双曲柄多杆式马铃薯膜上打孔种植机的设计与试验

孙 伟，刘小龙，王虎存，张 华，吴建民，杨小平，王关平

（甘肃农业大学机电工程学院，兰州 730070）

0 引 言

马铃薯是西北黄土高原雨养农业区特色优势作物之一，为抑蒸保墒，该区马铃薯种植大部分采用覆膜抗旱节水技术[1-2]。马铃薯覆膜栽培按作业工序分为2种，一种是先播种后覆膜，且在膜上覆盖一层3～5 cm厚的土壤，依靠膜上的土壤重力和幼芽自然向上作用使幼苗自动破膜、自然出苗[3]。该模式的优点是解决了人工放苗问题，缺点是膜面覆土后减弱了地膜的增温效果。另一种是先覆膜后破膜播种，该模式可以提前在上年秋季或当年顶凌起垄覆膜，具有蓄秋墒、抗春旱、提地温等优点，能有效解决春旱严重而影响播种的问题，在西北旱区得到了大面积的推广应用。

经过几十年的发展，中国机械化膜上种植技术取得了较大进步，研发出了滚轮式[4-6]、直插式[7-11]、回转式[12-13]成穴机构，实现了玉米、花生、棉花等作物的膜上播种。现有的马铃薯膜上成穴机构基本上采用上述成穴机理[14-15]，但马铃薯种植深度远大于这些作物，要求成穴机构在打孔过程中竖直位移较大而水平位移较小，需解决撕膜和挑膜等问题。为此，设计了双曲柄多杆式膜下成穴机构，在此基础上，针对西北雨养农业区马铃薯大垄双行栽培模式，研发出了马铃薯膜上打孔种植机，并进行了田间试验。

1 整机结构及工作原理

1.1 农艺要求

图 1为西北雨养农业区马铃薯大垄双行栽培模式示意图。垄台高度为150～200 mm，垄顶宽度为650～700 mm，垄底宽度为900～950 mm，相邻垄台中心距为1 200 mm，播种深度为150 mm，宽窄行种植，行距分别为400 mm和800 mm。西北雨养农业区马铃薯适宜的种植密度为52 500～60 000株/hm2[16]，则株距为317 mm。选用宽度为1 200 mm、厚度为0.01 mm的黑色地膜覆盖垄台。

图1 马铃薯大垄双行栽培模式示意图Fig.1 Diagram of double row with big ridge in potato cultivation

1.2 总体结构及主要技术参数

图 2为马铃薯膜上打孔种植机结构简图，马铃薯膜上打孔种植机主要由机架、排种系统、动力传动系统、提土机构、膜下成穴机构、覆土机构和行走系统等构成。

结合西北雨养农业区马铃薯大垄双行栽培模式和动力计算结果，作业机主要技术参数如表1所示。

图2 整机结构简图Fig.2 Structure diagram of whole machine

表1 作业机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of machine

1.3 工作原理

工作时，马铃薯膜上打孔种植机通过悬挂机构与拖拉机三点悬挂架连接，地轮在垄沟内行走。在拖拉机牵引下种植机地轮通过链传动驱动打孔机构完成打孔、投种作业，同时，将动力传至排种系统和对穴覆土机构分别完成排种和对穴覆土作业。当成穴器运动至排种系统护种槽下方，勺链式排种器将种薯投掷至成穴器接种杯；成穴器在打孔作业过程中，当插植点达到种植深度，成穴器启闭机构开启排种口，种薯被投入穴孔。动力传动系统将拖拉机动力输出轴的动力通过变速箱传递给提土机构，提土机构将垄沟底部土壤铲起并提升至覆土机构，对穴覆土机构完成穴（膜）孔封堵作业。

2 主要工作部件设计

2.1 双曲柄多杆膜下成穴机构

图3为双曲柄多杆膜下成穴机构简图。

图3 膜下成穴机构Fig.3 Sketch of potato hill-drop under film mechanism

如图3a所示，双曲柄多杆膜下成穴机构主要由机架、主动链轮、曲柄、打孔连杆、成穴器、张紧轮、连杆等构成。每套打孔总成配备2组成穴机构，根据农艺要求，2组成穴机构间距为400 mm。为达到通风透光的目的，同垄两行薯苗间隔布局[17]，2组成穴机构异步作业，起始相位角相差180°。图3b为双曲柄多杆膜下成穴机构简图[18]，OA和DC均为曲柄，AB和BC均为连杆，连杆BC一端与曲柄DC铰接，另一端与打孔连杆AB铰接，在打孔连杆AB上安装了成穴器EF。工作时，膜下成穴机构随机组以速度vm前进，行走轮驱动曲柄OA和DC以角速度ω1顺时针转动，连杆AB和BC随之运动，同时带动成穴器EF实现打孔作业。

如图3b所示，以O为原点，水平方向为横轴、竖直方向为纵轴，建立OXY直角坐标系。依据图3b中的坐标建立插植点F的轨迹方程如式（1）所示[19]。

依公式（1）可知，成穴机构各参数对插植点F水平位移和垂直位移都有影响。以曲柄OA为例，结合农艺要求和整机结构尺寸，当L2=120 mm，L3=140 mm，L4=233 mm，L5=227 mm，L6=278 mm，且下曲柄OA和上曲柄DC始终保持平行，即 γ=0°时，下曲柄 OA长度 L1和 F点轨迹关系如图4所示。

图4 L1与插植点轨迹的关系Fig.4 Relationship between L1 and sowing trajectory

从静态轨迹图4a中可以看出，随着下曲柄OA长度L1的增大，插植点F的水平位移逐渐增大，垂直位移逐渐缩小；从动态轨迹图4b中可以看出，插植点F形成动态轨迹曲线类似长幅摆线，随着下曲柄OA长度的增大，绕扣的横弦随之增大，纵轴（绕扣交点与最低点的连线）变短，轨迹侧偏角（纵轴与竖直方向夹角）减小。容易看出，绕扣横弦影响穴孔大小，绕扣横弦愈大，成穴器对土壤扰动愈大，伤穴愈严重；绕扣纵轴影响打孔深度，纵轴愈长，在穴口大小一定的情况下穴孔愈深；轨迹侧偏角决定投种点与穴口中心的错位程度，轨迹侧偏角愈大，投种点偏离穴口中心的水平距离愈大，种穴错位愈严重。同理可得，曲柄DC的长度主要影响垂直方向上的位移，水平方向基本不受影响；连杆BC的长度主要影响成穴器所成穴孔与垄面线的相对位置，连杆 BC长度愈长，穴孔愈深；连杆AB长度愈长，伤穴愈小，穴孔深度愈浅；曲柄OA和DC的相位差角γ（即θ1与θ4之差）愈大，伤穴愈严重。为此，得到一组较优参数为：L1=80 mm，L2=120 mm，L3=130 mm，L4=233 mm，L5=227 mm，L6=278 mm，γ=0°，图5为插植点F的静、动态轨迹。

图5 插植点F的运动轨迹Fig.5 Motion trajectory of planting point F

由图5可知，绕扣纵轴为156 mm，满足马铃薯膜下播种深度的要求[20]；绕扣横弦为12 mm，对孔穴土壤扰动小；轨迹侧偏角为15°，使得投种点偏离穴孔中心的水平距离为d·tanβ，约40 mm，而膜孔长度在80 mm左右，且要求穴孔完全被土壤覆盖，膜孔全覆土率要求≥90%，可以保证马铃薯正常出苗，满足打孔播种要求[21-22]。

2.2 侧开式排种机构

在成穴器打孔过程中，当插植点达到种植深度时，排种口开启，种子被置入穴孔。常见的排种口开启方式为顺开式，即成穴器沿前进方向被分成两半，前半部分被固定在穴播轮上，后半部分为活门，与前半部分铰接。排种口主要靠穴播轮自身重力对压板（和活门为一体）的压力强行开启，或者靠内置凸轮机构强行开启[5,23]。排种口开启后，插植点回转半径与活门外缘点回转半径差大于种子尺寸，否则，活门出土时会扰动排出的种子。因此该排种方式不适合尺寸较大的马铃薯种薯播种。

为避免顺开式不足，设计了侧开式排种口，图 6为侧开式排种口开启机构简图。侧开式排种机构由活门、接种杯、预紧弹簧、活门拉索、活门拉杆、调整螺丝、排种凸轮和摇臂等构成，其中拉索A与B为一整体。作业时，排种凸轮由近休止角转向远休止角时，摇臂拉动活门拉索，进而带动活门拉杆打开活门。排种完成后，排种凸轮由远休止角转向近休止角，排种活门在预紧弹簧作用力下闭合。为防止活门闭合时夹土，设计中考虑成穴器出土后闭合。由于双曲柄多杆膜下成穴机构打孔1次，排种口开启 1次，所以成穴器从入土至出土时双曲柄多杆膜下成穴机构曲柄转过的角度为排种凸轮远休止角 Ф,约为45°。

图6 侧开式排种口开启机构简图Fig.6 Structure diagram of side opening device

成穴器以及排种口尺寸由种薯尺寸确定，切块薯平均尺寸为56.4 mm×44.3 mm×31.8 mm[24]，为顺利排种，成穴器顶端截面尺寸取80 mm×80 mm，排种口尺寸取80 mm×65 mm。排种活门完全开启至闭合活门拉索移动距离s为52 mm。由此可以求得排种凸轮偏置距离e（即偏距圆半径）为

式中r为排种凸轮基圆半径，该设计中取25 mm；q为摇臂轴中心至拉索固定点间的距离，取208 mm；q′为摇臂轴中心至滚轮中心间的距离，取116 mm。

2.3 跨越式提土装置

为防止土壤水分散失和引起春季大风揭膜，需要封堵地膜孔洞。膜上覆土装置功用就是将土壤按种植要求覆盖在已播膜面上。目前常见的膜上覆土装置有滚轮式、滚筒式和旋耕式[25-27]，滚轮式和滚筒式覆土装置对土壤提升高度有限，旋耕式多用于全膜面覆土，为此采用跨越式膜上覆土装置[28]。如图 7所示，跨越式膜上覆土装置由起土铲、升运带张紧机构、从动轮、刮土板、升运带、起土铲深度调节器及主动轮等构成。本团队开发的马铃薯施肥播种起垄全膜覆盖种行覆土一体机采用升运带式提土装置[24]，对加工和装配精度要求较高，存在升运带“跑偏”的问题，为解决该问题，该机将升运带改为升运链。

图7 提土装置机构简图Fig.7 Mechanism diagram of soil lifting mechanism

图 8为提土机构工作原理图，刮土板上的土壤表面与水平面呈一夹角ψ，该夹角为土壤内摩擦角。每个刮土板上的土壤量即为升运带l长度（即相邻刮土板间距）的输送量，输送土壤体积由端面面积与刮土板宽度相乘求得，设机组前进速度为v，升运带速度为v′，则机组前进长度l′提土量Q为[28]

式中η为输送效率，主要与充满系数、升运带打滑率有关；γ为升运带与水平面的夹角，（°）；h为刮板高度，mm；b为刮板宽度，mm；i为升运带速度与前进速度之比。

为便于确定对穴覆土机构开启时刻，成穴器插植点入土位置与覆土器纵向尺寸取1个理论穴距，即317 mm。地轮滑移率取4%[29]，穴孔和覆土最大错位量为12.7 mm，膜孔长度为80 mm，若完全封堵穴孔，覆土直径不小于92.7 mm。覆土过程中土壤相对地面做平抛运动，由于覆土口离地间隙较小（150 mm），机组前进速度较低（0.8 m/s），土壤在膜面上形成近似圆锥体，西北黄土高原雨养农业区土质以黄绵土为主，表层土壤内摩擦角约为28°[30]，则体积为0.054×10-3m3。成穴器为楔形体，当成穴器在打孔作业过程中开启排种口，所成穴孔为四棱台，打孔深度为150 mm，根据种薯尺寸，排种口开启尺寸为 100 mm×65 mm，添堵穴孔所需土壤体积为0.87×10-3m3。该装置采用5mm×100 mm橡胶帆布传动带，刮板间距l取100 mm，刮板高度h 取60 mm，升运带速度v′与前进速度v之比为1.38，升运带与水平面的夹角γ取45°。输送效率取0.7，机组前进1个株距（长度317 mm），根据式（4）可得，升运带理论输土量 V为1.37×10-3m3，故满足设计要求。

图8 提土机构工作原理Fig.8 Work principal of lifting mechanism

2.4 对穴覆土装置

图 9为对穴覆土装置结构图，对穴覆土装置由贮土室、覆土活门、压缩弹簧、活门拉索、调整螺丝、位置调整孔、覆土凸轮和摇臂构成，其中拉索A′与B′为一整体。作业时，覆土凸轮由远休止角转向近休止角时，覆土活门上连接的活门拉索放松，覆土活门在土壤重力以及压缩弹簧作用力下打开，土壤流出覆土活门，完成覆土作业。当覆土凸轮由近休止角转向远休止角时，活门拉索强行关闭覆土活门。调整螺丝可以调整活门拉索覆土活门闭合起始状态。

由于1个株距（长度317 mm）升运带理论输土量V为1.37×10-3m3，故贮土室体积要略大于此值；由上述内容可知，覆土直径不小于92.7 mm，活动门开启后覆土口尺寸s取为100 mm×100 mm，为增加贮土室容积，降低高度，将贮土室设计为四棱台，左右两侧壁拔模角度为30°，侧壁倾角远大于土壤与钢的内摩擦角，以确保土壤的流动性。机组前进一个株距，凸轮旋转一周，活动门启闭一次，则周期T为

式中D为理论穴距，mm。

图9 对穴覆土装置结构图Fig.9 Structure diagram of covering soil device

活动门开启后土壤开始做自由落体运动，则土壤流出贮土室的时间t为

进而可知，凸轮近休止角Фs为

活动门完全开启至闭合活门拉索移动距离 s′可以根据活动门结构尺寸得到，本设计中，活动门之间的夹角为120°，活门拉索移动距离s′为41.7 mm。由此可以求得覆土凸轮偏置距离e′（即偏距圆半径）为

式中r0为基圆半径，该设计中取25 mm；p为摇臂轴中心至拉索固定点间的距离，取208 mm；p′为摇臂轴中心至滚轮中心间的距离，116 mm；则覆土凸轮偏置距离e′为48 mm。

2.5 传动系统

马铃薯膜上打孔种植机传动系统如图10所示。

拖拉机动力输出轴通过万向传动轴将动力传递给种植机变速箱，经变速箱降速后带动提土装置工作。为保打孔、下种、对穴覆土三道工序协调，排种系统、成穴机构及对穴覆土机构动力由地轮驱动，为提高附着力，选用“人”字型花纹轮胎，并且倒装。

地轮旋转一周，所需种植株数n为

式中d′为地轮直径，取440 mm；D为理论穴距，317 mm；δ为地轮滑移率，取4%。

由于 2组成穴机构异步作业，为确保成穴器打孔动力，设计了中间轴。先将 1对地轮传至中间轴，再由中间轴传至膜下成穴机构、排种系统和成穴器、覆土装置活门启闭系统。为满足农艺要求，地轮旋转 1周，成穴器打孔次数为n1，则

图10 传动系统Fig.10 Transmission system

式中z1为地轮轴链轮齿数，取27；z2为中间轴输入链轮齿数，取12；z3为中间轴输出链轮齿数，取26；z4为膜下成穴机构曲柄轴链轮齿数，取13。

同理可知，成穴器、覆土装置活门启闭次数为 n1，则

式中 z5为启闭系统过渡链轮齿数；z6为成穴器、覆土装置活门启闭凸轮轴链轮齿数。z5和z6相同，取13。

膜下打孔机构打孔1次，勺链式排种系统排种1次，则

式中z7为排种系统输入链轮齿数，取13；z8为排种系统输出链轮齿数，取13；z9为上排种轴链轮齿数，取12；n′为相邻排种勺间节距数，该机采用勺链式排种器，选用12A型双侧弯板链条，每6节布置双侧弯板用来安装种勺。

3 田间试验

3.1 试验条件与方法

马铃薯膜上打孔种植机田间性能验证试验在陇中黄土高原旱农区定西凤翔镇马铃薯种植基地进行，如图 11所示。垄台高度为150 mm，垄顶宽度700 mm，垄底宽度900 mm，相邻垄台中心距为 1200 mm。试验土壤为黄绵土，含水率为16.39%，容重为1 300～1 350 kg/m3，坚实度＜0.25 MPa。试验中机组前进速度为0.7 m/s。农艺要求膜下播种深度为150 mm，理论穴距317 mm。作业完成后，参照GB/T 6242－2006《种植机械马铃薯种植机试验方法》、NY/T 1415－2007《马铃薯种植机质量评价技术规范》和NY/T 987－2006《铺膜穴播机作业质量》标准对播种机作业性能的测定要求，测定膜下播种深度合格率、穴位错孔率、穴距合格率、地膜采光面机械破损程度的试验数值[31-33]。

图11 田间试验Fig.11 Field experiment

膜下播种深度合格率、穴孔错位率、穴距合格率测定方法：在一块地内沿地块的长度和宽度中点连十字线，将地块划分为4块，随机抽取对角2块作为检测样本。在样本地块中，按对角线取 5个小区，每个小区长度为4.2 m（约12个穴距），测定3行，以穴孔为测点，共测10点。统计膜孔完全封堵个数，垂直切开种床土壤，在剖面上统计播种深度合格数、穴距合格数及穴孔错位数。计算每个小区的膜下播种深度合格率、穴孔错位率、穴距合格率及膜孔全覆土率，然后求10个小区的指标平均值作为测试结果。

式中ε为膜下播种深度合格率，%；τ为穴孔错位率，%；ζ为穴距合格率，%；μ为膜孔全覆土率，%；k为总测定穴孔个数，个；n为膜下播种深度合格穴孔数，个，其中农艺要求膜下播种深度（d±1.0）cm为合格，即140 mm≤d≤160 mm合格；f为膜孔与穴孔错开1/2膜孔直径及以上的穴孔个数，个，其中膜孔直径为90 mm，则膜孔与穴孔错开距离c＜45 mm为合格；m为穴距合格数，个，其中以理论穴距（D±1.0）cm为合格，即 331 mm≤D≤361 mm合格；j为对穴覆土合格数，膜孔完全封堵为合格。

地膜采光面机械破损程度测定方法：随机抽取 5 m作业垄长，测量采光面机械破损的缝长或边长、采光面展平宽度。式中η′为地膜采光面机械破损程度，mm/m2；li为测试区内第i处采光面机械破损的缝长或边长，mm；L为测试区长度，m；b′为测试区内采光面展平宽度平均值，m。

3.2 试验结果与分析

利用上述测定计算方法，所得马铃薯膜上打孔种植机性能试验结果如表2所示。表3为播种性能对照表。

表2 田间性能试验结果Table 2 Results of field performance test

表3 播种性能对照表Table 3 Comparison table of hill-drop performance

田间试验表明，膜下播种深度合格率、穴孔错位率、穴距合格率、膜孔全覆土率和地膜采光面机械破损程度分别为92%、5%、88%、93%和52.1 mm/m2。田间性能试验指标均达到国家和行业标准要求，试验结果满足设计要求，能够实现马铃薯膜上打孔播种和对穴覆土一体化作业。

4 结 论

为实现马铃薯机械化膜上种植，针对西北黄土高原雨养农业区普遍采用的大垄双行栽培模式，设计了马铃薯膜上打孔种植机。

1）对样机关键部件进行了分析与设计，确定了双曲柄多杆膜下成穴机构、侧开式排种机构、提土装置、对穴覆土装置、传动系统结构及工作参数。设计的马铃薯膜上打孔种植机可以实现接种、打孔和对穴覆土联合作业。

2）田间试验结果表明，设计的马铃薯膜上打孔种植机膜下播种深度合格率、穴孔错位率、穴距合格率、膜孔全覆土率和地膜采光面机械破损程度分别为 92%、5%、88%、93%和52.1 mm/m2。能够满足马铃薯膜下打孔种植农艺要求。田间性能试验指标均达到国家和行业标准要求。

[参 考 文 献]

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