折叠式智能化机采棉精量播种机的设计与试验

张爱民，郝延杰，禚冬玲，李　伟，孙冬霞，王　成

(滨州市农业机械化科学研究所，山东 滨州　256600)

0　引言

土地墒情是棉花发芽的重要因素，在黄河三角洲区域成熟的土地保墒技术是地膜覆盖[1]。机采棉播种需要地膜覆盖，同时机采棉行距一致性要求比较高，表现为单行76cm、双行86cm。随着城乡一体化进程的加快，农村生产合作社成为发展趋势，棉花播种要采取76cm宽幅高效作业方式，以保证棉花采摘的机械化[2]。棉花播种机械智能化是发展趋势，在保证播种质量的同时降低了劳动强度。

大面积地块平整度差，会降低播种作业播深一致性，创新设计的一级传动仿形播种装置可解决此类问题。棉种种在上实下虚的土层发芽程度好，地膜与地表要预留一定的空间供棉苗生长，利用限深平地滚筒和种带刮土器成为优选方案。卫星定位同步控制的使用使施肥更加均匀。北斗导航系统减轻了驾驶强度，提高行距一致性。针对机采棉播种智能化作业特点，研制的折叠式智能化机采棉精量播种机有效解决了宽幅作业播种覆膜问题。

1　工艺过程和总体结构

1.1工艺过程

根据机采棉76cm等行距种植模式的播种作业要求，融合智能化技术，提出一种前镇压、开沟、与行进速度变化一致性施肥、苗带干土清理、开沟、单粒播种、压膜、覆膜及压土的种植模式[3]。限深平地滚筒可限深和碎土，还可将土壤适度压实，避免棉种播在虚土上，和种带刮土器配合使用可以保证棉花的出苗率。种带刮土器可将种带上的干土刮向两侧，保证棉种播在湿土上，种床和膜床之间形成更大的高度差，棉苗到地膜的生长空间加大，避免放苗不及时而灼伤棉苗。施肥控制装置采用卫星定位同步控制，排肥速度与行走速度相适应，排肥更均匀。一级传动仿形播种装置实现一级传动，传动可靠，提高了播种质量。耐磨播种开沟器可单独拆卸，方便更换。智能监控系统应用实现播种、施肥实时监控，出现故障及时报警。北斗导航系统满足高精度行距要求。地膜伸展，压膜轮将其压入沟内，覆土器将地膜压实，完成整个作业过程。

1.2总体结构

折叠式智能化机采棉精量播种机主要由可对折机架、限深平地滚筒、种带刮土器、一级传动仿形播种装置、卫星定位同步施肥装置、开沟器、镇压轮及覆膜滚筒等部分组成，如图1所示。

可对折机架利用悬挂支架与拖拉机连接，拖拉机带动机具前进，限深平地滚筒旋转，将土壤破碎并压实。种带刮土器将种带上的干土刮向两侧，棉种播在湿土上，种床和膜床间的高度差为棉苗生长提供更大生长空间。施肥开沟器为保证将肥料在种子之下，需入土7～10cm，卫星定位同步控制装置使施肥速度与机具前进速度一致。棉花播种深度在1～3cm，即播种开沟器入土深度，土壤的摩擦使仿形轮转动，通过链条带动排种轴旋转进行排种，一级传动仿形播种机构使仿形轮行走轨迹与地面起伏程度一致，保证了播种深度一致。地膜一端在工作前需用土埋好压实，机具前进时，随地膜辊转动，地膜不断伸展平铺于地表，两侧被压膜轮压入沟内，覆土结构在地膜两侧覆盖一部分土壤；导土板将另一部分土壤输送到滚筒中部，经由矩形缺口流出，地膜两侧和中间位置便被压实；最终完成镇压、施肥、种带干土清理、开沟播种、覆膜等整个过程。

1.悬挂支架　2.肥箱　3.种箱　4.四连杆仿形播种机构 5.播种覆膜机架　6.膜辊支架　7.膜上覆土滚筒支架 8.膜上覆土滚筒　9.膜上覆土圆盘 10..压膜轮　11.播种开沟器　12.施肥开沟器 13.种带刮土器　14.限深平地滚筒　15.限深平地滚筒连接座 图1　播种机示意图

1.3技术规格

机采棉精量播种机主要技术参数如表1所示。

表1　主要技术参数

2　关键部位设计

2.1可对折机架

可对折机架由中间机架、左机架、右机架3部分组成，均为矩形框架。每个框架后方均利用四连杆与一组播种覆膜机架单体相连。各机架之间通过由铰链联接板形成的铰链柔性相连；两个液压油缸对称分布在中间机架油缸连接座，油缸推力杆铰接在左右机架的推拉杆连接座；每组油缸单独控制；机具在道路行走及田间转弯时，液压油缸缩短，左右机架呈90°对折状态，宽度缩短有利于行走及转弯；机具工作时，油缸伸长使左右机架与中间机架呈水平状态，实现三膜六行宽幅播种；在特殊地段，还可以实现四行播种。

利用SolidWorks三维软件对机架的悬挂支架进行应力分析，如图2所示。此处应力最大值为230 301 92N/m2,没有超过Q235A的最大屈服强度。

图2　悬挂支架应力分析

对机架进行了模态分析，提取机架前6阶的频率，证实机架本身固有频率与播种机工作激振频率6～7Hz[4]和路面激励频率≤3Hz[5]没有重叠部分，机架优化合理，模态分析结果如表2所示。

表2　模态分析结果比较

2.2覆土滚筒

覆土滚筒如图3所示。其可将覆土圆盘取出的部分土壤通过导土板自身螺旋结构将覆土圆盘推入的土壤输送到播种行的中部位置压膜，以防地膜被吹走。如土壤中残膜、秸秆残余量过多，工作过程中便会被覆土圆盘送入覆土滚筒[6]，体积过大将难以从滚筒排出影响覆土量，甚至堵塞滚筒拖坏地膜。本机采用两段式覆土滚简，滚动的动力来自与地膜的摩擦。滚筒两边焊接了15片反U形片状凸起，有利于地膜两端土壤的覆盖，凸起安装位置进行加厚处理。经过试验确定滚筒内导土板的安装角度，土壤更易流通；并在滚筒上开了矩形缺口，方便了土壤的排出，减小滚筒与地膜的摩擦力，保证了地膜完整。

1.反U形片状凸起　2.导土板　3.矩形缺口

2.3播种开沟器

开沟器工作过程中(见图1)，会受到土壤及杂物的摩擦，开沟器材料耐磨损性能不好会导致磨损太快。开沟器两侧侧板小会使开出的土易过早回落造成土层混乱，将开沟器开沟犁头设计为耐磨材料，可单独拆卸。前端入土部分为尖角，开沟起土角度20°，入土隙角8°，加入的大小侧板可防止开沟开出的土过早回落到种沟内，保证下层为湿土，满足棉花播种的要求。

2.4播种传动机构

播种深度的一致性对棉花生长有利，播种装置可靠性要好，精度要高。图5为一级传动棉花精量播种装置，应用四连杆仿形以同心圆理论实现一级传动，四连杆平行仿形时链条长度不变，链条不会掉，保证更好播种质量。四连杆设计为弧形，不妨碍上部肥箱和下部排种器排种器运动，通过加长四连杆的上下拉杆和减小牵引角，缩短了纵向长度，有利于机具道路行驶。

1.铲　2.铲柄　3.侧板

1.U形卡　2.四连杆单体仿形部件　3.肥箱支架 4.同心圆传动地轮总成　5.连接支架　6.连接铰链轴 7.主动链轮　8.同心圆轨道板　9.轨道板连接支架 10.链条　11.连接支架固定螺栓 12.排种器　13.开沟角　14.排种器链轮

2.5施肥装置控制

施肥深度需控制在一定的深度范围内，并且要均匀，施肥深度浅或某一点施肥量过大会将棉苗烧坏[7]。为保证施肥均匀性，施肥装置控制采用了电机驱动，利用卫星定位来同步控制电机，实现排肥速度与机具前进速度变化的一致，部件结构更紧凑，排肥精度更高。控制结构如图6所示。

2.6北斗导航系统

机采棉播种单行为76cm等行距，行距精度越高越有利于机械采摘。这对驾驶人员提出了较高要求，如果人工长时间驾驶，身体及精神出现疲劳会影响行距精度，降低作业效率。利用了北斗导航Ifarm系统，作业过程中，除地头外，其他采用全程自动控制，实现高精度直线行走，保证行距均匀一致，切实满足机械采摘作业要求，同时降低劳动强度，提高作业质量。图7为北斗导航自动驾驶作业过程。

图6　施肥控制

图7　北斗导航自动驾驶

3　性能试验

3.1试验条件及方法

折叠式智能化机采棉精量播种机室内台架和田间生产的试验参考标准来自JB/T7732-2006《铺膜播种机》。2016年3月，室内台架试验在滨州市农业机械化科学研究所试验室进行，在山东省无棣县渤海粮仓项目区内示范基地进行了田间生产试验。试验田首先进行了棉花秸秆收获，然后用地膜清理机将地表残膜清理掉，再耕地整平、浇水，大约15天后耙地保墒，实现土壤上虚下实目的[3]。

3.2铺膜性能试验

覆膜性能参数主要有采光面宽度合格率、膜边覆土宽度合格率、膜边覆土厚度合格率、地面采光展平度及采光面机械破损程度等，试验结果如表3所示。由表3可知：播种机主要指标已经达到或超过国家标准JB/T7732-2006《铺膜播种机》。

表3　覆膜性能试验结果

3.3播种施肥性能试验

播种施肥性能参数主要有株距合格率、施肥深度合格率、单粒率、空穴率及种子破碎率等，试验结果如表4所示。试验结果表明：播种施肥性能参数全部达到或超过国家标准JB/T7732-2006《铺膜播种机》。

表4　播种施肥性能试验结果

4　结论

1)折叠式智能化机采棉精量播种机实现了功能集成创新，进地一次完成多项工序，同时更加智能化，符合农机智能化发展趋势。

2)可对折机架经过应力校核及模态分析，可实现左右机架对折，有利于道路运输和田间转弯；限深平地滚筒和种带刮土器的配合使用保证了棉苗成活率；卫星定位同步控制在施肥装置的应用使施肥速度与机具行进速度一致，施肥更加均匀；耐磨式开沟器改善生长环境，一级传动仿形播种装置保证了播深一致性；智能监控系统实现施肥、播种实时监控，出现问题可及时报警；两段式覆膜滚筒将地膜覆盖更加牢固，不会被风吹走的同时保证棉花生长需要；北斗导航系统的应用使高精度行距要求成为可能，有利于棉花的机械采摘。

3)室内台架试验和田间试验表明：该机覆膜性能参数和播种施肥性能参数都达到或超过国家标准。

参考文献：

[1]吴慧,许映飞,韩勇,等.地膜覆盖对棉花营养土穴盘苗产量及养分吸收的影响[J].江苏农业科学,2014(2):62-63.

[2]王玉荣,陈柏林,赵勇,等.关于当前棉花播种机发展趋向的探讨[J].石河子科技,2001(6):27-28.

[3]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,2015(6):27-31.

[4]马成林.精密播种理论[M].长春:吉林科学技术出版社,1999.

[5]Zhang Kepeng, Shao Lin, Lv Jingchun, et al. Modal Analysis on the frame of tractor[J].Automobile Technology, 2012(1):35-39.

[6]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(4):106-112.

[7]王吉奎,坎杂,吴杰,等.夹持自锁式棉花精量穴播器的设计与试验[J].农业机械学报,2006(5):54-56，82.