菜豆角（杂豆）施肥覆膜播种筑土联合作业机的设计研究

2021-05-07张昆黄法伟刘俊兵陈长海朱春艳董晓威张义峰

黑龙江八一农垦大学学报 2021年2期

张昆，黄法伟，刘俊兵，陈长海，朱春艳，董晓威，张义峰

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.哈尔滨市农业科学院；3.黑龙江八一农垦大学电气与信息学院）

菜豆角是一种常用饮食蔬菜，又被称为“油豆角”。黑龙江省和吉林部分地区由于气候冷凉适于菜豆角的生长，其营养丰富、肉质细软，是东北饮食文化的主要代表之一[1-4]。菜豆角还可进行脱水和冷冻加工，具有较高的经济效益和广泛的应用途径[5]，东北菜豆角近年来产发展迅速。另外菜豆具有固氮作用[6]，是优良的轮作更替作物。

上世纪80 年代末，在东北地区大中城市郊区开始出现露地大面积商品化生产菜豆角；90 年代初菜豆角开始进入棚室栽培，后逐渐形成棚室栽培、露地小拱棚栽培、地膜覆盖栽培、露地栽培、露地延长栽培、棚室延后栽培等多种多样的栽培形式，并出现多种形式的间作套种[2]。由于菜豆角栽培技术较为粗放，肥料施用不合理、病害严重等问题导致菜豆角品质差、产量低、效益差，严重制约了菜豆角产业的发展[7]。

近几年，南方一些地区如南京、海南等地的技术人员在积极引种东北的油豆角品种，但其品质始终无法达到原产地的标准[8]。目前，我国菜豆角的种植绝大多数仍然采用人工种植方式[9]，农民的劳动强度大、效率低而且难以保证播种质量，是制约我省菜豆角发展的重要因素之一。国内还没有菜豆角专用播种机，极少数菜农利用棉花、花生播种机、石河子永昌机械厂生产的条播机等其他专用播种机牵强用来播种菜豆角[10-11]，这类机具存在播种质量差、效率低、功能单一和作业环节多等问题，不能大幅度提高作业质量及作业效率，不能大幅度降低农民的劳动强度。东北农业大学的杨国威等[12]，提出了菜豆角多功能播种机的概念性设计，未能给出多功能播种机具的结构。

因此，为了加快我省菜豆角的发展速度，菜豆角（杂豆）播种机械化技术及机具是亟待解决的。创新研发菜豆角（杂豆）施肥喷药覆膜播种筑土联合作业机，该机一次作业可同时完成施肥、喷洒除草剂、覆膜、膜后播种、膜上筑土等多项作业。可大幅度提高作业质量和效率，降低农民的劳动强度。为菜豆角的种植业创造一定的社会经济效益。

1 联合作业机总体结构与工作原理

菜豆角播种方式通常采用育苗移栽，亦可直播；在温度低湿度大时，宜用干籽直接播种；菜豆多为穴播，为了预防根蛆为害，播种施敌百虫粉进行处理。干籽直播的，播种量为20～30 kg·hm-2；育苗移栽的，播种量为15～20 kg·hm-2；且合理密植是菜豆丰产的重要环节[13-14]。

1.1 总体结构

根据菜豆角的种植农艺要求，同时为保证施肥点和播种点在垂直方向上重合精度，针对对菜豆角施肥部件的施肥位置和播种装置的排种点位置进行协调控制分析与设计，然后匹配喷药与覆膜机构；通过UG 虚拟仿真技术进行了模拟分析，采用模块化集成技术设计了菜豆角联合作业机，可实现施肥、喷洒除草剂、覆膜、膜后播种、膜上筑土等多项作业，虚拟样机如图1 所示。

图1 菜豆角（杂豆）施肥喷药覆膜播种筑土联合作业机虚拟样机Fig.1 Vegetable beans（mixed beans）fertilizer spraying coated seed up dirt joint rig virtual prototype

1.2 工作原理

采用东方红504 拖拉机悬挂作业。作业时，前置的“弧面靴式”施肥开沟器先行开沟，开沟深度较深，延迟了土壤回流，保证了施肥深度准确，开沟后的同时侧深施肥装置1 进行间歇定点施肥；平垄装置2在施肥后开沟土壤回流过程中，可另配喷药装置喷施防蛆药液进行封闭；覆膜机构3 进行覆膜作业，“海绵胶皮”的展膜轮既有张力又兼具弹性好，覆膜效果好，同时不损伤膜；鸭嘴式排种器4 在覆膜后进行播种作业，取种方式为“窝眼”式，可便捷调整播种量，且播种量精确；筑土装置5 的筑土棍在播种后的苗带上筑土，防止膜上破孔透风、出苗后防止烤苗，并压实膜。

2 联合作业机关键部件设计

2.1 菜豆角的施肥装置

针对菜豆生长所需肥量的要求，结合菜豆的施肥特点，采用间歇施肥方式进行施肥。本部分的施肥装置设计为伺服电机+螺旋排肥的结构形式[15]。排肥管顶端预装伺服电机，伺服电机通过锥齿轮驱动两行排肥管中的螺旋轴，并由逻辑信号控制伺服电机启动和停止，进而实现间歇定点精量施肥，施肥点的位置由地轮上安装的传感器反馈信号，通过伺服驱动装置控制伺服电机启停，实现施肥装置的施肥点与播种点的吻合。排肥部件的结构如图2 所示。

图2 排肥螺旋轴结构图Fig.2 Structural diagram of distributing fertilizer screw axis

排肥部件的参数主要有螺旋搅龙直径D、螺旋搅龙转速N、螺旋角龙螺距S 等参数直接影响施肥量。通过预实验及相关资料[16-19]，利用公式：

式中：Q—输送能力，kg·h-1；K—物料特性系数；ψ—填充系数；C—倾角系数；ρ—散装密度，kg.m-3。根据排肥量要求初步确定D=（16、18、20、22、24）mm；搅龙芯轴直径d=（0.2～0.35）D=6 mm；螺旋搅龙螺距S=0.9×D=21.6 mm，K=0.8～1.0，综合分析取：K=0.9；则螺旋搅龙转速：

式中：A—物料综合特性系数（取A=86）；Nmax—螺旋的最大转速（r·min-1）；D—螺旋外径（m）；

螺旋外径与施肥管内径间隙δ（mm）满足：δ

2.2 菜豆角排种器三维建模与仿真

针对东北地区常用菜豆角种子，采用鸭嘴式排种器结构。只有该播种方式才能满足在覆膜后进行播种作业，取种方式为“窝眼”式，可便捷调整播种量，且播种量精确，豆角农艺要求播种量为2～3 粒·穴-1。

（1）窝眼轮设计

窝眼轮式排种器又叫垂直型孔轮式排种器，主要有排种轮、护种板、刷种轮等组成。窝眼轮上的型孔菜豆角种子的基本参数等设计为单排或者多排以满足需求。窝眼轮的直径一定程度上决定了种箱的大小，同时也决定了整体外壳尺寸的大小。如果窝眼轮的直径太小会使得充种区的曲率过大，不利于种子填充型孔而造成漏播。窝眼轮直径一般为80～200 mm，装置选取120 mm。同时窝眼轮上型孔越多，窝眼轮线速度越低，有利于改善充填性能。但是受限于窝眼轮直径的大小，因此选择和外壳同样的型孔数，这样可使外壳与排种轮转速一致。根据农艺要求的每穴2～3 粒，由资料[20]得知多数种子以两粒平放，因此选取型孔直径为1.7 cm、深度为2 cm，为使充种时不损伤种子，型孔要附带前角或者后角和倒角。排种轮的三维图，如图3 中A 所示。排种轮与轴的连接采用A型平键，型孔为圆柱形并设计倒角和前角，前角的形状为半圆形凹槽，这样能契合菜豆角种子的椭球形形状，可以方便入孔，另外可较少充种时型孔对其造成损伤。

（2）刮种轮设计

窝眼轮式播种器的刮种装置采用刷种轮，如图3中B 图所示。刷种轮以3～4 倍速度与排种器相反的速度旋转，用刷种轮的外圈把多余的种子带走，其刮种性能比较好。刮种轮的安装角度一般为22 °～45 °。刷种轮要和要和小齿轮轴线相同，因此采用将刷种轮和齿轮轴结合，在轴上钢制滚花，以达到刷种轮的效果。虽然这样会使轴丧失一部分强度，但这样减少了需要组装的部件，而且保证了刷种轮与齿轮的同轴度，减少了整个轴系部件的制造难度，同时也降低了刷种轮轴的装配难度。

图3 排种轮与刮种轮Fig.3 Feed shaft and brush gear shaft

（3）护种板设计

护种板主要是防止种子在运输过程中不从型孔掉落下，使其准确落入鸭嘴式开穴器内。一般护种板与窝眼轮边缘的间隙为0.5～0.7 mm，这里选择0.7 mm。其护种区弧度一般为120 °～160 °。护种板种子出口处一般偏后垂直线15 °左右，保证种子有充足时间落如入鸭嘴腔内，同时在鸭嘴即未张开的时候充种，进入准备释放种子的状态。护种板的三维实体，如图4 中B 所示。

图4 护种板三维图Fig.4 Three-Dimensional diagram of the Protector

图中板的厚度是2 mm，且板的材料是塑料，具有重量轻等优点。板的两侧具有凸起，为左右种箱构成板与护种板连接的部分，起定位以及连接支撑，确保护种板与排种轮轮缘处距0.7 mm。

（4）种箱设计

播种单体的种箱包涵了填种区，利用充种区上的空隙隔出。其有隔板和两块侧板构成。侧板承受隔板的重量，材质均为塑料。种箱的相关结构角度，见图5 中A 所示。β 角即为刮种器安装位置，同时也是第一块种箱构成板的位置，α 即为种子填充角，α 和β 所夹的圆弧即为种子填充圆弧，种子填充圆弧越长，充种性能越好，充种时间越长，窝眼轮性能越好，但是角度过大，即种箱壁板倾斜角度小于种子自然休止角，导致种子不能下落，造成漏播等状况。θ 为落种提前角，为了保证种子顺利落入鸭嘴的腔内。

图5 种箱设计图Fig.5 Three-dimensional diagram of box parts

因为种箱为内化的在外壳上需要加对应的填种孔，但是这样也保证了种箱的干燥与密闭。种箱的两块隔板左右侧附带凸起，通过插入左右的圆形板中来定位，同时左右的轴共同承担这着种箱的重量。图5 中B 所示，为种箱部件的三维实体建模，可看出种箱是由刷种轮轴的一部分、充种区角度的两块塑料板、排种轮所构成。图中左挡板的一部分为方孔，防止种箱的部件因外界土地不平整而使种箱产生的摇晃旋转运动。右外壳和左外壳是镜像结构布置，但是不同之处为此处不用方轴，而是无外圈圆柱滚子轴承。

（5）排种单体

将上述部件设计进行集成，获得菜豆角排种单体三维装配图，如图6 所示。可以看出，排种轮与种箱构成板之间无干涉运行的状况，且不产生碰撞，且尺寸合理，轴上各个零部件例如轴承、齿轮、轴套等都有相应的定位，并无过约束或者欠约束的情况。

图6 三维总装图Fig.6 3D diagram of assembly

排种器三维实体建模完成后，进行了运动仿真分析，仿真过程如图7 所示。轴上的齿轮、轴套、轴承在运转的过程中无相关干涉。从仿真运行过程中得知机器的排种轮轴并无左右窜动现象，且轴承无左右窜动，具有良好的轴向定位。排种轮上的轴系部件不与其他轴上的轴系部件产生轴线方向上的干涉情况，且无过约束或欠约束的情况，因此整个排种器的设计是合理的；而机器的实际工作情况和实际表现，还有待于实际下地播种后考证。

图7 三维仿真主视图Fig.7 Main View of 3D simulation

2.3 其他装置的设计

由于整机采用大垄双行作业，限定行距为50 mm，可确定覆膜机构的尺寸参数，展膜轮设计为“海绵胶皮”轮，既有张力又兼具弹性好，展膜效果佳同时不损伤膜。和喷药装置喷嘴的结构形式及流量控制。筑土装置，是在播种后的苗带上筑土，主要是覆盖播种后膜上破孔防止透风、出苗后防止烤苗；压实膜。“圆盘筑土部件”在垄沟（膜的两侧）取土通过“筑土棍”里的三片螺旋叶片输送至苗带上，输送通畅、输送位置精准。各部件结构设计完毕后进行了各装置的集成设计，经过试制的样机如图8 所示。

图8 菜豆角联合作业机Fig.8 Vegetable beans joint rig

3 田间试验

依据菜豆角联合作业的要求，为了检验菜豆角（杂豆）施肥覆膜播种筑土联合作业机的性能稳定性，2020 年5 月于哈尔滨呼兰区、双城市菜豆角生产示范基地开展了田间试验技术指标考核。

图9 田间试验考核Fig.9 Field experiment assessment

通过大面积田间生产试验考核，检验了样机各项性能指标，随机抽取测定段进行了作业参数的测量：菜豆角的株距21.6 mm，行距为50 mm，播种深度为5 mm；符合菜豆角种植农艺要求，且联合作业机的作业质量稳定，因此满足设计要求。试验效果非常理想，施肥、播种均匀性好；覆土深度一致；压膜效果佳；扎孔部件工作稳定、效果比较好；筑土带覆土厚实一致，累计作业面积百余亩。随后定期跟踪考察播种后出苗情况，出苗整齐一致，受到广大农民、专家的一致认可；秋收季节到基地进行测产，以品质黄金勾为例：覆膜（试验田）籽粒产量为1 350 kg·hm-2，对比田籽粒产量为1 125 k·hm-2，平均增产20%。预期达到总体目标：为寒地菜豆角机械化种植提供技术可靠、性能稳定的菜豆角（杂豆）施肥播种喷药覆膜联合作业机，提高播种效率、播种质量；减轻农民劳动强度；为适时播种提供了保证；为加快我省菜豆角的发展速度，奠定了基础。