陈新宇 史增录 焦丙炎 王堆金 饶志强 于永良

摘要：根据棉花种植的农艺要求，设计一种2BJ-2/12型铺膜播种机。应用三维设计软件SolidWorks构建铺膜播种机三维模型，完成铺膜、播种主要零部件设计及其相关参数分析，计算铺膜机构相关工作参数，分析穴播器工作过程，从而为棉花铺膜播种机设计与优化提供技术方案。

关键词：农业机械；棉花；铺膜播种机；穴播器

中图分类号：S223.2   文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2023）06-0059-04

据2022年棉花产量统计显示，我国棉花年产量达到597.7万t，相较于2021年增加了24.6万t，其中新疆地区棉花产量为539.1万t，占比达90.19%，是全国最重要的产棉区。目前，新疆地区的棉花种植技术已经相当成熟，且根据当地气候特点形成了地膜覆盖精量穴播、膜下滴灌的种植方案[1]。该方案选用早熟、适宜机采的品种，播种盘穴数为12～15穴，同时配以机械化种植，其可在播种面积逐步减少的环境下，仍能保持产量不降低、甚至使产量呈稳步上升的态势。

随着技术的不断进步，现有的棉花播种机械由拖拉机牵引来完成播种作业，工作时可将平地、镇压、开沟、铺膜、覆土、播种等多道工序集中在一台播种机上来完成作业[2]。为进一步提高棉花铺膜播种机的作业质量，减少机械化播种作业中存在的铺膜不展、膜破、膜孔错位等问题，设计了一款2BJ-2/12型铺膜播种机。该机可实现铺设滴灌、铺膜、播种的联合作业，同时利用四杆机构的仿形功能来实现铺膜播种覆土部件的随地仿形作业，在提升铺膜播种效率和质量的同时，也可实现棉花生产的提质增效。

1 铺膜播种机的总体结构及工作原理

1.1 总体结构

棉花铺膜播种机结构图如图1所示。该铺膜播种机主要由悬挂架、滴灌带架、种箱、覆土圆片、开沟圆片、展膜杆及其他部件组成。由于两组装置前后交错组成，可同时播种12穴，从而达到宽幅播种要求。

1.2 工作原理

在进行播种作业时，镇压滚筒首先将土壤压实，开沟圆片随之开出膜沟，接着展膜杆将地膜沿着两边的膜沟展开，同时压膜轮将地膜压入膜沟中，一级覆土圆片随之将膜沟两边的土壤覆在地膜上并压实。将棉花种子放入种箱中，在作业时再进入穴播器，种子在自重和离心力的作用下会落入穴播器的型孔，然后落入闭合的鸭嘴中。随着穴播器的旋转，方嘴会在地膜上打出一个个孔穴，随之鸭嘴也打开将种子投入到孔穴中，同时二级覆土圆片将附近的土壤翻入覆土滚筒内，随着滚筒的翻滚，土壤也从导土叶片输送到地膜上，并进行镇压动作。至此，完成整个开沟、铺膜、播种、覆土的过程。

1.3 主要技术参数

棉花铺膜播种机的主要技术参数如表1所示。

2 关键零部件及相关参数设计

2.1 机架的设计

机架结构如图2所示。机架是整个铺膜播种机的关键部件，主要由悬挂架、主梁、四杆机构拉杆、边梁组成，其功能是连接拖拉机、安装铺膜、播种等作业部件，因此也可以分为悬挂部分、连接部分、副框架3大部分。由于大部分的工作部件都需要与其直接连接，所以机架所承受的负载最大，需保证有足够的强度和刚度[3]。

悬挂部分是连接于拖拉机的基础连接件，连接方法采用三点悬挂方式。该悬挂方式转向方便灵活，回转半径小，具有良好的机动性，无论是运输还是作业，该机具都不需要额外的机构来进行牵引或升降。

副框架部分通过平行四杆机构与悬挂主梁进行连接。该机构上将集成各个作业部件，并随着拖拉机的行进方向来进行作业。在任何状态下，四杆机构的上、下拉杆始终保持平行，尤其是在作业时，地面会有高低不平的情况，工作部件也会随着四杆机构产生上下浮动运动。这时，整个播种单体可实现仿形功能[4]，能有效减少穴播器的悬空时间，从而提高整体播种质量。

经查阅相关手册和进行受力分析后[5-7]，悬挂主梁选用120 mm×120 mm×8 mm的矩形管；上、下悬挂架分别选用40 mm、30mm的扁钢焊接；边梁选用60 mm×30 mm×4 mm的矩形管，以保证其具有足够的刚度和强度。

2.2 铺膜机构的设计

在作业时，地膜分为左右两组进行铺放，均采用牵拉放膜的放膜方式。铺膜机构结构如图3所示，其由膜杆支柱、开沟圆片、展膜杆、压膜轮、覆土圆片等组成。地膜放置在架膜桿上，随着导膜杆、展膜杆等部件向后方拉展开，其被压膜轮压在膜沟中。在此过程中，地膜首先受到架膜杆转动产生的纵向拉力，再受到压膜轮压紧地膜时产生的横向拉力，两个方向的合力使地膜贴紧地面时横向张紧且平整[8]。

开沟器是确保铺膜质量的关键，开沟的深度一般为60～80 mm。开沟器要求开沟直、深度一致、挖掘整齐、对土壤的适应性好、结构简单、阻力小[9]。设计采用曲面圆片的设计，偏斜圆片放置，可使圆片的刃口方向与机具的前进方向相错并形成一个夹角，角度一般选取30°～40°，这时圆片曲线则为开沟曲线。随着机具不断前进，圆片也就开出了一条窄窄的膜沟。

在铺膜的同时，压膜轮也需要将地膜压入膜沟中。因为压膜轮的直径对压膜质量影响极大，所以需要对其直径进行精量计算，如图4所示。压膜轮的宽度应视开沟器的开沟宽度来确定，选取范围30～60 mm。

压膜轮最小直径D3应满足：

[D3≥2e1-cosλ] （1）

式中：D3为压膜轮直径，mm；e为压膜轮镇压深度，mm，一般取5 mm；λ为压膜轮翻转角，一般取20°；经计算D3 = 182 mm。

2.3 穴播器的设计

播种工作由穴播器通过旋转来完成。其由种箱、输种管、观察窗、鸭嘴成穴器总成、穴播轮盘等组成，如图5所示。机具的前进运动带动穴播器旋转，种子受重力影响从种箱向下输送到穴盘内，再随着旋转通过舀勺式取种器进入鸭嘴内，鸭嘴同样在旋转中完成戳破地膜、排种、离开地膜的一系列动作，至此完成整个播种过程。

穴播器半径计算是设计中必不可少的，它与转速、穴距、播深、成穴器数量等相关数据有关，一般范围为160～300 mm。如式（2）所示。

[R=zm+2πn2π] （2）

式中：R为穴播轮半径，mm；z为成穴器数量，个；m为株距（穴孔距离），mm；n为播深，mm。

综合棉花的农艺种植要求，确定z=11，m=104.2 mm，n=30 mm。经代入式（2）后计算得R=212.42 mm，即直径为424.84 mm。对排种器和其他机构的安装位置进行综合考虑后，选取穴播轮宽度为82 mm。

2.4 覆土机构的设计

覆土机构与机架相连接，由覆土倒架、覆土圆片、覆土滚筒、导土叶片、漏土口等组成，其结构如图6所示。随着机具的前行，覆土圆片会取出部分土壤，然后送入覆土滚筒内，这时覆土滚筒做旋转运动，同时导土叶片也随着滚筒旋转，将土壤从边缘逐渐向内输送，到达漏土口时便撒出。

覆土滚筒的结构参数如图7所示。结合棉花种植的农艺需求，覆土滚筒共有6条漏土口，并与种植行数和行距相对应，以用于排出符合的土壤。如若有较大的土块或其他不易排出的根茎经过时，会持续向中间排杂口输送，并由其负责将这些混合物从轴向排出。为了防止滚筒划破地膜，在加工时需要清除表面毛刺。

覆土圆片主要作用于超宽地膜，其选用45刚制成，同时结合棉花种子的需土量，圆片直径为250 mm。

3 主要工作参数计算和工作过程分析

3.1 铺膜机构工作参数计算

在铺膜过程中，拉膜速度与作业速度需保持在合理范围内，这样才能保证铺出一张高质量、高效率的膜。经查询相关手册，选取铺膜播种机的作业速度为2.5～4 km/h，即0.69～1.11 km/s。同时薄膜在被拉出时应与该速度保持一致，可通过式（3）求出膜卷的转速。

[n=60×1 000 v1D1π] （3）

式中：n为膜卷棍的转速，r/min；v1为薄膜被拉出时的速度，m/s；D1为膜卷棍外径，mm，取250 mm；经计算得出膜卷棍n的转速范围为52.74～84.83 r/min。

3.2 穴播器工作过程分析

穴播器在作业时做旋转运动，种子自输种管进入穴播轮内腔，并随着穴播器旋转而进行流动，且呈半月环流群，随后种子依次进入鸭嘴内进行播种。穴播轮内腔分为充种、清种、点种、投种4个部分，如图8所示。

充种区时种子处于流动状态，在此过程中会有种子进入夹种片的夹种口，完成夹种；清种区时，在夹种片处的多余种子将会由于重力作用而落下，完成清种；点种区时种子自夹种片落入下方的舀勺式取种口，由于两者之间距离较短，之后会落入闭合的鸭嘴中；投种区时鸭嘴由于旋转将会打开，种子自打开的鸭嘴进入种穴中，完成投种。在此过程中，穴播轮的振动会使种子处于不稳定状态，容易脱落，造成空穴，因此需使这部分的影响降到最小[10]。

4 结论

研究设计的一款2BJ-2/12型铺膜播种机，采用了平行四杆仿形机构设计及并排交错放置机具的方法，可实现宽幅高效播种，提高种植效率和作业质量；采用先铺膜后播种的方式，集镇压、开沟、铺膜、播种、覆土等作业为一体，降低了种植中的人工成本，提高了作业效率；整机结构简单、布置合理，整体性能稳定，通用性好，可较好满足作业需要。

参考文献

[1] 董万诚，张立新，李文春，等.新疆棉花播种机械应用现状及发展趋势[J].新疆农机化，2021（2）：11-15.

[2] 劉飞，赵满全，吴英思.播种铺膜穴播机的设计及棉花排种性能试验[J].农机化研究， 2015， 37（7）： 135-138.

[3] 张世杰. 2BMK―1/3 型穴播式铺膜播种机的设计与试验[J].中国农机化学报， 2013， 34（4）： 113-117.

[4] 马华永，王卫兵，王坤，等.平行四杆仿形机构设计及运动仿真[J].机械工程师， 2014 （7）： 121-123.

[5] 李宝筏.农业机械学[M].北京：中国农业出版社， 1999.

[6] 中国农业机械化研究院.农业机械设计手册（上册）[M].北京：中国农业科学技术出版社， 2007.

[7] 镇江农业机械学院，吉林工业大学.农业机械理论及设计（上册）[M].北京：中国工业出版社， 1961.

[8] 颜利民.旱作水稻滴灌铺膜播种机关键部件设计与研究[D]. 石河子：石河子大学， 2014.

[9] 王方艳.棉花覆膜播种机主要部件的设计[J].农机化研究， 2010， 32（7）： 142-145.

[10] 王吉奎.穴播轮中棉种的运动规律与夹持取种机理研究[D].杨凌： 西北农林科技大学， 2010.

Study on the Design of Cotton Mulching Film Planter

CHEN Xinyu1，SHI Zenglu1，2，JIAO Bingyan1，WANG Duijin3，RAO Zhiqiang3，YU Yongliang3

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China; 2. Xinjiang Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment， Urumqi 830052， China; 3. Xinjiang Tiancheng Agricultural Machinery Manufacturing Co.， LTD.， Korla Xinjiang 841000， China）

Abstract：  According to the agronomic requirements of cotton cultivation， a 2BJ-2/12 mulching film planter is designed. The 3D design software SolidWorks is applied to build the 3D model of the mulching film planter. It completes the design of the main parts of mulching film and seeding and the analysis of related parameters， calculates the relevant working parameters of the mulching mechanism， analyzes the working process of the hill-drill planter， and provides technical solutions for the design and optimization of the cotton mulching film planter.

Key words：  agricultural machinery; cotton; mulching film planter; hill-drill planter

收稿日期：2023-08-28

基金项目：新疆农机研发制造推广应用一体化项目（YTHSD2022-02）

作者简介：陈新宇（2000—），男，学士，从事工程技术与装备方面的研究。

通信作者：史增录（1986—），男，硕士，硕士生导师，从事工程技术与装备方面的研究。