湖北地区马铃薯播种机主要部件设计

杜铮 万勇 舒虹杰

摘要：根据湖北地区的种植农艺要求，对马铃薯起垄播种机开沟器、排肥器、播种装置、开沟起垄装置等主要部件进行了参数选择和结构设计，对关键零部件进行了３Ｄ软件绘图设计工作。为样机制作提供了理论基础，以保证样机能顺利完成开沟、施肥、播种、覆土和镇压等工序。

关键词：马铃薯；起垄；播种机；结构设计

中图分类号：Ｓ２３３．７３文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）15－3345-04

The Design of Potato Ridging Planter Suitable for Hubei Area

ＤＵ Ｚｈｅｎｇ，ＷＡＮ Ｙｏｎｇ，ＳＨＵ Ｈｏｎｇ－ｊｉｅ

（Ｗｕｈａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｗｕｈａｎ ４３００５１， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｌａｎｔｉｎｇ ａｇｒｏｎｏｍｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｕｂｅｉ ａｒｅａ， ｄｅｖｉｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｐｏｔａｔｏ ｒｉｄｇｅ ｐｌａｎｔｅｒ ｏｐｅｎｅｒ， ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ， ｐｌａｎｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， ｔｒｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｒｉｄｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ， ａｎｄ ３Ｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｇｒａｐｈｉｃｓ ｄｅｓｉｇｎ ｗｏｒｋ ｗａｓ ｄｏｎｅ ｏｎ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ． Ｉｔ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｒｅｎｃｈｉｎｇ， ｆｅｒｔｉｌｉｚｉｎｇ， ｐｌａｎｔｉｎｇ， ｓｏｉｌ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐａｃｔｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｐｏｔａｔｏ； ｒｉｄｇｉｎｇ；ｐｌａｎｔｅｒ； ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ

湖北省马铃薯种植近年来呈现出面积扩大、产量提高、效益大增的趋势。截至２０１０年，冬季马铃薯种植面积达到２３万ｈｍ２，特别是黄冈、荆州、随州、武汉、咸宁、天门等１２个马铃薯开发新区发展迅速。以武汉为例，作为马铃薯种植新区，其主要分布在新洲、黄陂、蔡甸、汉南等远城区，多利用冬闲田种植，即冬春种植，５月收获。由于武汉地处南方，冬季气温较高，开春后雨水较为丰富，收获季节与北方的内蒙以及南部的福建相互错开，因此具有极佳的市场潜力与经济效益。

随着人力成本的快速增长，湖北地区实施马铃薯种植的产业化、机械化是发展马铃薯产业的关键。但是，目前马铃薯南方机械化种植发展总体水平不高，因此开发适合湖北武汉及其周边地区的马铃薯播种机械将是马铃薯全程机械化种植的关键。根据湖北地区种植马铃薯的农艺要求，从种植土壤环境出发，对马铃薯播种机的主要部件进行了设计与选型。

１开沟器设计

开沟器的功用主要是在播种机工作时开出种沟，引导种子和肥料进入种沟内，并使湿土覆盖种子和肥料。在设计开沟器时，根据农艺的要求，种沟要深浅一致且沟形整齐，沟底宽阔、平整。因此，在设计开沟器时，通过外形的改良使其具有良好的入土性能和切土能力，工作过程可靠而不易被杂草、残茬和土块堵塞。

设计选用芯铧式开沟器，如图１。该开沟器的特点为：工作过程中，开沟器的前棱和两侧对称的曲面使土壤沿曲面上升，并将残茬、表层干土块、杂草向两侧抛出翻倒，使下层营养土上翻；但在开沟器工作的同时增加土壤水分蒸发，不利于保墒，且开沟阻力大，不适于高速播种［1］。但是其具有以下优点：结构简单，入土性能好，对播种前整地要求不高，而且沟底较平，开出沟宽为１２０～１８０ ｍｍ。

在前期调研中发现，目前北方播种机型下肥量小于南方，因此种薯下地后距离排肥器施肥处较近，有可能造成肥料烧种。故在设计时，项目组决定将投种口与下肥管道分离，采用分层安装。开沟器主要设计参数如下。

１．１主体结构

芯铧式开沟器主要由芯铧、翼板、输种管和护种罩等主要部件组成［2，3］。芯铧选用４５＃钢板，厚４ ｍｍ，通过弯曲焊接制成，铧尖及刃口处进行淬火处理，以增加硬度及耐磨性。

１．２入土角α

如图１所示，开沟器入土角过大，入土性能差，且阻力增加。入土角过小会使芯铧尖而长，强度减弱。选择合适的入土角，芯铧入土容易。当入土过程完成后，整个犁架保持水平，确保所有开沟深度一致，避免种薯埋藏深度相近，保证薯块出芽齐整。一般芯铧入土角１５°～３５°为宜，为了增加强度，取α＝３８°。

１．３隙角ε

由图１可以看出，隙角ε影响开沟器在沟底土层的行走状态。为了有利于入土，减小芯铧与沟底土层的摩擦阻力，取ε＝５°为宜。

１．４斜切角γ

如图２所示，对于芯铧尖的斜切角γ进行设计，由于斜切角γ可以保证土块、秸秆残茬、杂草等异物沿刃口向后滑移，而不致缠挂、拥堵。因此此角不能过大，也不能太小。

斜切角γ可由图３的受力分析确定。欲使土壤在开沟器刃口上的滑切力能克服摩擦力，即需满足：

Ｐ０ｓｉｎ（９０°－γ）＞Ｆ （１）

由摩擦定律知：Ｆ＝Ｎｔｇ?准，Ｎ＝Ｐ０ｃｏｓ（９０°－γ），将其代入（１）式得：

Ｐ０ｓｉｎ（９０°－γ）＞Ｐ０ｃｏｓ（９０°－γ）×ｔｇ?准（２）

化简（２）式得：

γ＜９０°－?准（３）

式中，Ｐ０为作用在刃口上的阻力；Ｆ为刃口与土壤的摩擦力；?准为土壤与钢材的摩擦角。

一般土壤对钢的摩擦角?准为２６．５°～３５.0°，故取γ＝３０°为宜。

１．５开沟器连接件参数

开沟器其他连接件尺寸如下：铧高Ｈ＝１５０ ｍｍ；幅宽Ｂ＝１５０ ｍｍ；芯铧脊线曲率半径Ｒ＝４００ ｍｍ。

２排肥器设计

对于排肥装置的设计，由于南方种植密度大，所需肥料多，根据田间实地调查，有些地区甚至每公顷施２ ０００～３ ５００ ｋｇ复合肥，因此，需具有加大容量的肥料排肥器，以适应湖北地区的种植要求。

为了能均衡地施放肥料，设计选用了标准系列中的多功能外槽轮式排肥器如图４、图５所示。排肥器主要由拨肥轮、排肥轴驱动管、排量调节手轮、排量调整锁止手轮、肥料输送管、施肥管等关键部件组成［4，5］。排肥器的主要材料是优质硬质塑料，轴类部件选用Ｑ２３５Ａ钢。

外槽轮式排肥器工作时，外槽轮旋转，颗粒化肥靠自重充满槽轮的凹槽并被槽轮带着一起旋转。同时，槽轮外面的肥料在槽轮的拨动和肥料之间的摩擦力作用下也被带动，由槽轮强制带出，从排肥舌上掉入输肥管，然后经开沟器导入种沟中。该排肥器转动的槽轮和不转动的阻塞套可以在排种盒内随排种轴左右移动，通过改变槽轮的长度来调节排肥量。

排肥装置主要设计参数如下：

２．１排肥口尺寸

排肥口为矩形，宽３０ ｍｍ，长５０ ｍｍ。长度可按需要调节遮蔽。

２．２拨肥轮

拨肥轮齿数为７齿，由优质塑料制成，如图６为排肥器槽轮３Ｄ模型。拨齿空隙的截面为椭圆形。拨肥轮的转速ｎ拨由排肥量来确定，每旋转一圈所排肥量为：

ｑｍａｘ＝［b■（D21-D20）-■d2z×6h］γ×m1 （４）

式中，ｂ、Ｄ１、Ｄ０、ｄｚ、ｈ均为已知的结构参数；γ为碳氨的密度，约为８００ ｋｇ／ｍ３；ｍ１为排肥行数，本样机使用双排肥口，取ｍ１＝２，后期将会根据使用情况进行增补。

地轮每转排肥量可由（５）式计算：

ｑ地＝０．１πＤ地×ｍ２×α×Ｑ（１＋ε） （５）

式中，Ｑ为每公顷施肥量，根据农艺要求，设定Ｑ＝１ ５００ ｋｇ／ｈｍ２；Ｄ地为地轮直径，直接购买成品橡胶轮进行安装，轮径为０．５３ ｍ；ｍ２为播种行数；α为播种行距；ε为地轮滑移率，取０．１。

将以上结构参数以及设计计算数据代入（５）式，由于每分钟内的施肥量与排肥量必定相等，即

ｎ拨×ｑｍａｘ＝ｎ地×ｑ地 （６）

式中，ｎ地为地轮转速，可由拖拉机的牵引速度确定，在播种时，机器的前进平均速度（v）为３ ｋｍ／ｈ，则：

ｎ地＝v／πＤ地 （７）

统一单位后计算得到ｎ地＝３０ ｒ／ｍｉｎ。

将ｑｍａｘ、ｑ地、ｎ地代入（6）式得ｎ拨为６６～８５ ｒ／ｍｉｎ。

为满足不同的使用需求，拨肥轮通过更换不同的传动比，设计调节转速ｎ拨为５６、６５、７８ ｒ／ｍｉｎ。

２．３计算排肥量

图７为排肥器外壳３Ｄ模型。根据排肥器工作原理，总排肥量可由公式Ｑ＝１０４ｉｑｍａｘ／πD地?坠m2（1+ε）进行计算。式中传动比i=ｎ拨/ｎ地为设计值；其他参数同前文定义，将这些已知参数代入公式，可得到总排肥量Ｑ在２２０～２ １００ ｋｇ／ｈｍ２范围内，通过调节插板可得到合适的排肥量。

３播种装置设计

播种装置由排种链勺、前后护种管、锥形种箱、链轮等组成。种箱下部采用锥形，箱底倾斜角度大于马铃薯的自然休止角，避免箱内种薯产生堆积［6］。在取种的过程中，种薯能凭借重力自然地流向锥体的最下部位。同时种箱下部开孔的横截面与排种勺相配合，每次仅能使得一个排种勺通过。因此，即使箱内剩余少量的薯块，排种勺舀取的机会大为增加，也能保证良好的取种率。另外播种器运转平稳，株距均匀且可根据需要进行调节。

３．１链勺的设计

链勺使用铝进行铸造，质量轻，结构简单，与链条采用螺栓进行连接。取平均勺距Ｌｔ＝１５０ ｍｍ，则勺数ｍｐ＝１３个。

将链条连接在上、下链轮上，上链轮齿数为Ｚ上＝５２齿，下链轮齿数Ｚ下＝３５齿；中心距取ａ０＝７１０ ｍｍ；中心连线与铅直角度约为１２°。链轮中心距可以略微调整，以便链条的张紧。由以上数据可计算出链节数为１５４节，用节距为Ｐ＝１２．７ ｍｍ的链条，则链长Ｌ＝１ ９５６ ｍｍ，链条型号为０８Ａ。

３．２株距的计算

取地轮驱动链轮齿数Ｚ地＝５２齿，设计可以使用不同的传动比进行三档调节，以针对不同的株距进行播种，则排种链轮确定为３种链轮进行尺寸设计。由此可调整出３个不同的株距。由给定株距Ｃ＝２３、２８、３３ ｃｍ经过公式（８）计算其齿数。

Ｚｉ＝■ （８）

式中，Ｃｉ为株距，可以取值Ｃ１＝２３，Ｃ２＝２８，Ｃ３＝３３ ｃｍ；Ｄ地为地轮直径；Ｌ为链勺用链条长度；Ｚ地为地轮驱动链轮齿数；Ｚ下为链勺下链轮齿数；ｍｐ为链勺数；Ｐ为链条节距。

将上述数据代入（８）式且圆整后得：Ｚ１＝２０齿，Ｚ２＝２４齿，Ｚ３＝２８齿。

４开沟起垄装置设计

针对湖北地区的土质黏度较大的特性，以及冬季农艺种植起垄３０ ｃｍ左右的要求，项目组在选择开沟、起垄装置时，放弃传统北方使用的覆土圆盘及圆盘座，改而采用犁铧进行开沟起垄的工作。

一般市面上的铧式犁主要工作部件由犁体、小前犁、犁刀和松土铲等组成（图８）。但该播种机型工作过程中，其后部加装的犁铧主要起开沟起垄的作用，因此在犁体的选择上主要需偏重加强犁面和犁翼的曲面形式。同时，由于犁翼和犁面是构成犁体曲面的两个基础零件，所承担的开沟起垄过程中的阻力分别占犁铧全部牵引阻力的５０％和３０％～４０％，包括犁铧对土壤的切割阻力，犁面对土垡的翻转和破碎作用力等。所以犁铧的选择对于开沟起垄的效果十分关键。

经过数次试验，最终项目组选择适于湖北地区的犁铧进行改装。改装后的犁铧能满足使用要求，达到以下几点要求：犁铧安装角的选择能保证犁铧在土壤中的运动阻力尽量的小，以降低整机的工作负荷；翼部安装角保证土垡离开犁翼时绝对速度小，不至造成垄形破坏；合适的犁壁包容土层角，以降低无益的消耗于土垡对犁壁摩擦的力；犁面曲线有利于土壤起垄，垄形需有利于作物根系生长；犁间间隙可以方便进行调节以适合不同区域的种植模式。

５小结

项目组改型设计的适合湖北地区的马铃薯播种机现已试制样机一台，经过小规模秋季马铃薯播种试验考核，该机已能初步满足设计和农艺要求，极大地减轻了农民的劳动强度。但在实际应用时也发现了该机型存在的问题：垄形宽度过于狭窄，不利后期马铃薯根部生长；可以尝试具有不同曲线犁壁的犁铧，增强起垄效果；施肥量调整不方便，下肥通道可加大，肥箱容积也需加大；种箱过大，可以增加人工操作平台，以方便农户观察投种情况；种薯播种密度较小，不利于提高马铃薯单位面积产量。因此，将继续完善该马铃薯播种机的使用性能，力争早日实现湖北地区马铃薯种植的机械化。

参考文献：

［1］ 马廷玺，叶艳琴．土垡沿犁体曲面运动轨迹的预测［Ｊ］． 农业机械学报，１９９６（增刊）：１－４．

［2］ 赵满全，窦卫国，赵士杰，等．２ＢＳＬ－２型马铃薯起垄播种机的研制［Ｊ］．内蒙古农业大学学报，２００１，２２（１）：７３－７７．

［3］ 周桂霞，张国庆，张义峰，等．２ＣＭ－２型马铃薯播种机的设计［Ｊ］．黑龙江八一农垦大学学报，２００４，１６（３）：５３－５６．

［4］ 赵满全．２ＢＰ－２Ｂ型铺膜点播机排肥器参数设计及性能试验［Ｊ］．内蒙古农牧学院学报，１９９７（１）：１０１－１０４．

［5］ 中国农业机械化科学研究院．农业机械设计手册（上册）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９０．

［6］ 刘小娟，张书，黄信兵．２ＣＭＦＬ－２型马铃薯种植机排种器的设计研究［Ｊ］．农业机械，２００８（２５）：４８－４９．