基于机收的棉花覆膜播种机设计及试验

李　伟，宋庆奎，宋德平，梅红星，张爱民

(1.滨州市农业机械化科学研究所，山东 滨州　256616；2.滨州市农业局，山东 滨州　256600)



基于机收的棉花覆膜播种机设计及试验

李伟1，宋庆奎1，宋德平1，梅红星2，张爱民1

(1.滨州市农业机械化科学研究所，山东 滨州256616；2.滨州市农业局，山东 滨州256600)

摘要：介绍了2BMJ-4型棉花覆膜播种机的主要结构及工作原理。该机一次进地即可完成苗带干土清理、开沟、施肥、播种、铺膜、压膜及覆土等作业工序，创新设计的刮土板能够把棉花苗带上0~5cm含盐碱量极高的表土层刮到苗带以外，提高了盐碱地棉花的出苗率，还能够加大种床与膜床的高度差，延长棉苗在地膜下的生长时间，使放苗时间更加集中，可节省大量劳动力。田间试验表明：该机作业效果能够达到设计要求。

关键词：机收；刮土板；铺膜；划行器；播种机

0引言

我国是世界主要的棉花生产、消费和进口国，同时也是主要的棉纺织产品出口国[1]。近几年，棉花种植面积逐年减少，归结起来，主要是以下两点：一是棉花生产用工较多，随着城镇化进程的加快，劳动力成本逐年上升，植棉成本随之上升，棉农植棉积极性受挫[2]；二是近年来我国粮棉争地矛盾的逐渐凸显，农民种植粮食不仅用工较少，而且粮食价格较棉花价格更有保障。我国的棉花供给安全已受到威胁，加快棉花生产的全程机械化和增加不适宜粮食种植的盐碱地棉花种植面积和棉花产量，已成为棉花生产的必然需求[3]。

棉花播种环节的机械化直接影响到后续各个环节的机械化，加强棉花播种机研究，有助于后续管理及收获环节机械化作业的实现，并能够为棉花增产提供最根本的保障[4]。为此，根据机采棉的种植模式和盐碱地棉花的播种需要，研制了2BMJ-4型棉花覆膜播种机。该机设计合理、结构紧凑、性能稳定，一次进地即可完成苗带干土清理、开沟、施肥、播种、铺膜及压膜、覆土等作业工序，能够提高盐碱地棉花的出苗率，减少用工，是一台符合机采棉种植农艺要求的复式作业机具。

1结构及工作原理

1.1　整机结构

2BMJ-4型棉花覆膜播种机采用三点悬挂方式与轮式拖拉机挂接，一次进地即可完成苗带干土清理、开沟、施肥、播种、铺膜、压膜及覆土等多项作业。该机主要包括牵引悬挂装置、划行器、四连杆仿形机构、肥箱、种箱、地轮、可折叠装置、覆土滚筒、覆土圆盘、压膜轮、膜辊、铺膜开沟铲、镇压轮、勺轮式排种器及播种开沟器、施肥开沟器、刮土板等，如图1所示。

1.牵引悬挂装置　2.划行器　3.四连杆仿形机构　4.肥箱　5.种箱

1.2　主要技术参数及性能指标

播种机主要性能参数如表1所示。

1.3　工作原理

2BMJ-4型棉花覆膜播种机工作前，先将覆土滚筒抬起，再将地膜横头从膜卷上拉出，经压膜轮和覆土滚筒拉到机具后面，用土埋住地膜的横头；放下覆土滚筒，机组开始前进，机具前部的刮土板的苗带刮土部分将苗带表面的干土层清理掉，刮土板的后部分将被清理的干土分向两侧并尽量刮平，以方便铺膜作业；施肥开沟器开沟，地轮转动并通过传动链轮链条传给排肥器，实现播种机的施肥功能；播种开沟器同时开沟，地轮转动带动排种器排种，后面的镇压轮进行镇压，然后覆膜开沟铲开沟；机具行走带动地膜辊旋转，地膜逐渐脱离地膜辊平铺于地表，地膜两侧通过压膜轮压入铧式犁开沟器开好的沟内；覆土圆盘将一部分土翻入地膜沟中，经膜上镇压轮压实，另一部分土翻入覆土滚筒内，覆土滚筒内的导土板将土输送到滚筒的另一端覆在地膜上，防止大风揭膜，完成整个作业过程。

表1　播种机性能参数

2主要工作部件的设计与选择

2.1　刮土板的设计

棉花覆膜播种对种床和膜床有着较高的整备要求，必须保证棉种播在湿土上，膜床能够方便将地膜铺平，保证播种和铺膜质量。通常采用刮土板来实现种床的干土清理和膜床的刮平，通过大量的试验及改进，设计的刮土板结构如图2所示。该刮土板具备以下4个优点：

1)仅对种带部分深刮土，降低了刮土功耗。

2)能够刮走含盐碱量极高的表土层，提高棉花出苗率。该刮土板的前半部分刮土深于后半部分5cm，这种设计使得棉花苗带上0~5cm含盐碱量极高的表土层被刮土板到苗带以外，提高了棉花的成苗率，对于盐碱地上的棉花种植很有价值[5]。

1.手轮　2.丝杠调整机构　3.刮土板板体

3)加大了种床与膜床的高度差，棉苗地膜下的生长时间得以延长。这种刮土板的设计使得种床与膜床的高度差加大，在棉花出苗后形成如图3所示的状态，棉苗在地膜下的生长时间得以延长，还可避免因种床与膜床高度差过低，放苗不及时造成的烧苗，可以短时间内集中放苗，节省大量人力。

图3　棉花出苗后的状态示意图

4)采用丝杠调整升降，调整更加方便。该刮土板采用丝杠调整来代替依靠改变紧固螺栓的紧固位置来调整刮土板离地高度，通过转动手轮，丝杠旋转带动刮土板升降，可以方便地调整刮土板的刮土深度。这样不仅提高了刮土板调整的精度，而且提高了调整操作的便捷性，符合人机一体化的设计理念；同时这种设计还缩短了刮土板刮土深度调整时间，提高了机具的工作效率。升降调整机构为螺旋丝杠机构，制造成本不高，对于整机的价格影响不大，便于普及使用。

2.2　四连杆仿形机构

仿形机构能够使播种单体随地面起伏变化而变化，为播种深度的一致性、种子出苗高度的一致性和植株生长的整齐度提供了可能[6]。为保证棉花的播深一致性，该机每组施肥播种单体前面通过两组四连杆仿形机构与机架相连，四连杆仿形机构通过两个U型卡安装在机架横梁上，通过调整该机构弹簧的预紧力可以控制仿形的灵敏度和可靠性。

可以通过图4说明四连杆仿形的原理：上杆L上和下杆L下长度相等且始终保持平行，铰接点A和铰结点B铰接在机架上，铰接点C和铰接点D铰接在播种单体上，C点和D点的运动与整个播种单体的运动同步。该平行四连杆仿形机构仿形过程中，AB始终平行于CD，AC始终平行于BD，由于AB始终固定在机架上，保持竖直，CD始终平行于AB，所以CD也始终垂直；整个播种单体的仿形轨迹始终是平行于地面的，这样开沟深度就不会受到地面高度变化的影响,从而可以保证播深一致[7]。

图4　四连杆简图

2.3　施肥开沟器及播种开沟器

1)施肥开沟器。2BMJ-4型棉花覆膜播种机施肥开沟器设计时，主要有以下几点要求：一是可以在不同土质的土壤中工作；二是需要有较好的入土能力，开沟阻力小；三是要能够防残膜、杂草等的缠绕；四是在不影响使用效果的情况下结构要尽量简单，成本不能过高。根据以上要求，设计的施肥开沟器如图5所示。

该开沟器的开沟犁头为耐磨材料加工而成，且可单独拆卸，方便更换。其前端入土部分为尖角，开沟起土角度20°、入土隙角8°，有较好的入土能力，开沟阻力小；侧板可防止开沟开出的土过早回落到肥沟内，防堵散肥板可防止矩形导肥管堵塞并能使肥料均匀落地，防缠绕装置可防止杂草、残膜等缠绕。

2) 播种开沟器。种子的发芽生长与种床有很大的关系，播种开沟器的设计除了要满足上面所提到的施肥开沟器的要求外，还要满足以下两点要求：一是开出的种沟必须直，深度一致；二是土层不能混乱，下层必须为湿土[8]。根据以上要求，设计的播种开沟器如图6所示。

1.开沟犁头　2.开沟器小侧板　3.防堵散肥板

1.开沟犁头　2.开沟器小侧板　3.开沟器大侧板

该开沟器的开沟犁头为耐磨材料加工而成，且可单独拆卸，方便更换。其前端入土部分为尖角，开沟起土角度20°，入土隙角8°，有较好的入土能力，开沟阻力小；大小侧板可防止开沟开出的土过早回落到种沟内，土层不混乱，下层可保证为湿土，与四连杆仿形机构配合使用开出的种沟深度一致，防缠绕装置可防止杂草、残膜等缠绕。

2.4　排种器的选择

通过大量的对比试验，最后优选出勺轮式排种器作为该机使用的排种器。勺轮式排种器工作时，分种勺从种子堆中舀取数粒种子，随着排种轮的旋转，处于分种勺持种空间中的1~2粒种子继续向上运动，随其转到一定高度的时候，靠自重和离心力的共同作用被投入到投种轮中，最后到达投种口，完成整个排种过程[9]。选用勺轮式排种器的中小勺盘，虽不能严格达到单粒精播，但通过试验，发现单粒率超过87%,且非单粒穴内不超过两粒种子，能够满足机采棉播种的要求且价格相对于其它的排种器低廉。综合考虑，选择勺轮式排种器作为该机排种器。

2.5　铺膜覆土机构

该播种机的覆土机构由铺膜覆土机架、铺膜开沟器、膜辊、压膜轮、覆土滚筒及覆土圆盘等组成。

为解决在运输过程中，机具长度过长带来的不便，该播种机在进行铺膜覆土机构与前面的施肥播种部分的连接设计时，设计了一个可折叠的连接机构。这样，当机具处于工作状态时(该部分如图1中7所示)，在运输过程中，松开折叠机构的两个紧固螺栓，将覆膜机构向上折叠，可以缩短机具的整体长度，方便运输。

根据地膜覆盖的农艺技术要求，为保证埋沟壁里侧垂直，选择铧式犁开沟器作为覆膜机构的开沟器，开沟深度5～8cm。

铺膜覆土机构的压膜轮设计，对铺膜质量有着不可忽视的影响。膜边平铺在膜沟内，压膜轮要与膜保持垂直运动，一定要走在开好的膜沟内，保证随地形的变化自动仿形，不能出现悬空，并且要使得压膜轮的圆弧面紧贴沟壁，这样可以提高地膜的张紧力，保证铺膜质量。

2.6　划行器

由于采棉机对棉花行距有严格要求，机采棉播种就必须满足行距要求。一般来说机采棉播种要能够满足76cm等行距的要求，这就要求在播种机上设计导向装置，也就是划行器。

1)划行器工作原理。2BMJ-4型棉花覆膜播种机机划行器采用液压起降式，由划印圆盘、液压缸、液压动力传送装置及液压控制装置等组成，如图7所示。其中，操纵液压控制装置使左端液压缸柱塞的伸出，左侧划行器被放下，播种机开始作业，左侧划印圆盘开始划痕；当播种机行驶至耕作边界时，操纵液压控制装置使左侧液压缸柱塞缩回，左侧液压缸行程至最短，左侧划行器被完全升起，此时开始转弯换向；驾驶员将机具调整至拖拉机中心对准划出的印痕，随后操纵液压控制装置使右端液压缸的柱塞伸出，右侧划行器被放下，播种机继续作业，右侧划印圆盘开始划印，划出下次转弯换向后拖拉机中心需要对准的划痕。

划行器的臂长设计成可调节的，驾驶员可以根据各自的驾驶瞄准习惯，选择以拖拉机中心对行或者以拖拉机右前轮对行。

1.左侧划行器　2.左侧液压缸　3.右侧液压缸　4.右侧划行器

2)划行器臂长的确定。作业拖拉机选东方红X804，其前轮中心线间距y=1.63m,行距为0.76m。机采棉播种采用梭形行走法，需要左右各装1个划行器。

驾驶员以拖拉机右前轮对行时，划行器的左臂长L左、右臂长L右，计算公式分别为[10]

L左=(x+y)/2+a=2.715m

L右=(x-y)/2+a=1.085m

式中L左—划行器左臂长(m)；

L右—划行器右臂长(m)；

x—播种机两处外开沟器的距离(m)；

y—拖拉机前轮中心线间距(m);

a—行距(m)。

当以中心对行时，左右臂长相等，则

L=x/2+a=1.9 m

3田间试验

3.1　试验条件与方法

参考JB/T7732-2006《铺膜播种机》和GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》等标准，2015年4月，田间生产试验先后在山东省滨州市的滨城区、沾化区、无棣县共计233.3hm2的机采棉示范基地上进行。性能测试的项目主要包括播种平均深度、施肥平均深度、机具的通过性、种肥的覆土状况、种肥之间的距离及覆膜的性能等；检测设备包括卷尺、标杆和秒表等。

3.2　试验结果与分析

1) 种肥情况。播种机调试完成，正常作业后，随机划定小区，进行种肥播深和种肥间距等测定，经测定，种肥试验结果表2和表3所示。

2)铺膜情况。播种机调试完成，开始正常作业后，随机划定小区，进行铺膜性能测定，经测定，铺膜性能试验结果如表4所示。

表2　种肥播深及种肥间距统计表

表3　播种施肥性能试验结果统计表

表4　铺膜性能试验结果统计表

4结论

1)该创新设计的刮土板能够刮走棉花苗带上含盐碱量极高的表土层，有利于盐碱地种植的棉花出苗。这种刮土板加大了种床与膜床的高度差，可以延长棉苗在地膜下的生长时间，有利于集中放苗，节约劳动力。以丝杠为调整机构，刮土板的上下位置调整可以通过转动调整手轮来实现，提高了调整精度和速度，操作更方便，符合人机一体化的设计理念。

2)设计了液压起降式的划行器，操作更具便捷性，提高了作业效率。

3)一次进地即可完成苗带干土清理、开沟、施肥、播种、铺膜、压膜及覆土等多项作业，省工省时且避免机具多次压实土壤。覆膜装置在运输过程中可实现向上折叠，结构合理，便于运输经济可靠。

4)该机尚有一些不足，存在改进的空间。如该机还不够智能化，可以考虑设计合理的种肥情况监控装置，防止种肥漏播 ，还可以考虑通过光电仿形提高仿形精度。

参考文献：

[1]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.

[2]何团结，肖茂盛，苏香峰.安徽省棉花生产成本分析[J].中国棉花，2012,39(11)：1-2.

[3]九三学社中央，缓解粮棉争地矛盾不妨盐碱地里种棉花[N].人民政协报，2012-8-13(B02 ).

[4]姜西北.新疆机械化采棉存在的问题及应对措施[J].江西棉花，2009,31(3)：22-23.

[5]张雄伟,林光海, 张文庆. 黄淮海平原盐碱地植棉规范化栽培技术[J].中国棉花，1989(4)：4-5.

[6]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.

[7]胡军.精密播种单体播深控制的理论与试验研究[D].长春：吉林大学，2012.

[8]李辉 ,吴建民,孙伟.垂直分层种施开沟器的设计与试验研究[J].甘肃农业大学学报，2010，45(2)：143-146.

[9]郭雪峰，李成华，刘玉静.基于ADAMS的勺式玉米精密排种器的动态仿真[J].农机化研究，2007(6)：146-148.

[10]邢新军.浅谈播种机划行器长度的计算方法[J].新疆农机化，2004(2)：42.

Abstract ID:1003-188X(2016)11-0145-EA

Design and Experiment of Membrance Planter for Cotton Based on Mechanical Harvesting

Li Wei1, Song Qingkui1, Song Deping1, Mei Hongxing2, Zhang Aimin1

(1.Binzhou Agricultural Machinery Research Institute，Binzhou 256616,China; 2.Agricultural Bureau of Binzhou City,Binzhou 256600,China)

Abstract：The main structure and working principle of 2BMJ-4 type cotton membrane planter were introduced in this paper, the clearing dry soil in seeding strip, ditching, fertilization, sowing and mulching, pressing film, earthing can be finished in one time by this planter. The scraper bar was innovative design, by which, 0~5cm topsoilcontaining high salinitycan be scrape offand pushed outside cotton seeding strip. The seeding rate of cotton in saline land was improved; time of sending out cotton seeding was more concentrated so that labor force was saving because height difference between seed bed and membrane bed was added and growth time of cotton seeding under film was extended.The field experiment shows thatoperation effectiveness can meet the design requirements.

Key words：mechanical harvest ; scraper bar; plastic film mulch; row marker; planter

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0145-05

作者简介：李伟(1983-)，男，山东惠民人，研究实习员,(E-mail)Lw163126@163.com。通讯作者：张爱民(1976-)，男，山东惠民人，高级工程师,(E-mail)bzzam@163.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD08B02)；山东省农机装备研发创新计划项目(2015TZ201)；山东省重点研发计划项目(2015GNC112007)

收稿日期：2015-10-12