花生小區播種施肥機設計與試驗研究

張春曉,王東偉,劉艷芬,何曉寧,李永超,張遠東,李云康,李冬杰,左百強

(青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

花生作為我國重要的經濟農作物,在有效提高我國農業生產經濟價值以及食品安全發展方面仍然具有極其重要的戰略意義。因此,加大力度研發與現代花生種植有關的農業機械,提高現代花生農業種植管理收獲的農業機械化管理程度,是不斷提升當前我國現代花生農業耕種種植收獲和綜合利用機械化管理水平的一個重要戰略舉措[1-2]。

大力發展花生小區育種試驗是我國開展良種安全、種子安全的重要舉措?，F階段,我國花生小區育種技術已趨成熟,但小區機械化作業仍處于空白,而生產機械化顯然已經成為小區育種試驗現代化的重要組成部分,也是提高小區耕種效率、育種試驗科學化的重要保證。因此,對小區花生播種收獲機的需求也越來越多[3]。

花生小區育種試驗農藝與大田農藝有所不同。小區育種試驗采用一壟雙行的栽培模式,且小區精密播種不同于大田播種要求,每個育種試驗地由多個不同的小區構成,一般相鄰小區之間間隔一定距離;每個試驗小區應盡量保證育種精量播種的深度一致,無空穴與重播且粒距均勻,以保證試驗的性準確性;每個試驗小區都是獨立試驗,以30～50cm作為間隔道;每個小區為獨立的試驗單元,在規定的小區行長內恰好能播完試驗單元所要求的定量的種子;每個小區間播種的花生品種不同,進行完上一小區時,應進行清種工作;育種小區試驗對準確性要求高,應盡量避免外界因素導致的試驗誤差[4-5]。小區育種試驗農藝如表1所示。

表1 小區育種試驗農藝表

我國對花生小區育種播種機械的研究較少,小區播種機械發展緩慢,大豆、棉花等種子長寬比較大且整體尺寸也偏大,其對應育種機械的研制進度及推廣情況較好,已有相對應的小區播種機械;而對于長寬比較大且對種子質量要求高的花生種子相應育種機械的研制進度以及推廣遠不能滿足現代農業的發展和對我國良種安全的需要。因此,研制一種花生小區播種施肥機,對于實現花生小區育種機械化具有重要意義。

目前,許多學者對花生小區播種機械進行了研究。河北農業大學馬躍進教授[6]研究的花生小區育種精量播種機構,滿足了在粒距合格率、空穴率、重播率以及傷種率等方面的要求,但并未對清空率進行研究。為此,本文結合小區種植對農機農藝的要求,設計了多功能花生播種施肥機,采用壟作覆膜的種植模式,利用窩眼輪式排種器、外槽輪式排肥器進行播種施肥。同時,在排種器上設計了凈種裝置,能夠清除窩眼輪內剩余的種子,保證育種小區試驗的科學性。同時,設計了起壟裝置與覆膜裝置,能夠一次性完成開溝、施肥、起壟、播種及覆膜等多項工作。

1 結構組成及工作原理

結合花生小區育種的農藝要求和播種機構整機設計要求[7-9],設計了一種適用于花生小區育種的播種機構,主要由懸掛裝置、肥箱、外槽輪排肥器、種箱、窩眼輪排種器、水箱、覆土器、地膜壓輪、覆膜棍、地膜支架、覆膜開溝器、地輪、雙圓盤開溝器、起壟裝置及起壟鏟組成,如圖1所示。播種機采用后懸掛方式,根據設計及選用的零部件,對工作阻力進行初步的計算,選擇30kW以上的拖拉機作為配套動力。

花生播種機的驅動地輪以鏈傳動的方式帶動花生排肥、排種器工作?；ㄉシN機工作時,首先施肥部分的鋤鏟式開溝器開出一道施肥溝,肥料在外槽輪排肥器的帶動作用下通過輸肥管進入到肥溝內,完成施肥過程;起壟裝置的起壟鏟將土鏟起,在肥溝覆土的同時起壟裝置將鏟起的土擠壓成型,完成起壟工作;排種部分的鋤鏟式開溝器在壟上進行開溝,播種機的窩眼輪排種器在地輪的帶動下將種子從型孔里面排出,經過排種口進入到導種管,靠自身重力落入到開溝器開好的種溝內,覆土板再將壟面刮平,完成排種工作;最后,地膜被裝夾在地膜夾持架上,由覆膜輥將地膜展開,地膜壓輪將地膜壓在壟兩側的壟溝里,再由地膜覆土器對壟底的地膜進行覆土,全部工作完成。該花生小區播種施肥機可以一次完成開溝、起壟、施肥、播種、鎮壓以及覆膜等作業,三維圖如圖2所示。

1.懸掛裝置 2.肥箱 3.外槽輪排肥器 4.種箱 5.窩眼輪排種器 6.水箱 7.覆土器 8.地膜壓輪 9.覆膜棍 10.地膜支架 11.覆膜開溝器 12.地輪 13.雙圓盤開溝器 14.起壟裝置 15.起壟鏟圖1 小區花生播種施肥機的整體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the whole structure of the plot peanut seeder

圖2 花生小區播種施肥機三維圖Fig.2 Three - dimensional diagram of seeding and fertilizing machine in flower - growing district

2 排種器與凈種裝置的設計

2.1 排種器的確定

排種器選擇窩眼輪排種器,結構相對簡單,漏種率低,清種效果也好,能夠有效保證播種的合格率。

窩眼輪排種器由窩眼輪、排種器殼、玻璃罩、齒輪、鏈輪、凈種裝置、清種輪、刮種器和隔種護板等組成[10],如圖3所示。窩眼輪排種器的最主要工作部件一個水平方向旋轉的窩眼輪,充種時種子依靠自身重力落入到窩眼輪排種器的型孔中(充種階段);然后,隨著窩眼輪的旋轉轉到刮種器的位置時,刮種板能夠將多余的種子刮除(清種階段),起到清種的作用;種子再隨著窩眼輪的轉動進入到護種區,該區域能擋住型孔內的種子,使其無法掉出型孔(護種階段);最后種子跟隨窩眼輪轉動至最下方,種子依靠自身重力從型孔排出,經過排種口進入導種管,再進入到種溝(排種階段),完成排種過程;窩眼輪繼續轉動,逐漸恢復到可充種狀態,如此循環,實現連續排種工作。

1.齒輪 2.排種器殼 3.凈種裝置 4.窩眼輪 5.刮種器 6.清種輪 7.隔種護板圖3 排種器結構圖Fig.3 Structure diagram of seed metering device

窩眼輪式排種器[11]的穴播數設計為1～2粒,窩眼輪型孔的直徑d需要根據花生種子的軸向和徑向的最大尺寸來確定,即d>Xmax(種子的最大長度),且d>2Dmax(種子的最大直徑)?；ㄉN子的個體本身就存在很大的差異,長度在10～24mm之間,直徑在5～12mm之間,故型孔設計為直徑為24mm的半圓型孔,如圖4所示。

圖4 窩眼輪模型Fig.4 Socket eye wheel model

窩眼輪的直徑不應該太小,容易導致漏播,應在60～280mm之間。在這里,取窩眼輪直徑Dw=60mm進行設計。窩眼輪的型孔數z計算公式為

(1)

其中,z為窩眼輪型孔數;Dw為窩眼輪直徑(m);vm為播種機作業速度(m/s);S為株距(m);vp為窩眼輪線速度(m/s)。

在此取地輪的直徑D=400mm,按照最大株距S=250mm進行計算,地輪每轉1周走過的距離為

X=πD=1256mm

(2)

因此,地輪轉過1周所播下的穴數等于5.024(1256/250)。地輪與窩眼輪之間的傳動采用鏈傳動,取傳動比為1,鏈輪齒數均為14,地輪轉過1周則窩眼輪也轉過1周,故窩眼輪型孔數為5。

確定窩眼輪轉速:當排種器工作時,種子靠自身重力進入到型孔內,故當窩眼輪轉速過高時容易造成空穴,即所謂的漏播。因此,排種器的轉速與窩眼輪轉速不宜過高,窩眼輪轉速[12]可根據以下公式進行計算,即

(3)

其中,np為窩眼輪轉速(r/min);vm為播種機作業速度(m/s);S為株距(m);z為窩眼輪型孔數。

確定窩眼輪的線速度[13-15],可根據以下公式進行計算,即

(4)

其中,vp為窩眼輪線速度(m/s);Dw為窩眼輪直徑(m);S為株距(m);z為窩眼輪型孔數。

窩眼輪的極限線速度為

(5)

其中,v為窩眼輪極限線速度(m/s);L為型孔長度(m);l為種子的平均長度(m);g為重力加速度(m/s2);Dmax為種子的最大直徑(m)。

由此可見,窩眼輪的實際線速度vp<窩眼輪的極限線速度v,故窩眼輪的設計符合要求。

2.2 凈種裝置的設計

凈種裝置是通過旋轉的凸輪控制凈種板上下擺動來清空窩眼,達到清空上一輪剩下種子的目的。凈種裝置由齒輪1、凸輪、凈種板、支點軸、齒輪2和凈種管組成,如圖5所示。鏈輪將驅動力傳遞給窩眼輪軸,并帶動固定的齒輪2旋轉,通過嚙合的齒輪使齒輪1旋轉,帶動凸輪旋轉;凈種板在左側重力作用下左低右高,繞支點軸可以旋轉一定角度,此時凸輪處于最低位置;當凸輪旋轉到最高位置時,凸輪頂起凈種板,凈種板右側會降低,恰好進入花生窩眼孔內,將窩眼孔內的殘留種子撥至凈種管內排出排種器,并收集起來回到種箱。凈種裝置凸輪設計:凸輪升距根據凈種板右端進入窩眼孔的深度計算,凈種板右端進入窩眼孔的深度初步定為3mm,根據凸輪位置與支點軸的相對距離,升程為10mm。凈種裝置齒輪設計:按照窩眼輪型孔數量5個、凸輪有兩個升降周期、比例為5/2=2.5,則齒輪的傳動比為i=2.5。根據機械設計手冊,計算得出兩個齒輪的參數,將齒輪分別安裝在窩眼輪軸和凈種軸上,并通過鍵進行定位卡緊。

1.齒輪1 2.凸輪 3.凈種板 4.支點軸 5.齒輪2 6.凈種板圖5 凈種裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of net seeding device

凸輪的設計尺寸及示意圖如圖6所示,排種裝置整體示意圖如圖7所示。

圖6 凸輪示意圖Fig.6 Schematic diagram of CAM

圖7 排種裝置整體示意圖Fig.7 Overall schematic diagram of seed metering device

3 傳動系統、起壟裝置與覆膜裝置設計

3.1 傳動系統的設計

傳動系統[16]主要是指地輪與排種器之間的傳動結構,內容包括鏈條型號、鏈節數、鏈輪齒數、鏈輪材料、鏈傳動中心距的確定,然后計算壓軸力并確定其潤滑方式。主要設計過程如下:

1)選擇鏈輪的齒數以及確定傳動比。鏈輪的齒數不能低于17(一般是17～114),傳動比在設計窩眼輪型孔數時已經確定為i=1。在此,選擇兩個鏈輪齒數均為17,即z1=z2=17。

2)當量的單排鏈計算功率Pca計算公式為

(6)

其中,KA為工況系數;Kz為主動鏈輪齒數系數;Kp為多排鏈系數,雙排鏈為1.7,三排鏈為2.5。

經查閱《機械設計》可知KA=1.0,通過計算可得Kz=1.27,傳遞功率P=1kW,所以根據式(6)得到Pca=1.13kW。

3)確定鏈條的型號以及節距p。鏈條的型號可通過查閱《機械設計》得到,查表時應保證的條件為

Pca

(7)

其中,Pc為單排鏈額定功率。確定截距后,最終得到選用鏈條的型號為16A,節距為25.4mm。

4)計算鏈節數以及中心距a0。初次選用中心距a0=(30～50)p,并按照以下公式計算鏈節數Lp0,即

(8)

此次選用a0=30p(即a0=762);當a0=50p時,a0=1270。所以,取a0=1000。

將a0=1000帶入式(8),可得Lp0=78.64。鏈節數在一般情況下都是偶數,為了不使用過渡鏈接,在這里用Lp作為Lp0圓整后的鏈節數,故Lp=80時將不會使用到過渡鏈節。

鏈傳動的最大中心距amax的計算公式為

amax=fp[2Lp-(z1+z2)]

(9)

其中,f1為中心距計算系數。當兩外鏈輪齒數相時同(即z=z1=z2)時,鏈傳動的最大中心距為

(10)

將p、Lp、z帶入式(10),可得amax=800.1mm。

5)鏈傳動鏈速的計算以及潤滑方式的確定。平均鏈速按照下式計算,即

(11)

其中,v為鏈平均速度(m/s);z1、z2為主從動鏈輪的齒數;n1、n2為主從動鏈輪的轉速(r/min);p為鏈條的節距(mm)。

當鏈平均速度為0.14m/s時,型號為16A的鏈條的潤滑方式為定期人工潤滑。

6)壓軸力的計算。有效壓軸力為

Fe=1000P/v=7142.9N

(12)

其中,P為傳動功率 (kW);v為鏈條平均轉速(m/s)。

當鏈輪垂直傳動時,壓軸力系數KFP=1.05,壓軸力為

Fp≈KFPFe=7500N

(13)

7)主要參數確定。鏈條型號為16A,鏈輪齒數z1=z2=17,鏈節數LP=80,中心距a=800mm,潤滑方式為定期人工潤滑。

3.2 起壟裝置的設計

因壟作能夠提高土壤溫度、有利于調節土壤水分,增加土壤透氣性,促進植物根系的伸張,便于田間管理,得到了廣大種植戶的認可和采納,故設計一款起壟裝置進行花生播種過程中的起壟作業。該裝置由起壟犁、側犁板及上成型板構成[17-18],如圖8所示。

圖8 起壟裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of ridging device

裝置工作時,起壟犁將土鏟起,翻起來后的土壤經過側犁板及上成型板對壟側面的土壤進行擠壓,使壟得以成型。起壟裝置的主要技術參數如表2所示。

表2 起壟裝置的主要技術參數表

3.3 覆膜裝置的設計

覆膜種植措施在環境溫度較低、熱量不足的北方地區起到增溫、增產、增收的作用[19]。

覆膜機構[20-21]由主要由地膜夾持架、覆膜輥、地膜壓輪以及地膜覆土器等部分組成,如圖9所示。

覆膜作業是花生播種工作中的最后一道工序。作業時,把地膜安裝到地膜夾持架上,人為地將地膜拉長一段距離,然后地膜隨著整個播種機前進,在覆膜輥的作用下展開;地膜壓輪將地膜壓在壟溝里,最后由地膜覆土器在地膜兩側對地膜進行覆土。

1.地膜夾持架 2.覆膜輥 3.地膜壓輪 4.地膜覆土器圖9 覆膜機構簡圖Fig.9 Diagram of laminating mechanism

4 排肥器和開溝器的設計

4.1 排肥器的設計

化肥排肥器應該滿足以下要求:

1)排肥量穩定均勻,不會受肥箱內存放肥料數量、地勢顛簸程度以及機具前進速度等因素的影響。

2)通用性好,能播種不同種型號的肥料。

3)排肥器的調節裝置靈敏、準確,調節的范圍廣,并能充分適應不同品種化肥的田間施肥要求。

4)工作阻力盡可能小,使用方便,便于作業結束后清理肥箱內殘余的肥料。

5)排肥器中與肥料接觸的零部件都要做好防腐蝕措施,同時還要考慮其耐磨性,以延長其使用壽命。

排肥器種類有很多,在此設計一款外槽輪式排肥器,其排肥穩定性與均勻性都較好,如圖10所示。

1.肥箱 2.刮肥板 3.肥料顆粒 4.槽輪圖10 外槽輪排肥器Fig.10 Outer groove wheel fertilizer extractor

外槽輪排肥器有效長度的確定:該排肥器與肥箱相連,肥料通過槽輪的轉動。肥料一部分被強制排出,稱為強制層;另一部分是在強制層的帶動下排出,稱為帶動層。外槽輪排肥器的理論排量可以根據《農業機械設計手冊》中的公式計算出來,即

(14)

(15)

其中,D為外槽輪直徑;L為外槽輪有效長度;ρ為有機肥密度;η為槽齒顆粒充滿系數;s為單個槽齒橫截面積;l為凹板截距;λ為帶動層系數;z為外槽輪齒數。

通過查閱資料以及查詢《農業機械設計手冊》得到的參數如表3所示。

表3 參數表

外槽輪排肥器排量與有效長度L是線性關系,與帶動層系數為函數關系,故不能得出一個量,所以根據有效長度來計算。本次設計將有效長度L分為3個數據,即L1=15mm、L2=30mm、L3=55mm。查閱資料得到與之對應的帶動層系數λ分別為λ1=0.17、λ2=0.19、λ3=0.2,計算得到理論排肥量分別為Q1=0.038kg、Q2=0.078kg、Q3=0.143kg。

經查詢,花生小區的施肥量約為450～600kg/hm2。根據拖拉機在小區內的最大行進速度1.6m/s進行計算,將行距進行大致估算,對最終的估算結果與3個理論排量進行比較,確定有效長度L=55mm較為合理。外槽輪的主要技術參數如表4所示。

表4 槽輪的最終參數表

4.2 開溝器的設計

1)開溝器在選用的過程中應該考慮以下多種因素:①開溝深度要保持一致,溝型整齊;②不亂土層;③入土能力強,不纏草,不堵塞;④有一定的覆土能力;⑤結構簡單,工作阻力小。

2)開溝器的選擇。開溝器有滑動式和移動式兩大類?；瑒邮介_溝器包括雙圓盤式開溝器和單圓盤式開溝器;移動式開溝器有鋤鏟式開溝器、箭鏟式開溝器、芯鏵式開溝器、靴式開溝器、滑刀式開溝器和船式開溝器。

本次設計需要用到的開溝器包括排肥機構與排種機構。排種機構上選擇雙圓盤開溝器,該開溝器對土壤的適應性好,工作性能非?？煽?如圖11所示。

圖11 排種機構開溝器示意圖Fig.11 Schematic diagram of row mechanism ditch opener

選取的雙圓盤開溝器的主要工作參數如下:圓盤直徑Dp為350mm;圓盤夾角φ為15°;m點的位置即角為α=15°;開溝寬度b=Dp(1-sinα)sin(φ/2)。

鋤鏟式開溝器具有制造簡單、價格低廉、質量輕等多種優勢,而且易入土。又考慮到開溝器是在土地耕整以后使用,一般都整地良好,雜草較少,所以在排肥機構上選擇鋤鏟式開溝器,如圖12所示。最后,確定其主要工作參數為b=40mm。

圖12 排肥機構開溝器示意圖Fig.12 Schematic diagram of furrow opener for fertilizer discharging mechanism

5 田間試驗

5.1 田間試驗設計

樣機田間性能試驗于2021年4月30日在山東省青島市膠州試驗基地進行,試驗地塊與當地田地情況相同;試驗品種為花生研究所試驗花生種宇花系列等多種花生品種,肥料為花生專用復合肥。田間調查及測定項目包括穴距偏差率、雙粒率、重播率、漏播率、出苗率及清種率等。

5.2 試驗數據與結果

田間實際作業是發現設計樣機時未考慮到的實際問題的重要手段,也是測量各項指標能否符合育種小區農藝的主要方式。樣機在田間播種0.45hm2花生,共30個小區,一個小區15m2,各項指標測試結果如表5所示。

表5 各項指標測試結果

5.3 試驗結果

由表5可以看出:各項指標測試結果符合國家標準。其中,出苗率不高是受當地氣候環境的影響。對于小區種植農藝要求必須滿足清種率達到100%的標準,故可以定義為播種質量滿足花生小區種植的各項農藝標準要求。

6 結論

根據山東地區育種小區種植農藝要求,設計了一臺花生小區播種施肥機,能夠實現開溝、施肥、起壟、播種、清種、覆土和覆膜多項工作一次作業,提高了在育種小區花生種植作業時的工作效率,縮短了種植時間。