大豆玉米帶狀復(fù)合種植精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)研究

薛 榮

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西太原 030000）

0 引言

大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)是從傳統(tǒng)套間作模式創(chuàng)新而來。主要基于大豆玉米耐蔭耐密遺傳特性和生物學(xué)特性的差異，充分利用高位作物玉米邊行的優(yōu)勢特點(diǎn)，擴(kuò)大低位作物空間，構(gòu)建科學(xué)的復(fù)合空間布局，在最大化地利用土地資源的基礎(chǔ)上，有效解決玉米、大豆?fàn)幍貑栴}，實(shí)現(xiàn)玉米不減產(chǎn)、多收一季豆的作物協(xié)同共生的目的。2021年，我國開始大面積推廣大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)。這是一項(xiàng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新興技術(shù)，目前大豆玉米帶狀復(fù)合種植專用播種機(jī)較為匱乏。

為提高大豆玉米間作新農(nóng)藝關(guān)鍵技術(shù)到位率，發(fā)揮大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)的增產(chǎn)增收優(yōu)勢，國內(nèi)各省份將該播種機(jī)產(chǎn)品納入農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼，各省農(nóng)機(jī)企業(yè)、科研人員也加大投入力度，研發(fā)了部分專用播種機(jī)。如，湖南成功研制適宜南方黏性土壤特性的大豆玉米專用復(fù)合種植播種機(jī)。該機(jī)具采用圓盤開溝犁并單獨(dú)設(shè)置棘輪式驅(qū)動地輪，能有效解決開溝犁擁堵和地輪粘連打滑的難題。

大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)通過調(diào)整玉米的行距和株距，使玉米的產(chǎn)量不比單作少，同時能多收一季大豆，達(dá)到提高土地利用率、增加農(nóng)民收益的目的。針對播種技術(shù)現(xiàn)狀和3+2兼作模式，本文研發(fā)了一種氣吹式大豆玉米帶狀復(fù)合種植精量播種機(jī)，設(shè)計(jì)了集成排種器，一器多行，簡化了播種機(jī)結(jié)構(gòu)，提高了大豆玉米行距調(diào)整的范圍。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

大豆玉米帶狀復(fù)合種植播種機(jī)主要由機(jī)架、行走輪、傳動機(jī)構(gòu)、集成排種器、種箱、輸種系統(tǒng)、開溝器、覆土鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)等組成（圖1）。

圖1 氣吹式大豆玉米帶狀復(fù)合種植精量播種機(jī)結(jié)構(gòu)

該播種機(jī)設(shè)計(jì)為3+2模式，即3行大豆加2行玉米。作業(yè)時，行走輪通過驅(qū)動鏈條傳動排種器進(jìn)行播種，由高速風(fēng)機(jī)產(chǎn)生正壓，供給集成排種器的風(fēng)嘴和輸種管的空氣放大器接氣口。排種器上的型孔排種盤在旋轉(zhuǎn)的過程中將單粒（玉米）、雙粒大豆種子均勻排出，經(jīng)空氣放大器加速后，通過輸種管播到種溝內(nèi)，進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓。種植模式和機(jī)械參數(shù)（圖2、表1）。

表1 播種機(jī)參數(shù)

圖2 氣吹式大豆玉米帶狀復(fù)合種植精量播種機(jī)種植模式

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動設(shè)計(jì)

與其他傳動相比，設(shè)計(jì)有傳動選用鏈傳動，鏈傳動無彈性打滑和整體打滑現(xiàn)象，傳動效率高，作用在軸上的徑向力小，結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比高，對環(huán)境的適應(yīng)性好。因動力要從地輪傳遞到位于最高處的集成排種器，需經(jīng)過衡量，由于空間限制，二級傳動鏈輪不可過大。傳動布局（圖3）。

圖3 播種機(jī)傳動布局

播種機(jī)的傳動比：

式中，Zy為玉米排種器型孔數(shù)（28）；Ay為玉米株距（12～15 mm）；

D為地輪直徑（500 mm）；

δ為滑移率，取0.05。

由（1）式可得：

設(shè)計(jì)選用普通滾子鏈10 A，鏈節(jié)距p為15.875 mm，地輪軸上鏈輪齒數(shù)為Z1，選擇22齒。根據(jù)計(jì)算，Z4為42齒，輪軸上的鏈輪分度圓半徑：

根據(jù)種植要求，大豆的株距為10 cm。由（1）式倒推：

式中，Zd、Ad為大豆的株距和排種盤上大豆型孔數(shù)，可得Zd為31孔。

2.2 排種器設(shè)計(jì)

排種器是播種機(jī)的重要工作部件，本機(jī)的排種器設(shè)計(jì)為3行大豆兩行玉米的集成滾筒氣力式排種器，主要由殼體、型孔滾、壓力風(fēng)嘴組成。工作時，滾筒勻速轉(zhuǎn)動，型孔進(jìn)入充種區(qū)，種子靠自重充填到型孔內(nèi)，當(dāng)型孔轉(zhuǎn)至壓力風(fēng)嘴下方，氣流從型孔上方進(jìn)入，從底部流出，上下形成壓力差，將下面的一粒種子壓覆在型孔底部，其余種子被氣流清走，完成清種。型孔經(jīng)過護(hù)種區(qū)到達(dá)排種口后，種子靠自重和推種刀的作用落入空氣放大器內(nèi)（圖4）。

圖4 氣吹式集成排種器結(jié)構(gòu)

該排種滾筒設(shè)計(jì)為5列排種，具體機(jī)構(gòu)（圖5）。排種滾筒與垂直窩眼輪相似，型孔為圓錐形，玉米型孔頂部直徑20 mm，底孔直徑3.5 mm，圓周28孔，兩列相鄰。大豆型孔為兩個頂部直徑15 mm，底孔直徑3 mm。圓錐疊合組成，重疊部分4 mm，圓周31孔，3列相鄰，錐孔底部內(nèi)壁開2 mm的環(huán)形槽作為退種槽。玉米型孔與大豆型孔中間有分割槽，用插板分開。

圖5 排種滾筒三維圖

2.3 輸種管的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的集中排種器到開溝器的距離較遠(yuǎn)，為提高播種的精確性，減少種子在輸種管內(nèi)滯留時間。設(shè)計(jì)中將空氣放大器配置在輸種管上，通過氣流加快種子在輸種管內(nèi)的輸送速度，種子從空氣放大器中以一定的速度流出。種子在輸種管內(nèi)始終貼著管壁隨氣流向前運(yùn)動，除受本身的重力外，還承受氣流的作用力。氣流對種子壓力的大小，又取決于種子和雜物與氣流方向成垂直平面上的投影面積、氣流速度、空氣密度以及它們的大小、形狀和表面狀況（表2）。在水平或傾斜管道中，物料懸浮來自紊流分速度、靜壓差等多種因素，懸浮速度與輸送風(fēng)速垂直。為保證種子處于懸浮流而正常輸送，需要有比懸浮速度大得多的輸送風(fēng)速，才能使物料顆料完全懸浮。

表2 種子相關(guān)參數(shù)

本研究假設(shè)在理想狀況下，種子在輸種管內(nèi)懸浮跟隨氣流運(yùn)動，不與管壁產(chǎn)生摩擦和碰撞，所以只計(jì)算額定流速和管徑。種子在輸種管內(nèi)運(yùn)動時，近似等效球形，研究中取最大粒度。

等效球體直徑：

式中，ds是種子的等效球體直徑；

L為種子的長度；

W為種子的寬度；

T為種子的厚度。

當(dāng)氣流速度大于物料懸浮速度時，種子即可被氣流帶走進(jìn)行氣力輸送。實(shí)際計(jì)算中，種子懸浮速度與種子的顆粒直徑、密度、阻力系數(shù)及空氣密度等相關(guān)：

式中，V0為懸浮速度；

dS為球體等效直徑；

ρS為種子密度；

C是阻力系數(shù)，取0.44；

ρ為氣流密度為1.205 kg/m3。

玉米懸浮速度為15 m/s，大豆懸浮速度為13.6 m/s，輸種管入口風(fēng)速：

式中，KL為物料顆粒系數(shù)；

ρS為顆粒密度；

Kd為物料特性系數(shù)；

L為管道長度。

顆粒粒徑在1～10 mm，顆粒系數(shù)取值16～20，玉米、大豆的等效球體粒徑為7.6 mm和5 mm，這里取顆粒系數(shù)均為19和18。因輸種管長度較短，不足2 m，特性系數(shù)較小，計(jì)算中忽略物料特性對速度的影響。玉米種輸種管進(jìn)口風(fēng)速為20.81 m/s，大豆輸種管進(jìn)口風(fēng)速為22 m/s，計(jì)算流速遠(yuǎn)大于種子懸浮速度，符合使用要求。因各輸種管共用一個氣流分配器，分配的氣流速度相同，綜合考慮，修正氣流進(jìn)口速度為25 m/s。

料氣輸送比：

GS為單位時間顆粒輸送質(zhì)量；

Gg為單位時間氣流輸送質(zhì)量；

ρ為空氣密度（1.205 kg/m3）；

D為輸種管直徑。

研究取最小種植株距，根據(jù)播種量的要求，設(shè)定前進(jìn)速度為5 km/h，單位時間內(nèi)玉米的播種量為3.25 g/s，大豆的播種量為6.72 g/s。種子在輸種管道內(nèi)輸送屬于稀相流，采用的離心風(fēng)機(jī)料氣比一般為0.5～3，本研究中取其平均數(shù)1，計(jì)算輸種管最大直徑為19.8 mm，結(jié)合管道實(shí)際尺寸，修正輸種管尺寸為25 mm。

研究選用內(nèi)壁光滑、內(nèi)徑25 mm、長度2 m的軟管作為輸種管，安裝的最大彎度不超過。為解決種子從輸種管流出速度過快的問題，在距輸種管末端5 cm彎曲處打泄壓孔，快速釋放氣流，降低輸種管出口的氣流速度，依靠種子與管壁的摩擦力減小種子流速。在輸種管的泄壓孔外壁安裝褶皺套管，調(diào)節(jié)泄壓強(qiáng)度，避免種子受氣流影響而不能很好地著入種床帶（圖6）。

圖6 泄壓管

3 空氣放大器研究配置

空氣放大器是根據(jù)流體力學(xué)的附壁效應(yīng)，壓縮空氣由供氣孔進(jìn)入環(huán)形腔內(nèi)，在環(huán)形縫隙處節(jié)流，形成高速空氣層沿側(cè)壁產(chǎn)生90°轉(zhuǎn)向，通過中心空腔，在空腔中心產(chǎn)生低壓，進(jìn)而將進(jìn)料口種子吸入空腔，與供給的空氣一同穿過內(nèi)部空腔進(jìn)入輸種管（圖7）。本文選擇接口外徑32 mm，通過直徑21.6 mm的鋁合金材質(zhì)空氣放大器。根據(jù)使用說明，輸入最大壓力0.7 Mpa，最大出口氣流流量相當(dāng)于壓縮空氣的4倍。

圖7 空氣放大器結(jié)構(gòu)

流量：

式中，V為氣流速度；

s為管內(nèi)截面積。

當(dāng)噴出口流速V為25 m/s時，噴出流量QC為735.9 L/min。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，對應(yīng)的空氣消耗量約180 L/min，進(jìn)氣口供給壓力約0.2 Mpa（圖8）。

圖8 進(jìn)入口流量與壓力關(guān)系

4 結(jié)論

根據(jù)大豆玉米帶狀符合種植要求，采用氣吹式排種滾筒結(jié)合空氣放大器進(jìn)行氣流輸種，設(shè)計(jì)了一種播種速度可達(dá)5 km/h以上的氣吹氣送式大豆玉米播種機(jī)。分別對播種機(jī)關(guān)鍵部件如傳動、排種滾筒、輸種管、空氣放大器等進(jìn)行了計(jì)算分析，確定排種滾筒型孔28個，大豆型孔31個，單行空氣放大器需要提供動壓0.2 Mpa。本研究對大豆玉米帶狀復(fù)合種植機(jī)械設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。