2BF-2型谷子精少量流體播種機的設計與試驗

張燕青，崔清亮，侯華銘，暢治兵,孫靜鑫

(山西農業大學 工學院，山西 太谷 030801)

0 引言

谷子為五谷之首，營養價值高，是人類喜愛的飲食之一。山西谷子種植面積和總產量位居全國前列，但山西谷子種植區雨量偏少，氣候干旱，播種后谷子出苗率低；且種植區地形以丘陵山地和分散小塊地為主，播種方式大多采用“三腳耬”人工播種和機械式、氣力式等大田機械播種。人工播種播量大、播種均勻性差且后續間苗和定苗工作量大，生產率低；而大型播種機結構尺寸大、操作不靈活，不適合丘陵山地和小塊地播種，制約了種植規模的擴大[1-4]。因此，設計研發適合山西氣候條件與地形特點的播種機是谷子大規模生產亟待解決的問題。

國內學者對谷子精少量播種機的設計和研發取得了突破性成果。張世杰等[5-6]對2BP-6、2BG-6型谷子精少量播種機進行了設計與試驗；裴進靈等[7]采用帶清種槽窩眼式排種器研發了2BM系列谷子免少間苗谷子播種機；邊胤等[8]采用往復式排種器研發了谷子精密播種機。上述機械式播種機工作時仍存在卡種、播種不均勻問題。田聰等[9]設計了氣吸式谷子精量播種機，其排種器耗能大，要求加工精度高、氣密性好。

流體播種方法是將種子均勻分布在保水劑溶液中進行定量機播的方法，可一定程度上控制播量、提高播種均勻性及種子出苗和發芽率[10]。國內外學者對流體播種方法和流體播種機進行了研究，其多用于花卉和牧草種子的播種[11-13]。谷子種子粒小質輕，播種難，播后出苗率低，專門針對山西地形特點和氣候條件的谷子精少量流體播種機還鮮見報道。為此，本文結合山西谷子種植區氣候和地形特點，采用輸送泵式流體排種裝置研制了2BF-2型谷子精少量流體播種機，并進行了田間播種試驗。

1 整機結構與工作過程

1.1 設計要求

本文設計的2BF-2型谷子精少量流體播種機需完成開溝、播種、覆土及鎮壓工作過程，且滿足以下性能要求：①設計的播種機需保證各行排量穩定，播種均勻；②設計不同的傳動比保證流體播種穴距可調，且保證播種行距可調，適應不同的土壤墑情條件；③設計的開溝器開溝深度可調，開溝平整，工作可靠；④在滿足播種性能的基礎上，盡量保證播種機結構緊湊、整機體積小質量輕且適合山西丘陵山地和分散小塊地播種。

1.2 整機結構與技術參數

2BF-2型谷子流體播種機適用于分散、不規則小塊地谷子種植，結構簡單，靈活性強，主要由地輪、牽引桿、種箱、鏈傳動系統、機架及輸送泵式流體排種裝置、排種管、開溝器、覆土器、手扶桿、鎮壓輪等組成，如圖1所示。為適應山西谷子種植區土壤墑情和氣候條件，此播種機開溝深度、播種行距及播種穴距均可調。

1.地輪 2.牽引桿 3.種箱 4.鏈傳動系統 5.機架 6.輸送泵式排種器 7.排種管 8.開溝器 9.覆土器 10.手扶桿 11.鎮壓輪圖1 播種機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of sowing machine

1.3 工作過程

在播種前0.5h，以保水劑、谷子種子、水質量比為1.1∶10∶200配制谷子種粒混合懸浮液，此配制比例適合谷子流體播種，而且谷子播后出苗率大于80%[14]。工作時，由人或畜拉動牽引桿為播種機提供動力，人握手扶桿掌控方向，地輪通過鏈傳動系統傳動，帶動輸送泵式流體排種裝置轉動，排種裝置吸取種箱中的谷子混合懸浮液經排種管均勻排入開溝器所開的種溝內，隨后覆土，鎮壓，完成播種。

1.4 主要技術參數

2BF-2型谷子精少量流體播種機主要技術參數如表1所示。

表1 播種機技術參數表Table 1 Technical parameter of sowing machine

續表1

2 主要工作部件設計

2.1 輸送泵式排種裝置的設計

為提高谷子排種均勻性、降低傷種率及提高谷子播后出苗率，創新設計了輸送泵式流體排種裝置[14]，主要由輸送泵、排種管及限位卡等組成，如圖2所示。

1.種箱 2.限位卡 3.輸送泵 4.泵管 5.三通管 6.長彎排種管 7.末端排種管 8.短彎排種管圖2 流體排種裝置示意圖Fig.2 Structure diagram of fluid seed metering device

輸送泵為排種作業提供動力，調節輸送泵的轉速可改變排種量，其主要由泵殼、軸承、轉動盤、滾輪、轉動軸、微型軸承及滾輪軸等組成，如圖3所示。為提高排種均勻性，根據蠕動傳輸原理，確定輸送泵滾輪數為6個。輸送泵工作時，泵殼將泵管鎖閉，轉動盤隨轉動軸轉動，滾輪隨轉動盤轉動并交替擠壓泵管，滾輪擠壓泵管，泵管內形成負壓，谷子種?；旌蠎腋∫涸谪搲和苿酉铝鲃?。因種?；旌蠎腋∫壕哂幸欢ㄕ承?，滾輪擠壓泵管時，種粒已滑走，輸送泵不易損傷谷子種粒。

排種管的作用是輸送種?；旌蠎腋∫?。為提高排種均勻性，設計了分合式排種管組合結構[14]，其主要由泵管、三通管、長彎排種管、短彎排種管和末端排種管組成，如圖2所示。輸送泵工作時，泵管抽取種箱中的種?；旌蠎腋∫?，懸浮液經三通管，分流至長彎排種管和短彎排種管，再經三通管混合由末端排種管排出。泵管的作用是泵送懸浮液；三通管的作用是分流并匯合懸浮液；長彎、短彎排種管具有一定的長度差，可重新排列懸浮液中的種粒，以提高排種均勻性；末端排種管可保證每滴懸浮液中的種子數，利于種子出苗；限位卡的作用是防止泵送懸浮液時，泵管移動。為滿足排種性能要求且兼顧整機結構，泵管、長彎排種管、短彎排種管、末端排種管均選用彈性性能好、使用壽命長的硅膠軟管，其內徑分別為4.8、4、4、4mm，長度分別為700、100、74.4、20mm。

1.泵殼1 2軸承 3.轉動盤 4.泵殼2 5.泵殼3 6.滾輪 7.轉動軸 8.微型軸承 9.滾輪軸 10.泵管圖3 輸送泵結構簡圖Fig.3 Structure diagram of delivery pump

2.2 種箱的設計

山西谷子種植區氣候干旱且缺少水源，播種時需攜帶一定量水，考慮整機質量，攜帶水量不宜過多。谷子精少量播種需種子4～7kg/hm2[15]，根據谷子種?；旌蠎腋∫号渲票壤?，則流體播種需80～140kg/hm2。2BF-2型流體播種機適合小塊地種植，本文設計的種箱容積需滿足0.067hm2耕地的播種量，忽略保水劑與種子體積，則需9.3L水左右，故設計種箱容積為10L。兼顧整機結構和質量，種箱選用25cm×20cm×20cm的長方形塑料盒，其底部開孔，穿入排種管，使用密封圈密封，防止懸浮液滲漏。

2.3 鏈傳動系統的設計

2BF-2型流體播種機傳動方式為1級鏈傳動，主要由主動輪、08B滾子鏈條、從動輪、排種軸、張緊輪及軸承座等組成，如圖4所示。此鏈傳動系統改變了鏈輪轉動方向，使得輸送泵轉動方向和地輪轉動方向相匹配，以保證排出谷子種粒混合懸浮液。

1.地輪 2.主動輪 3.鏈條 4.輸送泵式排種裝置 5.軸承座 6.傳動軸 7.從動輪 8.張緊輪圖4 傳動系統示意圖Fig.4 Structure diagram of transmission

隨著地輪的滾動，經鏈條及鏈輪增速傳動，帶動排種軸的轉動。播種機傳動比為

(1)

(2)

其中，i為播種機傳動比；z1為主動輪齒數；z2為從動輪齒數；n1為主動輪轉速(r/min)；n2為從動輪轉速(r/min)；δ為地輪滑移率(%)；S為地輪在單位時間內走過的實際距離(m)；R為地輪承載后的半徑(m)。

通過更換從動輪改變傳動比，從而調節谷子流體播種的穴距。旱地谷子播種穴距5～8cm，本文設計流體播種穴距為5、6.5、8cm。人推播種機速度約為0.5m/s，則選定排種器轉速n2取40、53、60r/min，播種機地輪滑移率8.75%，聯立式(1)、式(2)計算播種機傳動比和主從鏈輪齒數如表2所示。

表2 鏈輪齒數表Table 2 The number of teeth sprocket

2.4 開溝器的設計

2BF-2型播種機為人推式播種機，本文設計的開溝器不宜過大，且需保證下層細濕土先落到溝中覆蓋種子，以利于種子發芽，故選用鈍角滑刀式開溝器[16]。滑刀式開溝器入土部分為一較長的滑刀，向下壓切土壤，且容易入土，其主要由滑刀、側板、連接板、調節桿組成，側板后部為斜邊切口，可使下層濕土先落入溝內覆蓋種子，如圖5所示。因播種小顆粒種子，故開溝器滑刀部分不宜過長，本文設計的滑刀式開溝器滑刀長度為80 mm。為保證滑刀對土壤有滑切作用的必要條件[16]是：滑刀入土角α>90°+φ，φ為土壤與滑刀間的入土角且φ=14°～38°，故設計開溝器入土角α=135°，滿足要求。為使滑刀刃將土壤切開，并減小工作阻力，使其在刃口處的土粒向后滑移的必要條件[16]是β<90°-φ，本文取β=45°，滿足要求。開溝器開溝寬度即開溝器雙翼側板間的寬度X，需滿足[17]

(3)

其中，X為開溝器兩側板間的寬度(mm)；H為開溝器開溝深度(mm)；Hn為覆土器覆土深度(mm)。

設計的開溝器開溝最大深度50cm，經試驗，刮板式覆土器覆土深度約29mm，故兩側板間的寬度約18.3mm。開溝器調節桿上標有刻度，可無極調播深，調節范圍0～75mm，且滑刀材料選用65Mn制造，具有足夠的強度和剛度，不易折彎變形，滑切土壤效果好，可平穩工作。

1.調節桿 2.連接板 3.滑刀 4.開溝器側板圖5 開溝器結構示意圖Fig.5 Structure of opener

3 播種性能試驗

3.1 試驗條件

2016年8月，在山西農業大學工學院農業工程實驗教學中心土槽進行了田間試驗。試驗地土壤為沙壤土，土壤含水率14.1%，土壤堅實度10.4kg/cm2，測區長度40m。試驗前先整地，地塊土壤上虛下實，虛土部分深度約10cm。

3.2 試驗材料與儀器

試驗供試谷子品種為山西地區高產、穩產的晉谷21號，含水率為10.2%。試驗設備為2BF-2型谷子流體播種機。試驗儀器主要有直尺、三角尺、毛刷等。

3.3 試驗方法

田間試驗前參照JB/T 6274.1—2013《谷物播種機 第1部分 技術條件》[18]的要求對流體播種機進行排種性能試驗，試驗中將播種機地輪架空，使用電機以0.5 m/s的速度驅動地輪轉動，分別在3種傳動比下收集了60s的谷子質量，計數，重復試驗5次，計算總排量穩定性變異系數、各行排量一致性變異系數、種子破碎率。試驗結果如表3所示。

參照NY/T 987-2006《鋪膜穴播機 作業質量》[19]，對流體播種機進行田間播種試驗。田間試驗主要測量播種機穴粒數合格率、穴距合格率、空穴率及播種深度一致性變異系數。試驗前，將覆土器卸下，不進行覆土、鎮壓作業。根據所設計的3種傳動比，由人推播種機約0.5 m/s盡可能勻速前進，在試驗土槽中進行播種試驗，每次播種40m，重復試驗5次。試驗中，播種機可平穩連續工作，鏈傳動系統未發生卡齒、跳齒狀況。試驗結束后，在播種機行駛方向上，用毛刷輕撥走土壤，尋找保水劑與種子的混合懸浮液，用直尺測量251滴懸浮液中的種子數和相鄰兩滴懸浮液幾何中心距離，計算穴距合格率和穴粒數合格率、空穴率。計算公式為

穴距合格率為

穴粒數合格率為

空穴率為

其中，xh為合格穴距個數，合格穴距為要求穴距值±1.5cm；lh為1穴2?！?粒谷子種粒的總穴數；kh為1穴0粒谷子種粒的總穴數；f為每次試驗測定總穴數。

(7)

(8)

3.4 試驗結果與分析

2BF-2型谷子精少量流體播種機排種性能試驗結果如表3所示。不同傳動比下播種均勻性試驗結果和不同開溝器高度下播深一致性試驗結果，如表4和表5所示。

表3 排種性能試驗結果Table 3 Results of seeding performance experiment

表4 播種均勻性試驗結果Table 4 The uniformity test results of seeding machine

表5 播深一致性試驗結果Table 5 The uniformity test results of sowing depth

由表3可知：各行排量一致性變異系數小于等于4.42%，總排量穩定性變異系數小于等于2.12%，種子破碎率小于等于0.009%，排量穩定，傷種率低，滿足JB/T 6274.1-2013《谷物播種機 第1部分 技術條件》[18]的要求。

由表4可知：該播種機穴距合格率均大于80%，穴粒數合格率均大于74%，空穴率均小于5%，基本達到谷子精少量播種要求,但空穴率大于2%，有待進一步改進。

由表5可知：在播種機行進速度約0.5m/s進行播種作業時，研制的滑刀式開溝器開溝深度變異系數很小，均小于4%，與理論設計相符，該開溝器開溝平整，可穩定工作。

4 結論

1)2BF-2型谷子精少量流體播種機行距可調，且田間通過性能優異，適合山西丘陵地形種植。流體播種有效解決氣候干旱問題；輸送泵式排種器結構輕巧，排種均勻，穴距可調，傷種率低；設計的滑刀式開溝器，開溝平整且可保證細濕土與種子接觸，利于出苗。

2)排種性能試驗表明：該播種機在所設計的傳動比下各行排量一致性變異系數不大于4.42%，總排量穩定性變異系數不大于2.12%,種子破碎率不大于0.009%，排量穩定，傷種率低。

3)播種均勻性試驗表明：播種機在各傳動比下，穴距合格率均大于80%，穴粒數合格率均大于74%，空穴率均小于5%，基本達到谷子精少量播種要求。

4)播深一致性試驗表明：滑刀式開溝器播種深度一致性變異系數小于4%，開溝深度均值接近所要求深度，開溝平整，工作可靠。