高湿地块油菜复式播种机的整机设计

2020-10-26宋明翰孙萌萌徐勇何瑞银魏清

江苏农机化 2020年5期

宋明翰孙萌萌徐勇何瑞银魏清

0 引言

江苏省是我国油菜生产的主要省份，是农业部规划的优势“双低”油菜产品的重要生产区之一，油菜种植面积在33.33万hm2左右。近几年随着油菜用途的拓展、种植效益的提高，农民种植油菜的积极性逐年提高，油菜种植面积多年持续下滑的局面得到改善。但是油菜生产过程中还存在如下问题[1]：油菜的迟播、晚播，以及渍害、草害、冻害的影响都会导致油菜产量减少[2]；油菜播种时田间秸秆量大、地表土壤含水率高影响油菜机械化播种效率[3]，土壤板结会造成生产成本的增加[4]；在秸秆还田条件下，土壤中秸秆叠加堆积，播种过程缺少覆土镇压环节，使土壤颗粒之间粘结不紧实，油菜种子与土壤接触不紧密，会造成出苗率低、苗弱、死苗现象[5]。

目前，欧美发达国家油菜种植已基本实现机械化、智能化，但国外机械并不适用于我国油菜田土壤含水率高、秸秆残留量大等实际情况。针对江苏地区稻茬地秸秆还田、土壤含水率高、粘性大的条件，本课题设计一套新型的适宜高湿地块油菜播种的机具，可一次完成秸秆位移、带状旋耕、开沟、精量播种等工序。

1 高湿地块油菜复式播种机设计方案

目前国内外对于油菜湿地的播种机具的研究未见阐述，本文为了能够实现油菜播种机在极端条件下顺利作业，本课题对整机布局以及部件设计进行了优化。整机功能主要分为四个部分：秸秆移位、带状旋耕、开沟、精量播种。机具总体结构见图1。插秧机机头通过悬挂架牵引播种

图1机具总体结构示意图

机。机具前进过程中，轮齿式秸秆位移装置随着机具前进开始回转工作，完成秸秆位移的功能。带状旋耕装置的动力来自选配的柴油发动机，经过中间齿轮传动箱传递给旋耕刀轴，带动安装在旋耕刀轴上的旋耕刀高速回转，完成带状旋耕作业。挡土板防止旋耕时产生的土块飞溅。在插秧机启动之前，打开柴油发动机，使旋耕刀轴正常工作；打开播种控制系统电源开关，通过按键和旋钮输入所需播种量等参数。机具作业时，开启播种控制系统开关，光电式编码器采集测速轮上的转动脉冲信号和当前的排种电机转速传递给单片机，经过PID算法处理计算得到目标电机转速，再通过输出相应的PWM波来控制排种电机转速实现对油菜籽播量控制。由于油菜易受渍害，因此，通过开沟犁开出一条排水沟，为油菜播种后排出多余水分提供保障。

2 秸秆位移装置设计

水稻收割留茬过高、秸秆量过大导致油菜出苗率较低。因此在整机研制中设计了轮齿式秸秆位移装置来降低秸秆对机具播种质量的影响。本课题设计的轮齿式秸秆位移装置，12个轮齿均匀分布于轮盘周围，该机构可以实现对秸秆的压、挑、拨、排放等作业。轮齿式秸秆位移装置呈现“八”字型排列，具有拨草与分草两种功能。该装置由齿盘、连接臂、限位螺杆、限位弹簧等部件组成，其中限位弹簧是为了保证该装置在实际工作中遇到地表起伏不平时能够具有一定的入土深度和仿形作用，保证种床清秸质量。该装置通过限位螺母安装在机架上，随着机具前进而开始回转作业，达到清理种床的功能。秸秆位移装置如图2所示。

图2秸秆位移装置

3 旋耕装置的设计

复式作业机作业时，旋耕刀片在动力的驱动下绕刀轴做回转运动，在转速较高时具有良好的耕整地效果。针对土壤含水率超过30%的作业条件[6]，为使机具达到松土效果，满足油菜生长条件，本课题选用的旋耕刀轴方案如下：

旋耕刀的种类以及刀片数量往往会影响旋耕作业效果，前进速度也是影响旋耕作业效果的重要因素[7]，当前进速度一定时，刀片数量会影响旋耕作业质量。切土节距、前进速度与刀片数量的关系如式（1）所示：

式中：S——切土节距，m；

Z——切割单元刀片数目，个；

v——机具前进速度，m/s；

n——刀轴转速，r/min。

依据《农业机械设计手册》设计要求，土壤含水率高于30%时，切土节距一般为6～9 cm，本文取节距为6 cm，插秧机的前进速度一般在0～1.8 m/s无级变速，依据本课题的设计要求，机具的前进速度为0.41～0.61 m/s。本文前进速度取0.6 m/s，故Z取值为3。旋耕刀轴三维模型如图3所示。

图3旋耕刀轴三维模型

本文选用的旋耕弯刀作业幅宽可达到50 mm，故本文刀盘的布置间距为80 mm[8]，拉裂土壤宽度按经验值选为20 mm，因此种带旋耕宽度为10 cm，本文设计的油菜带状播种机的工作幅宽为180 cm，排水沟宽度为20 cm，带状旋耕作业幅宽为40 cm，刀盘数为8个，总刀片数目为24把，具体的刀片排列方式如图4所示。

4 播种开沟装置的选型

图4旋耕刀片排列方式

排种器是油菜播种机的核心部件，对播种机的播种性能影响最为突出。目前，国内外对于油菜播种机的研究主要集中于油菜排种器的优化设计方面，保证播种机作业过程中排种均匀稳定、不伤种，提高播种质量。本文通过对比三种常见的油菜排种器（中心强推式排种器、窝眼轮式排种器、正负气压组合式排种器）进行理论选型。经综合考虑，选用安装便捷、精度较高、种子损伤率较低的窝眼轮式排种器，配套智能化播种控制系统。

我国对于开沟器的研究起步较晚，开沟器的主要类型有犁铧式开沟器、圆盘式开沟器、链式开沟器等。由于播种机悬挂于插秧机后，插秧机的液压提升系统以及动力输出系统对整机质量、动力分配方案要求较高，故主动式开沟装置不适用于本课题开沟器的选型。综合考虑江苏稻油轮作区的田间作业条件等因素，本课题选用犁铧式开沟器。

5 样机的加工与田间试验

在各部件设计完成以后，对于样机进行了加工研制。图5为样机实物图。

图5样机实物图

田间试验是检验机具能否达到设计要求的关键环节，通过田间试验可以进一步检验样机在田间的实际工作状态，检验机具设计的合理性和生产适用性，从中发现样机存在的问题，进而为样机优化设计提供指导建议[9]。

5.1 试验条件

1）试验时间及天气条件：2020年6月7日，晴。

2）试验地点：南京市高淳区下坝镇禾田坊谷物种植家庭农场。

3）土壤类型：重粘土。

4）地表状况：人工铺设秸秆平整地后上水泡田。

5）田块处理：田块泡水处理，上水泡田24 h后排出田间积水。

6）试验前，在0～20 cm土层中测得的物理参数（每5 cm为1层，每层取1点）：土壤含水率分别为32.4%、38.39%、37.24%、32.43%；土壤坚实度分别为266 kPa、195 kPa、1 995 kPa、2 623 kPa；土壤容重分别为1.66 g/cm3、1.78 g/cm3、1.98 g/cm3、1.97g/cm3。

7）试验前测量的秸秆物理特性：秸秆平均长度8 cm；秸秆平均含水率54.1%；秸秆平均密度1.63 kg/m2。

8）试验田块结构：试验前规划试验小区，试验区总长60 m、宽15 m，可分为机具掉头区域、怠速区域、测量区3个部分，详见图6。

9）油菜种子：宁杂1818。10）电子称：精度0.01 g。

11）配套动力：洋马YR60D插秧机（15.36 kW）。

12）前进速度：设计速度为0.6 m/s，三个行程中实际测量的速度平均值分别为0.55 m/s、0.51 m/s、0.49 m/s，试验中总平均速度为0.52 m/s。