棉花幼苗期封土机的设计

刘 斌，王 蒙※，郑 伟 ,王 磊

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000；2.山东五征集团有限公司）

0 引言

棉花是新疆的主要经济作物，2020 年，新疆棉花种植面积达2 501.93khm2[1,2]。棉花种植广泛采用膜上精量穴播技术和66 cm+10 cm 的株行距种植模式，能有效促进棉苗生长，降低生产成本[3,4]。新疆春季昼夜温差大，大风天气频繁，不利于棉花幼苗期的保温和保墒，此时需对棉花幼苗进行封土作业以确保棉花生长所需温度和水分。

目前，国内棉花幼苗期封土作业主要有人工封土和机械封土两种方式，人工作业成本高、作业质量不一致，已不适应棉花生产全程机械化的需求，因此开发棉花幼苗期封土作业机械势在必行。朱金娇等人设计了一种膜上封土机，采用两侧旋土取土螺旋送土机构，但送土机构的螺旋轴过长，作业效果不稳定[5]；倪向东等人设计了一种地膜精量封土机，在旋耕取土装置后配置碎土链轮保证土壤完全破碎，其作业效果好，但传动机构复杂，保养和维修成本高[6]；周秀梅设计了一种棉花封土机，采用滚筒机构完成送土和碎土作业，作业效率高，但滚筒位置固定，封土作业时易伤苗[7]。

本文在前期研究的基础上，根据机采棉种植模式和幼苗物理特性，设计了一种双螺旋棉花幼苗期封土机，能实现取土、送土和覆土连续作业，制作样机并开展田间试验，以期为幼苗期棉花封土作业机械研制提供参考。

1 幼苗期棉苗物理特性分析

为分析棉花幼苗期的物理特性，于2021 年4 月在第八师142 团21 连的棉田进行田间调研。棉花种植模式为66 cm+10 cm，棉花品种为新陆早42 号，平均株高37.65 mm，如图1。土壤类型为黏土，土壤坚实度为1 286 kPa，土壤含水率为29.4%，环境温度为35 ℃，空气湿度为31%，有一级风，无持续风向。穴播口形状呈四边形，其对角线的长边长度为30 mm，短边长度为15 mm。

图1 种植模式

采用人工封土，封土层厚度20 mm，封土层宽度200 mm，膜上封土土壤密度使用SPS402F 电子天平测量，测量前使用标准砝码对SPS402F 电子天平校准，测得平均土壤密度为2.5×10-4g/mm3。

2 封土机整机结构和工作原理

2.1 整机结构

棉花幼苗期封土机结构如图2。主要结构包括机架、传动系统、取土结构、送土结构、落土结构。

图2 整机结构

棉花幼苗期封土机工作时，封土机机架与拖拉机通过三点悬挂的方式连接。拖拉机的后动力输出轴通过万向联轴器将动力传递给封土机的变速箱，再将动力传递给位于机架两侧的取土机构（旋耕刀总成）以及通过链传动连接的送土机构（搅龙），左右两侧限深轮决定旋耕入土深度。机具作业时，行间土壤被旋耕刀破碎，相邻的挡土板插入破碎的土壤中，将土壤抛送至栅栏处。成块的土壤与栅栏碰撞变成细碎土壤落入送土机构，栅栏还具有排杂功能，能有效阻止土壤中的残膜、棉秆等杂质进入送土机构。

隔板将前排搅龙与后排搅龙分离，前排左右送土搅龙负责将土壤由两侧运输至中间，隔板限制解除后，土壤进入后排搅龙，后排左右回土搅龙将土壤运输至送土机构两侧，双排搅龙的设计可增加土壤在搅龙中的横向输送时间，以便提高土壤破碎率。在送土机构的运输过程中，土壤通过与落土板相连的落土口实现膜上连续落土，部分土壤用于苗孔的封土，从而完成封土工作。未下落土壤通过两侧的落土口返回行间，以避免送土机构发生堵塞，保证封土工作顺利进行。

2.2 主要技术参数

3 关键零部件设计

3.1 机架设计

机架是封土机最基本的支撑结构，它承载整个封土机的质量，同时与拖拉机相连，所以机架需要有良好的承载能力[8]。在保证各部件安装位置准确的前提下，根据棉花种植模式66 cm+10 cm 的株行距配置方式，设计并计算出合理的机架结构参数，尽可能减轻整机质量以降低拖拉机功耗。综上所述，机架尺寸为820 mm×2 500 mm×100 mm（长×宽×高），如图3。

图3 机架结构

3.2 取土结构设计

取土结构是封土机工作的重要组成部分，其中旋耕刀总成部件可以实现破碎并抛送土壤的动作。其主要由刀盘、挡土板、旋耕刀组成，具体结构如图5。

图4 旋耕刀总成图

旋耕刀选用ⅡT245 的型号[9]，在刀盘圆周内总刀数等分排列，刀盘每转30°便有旋耕刀入土，使切土阻扭矩均匀分布，减小机具振动，且碎土均匀。刀身呈人字形排列，左右旋耕刀交替入土，以平衡旋耕刀切土的侧向反力，减小机具在水平面内的偏转力矩，保持直线前进[10]。

3.3 送土机构设计

送土机构主要由搅龙、搅龙槽和隔板三部分组成，如图5。搅龙由满面式螺旋叶片与螺旋轴焊接而成，其中搅龙1 和搅龙4 的动力输入端与链轮配合，轴承端与吊轴承配合，旋向皆为左旋；搅龙2 和搅龙3 的两端都是轴承端，旋向皆为右旋。搅龙1 与搅龙2 在一条轴线上为前排搅龙，动力来自搅龙1 配合的链轮，使两侧土壤传递至中间部位并传输到后排搅龙。后排搅龙由在同一轴线上的搅龙3 和搅龙4 组成，动力来自搅龙4 配合的链轮，使中间部位的土壤传递至两侧。因为4 个搅龙的输送能力相同旋向不同，所以4 个搅龙叶片直径、螺距、轴径相同。

图5 送土机构

3.3.1 螺旋叶片直径

计算棉花种植模式为66 cm+10 cm1 膜3 行封土1 m所需土壤质量M，由式（1）计算得出。

式中M—1 膜3 行封土1 m 土壤质量，kg；Lk—单行封土宽度，200×10-3m；Lh—封土厚度，20×10-3m；ρ—封土土壤密度，2.5×102kg/m3。计算得M为3 kg。

封土机土壤输送能力Q如下：

式中v—封土速度，8 km/h。

由式（1）、（2）得Q=24 t/h，为了保证封土作业稳定性，设计封土机土壤输送能力提高至1.25 倍，Q取30 t/h。

螺旋叶片直径根据输送能力、输送物料类型、结构和布置形式等确定为公式（3）[11]。

式中D0—螺旋叶片直径，mm；K—物料综合系数，取值0.049；C—倾角系数，取值1；λ—物料的单位容积质量，t/m3，经前期田间调研，取值1.7 t/m3；ψ—颗粒的填充度，取值0.3[12]。代入公式求得螺旋叶片直径D0=149 mm。依据GB/T 36865-2018[13]，设计螺旋叶片直径D0=160 mm。

经田间调研得，当土壤粒径大于30 mm 时，封土作业的土壤易压伤棉苗，故搅龙允许通过的最大的土壤颗粒的直径为30 mm，即搅龙与隔板的间隙[14]。因此前后两排搅龙的轴间距为220 mm。

3.3.2 螺距

螺距不仅决定着螺旋的升角，还决定物料运行的滑移面，所以螺距的大小直接影响着物料输送过程[15]。根据公式（4）计算螺距大小。

式中P—螺距，m；按标准的水平螺旋输送机进行设计，取K1=（0.8～1.0）[13]。由公式计算得出螺距的取值范围P=（128mm～160mm），螺距取上限值160 mm。

3.3.3 螺旋轴轴径

搅龙轴径d由公式（5）计算得出。

式中x=（0.2～0.35）[13]，考虑设计成本和加工条件，在保证强度和质量的情况下，设计螺旋轴为空心轴，螺旋轴轴径d=423 mm。

3.4 传动系统

该机的传动系统为机械传动，由动力输入轴、减速箱、动力输出轴、链轮等组成。动力输出轴和链轮分别带动取土机构和送土机构转动。送土机构的轴线位置与动力输出轴的轴线位置相距较远，为保证传动平稳可靠，其传动方式采用链传动。封土作业时，前排左右送土搅龙将土壤由两侧运输至中间，后排左右回土搅龙将土壤由中间运输至两侧，多余土壤通过两侧的落土口返至田间。为确保封土作业的完成，前侧螺旋送土机构与后侧螺旋送土机构的转向相反。拖拉机的后动力输出轴额定转速为540r/min，为满足封土作业需求，根据公式（6）可计算出搅龙转速。

式中C—倾角系数，取值1；n—搅龙转速，r/min。

计算得搅龙转速305 r/min。整个传动装置的总传动比i则由公式（7）计算得出。

式中n0—后动力输出轴额定转速，r/min；n2—搅龙转速，r/min。

经计算总传动比i=1.77，整个传动系统通过设计一级减速器和链轮加速两级调速机构。为避免链轮的结构设计偏大，保证整个传动系统的传动比分配，取锥齿轮减速器的传动比为i1=2.2，则链轮的传动比i2由公式（8）计算得出。

式中i—总传动比；i1—减速器传动比。

将总传动比及减速器传动比代入公式得链轮传动比i2=0.8。传动系统如图6。

图6 传动系统示意图

3.5 落土结构设计

搅龙槽上分布前后两排落土机构，由落土口与焊接在落土口下的落土板组成，如图7。为保证出土量和封土位置的准确性，根据66 cm+10 cm 的种植模式，相邻两个落土口的中心位置为760 mm；根据土壤物理参数特性和覆土宽度，确定落土口长度为100 mm，宽度为200 mm。后排回土搅龙槽的两侧各有一大小为150 mm×200 mm的溢土口，使未下落土壤返回行间，避免双排搅龙发生堵塞现象。

图7 落土结构

4 田间试验

4.1 试验条件

为验证封土作业效果，于2021 年4 月在第八师142 团21 连的棉田进行田间试验，如图8。拖拉机型号为约翰迪尔6B-954，试验地面积为10.6 hm2，棉花种植模式为66 cm+10 cm，棉花品种为新陆早42 号。

图8 田间试验

4.2 试验方法及评价指标

拖拉机后动力输出轴额定转速为540 r/min，参照标准GB/T 5262-2008[16]中的五点法，在试验田中划出5个测区，每个测区的长度为30 m，宽度为14 个膜幅。以封土机作业速度8 km/h 并参照标准JB/T 6297-2007[17]进行试验。在每个测区内随机抽取3 处，每处面积取封土长度10 m，宽度1 个膜幅。对棉花幼苗总株数、未封土幼苗数、受损幼苗数进行统计，取封土率和伤苗率为评价指标。

4.2.1 封土率试验

封土作业时，棉苗所在的穴播口应被土壤包围，即苗孔完全封住。所以测量封土率时，统计取样点幼苗总数和未封土（苗孔未完全封住）的幼苗数量，按公式（9）计算封土率。

式中F—封土率，%；Nf—未封土幼苗数，株；N—幼苗总数，株。

4.2.2 伤苗率试验

封土作业时，封土机输送的土壤存在未能及时破碎的较大粒度土块，容易砸伤压伤棉苗，影响棉苗正常生长。因此在完成封土率试验后，测出封土后受损幼苗的数量，按公式（10）计算伤苗率。

式中S—伤苗率，%；Ns—受损幼苗数，株。

4.3 试验结果

田间试验结果如表1。对表1 试验数据进行计算可得封土率为97.7%、伤苗率为0.9%。结果表明各项参数均符合指标，即该封土机的设计达到预期的目标。

表1 田间试验数据

5 结论

（1）本文针对与膜上精量穴播技术对应产生的封土农艺要求，设计了一种与66 cm+10 cm 的种植模式相匹配的棉花幼苗期封土机，可高效完成封土工作，其传动系统简单，结构紧凑，维修方便。

（2）对封土工作的流程进行了分析，完成了关键零部件结构设计。该封土机机架结构承载性好，采用型材直接焊接成型，动力来源为拖拉机后输出轴，挂接方式为三点悬挂，挂接方便，易于拆卸和维修；旋耕刀和取土板的设计保证了土壤破碎和传输作业的顺利进行；前后双排搅龙既实现了碎土功能，又完成了运输作业，使细碎的土壤顺利到达落土口；根据棉花种植行距设计的落土机构使细碎土壤有效封穴。

（3）在棉株平均高度为37.65 mm、封土机作业速度为8 km/h 条件下，通过田间试验测得封土率为97.7%、伤苗率为0.9%、碎土率为91.6%。各项指标满足封土农艺要求，封土均匀、土壤细碎、土壤输送不易堵塞、出土量精准，封土效率和质量显著提高。