2BJZ-2型指夾式玉米單粒精量播種機設計與試驗

靳曉燕，孫士明，張海濱，梁玉成，于曉波

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

2007年，我國玉米種植面積達到2948萬hm2，超過稻谷和小麥，成為我國種植面積最大的糧食作物品種。2012年，我國玉米種植面積擴大到3 493萬hm2，總產量增加到20 800萬t，玉米產量超過稻谷產量383萬t，成為我國第一大糧食作物品種[1]。2015年，我國玉米種植面積3 812萬hm2，總產量達到22 564萬t，達到歷史最高水平。在農業供給側改革指導下，我國進一步優化調整種植業結構， “鐮刀灣”地區玉米種植面積將逐步減少，從2016年開始，計劃到2020年，減少333萬hm2左右。到2016年，我國玉米種植面積3 676萬hm2，占全年糧食種植面積的32.5%，比2015年減少136萬hm2，比稻谷種植面積多660萬hm2；玉米產量21 955萬t，占全年糧食產量的35.6%，比2015年減少609萬t，比稻谷產量多1 262萬t。黑龍江省是我國玉米種植面積最大的省份，2000年以來，黑龍江省玉米種植面積一直穩定在210萬hm2左右。2005年，黑龍江省玉米播種面積開始增加，達到273萬hm2。2006年，黑龍江省玉米播種面積增加到330.5萬hm2。2007年，黑龍江省玉米播種面積增加到388.4萬hm2 [2]。2007年以來黑龍江省玉米種植面積情況如圖1所示[3]，到2015年，黑龍江省達到歷史高峰744.5萬hm2，2016年回落到640萬hm2，產量達到3 000萬t。玉米是近年來黑龍江省糧食作物種植面積和產量增長最快的作物，對黑龍江省糧食增產起到了巨大的推動作用[4]。

圖1 黑龍江省玉米播種面積

玉米機械化單粒播種技術是一種節本增效的新技術，能使株距、營養面積一致，通風透光條件好，提高了成穗率、千粒質量，使群體生產力達到最高水平，比常規播種節省種子50%左右, 且實現苗勻、苗齊、苗壯, 減少了田間間苗作業,也避免了間苗傷根,無多余苗爭水爭肥,不破壞除草劑封閉層,提高了除草劑的除草效果[5]。近年來，隨著種子質量的提高和種植習慣的改變，單粒播種技術開始普及，對玉米單粒精量播種機的要求也越來越高。目前，我國玉米單粒播種使用的排種器主要有勺輪式和氣吸式兩種類型[6]。2行玉米單粒精量播種機使用的播種器主要是勺輪式，不磕種，可播催芽種，作業速度4km/h左右，不能滿足高速作業需要[7]；種子適應性較差，由于種子大小不一，與勺形大小很難匹配，播小粒種子時就會出現一孔多個種子的現象，重播率高；在丘陵坡地傾斜或整地質量不好顛簸震動作業時種子容易從勺輪中脫落，抗干擾能力差，漏播率高。隨著玉米秸稈還田保護性耕作技術推廣和丘陵坡地機械化進程加快，農用拖拉機由小型向中大型升級，迫切需要抗干擾能力強、作業速度高及性能先進的玉米單粒精量播種機。

1 總體設計方案

1.1 功能特點

2BJZ-2型指夾式玉米單粒精量播種機，適合在玉米秸稈粉碎全量還田深翻埋茬整地、玉米秸稈粉碎半量以下部分還田松耙混拌或旋耕混拌整地、軟茬地秸稈粉碎全量還田未耕整地條件下，完成玉米的開溝、施肥、播種、壓種、監控、覆土及鎮壓等項聯合作業，可壟上播種作業，也可平播作業，具有同位仿形和“V”形鎮壓功能特點。

1.2 技術指標

配套動力/kW：22～33

行距/cm：60～70，可調

施肥部位：種側4～6cm、深5～10cm ，可調

施 肥 量/kg·hm-2： 150～900，可調

排 種 量/萬株·hm-2：5.0～10.5，可調

播種深度/cm：3～6，可調

株距合格指數/%: ≥80

作業速度/km·h-1：3～7

1.3 總體配置

2BJZ-2型指夾式玉米單粒精量播種機總體結構形式設計為拖拉機整體后懸掛式，配套動力為22～33kW四輪拖拉機。其播種作業阻力小，拖拉機的牽引能力充足，受限制的主要因素是懸掛裝置提升能力小。機具質量一般控制在400kg左右，重心位置距懸掛點60cm左右，以確保機組縱向穩定性符合設計要求，綜合考慮確定指夾式玉米單粒精量播種機工作幅寬為2行。

2BJZ-2型指夾式玉米單粒精量播種機由機架、地輪、施肥單體、肥箱、施肥變速、排種器、播種變速、種箱、開溝圓盤及鎮壓機構等主要零部件組成，如圖2所示。指夾式玉米單粒精量播種機運輸時整體升起離地，作業時播種機施肥圓盤落地入土轉動開溝；地輪落地轉動帶著地輪軸上的鏈輪通過鏈條驅動排肥軸轉動，排肥軸帶著排肥盒轉動進行排肥，排肥盒排出的肥料通過排肥管輸送到施肥圓盤開的土壤溝中；同位播種仿形單體落地雙圓盤入土轉動開溝，雙圓盤兩側單絞連接限深輪同位仿行限深開溝，壓溝刀壓實種床；同時地輪落地轉動帶著地輪軸上的鏈輪通過鏈條驅動排種軸轉動進行排種，排種器排出的種子從導種管輸送到種床內；電子監控器在導種管內檢測排種情況，出現3粒以上漏播報警；由兩個空心窄橡膠組成“V”形鎮壓輪將種床兩側土壤同時向內擠壓完成覆土，同時由側面向內壓實種床，完成播種作業。

圖2 2BJZ-2型指夾式玉米單粒精量播種機

2 關鍵部件設計

2.1 同位仿形播種單體研究

播種單體是播種機的核心工作部件，主要完成開溝、限深、播種、覆土和鎮壓作業[8]。研制同位仿形播種單體(見圖3)，采用平行四連桿式仿形機構，開溝圓盤、仿形輪和排種器投種點在同一位置，限深仿形精確，播深一致性好，采用“V”形鎮壓器，鎮壓輪為兩空心窄橡膠 “V”型輪，將開溝播種后種床兩側土壤同時由側面向內擠壓，進行覆土鎮壓，覆土均勻、不夾干土，種床壓實好，種上壓得輕，利于出苗。

圖3 播種單體軸測圖

其主要由連桿前座、仿形連桿、連桿后座、單架體、播種開溝圓盤、限深輪、限深輪調節手柄、排種器連接架、鏈輪、排種器、種箱及鎮壓輪等件組成，結構緊湊，滿足小型拖拉機懸掛能力弱、縱向穩定性差的要求。

2.2 地輪裝配

地輪主要是用于調節機架高度及控制播種和施肥深度。左側地輪外側安裝排種變速箱組合，為排種提供動力并控制播種株距，右側地輪外側安裝排肥變速箱組合，為排肥提供動力并控制排肥量。地輪裝配分左右兩組，固定在機架主梁兩端后下方，主要由地輪固定座、調節絲杠、地輪支臂、傳動鏈條、橡膠輪組合等件組合而成，如圖4所示。橡膠輪選取5.00-12型號，輪胎直徑540cm，輪胎寬度145cm。

2.3 指夾式排種器研究

指夾式排種器主要由入料口、排種軸、排種體、指夾播盤、指夾、導種體及導種皮帶組成，如圖5所示。

圖4 地輪裝配

圖5 指夾式排種器

指夾式排種器有12個指夾，指夾播盤帶著指夾旋轉到充種區時，指夾能模仿人體手指的運動，夾住1～3粒種子離開充種區；向上運動到上邊表面凸凹不平的清種區滑動時，指夾夾住的多粒種子穩定性被打破，不穩定的種子掉落下來，經過毛刷清種區時多余的種子又一次被清除；指夾夾住的剩余種子轉到投種口時，種子被指夾投進隔板開口落入與排種托盤同步旋轉的導種皮帶槽內，種子隨導種皮帶轉到下方靠自重落入種床內。導種鏈葉片上，與排種托盤同步旋轉的導種鏈葉把種子帶到開溝器上方，種子靠自重經導種管落人種溝內。指夾式排種器由于有指夾夾住種子完成清種，在丘陵坡地傾斜或整地質量不好或顛簸震動作業時種子不容易脫落，抗干擾能力強，漏播率低。由于具有凸凹不平顛簸清種和毛刷清種兩套清種裝置，其單粒性能好，重播率低，且不磕種。

指夾式播種器性能測試試驗在JPS-12排種器試驗臺上進行。該試驗臺具有計算機視覺圖像和數據采集處理分析系統。指夾式播種器固定在臺架上，涂有油脂的橡膠帶在下面勻速移動模擬播種機田間行走作業，播種器轉動排出的種子落在勻速移動涂有油脂的橡膠帶上，排種器試驗臺對排出的種子自動進行圖像數據實時采集檢測分析，完成排種器的性能測試。

指夾式排種器由哈爾濱沃爾科技有限公司生產提供，玉米種子選用市場銷售量較大的先玉335品種。指夾式玉米單粒精量播種機設計作業速度為3～7km/h。指夾式排種器在低速時性能優良，高速時性能下降。因此，JPS-12排種器試驗臺橡膠帶勻速移動測試初始速度確定在5km/h，每增加0.5km/h測試1組數據，最大到12km/h。在橡膠帶不同勻速移動下，改變指夾式排種器排種軸轉速進行匹配，保證排出種子以23cm間距為測試粒距，對圓形大粒種子、馬齒形大粒種子、圓形小粒種子及馬齒形小粒種子的粒距合格指數進行測試，每個橡膠帶勻速移動速度測試200粒種子。指夾式排種器性能測試試驗結果如圖6所示。根據GB/T 6973-2005單粒(精量)播種機試驗方法作業性能指標要求：粒距合格指數≥80%，漏播指數≤8%，重播指數≤15%，合格粒距變異系數≤30%[9]。通過試驗圖形曲線看，在作業速度達到8.5km/h時，各種形狀玉米種子的粒距合格指數高達90%以上；在作業速度達到10.5km/h時，各種形狀玉米種子的粒距合格指數都達到85%以上；在作業速度高達12km/h時，各種形狀玉米種子的粒距合格指數都達到80%以上，達到國家單粒(精量)播種機行業標準粒距合格指數≥80%的要求。試驗表明：指夾式排種器排馬齒形大粒玉米種子的粒距合格指數性能最好，在作業速度達到7.5km/h時，粒距合格指數高達95%，達到中耕作物精密播種機優等品要求，性能指標可以和氣力式排種器相媲美，具有排扁形種子的結構優點，特別適合使用在玉米單粒播種機上。

圖6 指夾式排種器粒距合格指數

2.4 傳動系統設計

傳動系統設計如圖7所示。工作時，左右地輪共同驅動排種軸和排肥軸作業，在地輪的外側安裝了單向棘輪，防止地輪左右運轉不同步，互相干擾，影響傳動效果，損壞零件。播種機作業時，地輪落地轉動，通過鏈輪和鏈條帶動排種器和排肥器轉動，完成排種和排肥作業。傳動裝配是由排肥傳動裝配和播種傳動裝配組成，主要由地輪、排種下塔輪、排種上塔輪、排肥下塔輪、排肥上塔輪、六方軸、鏈條、內六方孔軸承及張緊部件等組成。

傳動系統應保證技術指標中施肥量和播種量的要求，并且傳動可靠，不同施肥量和播種量的調整方便。該機傳動系統采用了排肥三級、排種三級方案，由塔輪完成變速。具體傳動路線設計方案是：當地輪轉動時，地輪軸上的Z13齒鏈輪通過10A型套筒滾子鏈驅動地輪臂鉸接軸上的Z23齒鏈輪轉動，地輪臂鉸接軸上Z16齒鏈輪帶動排肥過渡軸上的Z16齒鏈輪轉動，排肥過渡軸上的排肥下塔輪Z16、Z19或Z21通過08A型套筒滾子鏈驅排肥六方軸上的排肥上塔輪Z16、Z19或Z21轉動，排肥六方軸上的排肥盒轉動完成排肥作業；地輪臂鉸接軸轉動同時帶動排種下塔輪上的變速鏈輪通過08A型套筒滾子鏈驅動播種傳動的六方軸上的排種上塔輪轉動，再由播種傳動的六方軸上的Z19齒鏈輪通過08A型套筒滾子鏈驅動排種器軸上Z19齒鏈輪的轉動，選擇排種上下塔輪上的不同齒數變數鏈輪確定不同傳動比，完成精密播種；作業時，可根據公頃保苗株數和株距要求，通過株距調整表選擇不同齒數的鏈輪，實現玉米播種量的調整。

圖7 播種機傳動系統

2.4.1 排肥傳動系統設計

每行排肥器數量為1個，排肥器每公頃排肥量Q計算公式為

式中Q—每公頃排肥量(kg/ hm2)；

q—排肥器每轉一圈的排肥量(g/r)；

L—行距(m)；

D—支承輪直徑(m)；

δ—滑移率；

i—排肥傳動比。

由排肥器每公頃排肥量Q計算公式導出排肥傳動比i計算公式為

按照設計技術指標和結構特點選取各參數。玉米播種時排肥量Q為150～900kg/hm2，行距L按0.65m單行計算，排肥器每轉一圈的排肥量為36～140g/r，地輪直徑D按0.50m計算，滑移率δ按10%選取。

將式中已知參數、排肥器每轉一圈的排肥量q和每公頃排肥量Q的最小和最大值帶入排肥傳動比i，則i最小=0.47,i最大=0.72。即排肥傳動比i的范圍值最小應小于0.467，最大應大于0.623。

排肥設計為三級傳動，i肥=i1×i2×i3，根據每公頃排肥量Q的設計要求，合理分配傳動比，確定鏈輪齒數。Z1為13齒，Z2為23齒，Z3為16齒，Z4為16齒，Z5為16、19、21齒，Z6為21、19、16齒。

驗證排肥傳動比i的范圍值，即

驗證施肥量Q的范圍值，即

排肥傳動比i和施肥量Q的范圍值符合設計技術指標要求，改變鏈輪齒數配比，可得到不同的公頃排肥量。排肥傳動系統如圖8所示。

圖8 排肥傳動系統

2.4.2 排種傳動系統設計

排種傳動比計算公式為

式中D—地輪直徑(cm)；

s—株距(cm)；

δ—滑移率；

n—排種盤一圈排種數。

按照設計技術指標和結構特點選取各參數。玉米排種量Q為5.0～10.5萬株/hm2，按照0.65m行距單行計算，則株距為s=14.6～30.7cm。指夾式排種器排種盤一圈有12個指夾，排種數量為12個。地輪選取5.00-12型號，去掉輪胎下陷和變形，直徑D按50cm計算，滑移率δ按10%選取。將式中已知參數代入公式，得i=0.47～0.98。即排種傳動比i的范圍值最小應小于0.47，最大應大于0.98。

排種設計為三級傳動，則

i=i1·i2·i3

根據i2值，通過計算機優化組合確定6種調速鏈輪齒數。Z1為13齒，Z2為23齒，Z3為16、23齒，Z4為13、15、17、19、21齒，Z5為19齒，Z6為19齒。播種傳動系統如圖9所示。

圖9 播種傳動系統

驗證排肥傳動比i的范圍值，即

排種器每公頃排種量Q計算公式為

式中Q—每公頃排種量；

L—行距(m)；

δ—滑移率；

D—支承輪直徑(m)；

n—排種盤一圈排種數；

i—排肥傳動比。

將式中已知參數和i的最大最小值代入公式得

排種器每公頃排種量Q符合設計技術指標要求，改變鏈輪齒數配比，可得到不同的公頃排種量。傳動比和株距計算結果如表1所示。

表1 株距調整表

3 樣機試驗

2015年11月4日，黑龍江農墾農業機械試驗鑒定站對2BJZ-2型指夾式單粒精密播種機進行了檢測，樣機由黑龍江沃爾農裝科技股份有限公司生產，檢測地點在黑龍江省農業機械工程科學研究院試驗田。播種機主要技術參數如表2所示。在壟距65cm、株距20cm、播種深度5cm情況下，2BJZ-2型指夾式單粒精密播種機性能指標檢測結果如表3所示。

表2 主要技術參數

續表2

表3 性能指標檢測結果

4 結論

1)設計了2BJZ-2型指夾式玉米單粒精量播種機，創新開發了指夾式排種器及同位仿形播種單體等部件，并進行了關鍵部件的設計。

2)試驗結果表明：該機具在玉米翻埋、混拌條件下，可完成玉米的圓盤開溝、側深施肥、單粒播種、電子監控、種床壓實及覆土鎮壓等項作業，經鑒定產品性能達到國際同類技術先進水平。