小型玉米套種精量穴播器研制

尹 起，盛文斌

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255091)

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小型玉米套種精量穴播器研制

尹 起，盛文斌

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255091)

基于種肥同施單元和穴播變頻單元等結(jié)構(gòu)研制了一種玉米套種精量種肥穴播器，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)小麥?zhǔn)斋@前期的玉米套種播種機(jī)械化，可精確控制種子、化肥的穴播量及穴間距(130～380mm)。與此同時(shí)，對(duì)自行研制的套種精量種肥穴播器進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。結(jié)果表明：該穴播器有較高的工作可靠性，行走流暢且不會(huì)影響小麥的生長(zhǎng)和收獲，能夠高效地完成小麥壟溝間玉米的精量播種；播種行距、株距均勻，深度適中，基本沒(méi)有漏播、重播現(xiàn)象。該穴播器適用丘陵地區(qū)作業(yè)，并能實(shí)現(xiàn)播種量、施肥量的調(diào)節(jié)。

玉米；套種；精量；穴播器

0 引言

玉米是我國(guó)的最大糧食作物之一[1]，具有生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量高等特點(diǎn)，高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)且種植范圍廣。在我國(guó)北方很多地區(qū)，通常小麥未成熟收獲之前在小麥的溝壟間套種玉米[2]，以通過(guò)進(jìn)一步延長(zhǎng)玉米生長(zhǎng)周期來(lái)達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。

伴隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的進(jìn)程，在大力推廣保護(hù)性精細(xì)耕作技術(shù)與裝備的背景下，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的高等院校和科研院所對(duì)耕作技術(shù)和播種機(jī)具展開(kāi)研究，取得了顯著的研究成果。越來(lái)越多的大型多行播種機(jī)具被研制，在提高播種效率的也實(shí)現(xiàn)了精量播種，但這些大型設(shè)備無(wú)法完成較小地塊甚至丘陵地區(qū)等較為復(fù)雜地塊的播種作業(yè)[3-7]。

目前，四桿仿形機(jī)構(gòu)形式[8]、打穴式[9]、穴灌式[10]及動(dòng)力甩刀式[11]播種機(jī)具也相繼研制與應(yīng)用，使得播種機(jī)具的類型更加多元化，功能更加具體化，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)和免耕播種機(jī)的發(fā)展[11-14]。

同時(shí)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了帶有開(kāi)溝器的套種小型單行播種機(jī)和人工播種施肥鎬，已經(jīng)較為成熟。一般而言，帶有開(kāi)溝器的套種小型單行播種機(jī)動(dòng)力消耗較大，具有擾動(dòng)性，工作穩(wěn)定性稍差；而人工播種施肥鎬雖然滿足了免耕精量播種的要求，但覆土以及株距、播深控制等均需要人力輔助，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。

因此，研制一種降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高播種與施肥作業(yè)效率的小型免耕套種機(jī)具顯得十分重要。本文設(shè)計(jì)了一種在小麥溝壟之間套種玉米的免耕穴播器，適合丘陵地區(qū)小地塊，用于小麥溝壟間玉米的播種與施肥，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，易于操作，可適用于較為復(fù)雜地形，且效率高，可顯著降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 穴播器結(jié)構(gòu)及原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

自行研制的小型玉米套種精量種肥穴播器主要由牽引桿、穴播變頻單元、地輪、種肥箱、導(dǎo)種管、導(dǎo)肥管、拉簧、種肥同施單元和后輪等部分組成(如圖1所示)。種肥同施單元內(nèi)設(shè)置可用來(lái)調(diào)節(jié)施肥量和穴播量的調(diào)整墊片。

1.地輪 2.牽引桿 3.穴播變頻單元 4.種肥箱 5.導(dǎo)種管(導(dǎo)肥管被遮擋) 6.腹板 7.拉簧 8.種肥同施單元 9.后輪圖1 穴播器的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the dibbling machine

該穴播器采用單行免耕穴播結(jié)構(gòu),穴播器的三維效果如圖2所示。

圖2 穴播器三維效果圖Fig.2 Dibbling three-dimensional figure

1.2 工作原理

田間作業(yè)時(shí)，穴播器在牽引桿的牽引作用下驅(qū)動(dòng)地輪向前運(yùn)行，位于地輪軸上的鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)；穴播變頻單元在鏈傳動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，與變頻盤通過(guò)螺栓連接的變頻齒驅(qū)動(dòng)鎬桿繞著支撐桿可在一定角度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)種肥同施單元實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)。工作過(guò)程中，變頻齒與鎬桿脫離接觸時(shí)，種肥同施單元末端在彈簧拉力作用下快速進(jìn)入土壤，此時(shí)滑塊板在慣性力作用下打開(kāi)，種子與肥料落入土壤里，完成種肥同施作業(yè)；隨后，種肥同施單元在彈簧作用力下抬起，土壤回落，完成覆土過(guò)程。

為適應(yīng)不同地區(qū)的播種作業(yè)，播種機(jī)可通過(guò)穴播變頻單元來(lái)調(diào)節(jié)株距。有些地域存在秸稈，播深不能達(dá)到耕作要求，利用播種機(jī)的腹板部分來(lái)調(diào)節(jié)播深，以適應(yīng)不同土壤狀態(tài)下的播種，保證出苗率；通過(guò)調(diào)節(jié)種肥同施單元中的墊片來(lái)改變種肥槽的大小，進(jìn)而控制播種量、施肥量。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 種肥同施單元

2.1.1 基本結(jié)構(gòu)

種肥同施單元主要包括滑塊版、彈簧、支撐桿、刮種舌、進(jìn)種孔、進(jìn)肥孔、主鎬體和調(diào)節(jié)墊片等部分，如圖3所示。其中，進(jìn)種孔和進(jìn)肥孔位于主鎬體上部，刮種舌和刮肥舌鑲嵌在主鎬體的后部凹槽內(nèi)；支撐桿穿過(guò)主鎬體上方的孔、彈簧和滑塊板上的孔，使滑塊版和彈簧固定在主鎬體上。

2.1.2 工作原理

穴播器作業(yè)時(shí)，種子和肥料沿導(dǎo)種管和導(dǎo)肥管靠重力滑落到種肥同施單元的主鎬體、刮種刮肥舌和滑塊板圍成的腔體內(nèi)，有部分種子和肥料進(jìn)入種槽和肥槽內(nèi)；當(dāng)鎬頭在彈簧拉力作用下快速滑落，滑塊板向下慣性移動(dòng)，當(dāng)主鎬體的尖端進(jìn)入土壤中停止運(yùn)動(dòng)并刨出凹坑，滑塊板因慣性作用繼續(xù)向下滑動(dòng)，這時(shí)種肥槽運(yùn)動(dòng)到刮種刮肥舌的下部，種肥槽里的種子和肥料沿主鎬體的凹槽滑落到凹坑內(nèi)；滑塊板在彈簧的作用下迅速回位，種肥同施單元在穴播變頻單元的作用下太高時(shí)，凹坑邊上的泥土滑落蓋住種子和肥料，一個(gè)播種周期完成。本種肥同施單元設(shè)計(jì)了獨(dú)立的種槽和肥槽，可實(shí)現(xiàn)側(cè)方位施肥，避免燒種現(xiàn)象。

1.滑塊板 2.彈簧 3.支撐桿 4.主鎬體 5.進(jìn)種孔 6.進(jìn)肥孔 7.刮種舌 8.刮肥舌 9.調(diào)節(jié)墊片 10.種槽 11.肥槽圖3 種肥同施單元三維模型圖Fig.3 Seed manure disseminator three-dimensional model diagram

在滑塊板上鑲嵌的調(diào)節(jié)墊片可以調(diào)節(jié)種肥槽的“空腔”大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)播種施肥量。帶有種槽和肥槽的后滑塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于更換，滿足不同播種量、施肥量的需要。刮種舌采用橡膠材料(聚氯丁二烯CR)，材質(zhì)很軟，避免傷種、卡種等現(xiàn)象。種子和肥料分別存放于同施器相連的導(dǎo)管內(nèi)，導(dǎo)管隨種肥同施單元上下運(yùn)動(dòng)，可以避免種子、肥料在導(dǎo)管內(nèi)發(fā)生“卡滯”和“粘連”現(xiàn)象。

2.1.3 播種深度控制

因自然條件、播種區(qū)域等原因?qū)е聦?duì)播種深度要求不一，因此專門設(shè)計(jì)了可調(diào)式的組合桿，以便調(diào)節(jié)種肥同施單元的播種和施肥深度，如圖4所示。

1.桿Ⅰ 2.腹板 3.緊固螺栓 4.桿Ⅱ 5.種肥同施單元圖4 種肥同施單元入土深度示意圖Fig.4 The grave depth map of Seed manure unit

桿Ⅰ與桿Ⅱ之間鉸接，鉸接點(diǎn)是一根固定在穴播器上的軸。穴播變頻單元變頻齒的長(zhǎng)度一定，桿Ⅰ向下運(yùn)動(dòng)達(dá)到的最大角度也就一定，通過(guò)調(diào)節(jié)腹板來(lái)改變兩桿之間的角度，從而調(diào)節(jié)種肥同施單元的入土的深度，達(dá)到調(diào)節(jié)播種深度的作用。

玉米的播種深度為30～50mm，穴播器的高度一定，因此桿件Ⅰ距地面的高度與一定。經(jīng)計(jì)算，種肥同施單元的入土角θ2應(yīng)在30°～60°之間。

圖4中，當(dāng)種肥同施單元入地時(shí)，桿Ⅰ處于水平位置，此時(shí)桿Ⅰ與桿Ⅱ之間的夾角為θ2，桿Ⅰ、桿Ⅱ和腹板之間構(gòu)成一個(gè)三角形。由圖可知，θ1-θ2=90°，因此角θ1的范圍應(yīng)為120°～150°。根據(jù)整機(jī)的結(jié)構(gòu)桿，Ⅰ與腹板鉸接點(diǎn)距桿Ⅰ與桿Ⅱ鉸接點(diǎn)距離L1=92mm，桿Ⅱ與腹板鉸接點(diǎn)距桿Ⅱ與桿Ⅰ鉸接點(diǎn)距離L2=77mm。

根據(jù)公式

式中θ2—種肥同施單元入土角；

L1—桿Ⅰ、腹板鉸接點(diǎn)距桿Ⅰ、Ⅱ鉸接點(diǎn)距離；

L2—桿Ⅱ、腹板鉸接點(diǎn)距桿Ⅰ、Ⅱ鉸接點(diǎn)距離；

L3—腹板分別與桿Ⅰ、桿Ⅱ的2個(gè)鉸接點(diǎn)之間的長(zhǎng)度。

求得腹板的可調(diào)長(zhǎng)度L3的范圍為137～156mm。

2.2 穴播變頻單元

2.2.1 基本結(jié)構(gòu)

穴播變頻單元作為控制種肥同施單元入土頻率的器件，主要由變頻盤、滾動(dòng)軸承及變頻齒等部分組成，如圖5所示。

1.變頻盤 2.滾動(dòng)軸承 3.變頻齒圖5 穴播變頻單元Fig.5 Dibbling inverter

滾定軸承安裝在變頻齒與桿件Ⅰ接觸的位置，變頻齒通過(guò)螺栓連接在變頻盤上，可以通過(guò)增加或減少變頻齒的數(shù)目來(lái)控制變頻器轉(zhuǎn)動(dòng)1周對(duì)桿件Ⅰ作用的次數(shù)，進(jìn)而控制種肥同施單元入土頻率，控制播種和施肥的穴間距。

2.2.2 工作原理

穴播器被向前拉動(dòng)的同時(shí)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪軸將動(dòng)力通過(guò)鏈傳動(dòng)使穴播變頻單元所在的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制穴播變頻單元轉(zhuǎn)動(dòng)。穴播器作業(yè)時(shí)，需要鏈傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞工作所需動(dòng)力，而在穴播器不作業(yè)空轉(zhuǎn)的過(guò)程中不需要該鏈傳動(dòng)提供動(dòng)力。因此，穴播變頻單元軸上的鏈輪用飛輪(齒數(shù)18、內(nèi)徑34mm、外徑78mm，可以單向傳遞動(dòng)力)代替。當(dāng)穴播器處于作業(yè)狀態(tài)時(shí)，向前拉動(dòng)穴播器，飛輪處于工作狀態(tài)，此時(shí)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)穴播變頻單元轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使整個(gè)機(jī)器處于工作狀態(tài)；當(dāng)穴播器儲(chǔ)運(yùn)非工作狀態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，向后推動(dòng)機(jī)器，飛輪處于空轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，此時(shí)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)通過(guò)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)穴播變頻單元工作，機(jī)器處于非工作狀態(tài)。

同時(shí)，變頻齒的末端安裝滾動(dòng)軸承，可以使穴播變頻單元與控制種肥同施單元的桿件作用時(shí)由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，減少工作阻力。

2.2.3 確定傳動(dòng)比

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)及查閱與機(jī)械傳動(dòng)相關(guān)的資料，同時(shí)考慮該精量種肥同施單元的外形尺寸，最終決定采用鏈輪傳動(dòng)傳輸該穴播器所需動(dòng)力。鏈輪傳動(dòng)比的確定：地輪直徑D=300mm，玉米穴間距L=130mm，穴播變頻單元初步確定齒數(shù)A=3，地輪輪旋轉(zhuǎn)1周機(jī)器前進(jìn)的距離為L(zhǎng)1=πD=942mm，則傳動(dòng)比為i1=D/L≈2.5。

當(dāng)穴播變頻單元齒數(shù)為3個(gè)時(shí)，傳動(dòng)比i1=2.5，此時(shí)穴間距為130mm。當(dāng)穴播變頻單元齒數(shù)為2個(gè)時(shí),穴間距為190mm。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終確定該鏈輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為i=2.5。通過(guò)變換穴播變頻單元的齒數(shù)，使齒數(shù)分別為3、2、1時(shí)，穴間距分別為130、190、380mm。

3 穴播試驗(yàn)

本穴播器主要應(yīng)用于丘陵地區(qū)或者小地塊的玉米套種作業(yè)，其播種效率與漏播率受小麥溝壟的整齊度及本機(jī)的使用方式影響較大。現(xiàn)有套種機(jī)型在播種效率、漏播率上還有很大發(fā)展空間，加之制造成本高，在一定程度上限制了推廣。為了適應(yīng)套種播種的需要，進(jìn)行探究試驗(yàn)，旨在研究玉米種子大小、播種機(jī)行走速度對(duì)播種機(jī)株距和漏播率的影響。

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與設(shè)備

試驗(yàn)地點(diǎn)選在淄博市馬尚鎮(zhèn)一塊農(nóng)田，土壤中玉米播種范圍深度(30～50cm)，相對(duì)濕度為81%，田地里生長(zhǎng)的小麥高度為500mm左右；小麥的溝壟較為整齊，兩行小麥之間的壟間距為300mm。自行設(shè)計(jì)的套種播種機(jī)、米尺、秒表、彈簧測(cè)力計(jì)及不同型號(hào)的玉米種子(農(nóng)大108和登海9號(hào))。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)及影響因素

播種性能指標(biāo)：播種效率、漏播率[15]。

影響因素：播種間距、播種機(jī)行走速度和玉米種子的大小。

3.3 試驗(yàn)方法

當(dāng)穴播變頻單元選用兩個(gè)變頻齒時(shí)，采用農(nóng)大108玉米種子，分別以0.7、1.0、1.3m/s的速度播種1 000m，連續(xù)試驗(yàn)6次取平均值，觀察3種條件下播種情況并統(tǒng)計(jì)播種株數(shù)、漏播和重播數(shù)(參照GBT 6973-2005)，得到如表1所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 農(nóng)大108號(hào)玉米種子試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

更換與農(nóng)大108種子大小差異較大的登海9號(hào)玉米種子，同時(shí)更換種肥同施單元中種槽和肥槽的調(diào)節(jié)墊片，其他試驗(yàn)條件不變，每種播種速度重新進(jìn)行6次試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)取平均值得到如表2所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 登海9號(hào)玉米種子試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

試驗(yàn)結(jié)果顯示：該機(jī)器能夠很好地在小麥壟溝之間播種玉米，行走流暢且不會(huì)影響小麥的生長(zhǎng)和收獲。同時(shí)，玉米播種的行距、種距均勻，播種的深度也均勻合適，播種效果不受玉米種子大小的影響，漏播率或重播率符合國(guó)標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的套種精量種肥穴播器如圖6所示。通過(guò)試驗(yàn)，得到了如下作業(yè)參數(shù)：

播種速度/m·s-1：1

動(dòng)力/kW：0.8

單粒率/%：≥99

株距合格率/%：≥99

圖6 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)Fig.6 Laboratory tests

4 結(jié)論

1)本穴播器可以根據(jù)播種需要通過(guò)調(diào)節(jié)種肥同施單元上的滑塊板種槽和肥槽上調(diào)節(jié)墊片的厚度，分別對(duì)種子和肥料的穴播量進(jìn)行控制，以達(dá)到需要的播種施肥量。

2)根據(jù)土壤情況調(diào)節(jié)兩鎬桿間的角度控制種肥同施單元的入土深度，控制播種施肥深度。當(dāng)玉米的播種深度為30～50mm時(shí),θ1的范圍應(yīng)為120°～150°，種肥同施單元的入土角θ2應(yīng)在30°～60°。

3)可以通過(guò)調(diào)節(jié)穴播變頻單元的齒數(shù)來(lái)控制穴間距，以達(dá)到需要的播種間距。當(dāng)齒數(shù)分別為3、2、1時(shí)，穴間距分別為130、190、380mm。

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Design on Small Maize Interplanting Precise Dibbling Machine

Yin Qi, Sheng Wenbin

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255091， China)

A kind of precise seed and fertilizer interplanting maize dibbling machine was designed, based on the seed and fertilizer sowed simultaneously and dibbling frequency conversion unit structure. It was mainly used to the maize interplant seeding before the wheat harvest. It can accurately control the quantity of dibbling seed and fertilizer, and adjust the planting distance(130～180mm). At the same time, relevant experiments were carried out. The experimental results showed that it has higher reliability when dibbling machine working, walk smoothly, not affect the growth of wheat and harvest and was able to effectively complete precise sowing between row of wheat. When the seeding machine working, row spacing and planting distance was average, seeding depth was moderate and the phenomenon of missing sowing and replay sowing wasn’t appear. The dibbling machine could work in hilly areas and adjust quantity of dibbling seed and fertilizer.

maize; interplant; precise; dibbling machine

2016-05-05

國(guó)家發(fā)明專利(201610161424.5)

尹 起(1990-)，男，山東萊陽(yáng)人，碩士研究生,(E-mail)yinqi89@163.com。

盛文斌(1973-),男，吉林洮南人，副教授， (E-mail)wbsheng@sdut.edu.cn。

S223.2+3

A

1003-188X(2017)06-0115-05