2MBG—1/2A 型垄沟集雨铺膜精量播种机的设计和试验

2024-01-10山西省农业机械发展中心

农机质量与监督 2023年11期

山西省农业机械发展中心

□ 闫志文

我国西北地区干旱频发，水资源严重缺乏，天然降水就成为可利用的主要水资源，由于降水时空分布不匀，降水期与作物需水期错位，能被作物利用的降水不足，导致农作物产量低而不稳。在玉米种植过程中，覆膜播种能够有效集蓄自然降雨，特别是对于≤5mm的无效和微效降雨，起到改善玉米根际土壤水分状况、增温、增产效果，是实现玉米高产的一项重大农艺措施。

目前玉米铺膜播种过程中存在以下问题，对玉米铺膜种植的推广应用和玉米稳产增产等都造成不利影响：（1）由于地膜紧贴垄土，膜孔中错位的种子发芽出土容易顶在地膜上，造成地膜烧苗；（2）春季播种后正逢大风天气增多，容易将地膜吹起，造成跑温跑墒；（3）幼苗期如遇下雨，雨水沿膜面流于膜侧两边，得不到有效利用，造成浪费，还容易使幼苗上方的土壤板结，影响出苗率和出苗后整齐度。

针对上述问题，研发了2MBG—1/2A 型垄沟集雨铺膜精量播种机（以下简称样机），能有效避免雨后土壤板结，扩大膜孔直径，避免人工放苗，提高出苗率和出苗整齐度，并能增加膜边和膜面覆土量，增强地膜保温保墒和抗风能力，适合我国西北内陆干旱半干旱地区玉米机械化铺膜种植作业。

一、整机结构原理及主要技术参数

（一）整机结构

样机由机架、膜前开沟圆盘、平地铲、整形镇压辊、施肥开沟器、展膜辊、覆土滚筒、覆土圆盘、播种单体、穴播器、种箱、肥箱等部分组成，如图1 所示。

图1 样机结构

（二）工作原理

在铧式犁、旋耕机、联合整地机等耕整地机械对地表进行耕作、平整后，轮式拖拉机通过三点悬挂架牵引样机向前行驶，人字形平地铲将样机前方地表进行二次平整，两个膜前开沟圆盘在铺膜前的种床上开出两条小垄沟，整形镇压辊上两条整形带分别对两条垄沟进行整形镇压，同时整形镇压辊通过链条驱动肥料箱下方的外槽轮式排肥器转动，肥料通过单圆盘式施肥开沟器施在地表下方。

样机前部的两个开沟圆盘在铺膜前地膜两侧边缘的地表分别豁出一条沟并将土壤向外翻，展膜辊随着地面转动将地膜拉展铺开，左右两个覆土圆盘分别将前面开沟圆盘向外翻起的土壤向内翻压，一部分土壤埋压住地膜两侧，另一部分土壤被覆土滚筒向内输运到膜面上，成条状压在经整形镇压辊整形压实的两条小垄沟中形成两条土带。

配有勺轮式排种器的穴播器沿着膜面上两条土带滚动，鸭嘴在扎穿土带后将地膜扎破并将种子单粒点播在膜下土壤中，镇压轮将土壤压实，从而完成整个铺膜施肥播种作业过程。

（三）主要技术参数

样机主要技术参数如表1所示。

（四）关键部件设计

1.膜前开沟圆盘的设计。为了在膜面上形成两条土带，样机平地铲和整形镇压辊中间设置了两个对称布置的开沟圆盘，并与提升杆组合成一个整体用卡箍固定在样机上，在平地铲平整后的种床上豁开两条垄沟。考虑地膜的宽度限制以及农艺要求的播种行距等因素，设计左右两个提升杆之间的距离为450mm，提升杆连同开沟圆盘可同时进行上下和左右调节。开沟圆盘外轮廓面设计成球面状，直径D 为235mm，结构如图2 所示。

图2 膜前开沟圆盘结构示意图

样机作业时，通过调整提升杆高度，可以调节开沟圆盘与地面的距离，从而调节开沟深度，一般以40mm—50mm 为宜，通过调整圆盘与前进方向夹角B 可以调节开沟宽度，具体应根据地表状况进行调整，使开出两条垄沟的深浅和宽窄一致，并适宜随后整形镇压，从而形成宽度和厚度均适宜的两条土带。

2. 整形镇压辊设计。为了使膜前开沟圆盘开出的两条垄沟适宜形成两条土带，需要进行整形镇压，在膜前开沟圆盘后面设计了带有防滑齿和整形带的整形镇压辊，整形带套装在镇压辊筒壁上用螺栓固定，位置可根据播种行距进行左右调整。整形镇压辊总长850mm，整形带宽280mm，截面为弧形，结构如图3 所示。

图3 整形镇压辊结构示意图

随着样机向前行进，两条整形带分别对膜前开沟圆盘开出的两条垄沟进行整形镇压，形成两条沟底略带弧度、近似为倒梯形的垄沟，垄沟结构如图4 所示；整形镇压辊在种床上滚动，通过链条将动力传给排肥机构排肥作业，整形镇压辊两端的防滑齿具有良好抓地能力，能减少滚动过程中的滑移，保证排肥效果。

图4 垄沟结构示意图

3.膜面覆土机构设计

该机构是在机架中部下方左右两侧分别配置一个覆土圆盘，每个覆土圆盘内侧设置一个覆土滚筒。主要作用是覆土圆盘将土壤向内翻起，一部分土壤覆盖在膜两侧封住膜边，另一部分土壤被覆土滚筒输运至膜面，覆盖在垄沟中形成两条土带。膜面覆土机构工作质量的好坏直接影响种子出苗率、地膜抗风能力及地膜覆盖消灭杂草的效果。

（1）覆土圆盘及覆土调节机构设计

覆土圆盘及覆土调节机构组合成一个整体，是膜面两侧覆土以及为覆土滚筒供土的主要工作部件，其结构是影响膜边覆土效果和膜面两条土带形成的重要因素。本设计中覆土圆盘外轮廓面设计成球面状，外径D 为310mm，覆土圆盘与前进方向夹角B 为15°～20°，外倾角C 为18°～25°，入土深度为50mm ～70mm，其工作示意图如图5 所示。覆土调节机构是与覆土圆盘固连在一起的两根拉杆，拉杆套装在机架上的套筒内，可以绕轴自由转动，通过调节拉杆在套筒内的角度和上下位置，可以调节膜边翻土和供土的效果。

图5 覆土圆盘工作示意图

样机作业时，固定在机架两侧的覆土圆盘沿着表土层滚动，将土壤覆盖在地膜两侧并输送到覆土滚筒内，土壤在覆土滚筒内导土板推动下向出口排出。覆土圆盘与前进方向夹角和入土深度可根据作业速度、土壤坚实度、整地效果等实际情况进行调整，保证有合适的翻土量，可以顺利压住膜两侧，并保证合适的供土量，覆土滚筒内导土板能顺利将足量的土壤向内输送，在膜面上形成覆土量均匀且覆土宽度、厚度适中的两条土带。

（2）覆土滚筒设计

覆土滚筒的作用是将覆土圆盘推入的土壤向膜面输送。当覆土滚筒沿着地面滚动时，进入滚筒的土壤在滚筒内壁摩擦力和导土板的共同作用下，随着滚筒内壁上升，并产生向内的轴向移动，以实现土壤向内推送，导土板的结构直接影响覆土滚筒轴向输送土壤的能力，因此应该满足一定的条件。现对导土板上土壤受力情况进行分析。

如图6 所示，导土板上某点的土壤处于临界滑动状态时主要受以下几个作用力：沿该点螺旋面切线方向土壤与导土板间摩擦力1F，导土板对土壤的支撑作用力N，土壤自身重力及其他作用力的合力F，方向沿着圆周切向，与螺旋切线夹角为θ。

图6 导土板上土壤受力分析

式中，φ——导土板表面与土壤的摩擦角。

分析可知，土壤沿导土板螺旋面滑动的条件为

假设土壤沿轴向运动的函数变量为Z，则土壤运动微分方程为

式中，m——土壤质量。

由公式（6）可知，在覆土滚筒直径和滚动速度一定时，轴向输送土壤量是螺旋角的函数。实际作业中，覆土滚筒表面与地膜接触产生相对滑动，可能会撕扯破坏地膜。为了减少地膜撕扯，本设计增加滚筒对地压力，以减少相对滑动，并优化设计滚筒直径和边缘曲面形状。根据样机长度和机架高度的尺寸要求，覆土滚筒外缘直径为410mm，直筒部分直径320mm，外缘和直筒部分的过渡部分为弧面。试验表明，覆土滚筒内部圆周均布导土板数量为3，螺旋角为25°，覆土滚筒轴向送土量能满足要求。

4.穴播器的设计

作为播种机的核心部件，播种单体性能的好坏直接影响播种性能，主要由穴播器和勺轮式排种器组成，每个穴播器上方配置一个种箱。如图7所示。

图7 播种单体

播种单体中的穴播器是保证播种质量的重要因素，其设计在参考现有设备的基础上进行结构参数优化，工作过程如图8 所示。

图8 穴播器工作示意图

播种过程中，穴播盘在地面转动，种子在勺轮式排种器内经历舀种、清种、递种和投种四个步骤后，进入穴播盘的鸭嘴口，当鸭嘴穿膜打孔达到下死点时，打开活动鸭嘴，使种子落入穴孔，鸭嘴出土后，弹簧推动活动鸭嘴关闭，完成播种过程。本研究还优化设计了鸭嘴形状，能更加顺利扎破膜面，并增大膜孔直径，减少膜孔错位率，有利于种子破土出苗。

综合考虑当地玉米播种株距和深度等农艺要求以及穴播盘滑移等因素，最终确定穴播器直径为400 mm，圆周均布8 个鸭嘴，鸭嘴设计长度70 mm，穴距17.5 cm，播深40mm—50 mm，每穴播种1 粒种子。