西南山地手扶式马铃薯播种机的研制

2019-12-21卢贤斌钟丽辉谢昌艺魏欣月

农机化研究 2019年1期

卢贤斌，钟丽辉，谢昌艺，魏欣月，王远

(西南林业大学 a.机械与制造工程学院；b.大数据与智能工程学院，昆明 650224)

0 引言

马铃薯是我国第四大粮食作物，预计2020年50%以上的马铃薯将作为主粮消费[1-2]。在2010年，马铃薯的世界产量已经达到了3亿t多，中国成为了世界第一产量大国，产量近7 500万t[3]。我国也是世界上马铃薯种植面积最大的国家，年种植面积49万hm2多，占全球种植面积的25%，主产区是西南山区、西北、内蒙古和东北地区[4]。其中，西南山区的播种面积又是国内最大的，约占全国总面积的1/3。目前，西南山地大部分地区仍依靠人畜力进行马铃薯种植，种植过程劳动强度大，生产效率低，不能满足大力发展马铃薯产业的需求，提高马铃薯种植过程机械化是改变现状的一种有效途径。

国外马铃薯机械化起步早、发展快、技术水平高。二战后，欧美许多发达国家先后完成了由传统农业向现代农业的过渡和转化，经过几十年不断地发展，其农业机械化水平已经相当完善，现在正朝着大型化、智能化、精量化，以及多功能联合型方向发展[5-8]。20世纪40年代初，苏联、美国就开始研制、推广应用马铃薯收获机械，50年代末即已实现了机械化；20世纪50-60年代，马铃薯收获机械在苏联、欧美等国开始广泛应用。这些机型中，多数是由大功率拖拉机改装而成，主要有欧盟组织研制的链式马铃薯种植机[9]、美国Crary公司研制的Lockwood604/606/608型气吸式马铃薯播种机、加拿大McLeod CD等人研制的气力式马铃薯精密播种机[10]、英国Standen Engineering公司开发的SP系列马铃薯播种机、德国GRIMME公司研制的VL19E型双行马铃薯播种机[11]、意大利F.LLISPEDO公司研制的SPA-1/SPA-2/SPA-4型马铃薯播种机[12]。我国虽是马铃薯产量大国，但对马铃薯播种机的研究起步较晚，直到20世纪60年代初才开始研制，故马铃薯总体机械化水平不高。许多新技术与工艺在近年的出现，为马铃薯播种机创造了一个好的发展平台[13]。目前，国内马铃薯播种机主要有2CMFL-2型马铃薯种植机[14]、2CM4B型牵引式马铃薯种植机[15]、2CMF-4型悬挂式马铃薯种植机[17]、2CM-4型马铃薯播种施肥联合作业机[16]、单行悬挂式马铃薯施肥种植机[18]等。上述的马铃薯播种机多以大型拖拉机为动力源，不适于在西南多山、道路狭窄弯曲的地区应用。

为此，研制了一种不以大型拖拉机为动力源，适于西南山地应用的手扶式马铃薯播种机，且集开沟、播种、施肥与覆土于一体，旨在减轻西南山地马铃薯种植的劳动强度，提高生产效率，也为相关小型农业机械的设计提供一定的理论借鉴与技术参考。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

本文研制的手扶式马铃薯播种机主要由播种、定量施肥、开沟、覆土4大装置组成，以汽油机为动力源，其结构如图1所示。其中，播种装置由种箱、播种管、挡块、取种机构、杠杆、摇杆、曲轴和播种链条链轮机构等组成。种箱安装在机架上；播种管位于其前端，下端正对着开沟器；挡块固接在种箱下端；取种机构和种箱之间采用移动副相接，其位置由下端的摇杆、曲轴控制；摇杆上端通过转动副连接着取种机构，下端与曲轴相连；杠杆安装在取种机构末端，最后通过播种链条链轮机构连接动力源。

与马铃薯播种装置并排安装的是定量施肥装置，由出肥管、施肥链轮链条机构、定量取肥转轮和肥料箱等组成。肥料箱固定在机架上，定量取肥转轮通过一根轴安装于肥料箱下端；出肥管上端固连在定量施肥转轮出口，下端通过机架固定位置，并正对着播种的墒沟。

动力源安装在播种机中后部，采用链轮链条机构传递动力，利用安装在扶手上的油门手把调节输出功率。因马铃薯种植地土质较软，摩擦阻力大，故选用有花纹的胶轮作为行走轮，其外沿上设置有刮土板，以刮除粘附于胶轮上的泥土。开沟器和覆土器固连于机架的前部和尾部。播种机主要零部件采用钢材制成，表面喷漆防锈。整机的外形尺寸(L×W×H)为1 280mm×400mm×850mm，质量约65kg。

1.种箱 2.播种管 3.挡块 4.取种机构 5.杠杆 6.摇杆 7.曲轴 8.播种链条链轮机构 9.胶轮 10.刮土板 11.开沟器 12.覆土器 13.机架 14.链条链轮机构 15.出肥管 16.施肥链条链轮机构 17.汽油机 18.定量取肥转轮 19.肥料箱 20.扶手 21.油门手把图1 手扶式马铃薯播种机的总体结构Fig.1 The overall structure of the handy potato planter

1.2 工作原理

工作时，先将马铃薯种块和固体颗粒肥料分别置于种箱和肥料箱中，调整好开沟器和覆土器的位置；接着，启动汽油机，双手握持扶手，通过左手的油门手把控制汽油机的输出功率，链条链轮机构驱动胶轮转动，驱使播种机向前行进；播种机前端开沟器开出深12～15cm、宽4～6cm的土沟，同时前轮通过链条链轮机构将动力传递给播种装置和定量施肥装置；此时，曲轴顺时针旋转，带动与之相连的摇杆运动，取种机构则向下移动；当摇杆运动到最低点时，马铃薯种块受自重滚入取种机构顶端的倾斜凹坑；随着曲轴旋转，取种机构开始向上移动，当其达到最高点前时，杠杆一端被挡块翘起，使得取种机构内部的活塞杆上移，直到取种机构到达最高点；由于重力的作用，马铃薯种块通过播种管，滚入播种的土沟里。

播种作业的同时，施肥链条链轮机构带动定量取肥转轮做顺时针旋转。当肥料箱下端出口对正定量取肥机构的取肥套，肥料会在自重作用下填满取肥套；随着定量取肥转轮的旋转，当取肥套对着出肥管，肥料便施于播种的土沟中，且与种块的间距约为5cm。

2 主要装置的设计

2.1 动力源的确定

手扶式马铃薯播种机的功率消耗由以下几部分组成，即

P=Pq+Pp+Pt+Pf

(1)

其中，Pq为开沟功率消耗；Pp为覆土功率消耗；Pt为播种机前进功率消耗；Pf为传动、摩擦功率消耗。其中，开沟和覆土所消耗功率占总功率消耗的80%以上，其经验估算公式为[21]

Pq+Pp=BaKγVm

(2)

其中，a为耕深，10～12cm；Vm为播种机行进速度，0.1～0.2m/s；B为耕幅，5～6cm；Kγ为开沟土壤比阻，0.5～0.6。取较大数值带入式(2)计算得：Pq+Pp≈5.2kW。

又考虑播种机的传动及摩擦等功率消耗，约占总功率消耗的20%，得出播种机所需额定总功率为

P=(Pq+Pp)/0.8=6.5kW

(3)

同时，考虑作业过程中，地面不平、泥土粘结性差异等因素，给定一个功率储备系数k=1.5，得出设计总功率：P设=9.75kW。依据计算，选用BN192F/D型汽油机，其最大功率12kW，质量约35kg。

2.2 播种装置

2.2.1 播种装置的结构和原理

播种装置主要由种箱、播种管、挡块、活塞杆、杠杆、摇杆、曲轴，以及播种链条链轮机构等组成，如图2所示。

1.种箱 2.播种管 3.挡块 4.活塞杆 5.杠杆 6.摇杆 7.曲轴 8.播种链条链轮机构图2 播种装置的基本结构Fig.2 The basic structure of the sowing device

播种链条链轮机构将动力传递给曲轴，带动摇杆使取种机构在种箱里进行上下移动完成取种，同时利用安装在取种机构下端的杠杆顶起活塞杆在取种机构上升到最高点时，将取种机构上端的马铃薯种块顶出后，由安装在种箱上的播种管落入墒沟，完成播种。

2.2.2 播种链条链轮机构的设计

1) 设计依据。依据马铃薯品种要求的密度播种，早熟品种株距约20cm，中熟品种株距约25cm，晚熟品种株距约30cm。为满足不同品种播种距离要求，设计了3种传动比。

2) 传动比与链轮齿数。手扶式马铃薯播种机的胶轮每行驶1周，播种装置可完成的播种次数M为

M=πD/S

(4)

其中，D为胶轮直径(cm)，D=30mm；S为株距，取20、25、30cm。此时，马铃薯种植的株距就等效于小链轮的周长，大小链轮齿距相同，可以根据周长比得到3组链传动的传动比，即

(5)

其中，i为传动比；L1为大链轮的周长；L2为小链轮的周长；p为链轮节距；z1为大链轮的齿数；z2为小链轮的齿数。

同理得：i2=3.77，i3=3.14。取小链轮齿数z1=21，圆整后大链轮的齿数分别为99、90、76。且实际传动比与理论传动比误差小于±5%，符合设计要求。

3) 链条节数与型号。以传动比i1进行初定中心距a0=20p，i2和i3链轮工作时，通过张紧装置调节。可得

(6)

式中Lp—链条节数。

载荷平稳，取工作情况系数Ka为1.0，链轮齿数系数Kz为1.1；采用单排链，取排链系数Km为1.0。可得

(7)

根据实际功率和工作条件，选08A链条可满足条件，其节距为12.7。其实际中心a距应设计为可调节的，取值为254mm。

2.2.3 种箱的设计

种箱的容积大小是按照播种的行程、工作幅宽、播种数量及种子单位容积的质量而定的。通过以往的经验可得：播种机在播种的过程中不会全部把种子都播到地中，种箱内会留有10%左右的剩余种子，因此加种时需多加一部分，以避免因种箱内的种子太少而造成播种质量的下降。种箱容积计算式为

(8)

其中，B为机具工作副宽，30mm；L为装满种箱一次所能行走距离，即一个往返行程，种植地长度的2倍，300m；Nmax为单位面积的最大播种量，10kg/hm2；γ为种子的单位容积量，种箱所容纳的尺寸规格为30mm×30mm×30mm的马铃薯种块35个，均重50g，计算得到γ≈1.7kg/L。

将上述数值代入式(8)，计算得：V=29.1L，实际尺寸取30L。

2.3 定量施肥装置

2.3.1 定量施肥装置的结构和原理

定量施肥装置由肥料箱、传动轴、取肥机构、出肥管以及施肥链条链轮机构组成，如图3所示。施肥链条链轮机构将动力传递给传动轴，传动轴带动取肥机构，从而使定量施肥装置完成作业。

1.肥料箱 2.传动轴 3.取肥机构 4.出肥管 5.施肥链条链轮机构图3 定量施肥装置的基本结构Fig.3 The basic structure of quantitative fertilization device

2.3.2 肥料箱

根据西南山地马铃薯种植的作业要求，肥料箱容积不能少于0.03m3，可通过下列公式计算，即

(9)

其中，V为肥料箱容积(m3)；B为机具工作幅宽(m)；L为种肥箱装满一次所能行走的距离(m)；Q为每公顷播种量(kg/hm2)；μ为充满系数，取0.7；v为种肥容量(kg/dm3)。

如图3所示，肥料箱为漏斗形结构，上箱体长500mm、宽300mm、高200mm；下箱体长300mm、宽150mm、高150mm。

2.3.3 施肥链条链轮机构

播种机在进行作业时，为了防止肥料直接施于马铃薯种块上而导致马铃薯种块腐烂，所以定量施肥装置应与播种装置保持一个相位差，才能完成种植作业。同时，施肥链条链轮机构和播种链条链轮机构的中心距和链条节数应不同，其他参数完全相同。

1) 链条节数。以传动比i1初定中心距a0为50p(即635mm)，i2和i3链轮工作时，通过张紧装置进行调节。可得

(10)

2) 相位差。相位差的大小，即播种机从马铃薯种块到施肥处，胶轮所转过的角度，则有

其中，d为马铃薯种块与肥料的间距；D为胶轮的直径。

2.4 开沟器与覆土板

开沟器为芯铧式，如图4所示。马铃薯种块需在温度7～8℃时，才能正常发芽；气温潮湿地区种植深度不超过12cm，气候较高地区播种深度约18cm。因此，开沟器设计为可调式，其调节范围10～20cm。工作时，芯铧入土开沟，两侧板向两侧挤压土壤形成种沟。其优点是开沟宽度大、入土能力强。开沟器入土角度为25°～30°，开沟宽度4～6cm。