棘輪式間歇充種胡麻播種機設計與試驗*

瞿江飛，趙武云，史瑞杰，戴飛，張仕林，王鋒

(1. 甘肅農業大學機電工程學院，蘭州市，730070； 2. 西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌，712100)

通訊作者：趙武云，男，1966年生，甘肅蘭州人，博士，教授，博導；研究方向為北方旱區作物生產裝備工程。E-mail: zhaowy@gsau.edu.cn

0 引言

胡麻作為亞麻的一種，是我國甘肅、寧夏、內蒙古等年降水量低于500 mm的旱作農業地區重要的油料作物，胡麻油中含有大量的不飽和脂肪酸，能夠預防高脂血癥和動脈粥樣硬化。因此，隨著我國市場對胡麻原料的需求量日益增大，近年來胡麻種植面積也得到了大面積推廣，僅在甘肅省，2018年全省胡麻種植面積達54.57 khm2，占該省油料作物總種植面積的25%。而傳統胡麻生產種植方式主要采用人工種植方式，該方式效率低、勞動強度大，加之北方旱區氣候、地勢等種植條件的制約，導致胡麻播種深度與株距難以統一，造成出苗不全、產量低的現象，嚴重影響了胡麻產業的發展[1]。

目前國外胡麻產業應用的智能裝備精度較高，機型相對較大，但是價格昂貴，不適宜我國北方旱區胡麻產業的生產使用[2]，我國胡麻機械化播種水平較高，主要以機械化條播機為主，主要適用于相對平坦地塊。胡麻是栽培農作物中密度相對比較高的農作物之一，合理的種植密度有利于個體與群體之間的協調生長，以保證胡麻纖維的質量和出麻率[3]。部分地區胡麻已經作為主要的油料作物，因此胡麻產業在今后的發展中需要更多地機械進行支持，進而需研究更多地機械為滿足胡麻的全過程機械化生產[4-8]。針對上述問題與要求，結合北方旱區胡麻種植農藝要求，本文擬設計一種適用于小型地塊，具有種肥分施、結構簡單和容易操作等特點的棘輪式間歇充種胡麻播種機，對其關鍵部件參數進行選取并做作業性能試驗優化。

1 整機結構與工作原理

棘輪式間歇充種胡麻播種機由小型拖拉機提供動力，采用后牽引方式帶動機具作業。整機主要包括懸掛裝置、排種裝置、棘輪控制間歇式充種裝置、開溝器、覆土裝置、平整裝置等構成，其結構如圖1所示。

棘輪式間歇充種胡麻播種機工作時，在拖拉機牽引力的作用下，帶動棘輪式間歇充種胡麻播種機工作，設置并列的4個排種裝置，通過小地輪轉動帶動外槽輪排種器進行工作，機架上方設置種箱和肥箱，胡麻種子通過自身的重力通過排種管進入到外槽輪排種器中，其通過棘輪為轉動頻率使得充種充分，排種器前設置開溝器，使得排種器排出的胡麻種子準確排到溝內。同時在種間前方設置排肥裝置，大地輪在工作的同時通過鏈傳動帶動軸轉動，軸上設置4個外槽輪排肥器，開溝器在牽引力的作用下，在排肥口前方進行開溝，外槽輪排肥器在軸的作用下進行工作，肥箱中的肥料在自身重力的作用下，進入外槽輪排肥器，在外槽輪的作用下，進過排肥導管在排種口排出，落入種間溝內。在后方設置覆土器，在已播種的種溝內進行覆土，最后平整裝置對覆土進行平整，使得胡麻種子、土壤接觸更加充分，完成胡麻機械一體化播種作業。棘輪式間歇充種胡麻播種機技術參數如表1所示。

圖1 棘輪式間歇充種胡麻播種機整機結構示意圖Fig. 1 Structural diagram of ratchet type intermittent seed filling flax seeder1.外槽輪排肥器 2.排種管 3.外槽輪排種器 4.鎮壓器 5.覆土器 6.棘輪 7.小地輪 8.開溝器 9.排肥管 10.大地輪 11.機架 12.鏈條 13.肥箱 14.種箱

表1 棘輪式間歇充種胡麻播種機技術參數Tab. 1 technology of intermittent seed filling flax seeder

2 關鍵部件設計

2.1 排種器設計

2.1.1 排種器選擇

常用的谷物條播排種器有外槽輪式、內槽輪式、滾齒式、磨盤式、擺桿式、離心式等[9]，谷物排種器的設計要求有：排種要均勻穩定、各排種器之間的排種量應一致、通用性好、播量調節范圍要大、不損傷種子或少損傷種子、工作可靠，使用壽命長，并能適應高速作業的要求[10]。由于胡麻適用于條播，并且對排量的穩定性高，需求的排種器容易制作、結構簡單，因此選擇外槽輪式排種器，本研究采用棘輪與外槽輪排種器相結合的充種、排種的結構，結構如圖2所示，其優點是通過棘輪的作用使得外槽輪排種器充種更加充分，通過計算得到棘輪每次轉動的時間與外槽輪每個種槽轉動的時間，使得充種為間歇式充種的方式，并且采用外槽輪排種器使得播量更容易調節。由于胡麻種子尺寸大小基本相同，所以選擇固定式槽輪排種器，通過改變槽輪轉速來控制排種量，其結構如圖2所示。

(a) 外槽輪排種器結構示意圖

(b) 外槽輪排種器與棘輪配合結構圖2 外槽輪排種器結構示意圖與棘輪配合結構Fig. 2 Schematic diagram of outer grooved wheel seed metering device and ratchet matching structure1.排槽輪 2.排種盒 3.壓邊圈 4.棘輪 5.外槽輪排種器

2.1.2 排種量計算

外槽輪排種器的槽輪是排種器進行排種工作時的主要部件，外槽輪排種器排種能力與槽輪直徑的d、槽輪的轉速n和槽輪工作的長度L成正比[11]，所設計的外槽輪式小籽粒排種器更加適用于胡麻籽粒的播種，參照胡麻籽粒結構尺寸，將排種槽輪的結構參數做了進一步優化。目前，甘肅省主要種植的胡麻品種包括隴亞-10、隴亞-11、隴亞-13、定亞-23四種，分別測量各品種胡麻籽粒的結構尺寸，得到平均胡麻結構參數為5 mm×3.5 mm×1.5 mm，則根據槽輪最小工作長度Lmin≥(1.5～2.2)LS，其中LS為胡麻種子長度，初取槽輪有效工作長度L=20 mm，該值可通過旋轉播量調節手輪改變排種槽輪和阻塞套在種杯中的有效工作長度而改變。

對于播種胡麻、亞麻等小粒種子外槽輪式排種器，考慮種子形狀不規則，其凹槽斷面形狀宜采用圓弧形斷面，輪槽排列方式采用直槽式，凹槽最小半徑應大于2 mm，為了減少種子損傷率，取凹槽圓弧半徑r=3 mm，凹槽深度應大于胡麻籽粒厚度的一半，取1 mm。

根據胡麻栽培技術的農藝要求，在進行播種作業時，每公頃播種量Q≥3 kg，小籽粒排種器播量計算由槽輪單圈轉動的排量q1與胡麻種植農藝要求的排種量q2決定[12]。

(1)

式中：D——地輪直徑，取0.12 m；

Q——農業技術要求播種量，取45 kg/hm2；

e——行距，取0.18 m；

δ——地輪滑移系數，取4.2；

i——傳動比，計算得0.5。

由式(1)計算得出，農藝技術要求排種量為3.17 g/r。

為計算槽輪單圈轉動播量，需首先計算出外槽輪凹槽斷面面積fq，繪制外槽輪斷面幾何圖形(圖3)。

fq=f1+f2

(2)

(3)

(4)

式中：d——外槽輪外徑，取3 cm；

α——單個凹槽與外槽輪中心圓心角，rad；

φ——單個凹槽圓心角，rad；

r——凹槽圓弧半徑，取0.9 cm；

b——單個凹槽弦長，cm。

式中：dg——槽輪根圓直徑，cm。

圖3 外槽輪凹槽斷面Fig. 3 Diagram of the groove section of the outer groove wheel

由式(2)、式(3)計算得出外槽輪凹槽斷面面積fq為0.34 cm2。

當播量一定時，槽輪直徑、轉速和槽輪工作長度均可影響排種器的排種均勻性。其中，以播種對象以小麥為主槽輪直徑一般取40～51 mm，而以播種對象主要為胡麻等小粒種子的槽輪直徑一般取24～28 mm。若所設計外槽輪單圈轉動排量q1與農藝種植要求的排量q2相同，則此槽輪直徑為最佳，且排種均勻，不會產生阻塞、傷種現象[13]。

(5)

式中：d——外槽輪外徑，取3 cm；

L——槽輪的有效工作長度，cm；

γ——種子密度，取0.609 g/cm3；

α0——槽內種子充滿系數，取0.620；

fq——單個凹槽的截面積，cm2；

z——槽數，取z=8；

λ——帶動層特性系數。

根據種子帶動層特性系數與槽輪工作長度關系，取λ=0.20，當q1=q2時，表示所設計的外槽輪排種器符合農藝技術的播種要求，即當q1=q2=3.17 g/r時，由(5)式計算出槽輪有效工作長度L=1.46 cm≥2.2LS=1.1 cm，符合設計要求，為避免排種器內種子流動受阻，導致種子斷流和排種不暢，取L=1.5 cm。

2.2 排種箱容積確定

排種箱容積的設計應當適中，不能過小或者過大，過小需要頻繁加種子，過大使得整體的重量增大，影響播種機的播種均勻性。排種箱的箱壁應該傾斜，這樣才能保證種子能夠順利的從排種箱中落下來，進入到排種器中，因為胡麻種子很小，因此流動能力比較好，故對排種箱內壁的傾斜程度要求不是很嚴格，所以該播種機要選用梯臺型的種箱，即上口大，下口小的排種箱。設計箱體的長為L1、上口寬為W1、下口寬為F1、高為E1，排種箱、排肥箱的長和寬分別為l1、w1和e1、f1，其結構如圖4所示。

根據胡麻種植特點，選擇種箱四行作業幅寬B=720 mm，則左、右兩側種箱的總容積

(6)

C=C1+C2+C3+C4

C1=C2=C3=C4

式中：C——種箱總容積，L；

L——種箱裝滿種子所能播種的距離，設定為2 500 m；

B——排種系統工作幅寬，取0.72 m；

Qmax——單位面積最大播種量，取50 kg/hm2；

γ1——胡麻種子密度，取0.609 kg/L；

C1、C2、C3、C4——種箱的容積[14]。

由式(6)計算得出，種箱的總容積C=16.26 L，則C1=C2=C3=C4=4.065 L。

(a) 俯視圖

(b) 側視圖圖4 排種箱結構示意圖Fig. 4 Schematic diagram of seed metering box structure

2.3 棘輪式間歇充種裝置

外槽輪排種器在排種的時候，由于牽引速度過快而造成外槽輪充種不充分情況發生，為此設計棘輪式間歇充種裝置，隨著小地輪前進，棘輪和外槽輪排種器隨之工作，在不同的速度下，棘輪會產生不同的轉動頻率，外槽輪排種器在不同頻率下，進行充種，使得充種更加充分，其結構如圖5所示。棘輪參數的確定：選擇齒數時，應考慮到棘輪的齒距不能過小，若齒距P過小，棘齒的強度將會受到影響，通常情況下，Z=8～30，本設計取齒數Z=9，棘輪的齒距角

θ=2π/Z

(7)

由式(7)計算出齒距角θ=40°。

一般情況下棘輪棘齒工作面傾角的選擇要考慮到棘輪齒根強度，因此本研究選擇棘齒工作面傾角β=10°；棘輪齒高h一般取7.5 mm；選擇棘輪的模數時，應滿足棘齒的彎曲強度，本研究取棘輪模數m=7，棘輪的齒距

P=πm

(8)

由式(8)計算得出齒距P≈22 mm。

由于棘輪齒頂圓直徑D是模數m與齒數Z之積，所以可以求出r2=31.5 mm，則r1=24 mm；棘輪的其余尺寸可按有關資料確定[15]。

圖5 棘輪結構示意圖Fig. 5 Ratchet structure diagram

2.4 開溝器結構設計

2.4.1 開溝器選擇

胡麻作物的種植特點和要求是播種深度為25～35 mm為宜，胡麻種子的發芽適宜溫度在22 ℃左右，胡麻種子較小，子葉的頂土能力弱，適宜淺播，因此在開溝器的選擇中，一定要滿足胡麻作物的種植特點和要求。胡麻播種機一般是在由整地機械新整的土地上進行播種工作，新整的土地中殘茬和雜草比較少，沒有太大的土塊，所以雜草不會纏繞在開溝器上，土塊和殘茬也不會對開溝器造成太大的阻力，再根據本身的經濟條件和各開溝器的開溝性能，鋤鏟式開溝器的主要優點有：鋤鏟式開溝器的尾部尖而鋒利，比較容易進入土壤，所開出來的種溝小一點，相對較淺，適合胡麻種植。鋤鏟式開溝器開出來的種溝平整，受地形因素的影響比較小，適應性比較強。鋤鏟式開溝器相比其他開溝器結構比較簡單，重量也比其他開溝器要輕，價格低廉，不僅便于生產制造，而且很容易維修保護[16]，所以本設計選用的開溝器是鋤鏟式開溝器。

2.4.2 開溝器入土角確定

合理的入土角ε對開溝器能否順利的工作具有重要的意義，假如把入土角ε設計的比較大的時候，那么開溝器在工作時土壤上移量會增大，而且土壤上移之后堆積的土層就會增高，這就會造成土壤之間有相互混亂的趨勢，不僅是這樣，同時也會增加播種機正常工作時的工作阻力；但是如果又把入土角ε設計的較小的話，開溝器刃部的強度就會減弱[17]。根據胡麻種植的對種溝的要求和胡麻種植地區土質的影響，一般情況下，開溝器的入土角ε角度在30°～50°之間，為了保證開溝器能夠正常入土，因此本研究設計中把入土角ε設定為45°，其結構如圖6所示。

圖6 開溝器實物圖Fig. 6 Physical drawing of ditcher

2.5 覆土器設計與參數確定

覆土器的主要作用就是把由前面開溝器開出種溝的土壤覆蓋到排好的種子上面，防止陽光直曬而導致水分不足，種子不能更好的發芽，覆土器的結構比較簡單，而在覆土器的下方設計了一個開口是為了防止土壤堆積之后會影響到機器的正常行走，或者堆積的土壤太多會損壞覆土器。覆土器的設計影響因素有很多，行距、覆土量決定聚土板的長和寬，同時兩板間的夾角太大或者太小也會影響覆土器的覆土能力[18]，因此，根據胡麻種植的要求、種溝的大小和深度及胡麻種植區域土質的影響[19]，設計覆土器。覆土器技術參數如表2所示。

表2 棘輪式間歇充種胡麻播種機覆土器技術參數Tab. 2 Technical parameters of soil covering device of

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

3.1.1 對播種器進行固定臺架播量調節試驗

選擇其一播種單元作為試驗對象，初選外槽輪的有效工作長度為1.1 cm，再將播種單元水平架起，使得地輪呈懸空狀態，在排種箱中加入適量的胡麻種子，然后轉動地輪數圈，使得排種器內充滿種子，以20～30 r/min的速度均勻的轉動地輪30圈，然后對排出來的種子總量進行稱重，通過計算得出播量為95.1 g。由于剛開始存在誤差較大，因此在轉動2～3 s后，開始試驗，試驗過程如圖7所示。

(a) T=0 s時

(b) T=2 s時

(c) T=8 s時

(d) T=14 s時圖7 播種器固定臺架播量調節試驗圖Fig. 7 Test chart of seeding rate adjustment of fixed seeder

固定臺架播量調節試驗結果可得，當外槽輪排種器有效工作長度為1.1 cm時，排出的種子總重為92.5 g，和播量算得的排種量誤差是2.7%，超過了2%，由于排種器內種子流動受阻，導致種子斷流和排種不暢，因此調整外槽輪的有效工作長度為1.2 cm、1.3 cm、1.4 cm、1.5 cm進行試驗，直至當調整外槽輪的有效工作長度為1.5 cm時，排出種子量為93.4 g，計算可得誤差為1.8%，其誤差小于2%，滿足棘輪式間歇充種胡麻播種機的設計要求。

3.1.2 田間試驗

按照播種機預期實現的設計功能，結合國家行業標準GB/T 9478—2005《谷物條播機試驗方法》以及NYT 1143—2006《播種機質量評價技術規范》規定的試驗方法進行田間作業性能試驗，選取一小型輪式拖拉機，標定功率為28 kW，作業機前進速度為2.1～2.5 km/h。選取播種深度合格率、播種間距合格率、總排種量穩定性變異系數、各行排種量一致性變異系數及漏播率作為能夠體現播種機工作性能的測試指標。

選取一試驗樣塊地，根據設計要求在試驗地進行試播，記錄播種機配套動力及工作速度，試播結束后，在相同的條件下，進行取樣，取樣長度為120 mm，在每行中取10段。取樣的方法：在種溝表面起，每8 mm的深度取樣一次，連續取樣5次，記錄覆蓋層內的胡麻的籽粒數，然后對數據進行分析，計算出播種深度合格率、播種間距合格率、總排種量穩定性變異系數、各行排種一致性、漏播率。

3.2 試驗結果與分析

對棘輪式間歇充種胡麻播種機進行了田間試驗作業性能檢驗，并對試驗結果進行了測量，試驗結果如表3所示，棘輪式間歇充種胡麻播種機播種深度合格率為91.2%、播種間距合格率93.5%、總排種量穩定性變異系數5.5%、各行排種一致性2.8%，試驗指標達到國家標準要求，通過計算的出平均的漏播率為1.2%。田間試驗表明，當棘輪式間歇充種胡麻播種機前進速度為0.6 m/s時，其各個部件作業性能良好且相對可靠，設計的棘輪式間歇充種裝置作業穩定，棘輪式間歇充種胡麻播種機試驗指標均達到行業標準要求。

表3 試驗田試驗結果記錄表Tab. 3 Record of test results in test field

4 結論

1) 針對胡麻種植采用機械化播種在丘陵山地小型地塊存在的問題及小籽粒播種的技術要求，設計一種適用于丘陵山地的棘輪式間歇充種胡麻播種機。通過融合甘肅省胡麻膜側種植農藝技術，確定了樣機作業幅寬，并對其排種裝置、防止逆轉裝置重要作業部件進行選型與設計，完成其關鍵參數分析計算。

2) 設計的棘輪式間歇充種胡麻播種機采用外槽輪式排種器，根據胡麻籽粒的尺寸大小和其他影響因素確定了外槽輪的槽輪齒槽數、齒槽深度、凹槽半徑和外槽輪的有效工作長度，增加了排種的穩定性。

3) 試驗表明棘輪式間歇充種胡麻播種機播種深度合格率為91.2%、播種間距合格率93.5%、總排種量穩定性變異系數5.5%、各行排種一致性2.8%，試驗指標達到國家標準要求，漏播率為1.2%，滿足胡麻播種的農藝要求。