轮为压板式，右轮为强制开启式，做单膜双行的对比试验，测定播种的穴粒数合格率和地膜破损程度[13]。试验土壤分别为黏土、壤土和砂土。鉴于穴播轮前行速度可能会对播种的穴粒数合格率和地膜破损程度产生影响，为了确保试验的准确性，设定穴播轮前行速度分别为0.6、0.8、1 m/s。

强制机构和压板式机构在不同土壤及不同速度下的播种穴粒数合格率列于表1。

表1　2种机构的穴粒数合格率

压板式穴播器在壤土中的穴粒数合格率最高，达到88%以上，其次是黏土，在砂土中的效果最差；强制机构的穴粒数合格率达到90%以上，说明压板开启式穴播器较适宜在壤土中作业，不适宜在砂土中作业，而强制开启机构几乎不受土壤类型的制约，对土壤的适应性更强。

田间观察表明，压板开启式机构引起的地膜破损在3种土壤中达到33 mm/m2以上，而强制开启机构基本没有出现地膜破损情况。

4　结论

针对压板式穴播器鸭嘴打开不充分、不及时，从而影响落种问题，设计出一种鸭嘴强制开启机构，设计的拨杆长臂为89.7 mm，拨杆短臂为37.6 mm，长臂与短臂夹角为142.8°，限位块与圆心距离为119.4 mm，限位块安装时要保证与圆心的连线垂直地面。强制机构能够使播种不受土壤质地的影响，在壤土、黏土和砂土中都能满足作业要求；该机构还能强制鸭嘴在进入土壤50 mm处及时打开，完成播种。

强制开启机构与压板式穴播器在不同类型土壤中的对比试验结果表明，压板式开启机构受土壤条件限制较为明显，在壤土中穴粒数合格率最低值仅为88%，强制开启机构穴粒数合格率均达到90%以上，不受土壤类型的限制，合格率提高了5.8%；压板式开启机构的地膜破损程度较高，而强制开启机构对地膜几乎无破损。

[1] 吕小莲，刘敏基，王海鸥，等．花生膜上播种技术及其设备研发进展[J]．中国农机化，2012(1)：89–92．

[2] 张红锋，王伟，魏素珍．地膜覆盖对西藏林芝土壤性质及玉米产量的影响[J]．西北农林科技大学学报(自然科学版)，2015，43(10)：1–6．

[3] 吕小莲．国内花生铺膜播种机具的发展现状分析[J]．安徽农业科学，2012，40(3)：1747–1749．

[4] 刁培松，杜瑞成．集成式舵轮槽轮穴播器的研制[J]．农机化研究，2009(10)：82–84．

[5] 刘华伟，杜瑞成．舵轮勺式组合穴播器的研究设计[J]．农业装备与车辆工程，2010(11)：16–18．

[6] 董军．穴播器开启机构的设计[J]．黑龙江生态工程职业学院学报，2012，25(5)：19．

[7] 顾峰玮，胡志超，王海鸥，等．鸭嘴滚轮式花生播种器设计与运动轨迹分析[J]．中国农机化，2010(4)：60–63．

[8] 王玉晶．穴播式草原藏药免耕播种机的研制[D]．兰州：甘肃农业大学，2008．

[9] 马孝生．播深和土壤湿度对地膜花生发芽出苗的影响[J]．花生学报，1986(2)：27–28．

[10] 张学军，杨莹．滚筒式穴播器的设计原理[J]．塔里木大学学报，1997，9(1)：30–33．

[11] 于红鹏，杜瑞成，吴修远．舵轮式杠杆开启穴播器的设计分析及孔穴形状仿真模拟[J]．农业科技与装备，2009(4)：61–63．

[12] 徐波，汤楚宙，官春云，等．2BYF–6型油菜免耕直播联合播种机的改进及试验[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2008，34(1)：109–111．

[13] JB/T7732—2006铺膜播种机[S]．

责任编辑：罗慧敏

英文编辑：吴志立

The design and experiment of the forced opening mechanism on the peanut dibbler

GU Lingli1，ZHANG Weiqiang1*，LIU Minji2

(1.College of Engineering, Nanjing Agricultural University/ Jiangsu Provincial Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment, Nanjing 210031, China; 2.Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

A forced opening mechanism on the peanut dibbler had been designed to solve the problems that the duckbills in the model of 2BHM–2 peanut planter couldn’t open timely or the membrane damage caused by pressure plate. The forced opening mechanism was consisted of moving duckbill, fixed duckbill, stir bar, and limit block. When working, the active duckbill could be opened and closed with fixed duck’s mouth under the drive of the pole and the limit block, to complete the spaced sowing. The structure parameters of the opening mechanism were determined by the analysis of the rolling state diagram of dibbler and the agronomic requirements. The width and the height of duckbill were 30 mm and 50 mm. The length of stir bar was 89.7 mm, and the short arm was 37.6 mm. The limit block was 119.4 mm from the center of the wheel disk. A field experiment was conducted for comparison between the model and the original opening clamp mechanism. It was obvious that the original pressure plate type was restricted by soil conditions, and the lowest pass rate was 85%, whereas it can reach above 90% for the forced opening mechanism with an increase of 5.8%. The damage degree of the film for the original pressure plate type was higher, but was basically zero for the forced opening mechanism.

peanut dibbler; duckbill; forced opening mechanism; contrast test

S223.2+3

A

1007-1032(2017)06-0676-04

2017–02–17

2017–09–15

国家现代农业花生产业技术体系建设专项(CARS–14–08B)

顾玲丽(1990—)，女，江苏南通人，硕士研究生，主要从事现代机械设计及理论研究，15150563181@163.com；

通信作者，张维强，教授，主要从事机械设计及理论和机械故障检测研究，njzwq2001@njau.edu.cn

投稿网址：http://xb.hunau.edu.cn