2BMD-3/6型花生膜上穴播机的设计与试验

刘晓东，王东伟，何晓宁，苏 鑫，蒋 爽, 张 宁，万恩超

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

0 引言

我国花生种植面积仅次于印度，居世界第二。花生在我国有着悠久的种植历史，自19世纪末以来，我国花生种植开始迅速发展，在全国形成了多个重要的产区，为国民经济的发展、花生的出口以及油料的产出都做出了重要的贡献。花生具有很强的竞争力，在食品加工领域快速占据了主导地位，同时花生的种植也促进了农业生产的良性循环。

播种在花生的生产种植过程中具有举足轻重的地位，花生种植机械化不仅可以提高生产率，解放劳动力，还能提高效益，促进增产增收。膜上打孔播种是花生种植的一大特色，具有保温、保墒、增产等作用。由于成穴播种过程中成穴部件在覆好膜的土地上进行打孔播种，对土壤的扰动小，同时省去了后续的人工打孔的环节，节省了人力物力，但是现有的膜上穴播机在播种精度、撕膜扯膜及作业的效率上还存在一定的技术问题。本文设计的2BMD-3/6型花生膜上穴播机有效地解决了播种中存在的技术问题，提高了播种效率和精度。

1 整机结构及工作原理

1.1 技术要求

1)能够较好地满足播种深度及精度的要求，可以根据地面的平整情况通过仿形机构进行自动调节，以达到更好的播种精度。

2)能够一次性完成起垄、施肥、喷药、铺膜、膜上打孔及播种等作业，提高播种机的联合作业能力。

3)播种时要根据花生的不同品种及不同的区域,考虑花生的播种时间，播种机还需满足一定的强度并易于维修。

4)膜上穴播机作业时，要保证穴播器内的种子能够顺利漏下，不能卡种、伤种，保证每穴内有种子，且每穴内种子不超过两粒。

1.2 整机结构及技术参数

2BMD-3/6型花生膜上穴播机主要由三点悬挂装置、开沟起垄装置、划线装置、施肥装置、仿形装置、喷药装置、滴灌带铺放装置、地膜铺放装置、播种装置，以及覆土镇压装置等组成，能够代替人工完成播种的所有工序并减去了后续的人工打孔环节。其各装置间的协调配合是保证播种机播种质量的关键，因此各机构的合理布局尤为重要。其整体结构如图1所示，主要技术参数如表1所示。

1.3 工作原理

工作时，前端用拖拉机牵引，且依靠拖拉机为电动下肥机及增压泵供电；前进时，开沟铲将土向中间汇集成垄，并经后端的起垄轮将垄面整平，增压泵将药液通过喷药杆均匀喷洒于垄面上，滴灌带环置于垄面中央后压在地膜下面，培土铲迫使土壤压在地膜两侧，内充种排种器在穴播轮的带动下转动；种子落入到穴播轮的种室内，在穴播轮的转动下落入排种管中，穴播轮上的鸭嘴形排种管插入土中实现膜上打孔，并在垄面的反作用力下使鸭嘴挡板张开实现落种；后端的覆土铲将土壤向螺旋覆土滚筒归集，并通过螺旋挡板将土壤压在已打孔的地膜上，最后通过镇压轮将地膜上的土壤整平。

1.喷药装置 2.施肥装置 3.起垄装置 4.仿形装置 5.滴灌带铺放装置 6.地膜铺放装置 7.排种装置 8.覆土装置图1 2BMD-3/6型花生膜上穴播机结构图Fig.1 The structure of 2BMD-3/6 type peanut sowing machine on plastic film

2 关键部件设计

2.1 仿形机构

由于机器较大，设计为3个单体浮动的后端机架，这样能够保证各穴播轮盘能随地形起伏上下浮动，开出深浅一致的种穴，保持种子播深稳定性，因此要设计结构合理的仿形机构来保证。仿形机构如图2所示，能够很好地满足后端机架的上下浮动，保证成穴深度的稳定性，提高对不同地形的适应性。

由于整机比较大，为了保证播种的质量，必须给后端机架加装仿形机构，这样在播种时，3个后端机架可以根据垄面的高低进行仿形调节，以达到更好的播种质量，仿形机构由铰销1、Y形杆、铰销2、机架、U形螺栓以及直角Y形杆构成，设计简单，结构合理，实现了上下仿形，保证了后端机架上穴播轮盘的成穴质量。图2中：θ为仿形机构的最大仿形转角，其值可以通过改变销孔的长度来改变，可以根据实际的作业需要进行孔的加工。设计的多垄播种机仿形机构，可提高对不同土壤环境下的适应性，有利于宽幅、高效的起垄、播种、膜上打孔、施药及施肥等一体化作业。

表1 2BMD-3/6型花生膜上穴播机的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of 2BMD-3/6 type peanut sowing machine on plastic film

1.铰销 2.Y形杆 3.铰销 4.机架 5.直角Y形杆 6.U形螺栓图2 仿形机构结构图Fig.2 The diagram of profiling mechanism structure

2.2 成穴播种器

2.2.1 基本结构及工作原理

成穴播种器是播种机的关键设计部件，成穴播种器成穴的深浅直接关系到播种质量的好坏。成穴播种器由落种盘、鸭嘴、铰销、弹簧、穴播轮盘、鸭嘴挡板及内充种式排种器等组成，如图3所示。

工作原理：拖拉机拖动播种机前进，带动穴播轮盘在地面上滚动，同时链条带动内充种排种器中夹带花生种的穴播轮盘转动，到达内充种排种器的落种口，再通过输种管落入种室并进一步到达鸭嘴内；穴播轮盘上的鸭嘴破膜插入土中，当鸭嘴插入土壤达到一定深度时，鸭嘴挡板在土壤反作用力下张开，花生落到穴内；此时，挡板一直处于张开状态，当鸭嘴出土后，鸭嘴挡板在弹簧的拉力下与鸭嘴形成闭合状态。

1.落种盘 2.鸭嘴 3.铰销 4.弹簧 5.穴播轮盘 6.鸭嘴挡板 7.内充种式排种器图3 成穴装置结构图Fig 3 The structure diagram of the hole forming device

2.2.2 运动轨迹分析

鸭嘴运动轨迹方程为

式中x—鸭嘴沿穴播轮盘前进方向的位移；

y—鸭嘴竖直方向上的位移；

R—穴播轮盘外圆直径；

H—鸭嘴长度；

φ—鸭嘴转过角度。

其中，R为300mm，H为50mm。

鸭嘴上各点运动轨迹为长幅余摆线(见图4和图5)，鸭嘴上各点在地膜上的成穴位置与穴播轮盘在垄面上的位置有关。因为在运动过程中，穴播轮盘会由于后浮动架的浮动不一致导致穴播轮盘的上下浮动不一致，导致鸭嘴深浅不同。穴播轮盘上各点的运动轨迹为摆线，此时H为0可得穴播轮盘上各点的运动轨迹方程为

图4 鸭嘴运动轨迹Fig.4 The trajectory of duckbill

图5 圆上点的运动轨迹Fig.5 The motion locus of a point on a circle

2.2.3 撕膜、挑膜分析

穴播轮盘上的鸭嘴在地膜上运动时，鸭嘴在入土和出土过程中，会有撕膜和挑膜现象的发生，对于覆膜的质量造成了极大的影响，所以减少这两种现象的发生，甚至消除这两种不利因素都会对播种质量、花生的产量以及机器的推广带来极大的益处。

穴播轮盘在运动时，是带有滑移的转动，并不是纯滚动，且滑移量与机具前进的速度及穴播轮盘的直径有着直接的关系。滑移量的不同会导致穴孔形状的不同，不仅影响了成穴的质量还会对地膜造成不同程度的损坏，所以要求在播种时控制好机器前进的速度，减少撕膜、挑膜现象的发生。

2.3 覆土镇压装置

覆土镇压是播种的最后一步工作，覆土的多少及覆盖的严实程度对于地膜的保温、保湿有着重要的影响。覆土严实，地膜保温、保湿的效果好，否则不利于保水保墒，会造成花生的减产。如图6所示的覆土镇压装置，有效地解决了覆土不严实的问题。

1.培土铲 2.后端机架 3.调节杆 4.覆土铲 5.覆土滚筒浮动架 6.镇压轮 7.螺旋覆土滚筒图6 覆土镇压装置结构简图Fig.6 Soil compacting device structure diagram

播种机前进时，培土铲将地膜两边土壤覆盖在地膜上，保证两边的严实性，后端的覆土滚筒浮动架根据垄面的高低进行浮动，以减少对垄面的压实程度；两侧的覆土铲将土导入中间的螺旋覆土滚筒，在螺旋挡板的作用下将土导入落土缝，在穴播轮盘打好的孔上进行覆盖，再经后面的镇压轮将土整平。

螺旋挡板的螺旋角α是本装置的关键所在，螺旋角的大小严重影响土壤在挡板上的滑动,所以对土壤在挡板上的受力进行分析。图7为土壤在挡板上的受力图。

图7 挡板上的土壤受力图Fig.7 Force diagram of soil on the baffle

土壤主要受到3个方向的力：土壤沿挡板A点螺旋切线方向的滑动摩擦力F，螺旋面对土壤的支撑力N，土壤的重力M。

N=Msinα

F=Ntanφ

式中φ—土壤与螺旋挡板的摩擦角。

只有当M沿A点切面的螺旋线方向的分力大于土壤所受的摩擦力时，土壤才能沿导土板向下滑动。即

Mcosα>F

所以，在设计时要控制螺旋挡板的螺旋角，保证土壤顺利滑动，根据地基土壤容重(γ)及内摩擦角(φ)，并参考数值表得α<60°。

3 配套动力的选用

播种机总功率的计算，是对拖拉机型号选用的基础。播种机功率的损耗主要是由起垄铲前进受到的阻力消耗的功率组成。

根据公式，挖掘铲前进的阻力为

F=εabV2+Kab+fG

式中F—机具的牵引阻力(N)；

f—综合摩擦因数，一般在0.25～0.5之间；

K—比阻(N/cm2)，取K=0.5；

ε—动态阻力系数(N·S2/m)；

V—拖拉机前进速度(m/s)；

a—耕入深度(cm)；

b—工作宽度(cm)；

μ— 牵引阻力利用系数，μ=0.8。

根据计算得出，花生条铺收获机需要配套60kW以上的拖拉机。

4 田间试验

4.1 试验条件

试验在青岛莱西市万农达花生机械有限公司内的试验田进行，该地地处胶东半岛中部，属于一年两熟平原区，年平均降水量680mm左右；土壤质地为壤土，土壤坚实度为(221.5×100)Pa；土壤含水率为11.7%(0～10cm)。试验所用品种为鲁花11号。

4.2 试验方法及试验结果

在播种试验区内取10垄，共20行，每垄测每行5m内的穴数及每穴的种粒数。对原始数据进行统计整理，得出播种均匀性的相关指标如表2所示，播种40天后出苗情况如表3所示。

表2 田间检测的穴距及穴粒数原始数据Table 2 Field detection of the hole spacing and the number of points in the original data

表3 播种后40天检测的出苗率原始数据Table 3 The germination rate of the original data was detected 40 days after sowing

试验表明:本机作业后的花生双粒率为95.2%，重播率为1.91%，空穴率0.43%，平均穴距为165.6mm，花生平均田间出苗率为93%，各项指标均达到了国家相关标准。

5 结论

1)设计的2BMD-3/6型花生膜上穴播机符合花生垄作的农艺要求，使用内充种排种器和穴播轮盘组合实现了膜上精密播种。通过田间试验，播种质量完全满足花生种植的农艺要求。

2)播种过程中存在撕膜和挑膜的现象，主要原因是作业速度的控制不合理，尤其是在机器高速作业时，这种现象更加严重，需要合理的控制播种速度；后部的覆土滚筒能够将打好的膜孔用土进行覆盖，利于保水保墒。

3)该播种机不仅能够满足不同地块的作业要求，还实现了膜上打孔播种，减去了后续的人工开孔环节，降低了人工成本。