小型玉米套種精量穴播器研制

尹 起，盛文斌

(山東理工大學 機械工程學院，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 機械工程學院，山東 淄博 255091)

基于種肥同施單元和穴播變頻單元等結構研制了一種玉米套種精量種肥穴播器，主要用來實現(xiàn)小麥收獲前期的玉米套種播種機械化，可精確控制種子、化肥的穴播量及穴間距(130～380mm)。與此同時，對自行研制的套種精量種肥穴播器進行了相關試驗。結果表明：該穴播器有較高的工作可靠性，行走流暢且不會影響小麥的生長和收獲，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)，并能實現(xiàn)播種量、施肥量的調節(jié)。

玉米；套種；精量；穴播器

0 引言

玉米是我國的最大糧食作物之一[1]，具有生長周期短、產量高等特點，高產、穩(wěn)產且種植范圍廣。在我國北方很多地區(qū)，通常小麥未成熟收獲之前在小麥的溝壟間套種玉米[2]，以通過進一步延長玉米生長周期來達到提高產量的目的。

伴隨著農業(yè)機械化發(fā)展的進程，在大力推廣保護性精細耕作技術與裝備的背景下，國內越來越多的高等院校和科研院所對耕作技術和播種機具展開研究，取得了顯著的研究成果。越來越多的大型多行播種機具被研制，在提高播種效率的也實現(xiàn)了精量播種，但這些大型設備無法完成較小地塊甚至丘陵地區(qū)等較為復雜地塊的播種作業(yè)[3-7]。

目前，四桿仿形機構形式[8]、打穴式[9]、穴灌式[10]及動力甩刀式[11]播種機具也相繼研制與應用，使得播種機具的類型更加多元化，功能更加具體化，促進了農業(yè)機械化生產和免耕播種機的發(fā)展[11-14]。

同時，市場上出現(xiàn)了帶有開溝器的套種小型單行播種機和人工播種施肥鎬，已經較為成熟。一般而言，帶有開溝器的套種小型單行播種機動力消耗較大，具有擾動性，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，其勞動強度大，作業(yè)效率低。

因此，研制一種降低勞動強度、提高播種與施肥作業(yè)效率的小型免耕套種機具顯得十分重要。本文設計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，結構簡單、輕便，易于操作，可適用于較為復雜地形，且效率高，可顯著降低勞動強度。

1 穴播器結構及原理

1.1 基本結構

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、導種管、導肥管、拉簧、種肥同施單元和后輪等部分組成(如圖1所示)。種肥同施單元內設置可用來調節(jié)施肥量和穴播量的調整墊片。

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

該穴播器采用單行免耕穴播結構,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，穴播器在牽引桿的牽引作用下驅動地輪向前運行，位于地輪軸上的鏈輪轉動；穴播變頻單元在鏈傳動作用下實現(xiàn)轉動，與變頻盤通過螺栓連接的變頻齒驅動鎬桿繞著支撐桿可在一定角度范圍內旋轉，從而帶動種肥同施單元實現(xiàn)上下擺動。工作過程中，變頻齒與鎬桿脫離接觸時，種肥同施單元末端在彈簧拉力作用下快速進入土壤，此時滑塊板在慣性力作用下打開，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，完成覆土過程。

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

2 關鍵零部件設計

2.1 種肥同施單元

2.1.1 基本結構

種肥同施單元主要包括滑塊版、彈簧、支撐桿、刮種舌、進種孔、進肥孔、主鎬體和調節(jié)墊片等部分，如圖3所示。其中，進種孔和進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；支撐桿穿過主鎬體上方的孔、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，種子和肥料沿導種管和導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，有部分種子和肥料進入種槽和肥槽內；當鎬頭在彈簧拉力作用下快速滑落，滑塊板向下慣性移動，當主鎬體的尖端進入土壤中停止運動并刨出凹坑，滑塊板因慣性作用繼續(xù)向下滑動，這時種肥槽運動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；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，凹坑邊上的泥土滑落蓋住種子和肥料，一個播種周期完成。本種肥同施單元設計了獨立的種槽和肥槽，可實現(xiàn)側方位施肥，避免燒種現(xiàn)象。

1.滑塊板 2.彈簧 3.支撐桿 4.主鎬體 5.進種孔 6.進肥孔 7.刮種舌 8.刮肥舌 9.調節(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節(jié)墊片可以調節(jié)種肥槽的“空腔”大小，進而調節(jié)播種施肥量。帶有種槽和肥槽的后滑塊結構簡單、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管內，導管隨種肥同施單元上下運動，可以避免種子、肥料在導管內發(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)域等原因導致對播種深度要求不一，因此專門設計了可調式的組合桿，以便調節(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，鉸接點是一根固定在穴播器上的軸。穴播變頻單元變頻齒的長度一定，桿Ⅰ向下運動達到的最大角度也就一定，通過調節(jié)腹板來改變兩桿之間的角度，從而調節(jié)種肥同施單元的入土的深度，達到調節(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。經計算，種肥同施單元的入土角θ2應在30°～60°之間。

圖4中，當種肥同施單元入地時，桿Ⅰ處于水平位置，此時桿Ⅰ與桿Ⅱ之間的夾角為θ2，桿Ⅰ、桿Ⅱ和腹板之間構成一個三角形。由圖可知，θ1-θ2=90°，因此角θ1的范圍應為120°～150°。根據整機的結構桿，Ⅰ與腹板鉸接點距桿Ⅰ與桿Ⅱ鉸接點距離L1=92mm，桿Ⅱ與腹板鉸接點距桿Ⅱ與桿Ⅰ鉸接點距離L2=77mm。

根據公式

式中θ2—種肥同施單元入土角；

L1—桿Ⅰ、腹板鉸接點距桿Ⅰ、Ⅱ鉸接點距離；

L2—桿Ⅱ、腹板鉸接點距桿Ⅰ、Ⅱ鉸接點距離；

L3—腹板分別與桿Ⅰ、桿Ⅱ的2個鉸接點之間的長度。

求得腹板的可調長度L3的范圍為137～156mm。

2.2 穴播變頻單元

2.2.1 基本結構

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、滾動軸承及變頻齒等部分組成，如圖5所示。

1.變頻盤 2.滾動軸承 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，變頻齒通過螺栓連接在變頻盤上，可以通過增加或減少變頻齒的數目來控制變頻器轉動1周對桿件Ⅰ作用的次數，進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

穴播器被向前拉動的同時地輪轉動，地輪軸將動力通過鏈傳動使穴播變頻單元所在的軸轉動，進而控制穴播變頻單元轉動。穴播器作業(yè)時，需要鏈傳動系統(tǒng)傳遞工作所需動力，而在穴播器不作業(yè)空轉的過程中不需要該鏈傳動提供動力。因此，穴播變頻單元軸上的鏈輪用飛輪(齒數18、內徑34mm、外徑78mm，可以單向傳遞動力)代替。當穴播器處于作業(yè)狀態(tài)時，向前拉動穴播器，飛輪處于工作狀態(tài)，此時地輪轉動通過鏈傳動系統(tǒng)帶動穴播變頻單元轉動，進而使整個機器處于工作狀態(tài)；當穴播器儲運非工作狀態(tài)運動時，向后推動機器，飛輪處于空轉工作狀態(tài)，此時地輪轉動不會通過鏈傳動系統(tǒng)帶動穴播變頻單元工作，機器處于非工作狀態(tài)。

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

2.2.3 確定傳動比

經過多次試驗及查閱與機械傳動相關的資料，同時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傳輸該穴播器所需動力。鏈輪傳動比的確定：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A=3，地輪輪旋轉1周機器前進的距離為L1=πD=942mm，則傳動比為i1=D/L≈2.5。

當穴播變頻單元齒數為3個時，傳動比i1=2.5，此時穴間距為130mm。當穴播變頻單元齒數為2個時,穴間距為190mm。

經過計算，最終確定該鏈輪傳動的傳動比為i=2.5。通過變換穴播變頻單元的齒數，使齒數分別為3、2、1時，穴間距分別為130、190、380mm。

3 穴播試驗

本穴播器主要應用于丘陵地區(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的使用方式影響較大。現(xiàn)有套種機型在播種效率、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。為了適應套種播種的需要，進行探究試驗，旨在研究玉米種子大小、播種機行走速度對播種機株距和漏播率的影響。

3.1 試驗地點與設備

試驗地點選在淄博市馬尚鎮(zhèn)一塊農田，土壤中玉米播種范圍深度(30～50cm)，相對濕度為81%，田地里生長的小麥高度為500mm左右；小麥的溝壟較為整齊，兩行小麥之間的壟間距為300mm。自行設計的套種播種機、米尺、秒表、彈簧測力計及不同型號的玉米種子(農大108和登海9號)。

3.2 試驗指標及影響因素

播種性能指標：播種效率、漏播率[15]。

影響因素：播種間距、播種機行走速度和玉米種子的大小。

3.3 試驗方法

當穴播變頻單元選用兩個變頻齒時，采用農大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6次取平均值，觀察3種條件下播種情況并統(tǒng)計播種株數、漏播和重播數(參照GBT 6973-2005)，得到如表1所示的試驗數據。

表1 農大108號玉米種子試驗數據統(tǒng)計表

更換與農大108種子大小差異較大的登海9號玉米種子，同時更換種肥同施單元中種槽和肥槽的調節(jié)墊片，其他試驗條件不變，每種播種速度重新進行6次試驗，對試驗結果的統(tǒng)計取平均值得到如表2所示的試驗數據。

表2 登海9號玉米種子試驗數據統(tǒng)計表

試驗結果顯示：該機器能夠很好地在小麥壟溝之間播種玉米，行走流暢且不會影響小麥的生長和收獲。同時，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標。本文設計的套種精量種肥穴播器如圖6所示。通過試驗，得到了如下作業(yè)參數：

播種速度/m·s-1：1

動力/kW：0.8

單粒率/%：≥99

株距合格率/%：≥99

圖6 實驗室試驗Fig.6 Laboratory tests

4 結論

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

2)根據土壤情況調節(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。當玉米的播種深度為30～50mm時,θ1的范圍應為120°～150°，種肥同施單元的入土角θ2應在30°～60°。

3)可以通過調節(jié)穴播變頻單元的齒數來控制穴間距，以達到需要的播種間距。當齒數分別為3、2、1時，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

國家發(fā)明專利(201610161424.5)

尹 起(1990-)，男，山東萊陽人，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