氣吸式小青菜播種機的設計

陳 曦，李 驊，齊新丹，李博竑，李勝兵

(1.南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816；2.江蘇省智能化農業裝備重點實驗室，江蘇 南京 210031；3.南京農業大學 工學院，江蘇 南京 210031)

近年來，小青菜種植產業蓬勃發展，其產業規模日益擴大[1-6]。小青菜屬于十字花科蕓薹屬植物，因其耐寒性好，生長周期短且富含豐富的礦物質和維生素，在我國許多地區廣泛種植。小青菜在播種時，因其粒徑較小，在實際播種過程中多采用撒播的方式，機械化程度較低，且易造成種子浪費，不便于后期機械化收獲作業。市面上現存的一些小青菜播種機大多是由其他播種機改裝而來，工作性能不夠穩定，針對不同的農藝要求和種植環境適應性較差，難以符合我國小青菜種植農戶的實際需求。

小青菜播種機按照排種器的工作原理可將其分為機械式和氣力式兩大類[7-8]。機械式播種機是指利用機械式排種器上的型孔將種子從種箱內分離出來，從而進行播種作業的機械[9]。機械式排種器類型多樣，根據排種器類型的不同，可分為外槽輪式、型孔輪式、窩眼輪式、指夾式、水平圓盤式、傾斜圓盤式、垂直轉勺式和帶式等30多種[10]，其優點是結構簡單、制作成本低，缺點是效率較低、工作穩定性較低，對種子的球型度要求高，在進行播種作業前，需要先對種子進行篩選。

氣力式播種機通常由液壓系統或者拖拉機動力輸出軸帶動風機轉動，依靠風機提供給排種器穩定的風壓，將種子吸附到排種盤上進行播種作業。由于依靠風壓對種子進行控制，氣力式播種機具有對種子損傷小，對種子外形尺寸要求不嚴格，通用性強，播種精度高，節約種子，不用間苗，且適合高速作業等優點[11-14]。氣力式播種機的缺點是結構比較復雜，價格也比機械式播種機高。

國外研發的小青菜播種機大多是氣力式播種機，技術較為成熟。例如MASCHIO公司開發出了一款SP氣吸式精密播種機，依靠平行四連桿仿形裝置和單體傳動裝置等的配合，一次作業能夠實現4～6行種子的播種。該機器具有落種點低、精準度高、適用于低馬力段拖拉機、穩定性高等優點。此外，許多國外的播種機存在價格貴、機具與我國種植規范不匹配等問題，并不適合我國國情，在實際的推廣使用時存在許多困難。

我國研發的小青菜播種機大多是機械式播種機。例如山東科博公司生產的一款手推式精播機，通過排種系統對下種數量實現控制，播種時按量定距，將種子有規律地排放在出苗環境較好的土層當中。該精播機具有操作簡便、轉彎靈巧等優點。但是與國外生產的播種機相比，許多國內廠家生產的播種機存在播種效率低，種子浪費嚴重等問題。

本文針對我國在小青菜播種環節機械化水平低的問題，結合氣吸式播種機具有播種精度高、通用性強等特點，設計了一款符合我國種植農藝要求的氣吸式小青菜播種機，對提高小青菜等小粒徑種子的播種效率具有重要意義。

1 整機總體結構的設計

1.1 整機結構

本文的設計結合江蘇太倉地區的小青菜種植農藝要求，在國內外研究人員對氣吸式播種機的研究基礎之上，確定了本課題設計的氣吸式小青菜播種機總體結構，如圖1所示。該款播種機主要由傳動地輪、播種裝置、風機、正(負)壓管道、整機機架、軟管、變速箱等組成，其中播種裝置包含5組獨立的播種單元，每個播種單元的結構如圖2所示，每個播種單元由播深調節裝置、排種器、開溝覆土裝置、播種單元機架、前后雙鎮壓輪組合等部分組成。對于安裝在播種機兩側的4組播種單元，每個播種單元上左右對稱地安裝2個排種器；對于播種機中間的1組播種單元，安裝1個排種器，每2個排種器之間水平距離為130 mm，該氣吸式播種機上共裝有9個排種器。

1.傳動地輪，2.播種裝置，3.整機機架，4.風機，5.負壓氣管，6.正壓氣管，7.軟管，8.變速箱

1.深度調節裝置，2.排種器，3.開溝覆土裝置，4.播種單元機架，5.前后雙鎮壓輪組合

其中，傳動地輪安裝在播種機兩側，依靠拖拉機的牽引帶動播種機進行作業；風機安裝在播種機機架后端，依靠拖拉機的動力輸出軸產生風壓；正負壓管道焊接在整機機架上，對風機產生的風壓進行分流；整機機架后端設有三點懸掛組合，通過三點懸掛組合與拖拉機三點懸掛連接；播深調節裝置安裝在播種單元后端，通過旋轉其上的搖把實現對開溝深度的調節；排種器安裝在播種單元中間，完成種子的吸附與排種；開溝覆土裝置安裝在排種器下端，實現種子的開溝覆土作業；雙鎮壓輪組合安裝在播種單元前后兩端，作用是對覆完土的區域進行鎮壓。該機器一次下地能完成開溝、播種、覆土、鎮壓等多道作業工序。

1.2 主要技術參數

氣吸式小青菜播種機主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

1.3 工作原理

工作時，地輪在拖拉機的牽引下開始滾動，通過右側地輪的轉動帶動變速箱內的鏈輪轉動，再由變速箱內的六角長軸將動力傳遞至9個排種器的轉軸上，帶動排種器內的排種盤旋轉。安裝在機架后端的風機通過萬向節與外接拖拉機相連，利用拖拉機輸出軸產生的動力帶動風機產生風壓，產生的風壓進入正負壓管道內，負壓管將負壓均勻分配到9個排種器內，此時每個排種器內形成密閉空間，種箱內的種子因為負壓吸附作用被牢牢吸附在排種盤上。當種子跟隨排種盤旋轉即將進入落種區域時，風機產生的正壓通過正壓管道，均勻分配到9個排種器內，此時排種器內的負壓氣道被隔斷，吸附作用消失，種子在自身的重力作用下落入下方的出開溝器中，再由開溝覆土裝置完成開溝和覆土。播種裝置上設有開溝深度調節裝置，可根據實際作業情況調節開溝深度。播種裝置前后裝有鎮壓輪組合，對落入溝中且經過覆土的種子進行鎮壓，從而完成整個作業過程。

1.4 傳動系統設計

傳動系統包括六角長軸、右側地輪、排種器轉軸、左側地輪、側邊鏈傳動、變速箱等部分，總體設計如圖3所示。氣吸式小青菜播種機的結構形式為右側地輪傳動結構，拖拉機與三點懸掛連接。當拖拉機以一定速度作業時，地輪與地面產生摩擦而作旋轉運動，繼而帶動右側地輪側邊鏈輪旋轉，地輪側邊鏈通過鏈傳動帶動中間的六角長軸旋轉，可在變速箱內調整六角長軸轉速，中間長軸上鏈輪通過鏈條與9個排種器上的鏈輪連接，從而帶動9個排種器內的排種盤旋轉。

1.左側地輪，2.六角長軸，3.排種器轉軸，4.變速箱，5.右側地輪，6.側邊鏈傳動

2 關鍵部件的設計

2.1 開溝器的設計

開溝器按照開溝形式的不同，主要分為滾動式和移動式兩類。移動式開溝器又分為船式、滑刀式等形式。相較于其他形式的開溝器，滑刀式開溝器具有滑切性能好等優點，故本文采用滑刀式開溝器作為播種機的開溝導種裝置。本文所采用的劃刀式開溝器由滑刀、側板、方插板、L型掛板等組成，結構如圖4所示。滑刀安裝在開溝器前端，夾在開溝器兩側的側板之間，作業時通過滑刀兩側的楔面實現破土并開出種溝。開溝器的上端安裝一塊方插板，其上方與播種機上的排種器相連，作業時排種器排出的菜種通過方插板掉落至開溝器內并最終落入已經開好的種溝中。開溝器通過后端的L型掛板與覆土器相連，再由覆土器對播種完成的種溝進行覆土回填。

1.滑刀，2.方插板，3.側板，4.L型掛板

2.1.1 開溝器刀刃曲線的選定 滑刀的刀刃曲線決定了滑刀刀刃的形狀，良好的刀刃曲線設計能夠使得滑刀在破土時阻力減小，提升滑刀在土壤中的滑切效率。圖5為滑刀的刀刃曲線示意圖，圖中圓弧段AB表示開溝器在開溝時與土壤的最大接觸區域，θ1和θ2分別為刀刃曲線在A、B兩點處的滑切角，k1和k2分別為刀刃曲線在A、B兩點處的斜率，n1、n2分別為刀刃曲線在A、B兩點處的法線。顧耀權等[15]通過研究發現，當滑切角的范圍在35°～55°之間時，滑刀的入土阻力較小，故將此范圍定為刀刃曲線的滑切角范圍。參考賈洪雷等[16]的研究，將滑刀的刀刃曲線設定為一元二次函數，具體見公式(1)和公式(2)。

y=ax2+bx

(1)

k=y′=2ax+bx

(2)

公式(1)、(2)中，a、b為常數；k為斜率。

B點的縱坐標表示開溝器的高度，一般由最大施肥深度決定。根據實踐經驗，對于青菜等小粒徑種子，其施肥深度為50 mm左右。考慮到實際作業中，土壤中存在沙礫、碎石等情況，在設計開溝器高度時需要留有一定的余量，最終將開溝器的高度定為60 mm，故B點的縱坐標yB=60。

由圖5可知，隨著橫坐標x的增大，刀刃曲線的劃切角在不斷減小，因此，最大的劃切角55°出現在A點處，最小的劃切角35°出現在B點處。

圖5 滑刀刀刃曲線示意圖

k1=yA=tan(90°-θ1)

(3)

(4)

將θ1=55°、θ2=35°，A點的坐標(0，0)，B點的縱坐標yB=60代入上述4個公式中，求得a=0.002，b=0.7，得出滑刀的刀刃曲線函數，見公式(5)。

y=0.002x2+0.7x

(5)

2.1.2 開溝器刃口角的選定 滑刀兩側楔面之間的夾角為滑刀的刃口角α，如圖6所示。研究表明，滑刀刃口角α對于開溝器的開溝性能影響較為顯著。開溝作業時，滑刀通過兩側的楔面實現破土，土壤顆粒間發生相對位移，沿著楔面向滑刀兩側滑動并最終形成種溝。刃口角過大會導致滑刀在開溝時所受阻力過大，土壤上翻量過大進而影響開溝效果。刃口角過小則開溝器在工作時，滑刀的強度難以保證。楊薇[17]通過研究發現，刃口角的取值范圍一般為30°～80°，本文選取刃口角α=60°。

2.1.3 開溝器刀片厚度的選定 刀片厚度h為開溝器兩側板之間的距離，如圖6所示。刀片厚度h主要由開溝器的開溝寬度b確定，開溝寬度b又與開溝深度a有關。按照翻壟覆土原理，開溝寬度b與開溝深度a的關系見公式(6)。

圖6 開溝器參數示意圖

b=ak

(6)

公式(6)中，k為寬深比，為了減少回土量，取k=1.3。

根據農藝要求，開溝深度主要根據種子大小、土壤質地、土壤溫度、土壤濕度、氣候條件而定。種子小，貯藏物質少，發芽后頂土能力弱，宜淺播；反之，大粒種子宜深播。種子播種深度以種子直徑的2～6倍為宜，小粒種子覆土15～20 mm，中粒種子覆土20～25 mm，大粒種子覆土30 mm左右。小青菜種子屬于小粒徑菜種，故本文的開溝深度a取20 mm，代入公式(6)中進而得出開溝寬度b=26 mm，最終圓整后確定刀片厚度h為30 mm。

2.2 排種器的設計

本文選取氣吸式排種器作為機具的配套排種裝置，該排種器主要由種箱、負壓出口、傳動軸、排種盤、導種裝置、正壓清堵口等部分組成，結構如圖7所示。其工作原理：排種時，種箱內的種子通過進種口進入排種器內，排種器上的負壓出口通過軟管與負壓氣管相連，通過外接拖拉機動力輸出軸帶動風機產生風壓，通過軟管將風壓傳至排種器內，進而將種子吸附到排種盤上。排種盤由傳動軸帶動進行逆時針旋轉，種子隨著排種盤的旋轉進入導種裝置附近，此時，由于正壓清堵口的存在導致負壓氣道被隔斷，單粒種子脫離了負壓的吸附作用，在種子的重力作用下落入導種裝置里，最終進入排種器下方的開溝器中，再由開溝覆土裝置完成最終的開溝播種作業。研究表明，排種盤上的吸附孔直徑、吸附孔個數對排種器的排種性能影響很大[18-20]。

圖7 排種器結構示意圖

2.2.1 排種器上吸附孔直徑的選定 排種盤上吸附孔的直徑直接決定了種子能否被吸附在排種上，其吸附孔直徑根據小青菜種子的平均寬度而定，具體計算公式見公式(7)。

dx=(0.64～0.66)d

(7)

公式(7)中，dx為吸附孔直徑(mm)；d為種子的平均寬度(mm)。

本文選取品名為“冬秀青梗菜”的菜種50粒，用數顯游標卡尺測量其三軸尺寸，計算出小青菜種子的平均寬度為1.69 mm，代入公式(7)中，最終經過圓整后確定吸附孔直徑為1.2 mm。

2.2.2 排種器上吸附孔個數的選定 排種上吸附孔的數量決定了排種盤尺寸的大小，影響著排種器的工作效率。吸附孔數量過少則排種器的播種效率低，吸附孔數量過多則播種精度會受影響。徐蘇陽等[21]通過研究發現，吸附孔的數量與播種機的速度、播種株距、種盤轉速相關，具體見公式(8)。

(8)

公式(8)中，Z為吸附孔的數量；vb為播種機的速度(m/s)；l為播種株距(m)；n為種盤轉速(r/min)。

根據農藝要求，小青菜的株距為8～15 cm之間，行距為13 cm。根據《農業機械手冊》，n≤50 r/min，播種機的前進速度vb≤18 km/h，代入公式(8)進行計算，得出Z的取值為75。考慮到加工精度以及排種穩定性等問題，取吸附孔數量Z=90，相鄰孔的角度為4°。

3 田間試驗

3.1 田間試驗條件

本次田間試驗于2021年1月在江蘇省太倉市璜涇鎮進行，圖8為田間試驗圖。本次測試的土壤類型為壤土，土壤含水率為15.38%，土壤堅實度為1500.8 kPa；測試選用的種子品名為“冬秀青梗菜”；配套動力源選擇常發CF700型拖拉機，通過三點懸掛的方式將氣吸式播種機與拖拉機相連，利用萬向節總成將拖拉機動力輸出軸與風機動力輸入軸相連。在測試之前，需先用旋耕機清除試驗田塊內的雜草和碎石。

圖8 田間試驗圖

3.2 田間試驗方法

作業前，需要將測試地塊的寬度劃分成機組播幅的整數倍，播種機播種時采用離心播法，如圖9所示，即拖拉機從地塊中間開始由內向外繞行，可順時針或逆時針進行離心播種作業。測試過程嚴格按照GB/T 6973─2005 單粒(精密)播種機試驗方法進行。試驗前在9個排種器種箱內分別倒入20 g菜種。進行測試作業時，拖拉機的行進速度為3 km/h。為了保證測試的準確性，首次測定在播種開始20 m后進行，最后測定在播種結束前20 m處停止，測試區域的長度為50 m。每次播種結束后，將編號為1～9的排種器內剩余種子卸掉，分別裝入對應編號為1～9的密封袋內，并用精度為0.01 g的精密實驗室天平秤稱出每個密封袋內種子的重量。排種器在50 m測試區域內播種量計算見公式(9)，測試共進行5次。

圖9 離心播法示意圖

mui=mymsi

(9)

公式(9)中，mui為播種量(g)，i為排種器編號1～9；my為測試使用種子量，my=20 g；msi為試驗剩余種子量(g)。

3.3 田間試驗結果

測得9個排種器每次測試的播種量數據，如表2所示。

表2 排種器播種量測試數據 g

得出各行播量一致性和總播量穩定性數據，如表3所示。

表3 標準差與變異系數統計表

由表2結果得出，該氣吸式播種機的播種量為4.08 kg/hm2，符合機具3.0～4.5 kg/hm2的技術要求。

由表3結果可知：各行播量一致性的標準差為0.12 g，變異系數為3.1%；總播量穩定性的標準差為0.97 g，變異系數為2.8%。該數據表明，氣吸式播種機在播種時各行播種均勻性良好，總體工作性能也較為穩定。

4 結論

(1)設計了一款氣吸式小青菜播種機，采用三點懸掛方式，配套動力30～45 kW，工作幅寬為120 cm，播種行數為9行，播種行距為130 mm，播種株距可調，播種深度20～30 mm，作業速度3～3.5 km/h。作業時，通過氣吸式排種器將種子吸附并落入下方的開溝器中，通過開溝覆土裝置完成種子的播種。

(2)通過計算得出開溝器的幾個關鍵參數，確定了開溝器的刀刃曲線方程，確定了開溝器的刃口角為60°，開溝器的刀片厚度為30 mm。

(3)通過計算確定了排種器的一些關鍵參數，包括排種器的吸附孔直徑為1.2 mm，吸附孔數量為90個。

(4)通過田間測試，得出氣吸式小青菜播種機的播種量為4.08 kg/hm2，符合機具的技術要求。各行排量一致性的標準差為0.12 g，變異系數為3.1%；總排量穩定性的標準差為0.97 g，變異系數為2.8%，結果表明：該氣吸式播種機工作性能較為穩定，為小青菜等小粒徑種子作物的播種提供了重要參考。