旱地苜蓿全膜覆盖精量播种机的设计与试验

赵春花

(甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州　730070)



旱地苜蓿全膜覆盖精量播种机的设计与试验

赵春花

(甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州730070)

摘要：针对西北地区干旱、风沙大、苜蓿播种存在种子发芽率低、播量调节困难等问题，研制了一款旱地苜蓿全膜覆盖精量播种机，介绍了该机的工作原理、主要工作部件的结构特点，利用Solidworks对平土板进行强度校核，并进行了田间播种性能试验.结果表明：平土板以最小安全系数大于1.29的5 mm厚钢板最经济可靠；土壤类型、播种深度、机具速度是影响播种机作业质量的重要因素，播种机以4 km/h速度在砂土里作业,播深20 mm时，作业效果最好，空穴率为2.9%，膜下播深合格率为92%，穴粒数合格率为90.8%.

关键词：苜蓿；播种机；设计；干旱地区

苜蓿是多年生豆科牧草，生长年限为7～8 a,甚至10 a，再生性好，每年可以刈割3～5次，每公顷产草量为6 000 kg/年,具有适口性好、产量高、营养成分丰富等特点，被誉为“牧草之王”[1-2].随着商品经济的发展，苜蓿的产业化进程较快，种植面积稳步增加，预计到“十二五”末期，我国苜蓿种植面积将达13.33万hm2[3].我国西北地区干旱少雨且蒸发量较大，生态环境脆弱，农业生产条件恶劣.降水是当地供应作物水分的主要来源，如何科学地“蓄住天上水，保住地里墒，用活用好天然降水”，是旱作农业生产的根本出路和途径[4].甘肃省尤其是兰州市周边地区为解决这一问题，广泛采用了地膜覆盖播种技术[5].国内的很多牧草播种机都存在着伤种、漏种、播量不稳定等问题，诸如9BN-9型牧草播种机、9SB-2.4型草原松土补播机、2MC系列牧草施肥精量播种机、9MSB-2.1型牧草免耕松土补播机等[6-8].本研究结合西北地区的自然条件和我国目前牧草播种机研究现状，研制了一种具有平土、镇压、铺膜、穴播、覆土功能的精量播种机，具能够较好的满足当地苜蓿种植的农艺和经济性要求.

1工作原理及技术参数

1.1总体结构

旱地苜蓿全膜覆盖精量播种机的主要技术参数如表1所示，总体结构如图1所示.旱地苜蓿全膜覆盖精量播种机特点是：前机架上装有三点悬挂架、平土板、平土辊、地膜杆、地膜前导向杆、地膜后导向杆及圆盘刮土器；后机架上装有播量可调的双滚筒鸭嘴式穴播器、覆土辊及圆盘刮土器[9].后机架挂接在前机架上，通过活动铰链连接，使播种时覆土辊与地面接触.拖拉机液压装置抬起时，三点悬挂架带动整机抬起，方便播种机在非工作状态时的移动.

1.2工作原理

机具与拖拉机三点悬挂，配套动力为 12～15 kW四轮拖拉机.整机功能可分为4个功能元来介绍：整地机构，播种机前进时，平土板初步平整地表土壤，然后由平土辊镇压；铺膜装置，随机具前进，前刮土器为地膜镇压轮开辟地沟，地膜卷安装在地膜杆上，地膜由地膜杆伸出，然后绕经地膜前导向杆和地膜后导向杆，中间的圆盘刮土器转动时为地膜提供压盖土壤，然后被压膜辊压实；播种机构，鸭嘴式穴播轮转动，鸭嘴的活动部分受地面的反作用力张开和闭合，完成播种；覆土机构，由覆土辊和圆盘刮土器组成，圆盘刮土器为覆土辊提供土壤，覆土辊随机具前进而转动，把土壤撒在膜面的上方.

表1　旱地苜蓿全膜覆盖精量播种机的主要技术参数

1：平土板；2：镇压滚；3：牵引架；4：地膜前倒杆；5：地膜杆；6：圆盘覆刮土器；7：地膜后倒杆；8：压膜辊；9：中圆盘刮土器；10：后圆盘刮土器；11：覆土辊；12：鸭嘴式穴播器.

图1旱地苜蓿全膜覆盖穴播机的结构

Fig.1The structure of full mulching precision planting

machine ofMedicagosativain dry land

2主要工作部件的选用与设计

2.1整地装置

铺膜作业对土地要求严格，要求地表平整，土壤坚实度合适，突起小，该机的整地装置主要由“V”型平土板和镇压辊组成.推土板对地表土壤进行刮移，刮走多余的土壤、石块及前茬作物的残根茎叶[10]，形成平整的膜床，利于镇压、铺膜.然后平土辊镇压土壤，保证膜床的平整和一定的土壤坚实度.平土板其作用是平整地表土壤，且应水平放置.平土板入土深度过大，会消耗更多的功，另外引起地表层土壤都被翻动，会造成平土后的地表不平整.推土板放置不水平也会导致2种情况的出现：推土板向前倾斜时，推土板入土深度加大，会消耗更多的功.甚至会导致地表土壤翻动，造成地表土壤的不平整；平土板向后倾斜时，拖拉机行走过快时，会造成土壤从平土板的上方滑过，流向已经被平整过的土壤，起不到平土作用.所以，平土板必须要放置水平，且入土深度适宜，一般情况下，推土板下部与地面接触即可.本机设计的V型平土板，夹角160°，宽度1 200 mm，高80 mm，钢板厚度5 mm.

平土板在工作时承受的载荷比较大，在焊接部位最容易脱焊断裂.本文利用Solidworks的仿真分析功能对其进行了强度的校核(图2～5)[11].参考推土作业装置的受力分析[12]，该机的平土板主要受切土阻力316 N、平土板前土堆运移阻力467 N、土堆沿平土板两侧的滑移摩擦力221 N[13]，设平土板受土壤阻力为10 004 N，材料为1023碳钢板，屈服强度(1.8e+008) N/m2.按照原设计，平土板的钢板与连接杆焊接部分安全系最小，为Min：0.85，合位移Max(8.493e+000)mm，约8.5 mm.零件的安全系数必须大于1.利用SimulationXpress对零件进行优化，安全系数1.29，钢板厚度加厚到4.79 mm，合位移Max(4.403e+000)，约4.4 mm，合位移最小.参考钢板的规格，选取5 mm厚度的钢板.

旋耕后的土壤疏松，必须用平土辊镇压以确保播深一致.铺膜穴播机平土辊的质量必须选择合适.平土辊质量过小，作业后的地表可能不平整或土壤坚实度仍然低，起不到保墒和镇压平土效果.平土辊质量过大，会造成土壤的坚实度过大，会影响后面的播种作业质量，甚至穴播器鸭嘴不能顺利破膜.

图2　原平土板安全系数

图3　原推土板合位移

图4　优化后安全系数

图5　优化后的合位移

2.2铺膜机构

地膜铺设装置由地膜支架杆、地膜前导向杆、地膜后导向杆、压膜辊、圆盘刮土器等部件组成.圆盘刮土器：在铺膜机构中，有2组共4个圆盘刮土器.铺膜机构的刮土器作用为：前一组刮土器为后续组作业提供隆起的散土、地沟路径或土壤的填充空间；隆起的土壤，由后一组圆盘刮土器将土壤推入地沟中.铺膜作业：工作前，地膜卷安装在地膜支架杆上，人工先拉动地膜，绕经地膜前后导向杆，将地膜铺设到压膜辊下，随着机具的前进，地膜两侧被圆盘刮土器覆土掩盖，然后由压膜辊压实土壤和地膜.

2.3播种装置的设计与改进

该穴播器主要由穴播器内外筒、穴播器支架、固定和活动鸭嘴、排种匙等组成，如图6～7所示.穴播器的特点：解决了小颗粒种子排种器漏种问题；播种时采用内外筒结构，通过旋转内外筒结合面积，设置了3种苜蓿播量调节刻度；定鸭嘴上开有3个轴销孔，动嘴安装位置可以调整，实现播深调节.

穴播器的工作原理：播种时，穴播器转动，苜蓿种子进入小型排种匙内，初步限制了播种量；穴播器转动过程中，排种匙内的经双滚筒的孔进入鸭嘴内，双滚筒的孔进一步限制了排种量；当鸭嘴随穴播器转动到与地面垂直时，鸭嘴进入土壤，燕尾在穴播器重力和种子重力作用下打开定鸭嘴，苜蓿种子在重力作用下进入土壤中[14].

1:燕尾；2:穴播轮支架；3:弹簧；4:动鸭嘴；5:定鸭嘴；6:轴销；7:排种匙；8:内筒；9:轴销孔；10:外筒.

图6双滚筒嵌入式精量穴播器

Fig.6Double drum duckbill type hill-drop sowing wheel

图7　穴播器的双滚筒

每穴种子数：该机采用4穴播器播种，每个穴播器上均布双排鸭嘴，每排12个鸭嘴，公式如下：

L=S÷B≈555.56m；M=Q×Y÷1 000×2÷1 000；

Q=L÷C×(4×24)；C=π×D；

式中:L为播种机每亩行程，m；B为播种机的工作幅宽，m；S为试验地的播种面积，m2；Q为播种总穴数；C为穴播轮周长;D为播种直径；M为亩播量；Y为每穴种子粒数.

根据试验测得数据情况，播种机工作幅宽1 200 mm，行距120 mm，株距150 mm，种子千粒质量2 g.若每亩播量1.5 kg，有每穴种子粒数Y约2粒；若每亩播量3.5 kg，每穴种子粒数Y约5粒.

2.4覆土机构

覆土机构由覆土棍及圆盘刮土器组成.现在大多数覆土装置在覆土时，都是把土壤均匀的撒在种行上.考虑到苜蓿播种深度较浅的特殊性(苜蓿播种深度约15～30 mm),可以把土壤呈长条状撒在垂直于地膜延伸方向上，起压膜作用.

3播种机性能试验

3.1试验对象与农艺要求

以‘甘农3号’紫花苜蓿作为样本，针对穴播机铺膜作业质量的主要指标,进行了试验检测.苜蓿播种要求为：行距15 cm，株距12 cm，播种深度1.5～2.5 cm.

3.2试验条件

2012年4月25-28日在甘肃省金昌市永昌县进行田间性能试验(图8).当地海拔1 978 m，年降水量185.1 mm，年平均气温4.8 ℃ ，年平均日照2 884.2 h，日照率65%，年蒸发量2 000.6 mm.试验种子为苜蓿，千粒质量约2 g.

图8　旱地苜蓿全地膜覆盖精量播种作业

3.3正交试验设计

根据双滚筒嵌入式精量排种器工作原理，在播种机结构参数一定情况下，影响作业质量的主要参数有：机具的前进速度、土壤的类型和播种深度.机具行进过快，可能导致漏播、播深过浅和穴粒数不合格，反之，导致重播、播种深度过大和穴粒数不合格；土壤紧实度大，鸭嘴入土时间较短，播深过浅，漏播率或许增加，反之，排种量较多，作物密度增加而影响生长；播种深度影响出芽率，深度较大，出芽困难，反之则土壤墒情不足，所以要选择适宜的播种深度.三因素相交互对播种机作业质量造成影响，如果机具速度慢和土壤坚实度低，播深大，播量最大.因此，以机具的前进速度、土壤类型和播种深度作为试验因素，各因素及水平以满足播种机的作业质量及效率要求来选取.因素及水平如表2所示，为有交互作用的3因素正交试验，利用正交表安排试验[15].根据《铺膜穴播机作业质量NY/T 987-2005》[16]，确定试验指标为空穴率、膜下播深合格率和穴粒数合格率.

表2　因素与水平

3.4试验结果分析

试验结果如表3所示，极差越大，说明这个因素的水平改变时对试验指标的影响越大.极差最大的那一列，则那个因素的水平改变时对试验指标的影响最大.试验时，3因素两两交互，对试验结果造成干涉，如(A×C)1组合时，对膜下播深合格率影响很大.对试验结果进行极差分析，得到不同性能指标的因素最优水平、主次顺序以及优化组合.由表3可以看出，对空穴率影响最大的组合为：A2B2C2,而实际播种追求空穴率低，所以取反面组合A1B1C1；对膜下播种深度合格率的影响：(A×C)1>A1>B1>(B×C)2>(A×B)2,最优组合为A1B1C1.对穴粒数合格率的影响：B1>C1>A2，最优组合为：A2B1C1.综合试验因素对3个试验指标的影响及因素优化组合,采取以空穴率低、膜下播深合格率高和穴粒数合格率高的原则，确定了播种机作业质量最高的组合为A1B1C1，也即机具速度4 km/h、播深20 mm、在沙土上播种时,播种效果最好；在此条件下试验测得空穴率为2.9%，膜下播深合格率为92%，穴粒数合格率为90.8%.

表3　试验测定结果

4结论

1)西北地区干旱、风沙大且昼夜温差大，铺膜后播种，可以保住水分提高地温，提高出苗率和保墒.

2)平土板在整地时要水平放置，承受的载荷比较大，用Solidworks中的SimulationXpress对其进行了校核和优化，原推土板安全系数为0.85，存在设计问题.优化后得安全系数为1.29，钢板厚度为5 mm.

3)穴播器具有双筒，通过旋转内外筒上圆孔的结合面积，可以灵活的调节播量.鸭嘴的定嘴上开有3个动嘴的安装位置，实现了播深调节.解决了鸭嘴式穴播器播量和播深不能调节的问题，更能满足使用要求.

4)正交试验结果可知，本机以4 km/h速度，播深20 mm，在土壤坚实度稍低的砂土中作业播种，作业质量最高，空穴率为2.9%、膜下播深合格率为92%、穴粒数合格率为90.8%.

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(责任编辑李辛)

Design and experiment of a machine for alfalfa seeding

and paving membrane in dry land

ZHAO Chun-hua

(College of Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

Abstract：In order to solve the problems on adjusting difficultly seeding quantity,and being a lower germination of seeds,a new precious machine were developed for alfalfa seeding and paving membrane in dry land.The principle of the machine and the structure of main parts were introduced.The stiffness of the flat plate was checked by Solidworks,and planting performance was tested in the field.The results indicated that grading board with 5 mm thick could get the most economical and reliable performance,the minimum safety factor was more than 1.29.Major impact factors involved soil type,seeding depth and working speed.The optimum efficient could reach with seeding at 20 mm depth,speed at 4 km/h.Under this condition,the rate of vacancy,seeding depth qualified and vacancy qualified was 2.9%,92% and 90.8%.

Key words：alfalfa；seeder；design；arid area

收稿日期：2014-03-16；修回日期：2015-01-08

基金项目：公益性行业(农业)科研专项经费(201203024)；省杰出基金资助项目(1210RJDA014)；省农业科技创新项目(GNCX-2013-39)；2013甘农大伏羲杰出人才扶持计划；2011陇原创新扶持计划项目.

中图分类号：S 223.2+4

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)01-0175-06

第一作者：赵春花(1972-)，女，教授，博士生导师，主要从事草业机械工程研究.E-mail:zhaoch@gsau.edu.cn