2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機設計

趙成龍，尹海鵬，楊 華，蔣增強，孫 姣，王 波

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅 蘭州 730314)

農膜覆蓋技術的廣泛應用對促進我國農業生產發展,提高農作物產量，保障糧食和經濟作物的供給安全做出了重大貢獻[1-3]。地膜覆蓋技術的應用在我國北方旱地地區十分廣泛，2015年我國地膜覆蓋面積超過2 600萬hm2，新疆、甘肅、山東仍是地膜使用量最大的地區。近年來，在市場的驅動下，起壟覆膜技術發展十分迅速，起壟覆膜機的應用也越來越廣泛，但與之對應的膜上播種技術的發展卻比較滯后。國外的播種技術研究起步較早，但基本都是平播機，不具備起壟覆膜后二次進地播種作業需求。國內針對全膜雙壟溝播種技術的配套大型化播種機具研制處于起步階段，目前用于旱地全膜雙壟溝播種作業機具主要依靠滾輪式穴播器和手持式點播槍，普遍存在撕膜、挑膜和膜孔錯位的現象[4-7]，而且此類機具作業效率低、勞動強度大，不能滿足我國膜上播種作業的需求。

根據市場所需，筆者及其科研團隊設計出一種成本較低、效率高、受地域農藝限制小、使用范圍廣的膜上自走式播種機，以最大限度滿足國內農業發展的需求。設計的全膜雙壟溝精密播種機具有以下創新特點：(1)機組自帶動力源，完成起壟覆膜后二次進地自走式播種作業，代替純人工播種或半自動播種；(2)機具排種器方便選配、更換，可實現農作物平鋪膜和起壟膜的轉換播種，打破農業播種設備專機專用現狀；(3)突破農作物播種過程中受地域與農藝的限制，實現播深、輪距、行距均可調，最大程度滿足不同地區需求。

1 播種機總體結構

西北旱地通常在覆膜后等待降雨以改善土壤墑情，設計的2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機主要用于在已經覆完膜的地塊中自走作業。作業時前、后輪胎行走在地膜接縫處的壓土帶上，具有良好的護膜功能。設計時，考慮到不同地區對株距、覆膜行寬有不同的要求，該播種機的前橋和后橋均設有輪距可調機構；同時，為滿足同一地區不同農作物及不同地區同一農作物對行距和播種深度的不同需求，排種器總成的懸掛、排種器的安裝位置方便調節。機組整體結構如圖1所示，主要由自走式底盤、播種器總成、操控系統總成、制動系統總成、電控系統總成、機罩構成。

1.車架；2.后橋總成；3.制動器總成；4.分輸氣管；5.排種器總成；6.前橋總成；7.液壓輸油管；8.方向盤；9.座椅；10.總輸氣管；11.操控系統總成；12.電控系統總成；13.機罩(局部) 1.Frame；2.Rear axle assembly；3.Brake assembly；4.Branch air conduit；5.Seeder unit assembly；6.Front axle assembly；7.Hydraulic oil pipe line；8.Steering wheel；9.Seat；10.Total air conduit；11.Operated controlsystem assembly； 12.Electronic control system assembly；13.hood(part)圖1 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機整體結構Fig.1 The whole structure of 2BZ-4 planter with wholeplastic-film mulching on double ridges

2 工作原理及技術參數

2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機前橋為轉向橋，后橋為驅動橋，后橋與發動機之間通過皮帶連接。播種作業時，先根據不同的農作物選配不同的排種器，根據不同地區的農藝要求調節排種器的安裝位置以滿足農作物不同的行距要求，再通過調節排種器總成在車架上的安裝位置，完成播種深度的調節，同時根據不同地區覆膜寬度和壟寬，調整前橋總成和后橋總成的輪距，最后充分檢查液壓輸油管和總、分輸氣管與機組功能部件間的連接情況，啟動播種機完成起壟覆膜后二次進地自走式護膜播種作業。

表1 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機主要技術參數

3 關鍵部件設計

3.1 自走式底盤設計

自走式底盤涉及車架、前橋總成、后橋總成、發動機總成、恒壓風機(圖中未標識)、座椅、方向盤，如圖1所示。

3.1.1 前橋設計 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機前橋設計借鑒拖拉機前橋技術[8-11]。如圖2所示，前橋臂焊合與前橋梁焊合之間通過螺栓連接，通過調節螺栓的連接位置使前橋輪距L1在1 000～1 400 mm之間可調。實際操作時，液壓千斤頂作用于前橋梁焊合中部位置使得前橋前輪略微懸空，手動對稱調整前橋臂焊螺栓的連接位置，保證自走式底盤不偏心，并且調節后的前橋應保證3對螺栓同時作用，以滿足部件的剛性要求。前輪輪距調節過程中，為保證播種機的自走式底盤的機動靈活性、操縱穩定性以及輪胎的使用壽命[12]，調節拉桿和橫拉桿之間也通過螺栓連接，通過改變連接螺栓的位置以保證合理的轉向梯形。

1.前橋驅動輪轂；2.左轉向臂；3.左前橋臂焊合；4.調節拉桿；5.前橋梁焊合；6.橫拉桿；7.前橋安裝座；8.右前橋臂焊合；9.液壓缸；10.右轉向臂1.Drive wheel hub of front axle；2.Left steering arm；3.Left front axle arm weldment；4.Adjusting pull rod；5.Front axle weldment；6.Tie rod；7.Mounting base of front axle；8.Right front axle arm weldment；9. Hydraulic cylinder；10.Right steering arm圖2 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機前橋Fig.2 The front axle of 2BZ-4 planter with wholeplastic-film mulching on double ridges

3.1.2 后橋設計 受農藝限制，播種機在覆膜后壟上作業過程中主要以近直線的方式行走，除轉彎時受較小的軸向載荷，后橋半軸主要承載扭矩。考慮到其載荷特點，采用平鍵連接輪胎的后橋驅動輪轂與后橋半軸，通過螺栓夾緊后橋驅動輪轂與后橋驅動輪轂蓋，以提供足夠的徑向載荷，保證后橋輪轂不軸向躥動。通過松開連接螺栓，對應半軸上的刻度標記，精確調節后橋輪距，此設計使后橋輪距L2在1 000～1 400 mm之間可調，調節方便，調節范圍大，具體調節辦法同前橋類似，不再贅述。

1.平鍵；2.后橋驅動輪轂；3.后橋驅動輪轂蓋1.Flat key；2.Drive wheel hub of front axle；3.Drive wheel hub lid of front axle圖3 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機后橋Fig.3 The rear axle of 2BZ-4 planter with wholeplastic-film mulching on double ridges

3.2 深度可調播種器總成設計

排種器通過U型螺栓與主支撐梁連接，連接體通過銷安裝在自走式底盤車架上，主支撐梁上開有5個銷連接孔，相鄰孔之間間隔15 mm，通過改變銷連接的位置，使農作物播種深度h在40～100 mm之間可調。同時主支撐梁橫梁上的刻度標記，通過調節U型螺栓的安裝位置，可精確調節株距S1、S2(無特殊播種要求S1=S2)，使株距在380～550 mm之間可調。實際調節或更換時，應先調節保證株距，用液壓千斤頂作用于主支撐梁中部位置，使排種器懸空，松開U型螺栓，根據農藝需求的S1、S2調節U型螺栓位置并擰緊螺栓，最后調節主支撐梁與車架之間螺栓的連接位置滿足播種深度要求。

1.主支撐梁；2.回位拉桿；3.排種器；4.U型螺栓1. Main support beam；2. Return pull rod；3. Seeder unit；4. U-bolt圖4 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機排種器總成Fig.4 The assembly of seeder unit of 2BZ-4 planter withwhole plastic-film mulching on double ridges

4 樣機田間實驗

4.1 實驗方案

評價一款新型播種機主要考慮播種機的單粒率、重播率、空穴率和破碎率[4，13]。設計的2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機具有多功能播種功能，根據市場上現有的排種器，可實現玉米、黃豆、花生等10余種農作物播種。實驗時選擇3種農作物，分別是玉米、黃豆、蠶豆，選擇理由如下：(1)2015年甘肅省糧食種植面積達到284.2萬hm2，其中玉米種植面積100.8萬hm2，占三大主糧總種植面積的1/3以上，考察該播種機玉米的播種性能有現實必要性；(2)黃豆代表“厚且短”的一類種子，種子厚度、長度比值接近0.5～0.6，如綠豆、青豆等；(3)蠶豆代表“薄且長”的一類種子，種子厚度、長度比值接近0.2～0.3。另外該款播種機顯著特點是膜上自走式播種作業，減員增效明顯，所以實驗時考慮其工作效率。樣機無實時監測功能，上述評價指標中單播率和重播率可通過田間實驗的出苗率驗證，空穴率和破碎率的考察在實驗室內進行。

田間實驗在甘肅省定西市臨洮縣進行。實驗用地地勢平坦，土壤為黃綿土，地表覆膜處理。播種機實驗前取膜內土壤樣品，用稱重法測得實驗時土壤含水率約為18.7%，并測得土壤堅實度約為1 009 kPa。實驗中選配的玉米排種器為河北任丘市沃田農機有限公司生產的OT-6精量排種器；黃豆排種器為武漢艾克美生產的ACME-001型排種器；蠶豆排種器選用我公司自制的LT-6排種器。

田間播種作業實驗同上述3種農作物的種子，并用同樣的排種器，在作業速度分別2 km·h-1和4 km·h-1的工況下播種1 000穴，考察單苗率、重苗率、出苗率、空穴率和作業效率，實驗數據如表3所示。

圖5 2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機播種器樣機Fig.5 The prototype of 2BZ-4 planter with wholeplastic-film mulching on double ridges

4.2 實驗結論

實驗室內，取3種農作物的種子，分別模擬播種1 000穴，驗證不同排種器的排種情況，如表2所示。

表2 實驗室3種農作物排種器排種情況

表3 田間3種農作物排種器排種情況

結合表2、表3的實驗數據可以看出，農作物的出苗情況受播種作業速度、排種器性能、種子形狀、地塊質量影響明顯。黃豆種子表面光滑且接近于圓弧面有利于被排種器吸氣負壓盤孔吸住而呈現出良好的排種性能。本科研團隊研發設計的2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機總體上達到播種機性能要求，使用本播種機播種作業時選擇2～3 km·h-1為宜。

5 總結與展望

5.1 總結

設計的2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機在壟上播種機具方面屬于國內首創，添補國內膜上自走作業播種機具的空白。相較于市場上主流的玉米播種機(平播)、播種覆膜一體機、和膜上單/雙行滾輪式穴播器、膜上手持式點播槍，設計體具有以下創新點：

(1)膜上自走作業：全膜雙壟溝播技術被廣泛應用，但膜上播種具主要靠手推式穴播機，效率低、勞動強度大的缺點明顯。該結構自帶動力源，能完成起壟覆膜后二次進地自走式作業，降低勞動強度，提高播種效率。

(2)多功能播種：該結構能完成平鋪膜和起壟膜的轉換播種；可壟溝播種也可以壟上播種；可通過選配排種器實現多種農作物播種。

(3)適應不同區域，對農藝要求低：該結構更好地解決全膜雙壟溝播技術在不同的地區以及同一地區種植不同作物時對播深、輪距、株距的不同要求。結構設計中，播種深度40～100 mm可調、行走底盤輪距1 000～1 400 mm可調、行距380～550 mm可調。

5.2 展望

試制樣機在田間實驗過程中，設計的2BZ-4全膜雙壟溝精密播種機在提高播種效率、精密播種、出苗率方面取得預期效果，同時也出現諸多問題，筆者與科研團隊后期將在以下方面展開研究：

(1)機組輕量化研究：播種機后輪在地膜接縫處壓土帶上行走過程中，由于機組過重，偶爾有地膜輕微橫向撕裂的現象，降低地膜保濕、保墑的效果，后期將考慮機組的輕量化研究。

(2)播種深度調節裝置設計：排種器總成調節安裝位置(即調節農作物播種深度)時需要采用液壓千斤頂，且操作起來十分不便，后期研究中將考慮設計播種深度自動調節裝置。

(3)播種實時監測系統設計[14-15]：播種機雖然滿足≤3.8%的空穴率，但是無法提前監測，需通過作物出苗率監測，后期研究中將考慮設計智能播種監控系統，實現漏播、重播的實時監測。