基于机采棉播种关键技术的分析

李 伟，郝延杰，廖培旺，张爱民，孙冬霞

棉花是中国重要的战略物资［1］，黄河三角洲地区盐碱地资源丰富，宜棉区域广阔，是中国主要产棉区之一。近几年种棉效益逐年降低，打击了农民种植棉花的自信心，实现棉花生产全程机械化，减轻劳动强度，增加植棉效益，对保障棉花稳定供给具有重要意义。

播种工序是棉花生产全程机械化关键环节，国内科研工作者对播种机有了一定的研究。李革等［2］对覆土滚筒的导土板螺旋角、螺旋头数等主要参数进行了优化分析和试验，提出合理取值范围，为覆土滚筒的设计和进一步改进提供了理论依据。陈学庚等［3］研制出2BMSJ－12型棉花双膜覆盖精量播种机，较常规穴播出苗早2～3 d，出苗率94%，穴粒数合格率85%，适应新疆棉花密植种植农艺要求。王方艳［4］对一种棉花覆膜播种机的主要部件进行了设计，确定了主要结构。黄春辉等［5］阐述了一种多功能棉花覆膜播种机覆土滚筒的结构和工作原理以及在不同棉花种植模式中的应用。刘媛杰等［6］对棉花覆膜播种机振动与激励源进行了分析，分析了作业速度9.8～10.5 km／h 和 7.5～8.0 km／h 时的振动激励。 针对黄河三角洲区域的棉花播种实际情况，山东省滨州市农业机械化科学研究所设计了2BMMD－4型苗带清整型夏棉精量免耕播种机、2BMC－4／8型棉花双行错位苗带精量穴播机、2BMJ－3A型基于机采棉的智能精量播种机、2BMJ－2／4A型棉花覆膜精量播种机、2BMZ－3／6A 型折叠式覆膜精量播种机、2BMZ－3／6A 型折叠式智能棉花精量播种机［7］，本研究将对该系列播种机关键技术进行阐述。

1　关键技术

1.1　一器双行错位排种技术

为实现高密度夏棉空间布置最优化、单株棉花生长空间最大化，最终实现增产目的，设计了一器双行错位排种器［8］。一器双行错位排种器是在鸭嘴式排种器基础上改进而成，由两个鸭嘴式排种器并列组成，排种口交错开启，即第一个排种器排种口为开启－关闭－开启－关闭，第二个排种器排种口为关闭－开启－关闭－开启，如图1（a）所示。鸭嘴式排种器主要由鸭嘴式排种口及内部充种机构组成，其工作原理是弹簧保持伸长状态，鸭嘴关闭，内部圆盘转动，充种机构工作，种子进入排种位置；排种器转动到某一位置时，弹簧被压缩，种子经过开启的鸭嘴落入种床，鸭嘴又在弹簧弹力作用下实现关闭，完成排种过程。一器双行错位排种器实现了66 cm＋10 cm种植规格，满足机采棉的要求，同时通过排种口的交错布置，低空穴率的种子出苗后成规律的等腰三角形排列，合理利用了水、肥和光热资源，实现棉花高产且不影响机械化采摘。将其安装在2BMC－4／8型棉花双行错位苗带精量穴播机进行田间试验，出苗后的空间排布如图1（b）所示。

图1　一器双行错位排种器

1.2　双重仿形播种覆膜技术

为提高播种深度一致性，保证覆膜质量，在一级传动棉花精量播种装置的基础上［9］，设计了双重仿形播种覆膜装置。每组由每两个相邻一级传动仿形播种单体与一组仿形覆膜机架组成，共3组。一级传动仿形精量播种单体应用四连杆仿形以及同心圆理论实现一级传动，链条长度不变，传动更可靠，实现组内仿形；二级仿形实现了覆膜机构的仿形。同时排种器安装在四连杆下方，缩短纵向长度，减少仿形滞后，提高播深一致性。深度调节手轮及锁紧装置实现播种深度灵活调节，如图2所示。

图2　双重仿形播种覆膜装置

为验证结构设计合理性，利用adams动力学仿真软件进行了分析（图3）。仿真结果表明，一级传动仿形播种单体利用四连杆实现了对地面仿形，仿形轮随地面轮廓高低起伏，开沟器相对于地面轮廓曲线产生了相应的上下运动，满足仿形要求。排种器与仿形轮距离近，提高播深一致性，但存在仿形滞后情况。有向下运动趋势时，开沟器相对地面出现了提前向下仿形，开沟深度相对较深；有向上运动趋势时，开沟器相对于地面会提前向上仿形，开沟深度相对较浅。因此在不出现堵塞现象的前提下，开沟器和仿形轮的距离应尽量缩短［10，11］。通过仿形覆膜机架实现了地膜对地面仿形作业，保证地膜始终贴近地面，覆膜平整，保证了覆膜质量，提高地膜利用率。

图3　运动仿真

1.3　机架横向折叠技术

为缩短机架横向宽度，设计了一种液压控制宽幅对折机架。机架为框架式，由中间机架、左机架、右机架3个机架和左右侧2个油缸组成。3个机架采用铰链连接。液压油缸一端连接中间机架，一端连接两侧机架，液压油缸的伸缩运动带动两侧机架运动。作业时，对折机架在液压油缸控制下平展便于作业。在左右机架和中间机架链接处设置了自锁和自扣装置，保证整体机架工作时处于稳定的水平状态。田间行走及道路运输时，左右机架与中间机架呈90°对折，提高道路通过性。左右液压缸液压阀可单独控制，实现特殊地段的2行、4行作业［12］。机架结构如图4所示。

图4　液压控制宽幅对折机架

为验证在实际情况中机架结构可靠性，将播种机各部分按实际材料进行定义，按实际情况装配，利用s olidworks的motion模块进行了仿真。结果表明，在一个周期内受力最大位置是在机架铰链链接处，最大受力为253 N（图5），小于机架和销轴的抗剪模量（45＃钢、抗拉强度为600 MPa、屈服强度为 355 MPa）。机架实际折叠图如图6所示。

图5　受力分析

图6　机架折叠

1.4　双轮镇压装置

为提高土壤紧实度，保证化肥发挥最佳作用及为棉花生长创造良好种床，设计了双轮镇压装置，包括全幅整平镇压装置和对行镇压装置（图7）。旋耕与播种机构中间有全幅整平镇压装置，该装置可对种床进行镇压，还可以调节旋耕深度，同时利用链条与排肥机构连接成为排肥驱动轮，整机仿形也利用了此装置。为降低镇压轮重量，镇压轮设计成Φ350 mm的中空通辊，镇压轮骨架由中轴和中轴上4个均匀分布支撑盘构成。具有覆土、镇压功能的对行镇压装置在排种器正后方，通过自重和弹簧力的双重作用来压实种沟，对土壤压强达到 0.3～0.5kg／cm2，保证播种效果［8］。

图7　双轮镇压装置

1.5　两段式覆土滚筒

覆土滚筒的作用是将覆土圆盘取出的土壤利用导土板输送到播种行的中部位置压膜，防止地膜被风破坏，虽是播种末尾工序，却对种子出苗有直接影响［13］。为提高覆土质量，将覆土滚筒设计为两段式覆土滚筒，导土板头数为4头，导土板螺旋角为20°，滚筒直径380 mm，长度560 mm，满足了土壤沿导土板螺旋面轴向滑动的条件。漏土口相对布置，导土板分段式螺旋，使得土壤排出速度快、压膜牢固。滚筒两侧设计15个片状抓地爪，抓地能力加强，滚筒始终转动不会拖坏地膜［12］。其结构如图8所示，实际压膜效果见图9。

进入滚筒的土壤要实现输送目的，首先要可以在滚筒内壁上升，然后在导土板的作用下轴向移动，移动到开口处土壤输出。土壤沿导土板螺旋面轴向滑动的条件是导土板头数为 3～4 头［2］。

图8　两段式覆土滚筒

图9　压膜效果

当土壤在导土板处于临界滑动状态时，要满足以下条件：

N＝F′sinα

F＝N tanθ

式中，F为土壤沿导土板螺旋线切线方向滑动时的摩擦阻力，方向与螺旋线切线一致；N为螺旋面对土壤的支反力，方向垂直于导土板螺旋面；F′为土壤颗粒随滚筒转动时，自身重力和四周土壤对其挤压力沿圆周方向的合力，方向垂直地面向下；α为导土板螺旋角；θ为导土板表面与土壤摩擦角。只有土壤摩擦力小于F沿某点切面螺旋线方向分力，土壤才沿导土板向下滑动，即 F＜F′cosα。

地膜两侧被土壤压实，同时土壤利用导土板进入到地膜中间进一步将中部压实，相对布置的漏土口在中间部位土壤行两侧形成交替等距排列的土壤堆，实现了压膜严实膜面展、覆土均匀一条线效果。并对覆膜效果进行了性能检测，结果如表1所示，覆膜性能参数全部达到或超过国家标准JB／T 7732－2006《铺膜播种机》。

表1　覆膜效果性能检测试验结果 （单位：%）

2　结论

1）研制的系列播种机遵循农机与农艺融合，实现了多功能联合作业，达到棉花保墒增产的目的。

2）针对实际问题解决了5项关键技术，进行了模拟仿真及大田试验，采用关键技术的播种机较好地完成了播种、覆膜等环节的作业，提高了机具作业水平。

3）关键技术是新型播种体系的核心，结合播种模式与机具对新技术进行试验证明，各项关键技术是可行的。

参考文献：

［1］武建设，陈学庚.新疆兵团棉花生产机械化发展现状问题及对策［J］.农业工程学报，2015，31（18）：5－10.

［2］李 革，艾力·哈斯木，康秀生，等.地膜播种机螺旋覆土滚筒的参数优化［J］.农业工程学报，2003，19（6）：135－138.

［3］陈学庚，赵 岩.棉花双膜覆盖精量播种机的研制［J］.农业工程学报，2010，26（4）：106－112.

［4］王方艳.棉花覆膜播种机主要部件的设计［J］.农机化研究，2010，32（7）：142－145.

［5］黄春辉，李国祥.多功能棉花铺膜播种机覆土滚筒设计与应用［J］.新疆农机化，2015（1）：40－41.

［6］刘媛杰，胡 灿，朴在林.棉花覆膜播种机振动测试试验与激励源分析［J］.农机化研究，2016，38（8）：151－154.

［7］孙冬霞，宋庆奎，李 伟，等.黄河三角洲区域麦棉连作农机农艺融合技术体系研究［J］.中国农机化学报，2015，36（4）：308－313.

［8］ 张爱民，孙冬霞，王欢成，等.2BMC－4／8型棉花双行错位精量穴播机的设计与试验［J］.中国农机化学报，2015，36（2）：1－5，12.

［9］孙冬霞，李明军，石 磊，等.机采棉精播机关键部件运动仿真及有限元分析［J］.农机化研究，2018，40（2）：46－55.

［10］赵淑红，蒋恩臣，闫以勋，等.小麦播种机开沟器双向平行四杆仿形机构的设计及运动仿真［J］.农业工程学报，2013，29（14）：26－32.

［11］白晓虎，张祖立.基于ADAMS的播种机仿形机构运动仿真［J］.农机化研究，2009，31（3）：40－42.

［12］宋德平，宋庆奎，成永朋，等.基于机采棉的折叠式棉花覆膜播种机设计与试验［J］.中国农机化学报，2015，36（6）：27－31.

［13］李 革.宽膜覆盖播种机种子覆土流通主要参数的研究［J］.种植机械专辑，1999（10）：15－17.