三角链半杯勺式丘陵山区马铃薯精密播种机设计与试验

段宏兵 陈志鹏 宋波涛 余参参 徐 涛

(1.华中农业大学工学院， 武汉 430070； 2.农业农村部马铃薯生物学与生物技术重点实验室， 武汉 430070)

0 引言

近年来，国内外马铃薯机械化播种技术水平逐步提升。国外以德国Grimme和美国Double L等马铃薯种植机械制造公司为代表，主要生产大中型马铃薯播种施肥联合作业装备，采取半悬挂式或牵引式，均可一次性完成开沟、施肥、施药、播种和起垄覆土等作业；此类播种机大量采用自动化控制、液压系统供种、播种电子监测等先进技术，智能化和精量化程度高[1-4]。但国外马铃薯的种植土壤条件、降水气候等均与国内存在明显差异，且国外马铃薯种植机械的体积大、价格昂贵，不符合我国国情，难以在我国丘陵山区马铃薯产区应用。戴飞等[5]设计了一种全面覆土式马铃薯播种机，田间试验结果表明该机型性能稳定，试验指标均符合国家和行业标准要求。吕金庆等[6]设计了一种双行马铃薯种植机，该播种机配备勺式排种器，在东北地区进行了推广应用。中机美诺科技股份有限公司开发的1240A型马铃薯播种机配套动力100 kW，能一次性完成开沟施肥、播种、覆土等功能，减少作业机具进地次数，减轻土壤压实程度，提高了作业效率和排种播种精度。国内这些机型主要针对北方大面积栽培农艺要求研制，不适用于我国南方丘陵山区的土壤特性和自然环境。

目前绝大多数马铃薯播种机都以链勺式排种器为主[7-12]，为降低漏播现象，一般都增加了人工补种座进行人工补种，增加了用户的劳动强度[13-14]。

传统的链勺式马铃薯播种机采用“上下”链轮结构，为提高单粒播种的准确性，取种勺结构尺寸较小，同时增加了主动或被动的振动装置，使得链勺式排种器结构复杂。

一般丘陵山区土壤粘性大，开沟起垄后会出现起垄高度低、起垄不平整、土壤松散度高等现象，松散的土壤使土壤与种薯接触不紧密，影响种子发芽生长，降低了产量。

针对以上问题并结合南方丘陵山区的马铃薯种植农艺要求[15-16]，本文设计一种对垄型进行整形镇压的三角链半杯勺式马铃薯精密播种机，并开展田间试验加以验证。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

三角链半杯勺式马铃薯精密播种机主要由排肥系统、排种系统、开沟起垄装置、整形镇压装置等部件组成，结构如图1所示。

图1 三角链半杯勺式马铃薯精密播种机结构简图Fig.1 Structure diagram of triangular chain half-cup spoon-shaped potato precision planter1.排肥系统 2.拖拉机 3.靴式开沟器 4.排种系统 5.地轮系统 6.开沟起垄装置 7.总机架 8.整形镇压装置

1.2 工作原理

三角链半杯勺式马铃薯精密播种机传动系统结构如图2所示。该机通过后三点悬挂方式与拖拉机联接。拖拉机牵引机具在已整理好的待播地实施播种作业，前置排肥系统再将肥料撒到田地；地轮随着拖拉机前行转动，两地轮之间的传动轴将动力传送给与其配合的内六角杆上三联链轮，三联链轮通过链条带动三角排种链主动轮，并带动取种勺运动，从而完成取种、清种、导种过程，并将种薯排放到靴式开沟器开出的种沟；后置开沟起垄装置和整形镇压装置完成对种薯的开畦沟、起垄、整形和镇压。通过调整三联链轮与三角排种链主动轮的传动比实现株距的调整。

图2 传动系统结构图Fig.2 Structure diagrams of transmission system1.立式轴承 2.地轮 3.三联链轮 4.链轮 5.三角排种链主动轮

1.3 技术要求

三角链半杯勺式马铃薯精密播种机适用于单垄单行的马铃薯种植模式，种植模式尺寸和播种后马铃薯排列方式如图3所示，整机工作幅宽1 500 mm，垄顶总宽210 mm,垄底宽510 mm。铧式开沟犁的开沟深度y约120 mm,行距700 mm。土垡与地面方向夹角δ≈57°。综合考虑整机结构与质量，提高播种效率和稳定性，半杯勺采取双排交错布置。农艺表明，单垄单行种植条件，马铃薯株距范围为150～300 mm[17-19]。

图3 三角链半杯勺式马铃薯精密播种机种植垄型Fig.3 Planting ridge shape of triangular chain half-cup spoon-shaped potato precision planter1.地面 2.大垄 3.种薯 4.沟 5.种薯排列形式

1.4 主要技术参数

整机主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数Tab.1 Main working parameters

2 排种系统结构与排种过程分析

2.1 排种系统结构与工作原理

三角链半杯勺式排种器结构如图4所示，其排种原理为：地轮转动传递动力到主动链轮，主动链轮通过链条带动两个从动链轮转动，在链条上设有呈交错排列的半杯勺和回收板，半杯勺在转动过程中会穿过柔性板进入到取种区Ⅰ，依次舀取一个或多个种薯；当半杯勺运行至主动链轮上方进入到清种区Ⅱ，半杯勺内多余的种薯在重力和排种链的振动下，沿着两旁的回收板落入二次滑道中，最终沿着二次滑道下沿回到种箱；通过清种区后，半杯勺内的单粒种薯下落至导种区Ⅲ，在导种滑道和前一个半杯勺背部的支撑下向下运动，当到达投种点时，种薯失去支撑力，并在重力的作用下完成投种。

图4 排种器结构与工作原理图Fig.4 Diagram of seed meter structure and working principle1.连接板 2.第一从动轮 3.排种链条支撑架 4.排种链 5.导种滑道 6.第二从动轮 7.半杯勺 8.回收板 9.隔种板10.二次滑道 11.主动链轮 12.种箱 13.柔性限流板挡板 14.柔性板 15.种薯滑道 16.种薯 Ⅰ.取种区 Ⅱ.清种区 Ⅲ.导种区 Ⅳ.地面

2.2 排种系统工作过程分析

如图4所示，排种系统按照对种薯的作用过程分为取种区Ⅰ、清种区Ⅱ和导种区Ⅲ3部分，半杯勺依次通过3个区域，从而完成取种、清种和导种过程，最终实现投种。

2.2.1取种过程分析

半杯勺经过种箱，从中舀取种子。半杯勺的取种长度与宽度决定了舀取种薯的数量。半杯勺理想取种状态是1粒种薯(种薯1)的长度方向与半杯勺中心轴线方向平行，另1粒种薯(种薯2)的厚度方向与半杯勺中心轴线方向平行，如图5a所示；半杯勺直径方向只装入1粒种薯，如图5b所示。

图5 半杯勺取种过程示意图Fig.5 Schematic of half-cup spoon taking seed process

由图5可知，在理想状态下半杯勺取种长度A应大于或等于种薯1的厚度C2和种薯2的长度C1之和。半杯勺取种宽度方向上要求只拾取一个种薯，多余种薯能顺利滑落，即半杯勺取种宽度不大于种薯宽度。由文献[20-21]可知，单个种薯质量在30～50 g，长度、宽度、厚度范围分别在45～55 mm、40～45 mm、35～40 mm，因此半杯勺取种长度A取90～95 mm，取种宽度B取40～45 mm。

2.2.2清种过程分析

半杯勺携带一个或多个种薯绕主动链轮旋转，半杯勺由倾斜状态变为水平状态，种薯2在半杯勺斗的支撑下始终保持稳定状态，直至到达携种区。而种薯2与种薯1接触面较小，始终处于不稳定的状态，在重力G和由旋转方向改变带来的惯性力F1的作用下，种薯2从半杯勺滑落，进入二次滑道，返回种箱。如图6所示，同时为保证种薯2能够稳定置于半杯勺斗内，半杯勺厚度d应小于种薯宽度的一半，半杯勺深度d1略大于种薯厚度的一半。

图6 半杯勺清种过程示意图Fig.6 Schematic of half-cup spoon cleaning process

2.2.3导种过程和投种过程分析

半杯勺携带1粒种薯绕第二从动轮旋转，半杯勺由水平状态转变为向下倾斜状态，种薯从半杯勺斗脱离，并滚落至前一个半杯勺背部，如图7a所示。在重力G和前一个半杯勺的支撑作用下以匀速V1到达投种口，从而完成整个播种过程。如图7b所示。

图7 导种过程和投种过程示意图Fig.7 Schematic of seed delivering process and seeding process

3 关键工作部件设计

3.1 排种系统

3.1.1半杯勺

在杨锴等[22]设计的半杯勺基础上，依照切块种薯三轴尺寸和杨锴的试验结果，对其进行了优化。缩减半杯勺整体高度，半杯勺斗小端与半杯勺底部相齐，大端低于半杯勺连接圆环2～3 mm。半杯勺的结构与尺寸保证取种时能取到2或3粒种薯；在清种区下部种薯与连接圆环紧密接触，处于稳定状态，而上部多余种薯在重力等作用下跌落，实现单粒精播的要求，如图8所示。在半杯勺的上部粘附一层厚度为0.5 mm的橡胶衬套，以减少半杯勺的棱角对种薯的划伤。

图8 半杯勺结构图Fig.8 Schematics of half-cup spoon structure1.半杯勺 2.橡胶衬套 3.12A侧链板 4.U型侧板 5.半杯勺斗

3.1.2二次滑道

当半杯勺携种薯至清种区时，如勺内有超过2粒及以上的种薯时，会由于质心力矩不平衡向下滚落，由回收板接住，然后滚落至两旁的二次滑道中最终回到种箱。为防止种薯无法滑动无法回到种箱而造成的种薯堆积，二次滑道与种箱底板之间的夹角β的余角应大于种薯在该二次滑道所用材料的滑动摩擦角，经测试播种时选用的种薯含水率在75%～85%时，种薯切块面的静滑动摩擦角最大为34.2°[23]，因此β取38°。为了防止种薯较多时发生阻塞，下开口尺寸要求大于3粒种薯并排排列尺寸，样机设计下开口b为100 mm，试验表明二次滑道的结构和尺寸能够满足设计要求。二次滑道板由1.5 mm钢板折弯成型，将角度γ1、γ2、γ3分别设置成γ1+γ2+γ3=360°，这样保证钢板平行便于安装，其结构如图9所示。

图9 二次滑道结构示意图Fig.9 Schematics of secondary slide

3.1.3柔性板

图10 种箱总成Fig.10 Seed box assembly1.种薯滑道 2.柔性板 3.种箱 4.半杯勺 5.回收板

种箱中的种薯直接与运动中的半杯勺和种薯滑道发生接触，半杯勺前一个阶段投种完毕后通过种薯滑道进入种箱取种，在取种过程中，种薯在种薯滑道里受到半杯勺的撞击而导致伤薯率较高。为减少此现象，设计了一种柔性板，安装在种薯滑道和种箱底部之间，如图10所示。柔性板选用弹性较好的丁基橡胶板制成。与半杯勺中心对应位置开细长的矩形槽，在半杯勺通过时，柔性板变形并与半杯勺紧密接触，通过后迅速封闭，防止种薯下落到种薯滑道。为避免传动链条对柔性板的碰撞和摩擦，在柔性板中间位置开设方口。

3.2 排肥系统

考虑拖拉机的负荷平衡分布和纵向操纵稳定性，将排肥系统前置，如图11所示。排肥系统由一个肥料箱和与其对应的施肥盘总成、驱动装置总成、调节装置总成等部件组成。排肥系统用U型螺栓固定在拖拉机前桥上。驱动装置总成由排种系统上电机和拖拉机内电源组成。调节装置总成由电机调速器、漏孔面积调节器和撒播宽度调节器组成，依靠调节装置总成来调节施肥速度和施肥幅度。

图11 排肥系统Fig.11 Fertilizer system1.肥料箱 2.网栅格 3.调节施肥宽度板 4.施肥盘总成 5.施肥幅度调节器 6.驱动装置总成 7.机架

3.3 靴式开沟器

针对丘陵山区马铃薯的栽培模式，其播种深度(100～150 mm)[16]的控制是非常重要的因素，如图1所示，马铃薯播种机的播种深度主要通过三点悬挂架挂机位置、地轮高度、靴式开沟器入土深度共同控制。其中，靴式开沟器对播种深度一致性至关重要[5]。设计的靴式开沟器由前刀刃、沟侧土壤分流板、沟侧翼板、立柱和支撑方管组成，如图12所示。

前刀刃的作用是使开沟器具有较好的入土性能，因此需保证前刀刃对土壤具有滑切作用，即满足

(1)

式中α1——前刀刃入土角，(°)

φ1——前刀刃与土壤间摩擦角，(°)

图12 靴式开沟器结构示意图Fig.12 Schematics of boot opener1.定位孔 2.立柱 3.沟侧翼板 4.支撑方管 5.沟侧土壤分流板 6.前刀刃

其中φ1为14°～38°，所以取α1为150°。前刀刃的高度h1取210 mm。为保证开沟器的开沟深度，侧翼形成“V”形种沟，开沟器宽度b1略大于种薯滑道宽度，取200 mm；为减小工作阻力，使刃口将土壤剪开，使沟侧土壤分流板向后滑移,需满足

β1<π-2φ1

(2)

式中β1——两沟侧土壤分流板的夹角，(°)

因此取β1为76°[24]。

3.4 开沟起垄装置

根据种薯单垄单行的种植特性[24]，结合传统铧式犁的犁体曲面设计方法，设计了一种开沟起垄犁，如图13所示，开沟起垄装置主要由卡盒、单翼式开沟起垄犁(左、右)、双翼式开沟起垄犁、立柱等构成。

图13 开沟起垄装置结构示意图Fig.13 Schematic of ditch covering device1.卡盒 2.后机架 3.单翼式开沟起垄犁(左) 4.双翼式开沟起垄犁 5.单翼式开沟起垄犁(右) 6.立柱

根据图3垄行结构，考虑垄上土壤回填等因素，开沟起垄装置开沟土量应多于垄上土量。开沟犁体曲面的设计方法与传统耕地所用的铧式犁体类似，并根据农业技术要求，确定沟壁坡度角δ为40°～60°[25]。其中δ为土垡与地面方向夹角，如图14所示为理想的沟形截面轮廓。图中：lcd为沟面宽度，根据起垄要求，取346.5 mm;lab为沟底宽度，mm;hbd为开沟深度，取120 mm;lef为土梗边线距离，mm；hbf为土梗顶端到沟底距离，mm；h为顶边线高度，mm;l为曲面宽度，mm;δ为57°。

图14 开沟起垄犁体的正视图轮廓Fig.14 Front view contour of trenching plough body

3.5 整形镇压装置

整形镇压装置是对开沟起垄装置起垄后进行整形及镇压，是实现起垄镇压的核心部件。播种后对起垄行整形镇压可以减少土壤中的大孔隙，使土壤与种子紧密接触，有利于土壤保墒、提高地温作用以及使土壤和种子之间的接触更紧密；加强土壤的毛细管吸水功能，使种子发芽后根系发达、稳固，对种薯生长非常重要，对马铃薯的产量提升有很大的作用[26-30]。目前国内针对整形镇压的研究较少，主要通过双圆盘机构进行起垄，没有对垄行整形镇压，因此导致垄型不饱满、松散的土块在表面分布较多，导致土块之间的缝隙偏大，影响种子发芽生长，降低了产量。为保证垄型和垄面紧实平整，设计了整形镇压装置，如图15所示。

图15 整形镇压装置结构示意图Fig.15 Structural diagram of plastic repression device1.方管连接板 2.仿形横杆 3.仿形限位卡 4.仿形纵向方管 5.整形镇压轮

3.5.1整形镇压装置结构与工作原理

整形镇压装置主要是由方管连接板、仿形横杆、仿形限位卡、仿形纵向方管及整形镇压轮等组成。

仿形横杆安装在方管连接板的套筒内，可以相对于套筒转动，同时连接仿形限位卡，控制仿形纵向方管在上下的运动位置，整形镇压轮与仿形纵向方管通过轴连接，实现与仿形纵向方管相对转动。

机具作业时，整形镇压轮开始对开沟起垄装置的起垄行进行整形镇压。当遇到高低不平的垄行时，整形镇压轮也随之上下运动，仿形纵向方管上下运动，同时仿形限位卡也发生转动，仿形横杆相对套筒转动，当仿形纵向方管上下运动达到仿形的最大量时，仿形定位卡会限制仿形纵向方管运动。通过使用平行四杆仿形，可以使播种机的重心前移，结构紧凑。

3.5.2整形镇压装置结构参数确定

在稳定的工作条件下，根据垄型的尺寸来设计镇压轮的结构尺寸；根据所要求的仿形量来确定平行四杆机构的结构尺寸。马铃薯播种机的仿形机构根据地形土壤条件而定，通常情况下，对于起垄后整形镇压，上下仿形量各为40～50 mm，从图16中可知，上下仿形机构总仿形量H为

H=H1+H2=S(sin(σ1+σ)+sin(σ2-σ))

(3)

式中H——总仿形量，mm

H1、H2——上、下仿形量，mm

σ——牵引角，(°)

σ1、σ2——上、下仿形角，(°)

S——仿形横杆长度，mm

图16 平行四杆在xy平面上的参数Fig.16 Parallel four-bar parameters on xy plane

由式(3)可知，若所需的仿形量相同，平行四杆的上下拉杆越短时，牵引角σ变化区域越大，反之则相反，为使镇压轮稳定工作，需牵引角σ的值变化区域越小越好，但这样上下拉杆长度会增加，导致机具重心后移，播种机的三点悬挂所受力变大，播种机纵向稳定性不利，为此需确定拉杆长度和仿形角的最优参数。

现有播种机的上下仿形摆动角为6°～22°，根据方管连接板的尺寸选择XOP为200 mm,当取开始位置时σ1=0°，由于上、下仿形量相等，计算一侧的仿形量即可，仿形横杆的长度S计算式为

(4)

式中，H1取50 mm;σ1取7°～8°。

经计算S为359～410 mm，上下仿形量是由仿形限位卡确定，因此仿形限位卡与仿形方管之间的距离L1为

L1=S-Scos(σ1+σ)

(5)

取S=400 mm,σ1+σ=7.18°,得L1=3.14 mm。

4 田间性能试验

4.1 试验条件与材料

2018年6—8月，在农业农村部马铃薯生物学与生物技术重点实验室试验田内进行了三角链半杯勺式马铃薯精密播种机的田间作业性能试验。试验地长150 m,宽90 m,试验地土壤为黄棕壤，平均土壤坚实度为2 570 kPa。试验前先对播种机进行调试，将开沟起垄装置的开沟深度调节成120 mm。选用30～50 g的“华恩一号”作为试验种薯并将其加入种箱，种薯的平均含水率为77.8%。

4.2 试验方法

使用约翰迪尔奔野300型拖拉机为动力，通过后三点悬挂牵引三角链半杯勺式马铃薯精密播种机，该机标定功率22.1 kW。按照GB/T 25417—2010《马铃薯种植机技术条件》、NY/T 1415—2007《马铃薯种植机质量评价技术规范》和JB/T 51017—1999《中耕作物精密播种机产品质量分等》对播种机进行性能测试。播种机的前进速度调整到1.9～2.0 km/h，株距调整为230 mm时进行试验。同一条件下试验3次。播种试验以粒距合格指数、重播指数、漏播指数和合格粒距变异系数为评定指标，取3次的平均值；起垄试验以垄面宽度、垄沟宽度、垄高和垄距为评定指标，取3次的平均值。三角链半杯勺式马铃薯精密播种机田间试验如图17所示。

图17 田间试验Fig.17 Photos of field trials

4.3 试验结果与分析

表2和表3为播种和起垄的田间试验结果，由表2和表3可知，马铃薯播种机的播种和起垄的田间试验指标均达到了国家标准要求，在试验过程中发现，整机的各个部件运作平稳可靠，能一次性完成施肥、开沟、播种、开沟起垄、整形镇压等作业。

表3 田间起垄试验结果Tab.3 Test results of ridge in field

5 结论

(1)设计了一种三角链半杯勺式马铃薯精密播种机，该机主要由排肥系统、靴式开沟器、排种系统、地轮、开沟起垄装置、机架、整形镇压装置组成，可一次性完成施肥、开沟、播种、开沟起垄、整形镇压等作业。

(2)与传统的链勺式马铃薯播种机相比，该播种机主要做了如下改进：排种器部分采用1个主动轮、2个从动轮的形式使得整个排种链呈“三角形”排布，增加了水平清种区，使多余种薯在清种区依靠自身重力完成清种，降低了漏播指数和重播指数；半杯勺采用管状结构，结构尺寸加大，增加了取种的可靠性和取种数量，尤其是对形状不规则的切块薯效果更好；增加了镇压装置，对土壤实现仿形镇压，使得种薯与土壤密实接触，加快了种薯的生长，有利于马铃薯的高产。

(3)田间试验结果表明，三角链半杯式精密马铃薯播种机的粒距合格指数为83.26%，重播指数为8.36%，漏播指数为8.38%，合格粒距变异系数为22.31%，垄高、垄底宽、垄面宽和垄距的稳定系数均在97%以上，该机性能稳定、作业效果较好、各项指标均符合马铃薯播种的相关要求。试验在农业农村部马铃薯生物学与生物技术重点实验室试验田里进行，试验田的土壤条件和大多数南方丘陵山区相类似，为黄棕壤土质，试验结果表明该机对黄棕壤的适应性较好。