氣吸式花生精密播種機的研究

張?zhí)鹛?，何曉寧，王延耀，尚書旗，王東偉，佟慶坦

(1.青島農業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島 266109；2.山東省根莖類作物生產裝備工程技術研究中心，山東 青島 266109)

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氣吸式花生精密播種機的研究

張?zhí)鹛?,2，何曉寧1,2，王延耀1,2，尚書旗1,2，王東偉1,2，佟慶坦1,2

(1.青島農業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島 266109；2.山東省根莖類作物生產裝備工程技術研究中心，山東 青島 266109)

為了實現(xiàn)壟作花生的精密播種，設計了氣吸式精密排種器，其主要由本體、種杯、排種圓盤、攪種盤和尾風管組成[21]，通過排種圓盤上撥片的推動作用、攪種盤上攪種鈕的攪動作用及尾風管的吹送作用，能夠明顯提高花生播種的雙粒率，降低碎種率和漏播率，提高播種精度。同時，改進了播種機的行走裝置，能夠有效降低滑移率，保證播種機直線前進的穩(wěn)定性。所設計的花生播種機主要由機架、懸掛裝置、起壟裝置、驅動裝置、播種裝置、施肥裝置、噴藥裝置及覆膜裝置等部分組成，集起壟、施肥、播種、噴藥、滴灌帶鋪設、展膜、壓膜、覆膜及膜上覆土等多道工序于一體，提高了花生的播種效率[4]。

播種機；花生；氣吸式排種器；精密播種

0 引言

就目前總體花生生產的情況來看，國內花生播種機械化程度較其他農業(yè)發(fā)達國家仍有較大的差距。我國現(xiàn)階段存在播種機械小型化、分散化等諸多問題，花生機械化播種精密程度偏低也是滯后我國花生播種機械行業(yè)高速發(fā)展的一個重要因素。針對以上問題，本文設計了一款高效氣吸式花生精密播種機[21]，不僅能夠實現(xiàn)2壟4行花生的筑壟、開種肥溝、播種施肥、噴藥覆膜、壓實地膜及膜上筑土帶等功能[14]，且可保證花生的精密播種，在提高花生播種效率的同時，也達到了排種均勻、破碎率小及漏播率低等種植要求，實現(xiàn)了花生的精密播種。

1 總體結構及工作原理

該機主要由機架、懸掛裝置、起壟裝置、驅動裝置、播種裝置、施肥裝置、噴藥裝置及覆膜裝置等部分組成,其原理圖的主視圖、側視圖及三維立體圖如圖1、圖2所示，其主要工作參數(shù)如表1所示。

該花生播種機與五征WZ350型拖拉機配合作業(yè)，正常作業(yè)時，播種機集土鏟和筑土鏟共同完成筑壟；肥料從肥箱流出經(jīng)過排肥器調量后進入到開溝器，開溝器在挖開土層的同時將肥料埋入土中；與此同時，氣吸式排種器排出種子落入到開溝器開好的種溝內。調節(jié)高度后的刮土輪輪條壓入到土壤內部中種子的上面，隨著機體前進將土壤均勻地覆蓋到化肥和種子上，并將花生壟面整平。

1.懸掛裝置 2.集土鏟 3.開溝器 4.地輪 5.機架 6.噴藥機構 7.刮土輪 8.安膜器 9.壓膜輥 10.壓膜輪 11.集土滾筒 12.覆土圓盤 13.排種器 14.風機

圖2 氣吸式花生精密播種機的三維裝配圖

項目單位參數(shù)整機尺寸(長×寬×高)mm2250×2000×1060配套動力kW19．7～25．7輸出轉速r/min1000作業(yè)效率hm2/h0．4～0．6適應膜寬mm800～900播種深度mm30～50播種行數(shù)行/幅2壟距mm750～900行距mm270株距mm15、16．5、17．5、18．5、19、20雙粒率%≥98漏播率%≤1破碎率%≤0．1播種量kg/hm2195～270施肥量kg/hm2600～750噴藥量kg/hm2450～750

與拖拉機連接的電動噴藥泵分別連接藥桶和噴藥桿，通過電動噴藥泵的加壓使除草劑均勻地噴灑在花生種植的壟面上；地膜通過壓膜輥的可活動性將塑料薄膜均勻展平，再由傾斜設置的壓膜輪將花生壟面外的地膜壓實。覆土圓盤將土壤掀起時，一部分土壤通過圓盤的推動作用進入到在壟面上滾動的集土滾筒內部，靠著呈螺旋線狀排列的導土板的作用，形成筑土帶。這樣花生的種子發(fā)芽后可依靠自身的力量鉆透地膜及膜上的筑土帶，省去了人工打孔摳苗的麻煩，提高了出苗率。

不同的花生種植模式對其播種的株距有著不同的要求，有的要密，有的要疏，本文設計的花生播種機可以實現(xiàn)不同株距間的轉換。排種器在鏈輪的帶動下轉動工作，在外界條件適宜的情況下，排種器上安裝的排種圓盤轉動的線速度決定了播種株距的大小。播種機上配套有15、17、18、19、20、21、22、23齒等不同齒數(shù)的鏈輪供選擇安裝，播種作業(yè)前根據(jù)需求調節(jié)可實現(xiàn)不同株距種植[23]。

2 作業(yè)部件及裝置設計

2.1 氣吸式排種器主要零部件的設計

播種裝置是將花生種子有序地輸送到種床上，完成種子入土，并根據(jù)播種要求有序排列，是播種工序的最重要環(huán)節(jié)。設計采用地輪驅動氣吸式精密排種器，其結構及組成如圖3所示。

1.鏈輪 2.螺栓緊固軸端擋圈 3.平鍵 4.排種器軸 5.軸承端蓋 6.尾風管 7.本體 8.排種圓盤 9.攪種盤 10.軸端擋圈 11.緊固螺栓 12.種杯 13.底殼片 14.螺栓 15.螺母 16.軸承

圖3 排種器結構圖

Fig.3 Map of seeding opener

2.1.1 影響氣吸式排種器性能的主要參數(shù)設定

氣吸式排種器在外界條件基本一致的情況下，其排種性能還受到多方面的影響：如播種不同作物的種子時對應吸種孔的大小不一樣，排種圓盤上每組吸種孔不同的排列方式也會對排種性能產生一定影響，排種盤轉動線速度對其產生的影響也很重要。排種圓盤上吸種孔孔徑的大小對漏播率影響顯著，在排除攪種盤對漏播率的影響下，選取排種圓盤旋轉線速度v(m/s)和吸種孔直徑大小D(mm)兩種情況進行正交試驗，結果如圖4所示[24]。

本設計試驗所選用的花生品種為小白沙1016號，選用1 000粒，測得其長、寬、高的數(shù)值并取平均值，如表2所示。

圖4 正交試驗表

根據(jù)初步試驗及結合花生播種的相關農藝要求，排種圓盤直徑的選擇一般在140～260mm范圍之內，線速度選擇一般在0.2～0.4m/s范圍之內，吸種孔直徑的選擇一般在5.0～7.0mm范圍之內，風機風壓選擇在6 000～8 000Pa范圍之內。根據(jù)正交試驗，各因素最佳理論值如表3所示。

表2 花生品種尺寸特征

M為平均值；δ為變異系數(shù)。

表3 影響排種器性能因素的最佳理論值表

本文設計的排種圓盤(見圖5)直徑為200mm，壁厚為1mm，為了增加其耐磨性，加工制造時選用GCr15為原材料。氣吸式排種器可實現(xiàn)單粒種子及多粒種子的精密播種，由于壟作種植的花生要求每株播種兩粒花生種子，并且兩粒花生種子之間的距離要控制在一定范圍之內，所以圓盤面上的每組吸種孔選擇按照半徑方向排列。

為了降低氣吸式排種器的空穴率，在排種圓盤的吸種孔一側設置有寬度和高度均為2mm的傾斜撥片，撥片的外端向轉動方向傾斜，撥片與排種圓盤的中心線夾角β在0°～90°范圍之間。圖5標注的一組撥片與吸種孔之間的夾角為10°，撥片中心與排種圓盤中心的距離為85mm。當排種圓盤跟著排種軸一起轉動時，種子在撥片的推力作用下向排種圓盤內部運動，這樣花生種子的運動軌跡可以經(jīng)過吸種孔，大大增加了種子吸附的概率，提高了排種器排種的穩(wěn)定性和花生種植的經(jīng)濟效益。

圖5 排種圓盤示意圖

2.1.2 攪種盤的設計

本文設計的攪種盤盤面上設置有4個攪種鈕，目的是為了使花生在攪種鈕的推動下跟著攪種盤一起轉動。由于氣吸式排種器的本體和種杯是采用偏心配合的，而且排種器種杯上設置有落種區(qū)域，受到其空間的限制，設計時決定了攪種盤的直徑不可能太大。本文設計的攪種盤為了減小對花生種子的損傷，選用黑色橡膠為原料加工制造，設計直徑為70mm、厚度為3mm、中心孔半徑16.5mm。攪種盤盤面上均布的4個攪種鈕相互成90°夾角，攪種鈕高度為4mm，上部呈半圓形，其結構如圖6所示。

圖6 攪種盤示意圖

2.1.3 排種器本體的設計

排種器本體與圓盤相對轉動的密封性對吸種的性能有重要影響[24]，所以設計出的本體一定要與各個零件緊密配合，增加真空區(qū)域的密封性，提高氣吸式排種器的吸種能力。綜合考慮排種器工作的安全性及加工的制造成本，排種器本體選用灰鑄鐵HT20來加工制造。

圖7為氣吸式排種器本體的俯視圖及旋轉剖視圖。本體外環(huán)上部分為真空區(qū)，下部分為隔離區(qū)，在真空區(qū)最上端通風口處和隔離槽頭部設置了一根尾風管?；ㄉN子由負壓吸附在排種盤的吸種孔并隨之一起旋轉[1]，當花生轉到隔離區(qū)時種子失去負壓作用，花生種子在自身重力及尾風管內風機尾風的吹送作用下，脫離排種圓盤落入開好的種溝內。

圖7 氣吸式排種器本體示意圖

為了減少花生播種的空穴率，提高花生播種的工作質量，本設計在吸風口和隔離槽之間安裝了一根尾風管。其工作原理是利用吸風機在吸風口排出的尾風對正好轉動到隔離槽區(qū)的花生種子進行吹送，避免了隔離區(qū)的花生種子因為種衣劑粘連等原因造成的排種困難，以降低空穴率。所設計尾風管外圓直徑10mm，壁厚2mm，中心距長度170mm。

2.2 驅動地輪的設計

地輪是播種機工作的主要部件，設計時不僅要求傳動系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，且應盡量降低地輪與土壤接觸時產生的滑移率。所以，要求設計的地輪能夠有相對較低的滑移率，以保證花生播種機排種器的排種穩(wěn)定性和播種穴距的精確性，設計方案如圖8所示。

參考各播種機地輪相對于機架本身的高度，綜合考慮花生播種的實際情況，初步設計地輪的輪輞直徑為500mm，總寬度為40mm。為盡量節(jié)省加工材料，減少地輪的制造成本，設計的輪輻盤面上均布8個直徑大小為100mm的圓。外輪圈與輪輻焊接在一塊成60°夾角，兩個對在一塊用M8的螺栓螺母緊固成一個整體。地輪中間焊接有圓形套筒，上面加工有螺紋孔以此用螺栓來與地輪軸固定。地輪整體形狀呈V形，在田間工作時，隨著機組的前進，地輪對地面形成擠壓作用，不僅起到很好的保水保墑作用，其直線行駛的穩(wěn)定性也較好，減少了地輪的滑移率。

圖8 驅動地輪三維示意圖

2.3 膜上覆土滾筒的設計

為了省去花生出芽后人工扣膜的麻煩，本文設計了具有連續(xù)覆土功能的集土滾筒?；ㄉシN機在田間作業(yè)鋪上薄膜，經(jīng)過壓膜堒的碾壓過后，覆土圓盤與土壤接觸推動土壤進入膜上覆土滾筒內部，隨著螺旋線導土板推動下，均勻地撒在種子帶上方，花生的種芽可依靠自身的力量鉆透地膜及膜上的筑土帶，省去了人工打孔摳苗的麻煩，提高了出苗率。其設計結構如圖9所示。

1.導土板 2.連接軸 3.支撐座 4.集土滾筒拉桿 5.外滾筒 6.滾筒連接桿 7.開口銷 8.圓套筒 9.平墊圈 10.內滾筒圖

對膜上覆土滾筒進行設計時，滾筒連接桿之間的距離與花生行距相等，設計為270mm。當整機裝配時，應保證集土滾筒連接桿的中心處、開溝器所開種溝的中心處，以及排種器落種口在一條直線上。集土滾筒的主要部件是在外滾筒內部傾斜焊接的導土板，導土板的焊接數(shù)量及焊接角度的不同都會對膜上覆土量的多少造成影響。為增加集土滾筒的作業(yè)效果，盡量減少花生播種機加工制造成本，所設計的導土板選用厚度為1.5mm的薄板。經(jīng)過理論分析，對集土滾筒進行焊接裝配時，選用3個導土板并成45°焊接時，所形成的筑土帶質量最好。

3 整機傳動比的確定

為了滿足花生覆膜播種機在田間作業(yè)時所需要的動力需求，達到最佳的工作性能及相關工作指標，符合花生播種的農藝要求，首先要確定好播種機各個傳動系統(tǒng)的傳動比[22]。

3.1 排種器傳動比的確定

花生播種的穴距與排種器的傳動比有關。根據(jù)不同地區(qū)所需要播種穴距的不同，本文設計的花生覆膜播種機要求能夠實現(xiàn)L=15、16.5、17.5、18.5、19.5、20cm等多個不同的株距，先以株距為L=20cm為例來設計計算。

前文設計排種圓盤的盤面上共設計了10組排種孔，花生播種的穴距為L=20cm，排種圓盤轉1周，機架走過的距離為200cm，而地輪的設計直徑為D1=50cm?？紤]到地輪的打滑率，則有

(1)

式中 n1—地輪軸轉速；

n2—排種軸轉速。

10n2L·(1-δ)=n1πD

(2)

式中 L—花生播種株距；

δ—地輪的滑移率；

D—地輪的直徑。

為了實現(xiàn)L=15、16.5、17.5、18.5、19cm等幾個株距，本設計在不更換地輪軸18齒鏈輪的基礎上，只需相應的把排種器鏈輪換成17、19、20、21、22齒即可，如表4所示。例如，將排種圓盤的盤面吸種孔數(shù)改成9組，采用20/18的傳動比，可以實現(xiàn)株距為19.5cm的播種要求。

表4 株距與傳動比的關系

3.2 排肥軸傳動比的確定

旋轉排肥調節(jié)器可以控制排肥量的多少?？紤]到花生播種機的制造成本及排肥軸直徑不大，本設計選用15齒鏈輪。由公式算得其傳動比為

(3)

其中，z1為地輪軸鏈輪齒數(shù)；z3為排肥軸鏈輪齒數(shù)。

3.3 風機傳動比的確定

本文所用風機的機體是選用外廠生產的，采購價格在200～300元之間，安裝時對其傳動系統(tǒng)和支撐部分進行了設計和計算。拖拉機后輸出軸標定轉速分別為540、1 000r/min兩擋，由于風機要求轉速為5 000r/min，考慮到傳動比過大會降低傳動的穩(wěn)定性，所以本文確定采用二級提速，選用1 000r/min。

考慮到拖拉機后輸出軸的輸出位置及花生播種機的零部件整體布局，風機傳動先采用V帶橫向傳動，傳動比設定為i3=D4/D5=2∶1；接著采用齒輪傳動，傳動比設定為i4=z7/z6=2.5∶1?？紤]到傳動的穩(wěn)定性，選用小齒輪齒數(shù)z6=20，則由傳動比算出大齒輪的齒數(shù)z7=50。

4 田間試驗與分析

4.1 田間試驗設計

1)試驗地點：山東省萊陽市團旺鎮(zhèn)試驗示范基地。

2)田間調查及測定項目：播種穴距均勻性，播種深度均勻性，壟距均勻性，雙粒率，空穴率，重播率，出苗率。

3)試驗對象及條件：配套動力為五征WZ350型拖拉機，花生品種選用小白沙1016。播種試驗按照《NYT987-2006鋪膜穴播機作業(yè)質量》來對機具進行檢測。

4)土壤硬度為120～140kPa，土壤含水量為10%～13%。年平均降水量680mm左右。土壤質地為壤土，土壤堅實度為(221.5×100)Pa；土壤含水率為11.7%(0～10cm)。

5)前后作業(yè)面積15hm2，選用不同小區(qū)進行抽樣試驗并記錄試驗數(shù)據(jù)，匯總原始試驗數(shù)據(jù)并整理計算各質量指標情況。

4.2 性能測試結果

表5為檢測過程中各項指標的測試結果。試驗表明：本機作業(yè)后花生雙粒率為98.32%，漏播率為0.63%，破碎率為0.04%，播種深度合格率為93%，壟距變異系數(shù)為2.3%，出苗率為88.33%，播種質量完全滿足花生種植的農藝標準要求。

表5 檢測過程中各項指標的測試結果

5 結論

1)該機根據(jù)花生種植農藝要求，設計采用的氣吸式排種器結構緊湊合理、性能優(yōu)良，種子破碎率與漏播率低，實現(xiàn)了花生的精密播種。田間試驗表明：本機作業(yè)后的花生雙粒率為98.32%，漏播率為0.63%，破碎率為0.04%，播種深度合格率為93%，壟距變異系數(shù)為2.3%，出苗率為88.33%，播種質量完全滿足花生種植的農藝要求。

2)所設計的地輪直線行駛性較好、滑移率較低，增加了系統(tǒng)傳動的穩(wěn)定性。整機傳動結構緊湊合理，傳動精度與效率高，空間布置合理，保證了排種的均勻性。

3)該機能夠實現(xiàn)2壟4行花生的起壟、開溝、播種、施肥、噴藥、覆膜及膜上覆土等功能，播種后地膜覆蓋地表，出苗率高，有效地解決了多次作業(yè)問題，大大降低投入成本，減少了作業(yè)工序。

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Study on Air Suction Precision Seeder for Peanut

Zhang Tiantian1,2, He Xiaoning1,2, Wang Yanyao1,2, Shang Shuqi1,2,Wang Dongwei1,2,Tong Qingtan1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 2.Shandong Province Root Crops Production Equipment Engineering Technology Research Center, Qingdao 266109, China)

In order to achieve precision sowing bed planting peanuts, this design choice gas suction seed metering device, which is mainly made up of body, kind of cup, seeding disc tray and stir species tail wind tubes; pushed through the seeding disc paddles effect, stir species on the seed tray buttons agitation as well as the role of the tail wind blowing tube, can significantly improve the rate of double grain planting peanuts, shredded reduced seed sowing rate and drain rate, increase planting accuracy. While improving the planter walking device, can effectively reduce the slip ratio, ensure the stability of seeder straight forward. Peanut planter designed mainly consists of frame, suspension, transmission, opener, seeding fertilizer systems, spraying systems and film coated casing and other components, can be realized from a one-time 4 Rows in 2 Ridges peanuts ridge, ditching, fertilizing, planting, spraying, coating and film casing and other functions, improve the efficiency of planting peanuts.

peanut; seeder; air suction metering device; precision seeding

2016-04-14

公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203028)

張?zhí)鹛?1990-),女，山東肥城人，碩士研究生，(E-mail)121939176@qq.com。

王延耀(1957-),男，山東青州人，教授，博士， (E-mail)wyy57@126.com。

S223.2+3

A

1003-188X(2017)05-0068-07