倒掛式圓管氣吸玉米免耕精密播種機(jī)的研制

王洪偉，張晉國(guó)，史智興，趙曉順

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定　071001)

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倒掛式圓管氣吸玉米免耕精密播種機(jī)的研制

王洪偉a，張晉國(guó)a，史智興b，趙曉順a

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定071001)

摘要：根據(jù)我國(guó)當(dāng)前玉米播種機(jī)械的現(xiàn)狀，為適應(yīng)玉米播種精密化作業(yè)的要求，需要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的新型氣吸式精密播種機(jī)。為此，以垂直圓盤(pán)氣吸式精密播種機(jī)為基礎(chǔ)，介紹了一種圓管式玉米免耕精密播種機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和主要?jiǎng)?chuàng)新特點(diǎn)。該機(jī)采用倒掛的圓管結(jié)構(gòu)作為排種器，能有效解決傳統(tǒng)圓盤(pán)式氣吸排種器的缺點(diǎn)，具有質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、經(jīng)濟(jì)性好及田間通過(guò)性好等優(yōu)點(diǎn)，具有推廣和理論價(jià)值。

關(guān)鍵詞：玉米；免耕精密播種；圓管氣吸；倒掛式

0引言

近年來(lái)，在我國(guó)大力發(fā)展“三農(nóng)”有關(guān)政策的驅(qū)動(dòng)下，各種有關(guān)播種的機(jī)械的發(fā)展速度異常迅猛，作為我國(guó)玉米種植產(chǎn)業(yè)機(jī)械化科研項(xiàng)目重要一環(huán)的玉米播種機(jī)械的研發(fā)得到各級(jí)政府的大力支持。它一般由拖拉機(jī)懸掛進(jìn)行工作，能夠很方便地在我國(guó)北方平原地區(qū)進(jìn)行作業(yè)，是當(dāng)前我國(guó)北方旱地應(yīng)用最好的農(nóng)業(yè)機(jī)械之一。玉米作為我國(guó)的糧食和飼料作物,在我國(guó)農(nóng)村作物經(jīng)濟(jì)體系中占很大的比重，玉米播種面積和總產(chǎn)量都居世界第2位。當(dāng)前，我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)也正面臨著由落后的計(jì)劃農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代科技農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的歷史時(shí)期,玉米種植機(jī)械化是其重要的組成部分[1]。

目前，我國(guó)播種機(jī)大范圍使用的排種器為機(jī)械式排種器，缺陷是對(duì)種子尺寸要求嚴(yán)格、作業(yè)速度較低。與傳統(tǒng)的機(jī)械式精密排種器相比,氣力式排種器具有播種量少、不損害種子及田間播種速度高諸多優(yōu)勢(shì),且對(duì)種子外形、形狀及質(zhì)量要求不嚴(yán)格,不損害種子外皮,容易滿(mǎn)足現(xiàn)階段要求的單粒播種的農(nóng)藝要求。雖其通用性好、田間播種速度提高潛力大[2]，但應(yīng)用于玉米精密播種機(jī)的氣力式排種器一般為垂直圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，這類(lèi)排種器一般要求1個(gè)播種行布置1個(gè),結(jié)構(gòu)臃腫、需要風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩力大、氣道管道布置龐雜、氣密性不好、風(fēng)機(jī)壓力損失大,一般需要較大功率的風(fēng)機(jī)來(lái)完成驅(qū)動(dòng)與播種任務(wù)[3]。

課題組從2004年開(kāi)始研究玉米小麥兩用圓管式氣吸排種裝置，并已申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)：200410046058.6)。目前，以此為基礎(chǔ)研制出了圓管孔眼式小麥氣吸排種器、新型縫隙式小麥氣吸排種器、氣吸式小麥精密播種機(jī)縫隙式排種器等多種排種裝置。2008年，研制的玉米精播機(jī)圓管式氣吸排種裝置的圓管排種器是安裝在播種機(jī)機(jī)架上方，排種管吸附的種子經(jīng)投種器刮離排種管，種子在落入種溝前會(huì)與漏斗和輸種管內(nèi)壁多次隨機(jī)碰撞，導(dǎo)致種子落入種溝后的粒距不均勻，不能滿(mǎn)足單粒精播的農(nóng)藝要求這一缺陷。為此，研制一種倒掛式圓管氣吸精密播種機(jī)，簡(jiǎn)化了氣吸播種機(jī)結(jié)構(gòu)，降低了造價(jià)、提高了播種作業(yè)速度和播種質(zhì)量。其經(jīng)濟(jì)性好，市場(chǎng)潛力大，對(duì)加速農(nóng)業(yè)機(jī)械化進(jìn)程具有重大意義[4-6]。

1氣吸式玉米免耕精密播種機(jī)研究現(xiàn)狀

我國(guó)精量播種機(jī)械的研制已經(jīng)取得了較快發(fā)展,研究的原理、結(jié)構(gòu)異常多樣。除了研究小麥、蘿卜、甜菜等重要作物的精量播種以外,還研究了花生、土豆、谷子等的精量播種,多數(shù)排種器臺(tái)架試驗(yàn)研究效果好,但應(yīng)用于田間實(shí)際的較少。實(shí)際應(yīng)用的精密播種機(jī)還處于機(jī)型老舊、種類(lèi)少和性能低下的狀態(tài),亟待進(jìn)一步改進(jìn)與完善。

近幾年，我國(guó)的氣力式精密播種機(jī)的研究與推廣都進(jìn)入了一個(gè)發(fā)展較快的歷史時(shí)期,許多高校與農(nóng)機(jī)研究機(jī)構(gòu)研制了多類(lèi)型的精量播種機(jī)械。例如，ZBQ-M3型免耕施肥氣力式精量播種機(jī)械采用氣吸式,不損害種子,可以播有種子包衣的各類(lèi)形狀規(guī)則種子,催芽播種和一次性正側(cè)深施肥等都達(dá)到了科學(xué)種田的高要求。此外，更換排種器的尺寸和鏈輪及改變風(fēng)機(jī)功率，還可進(jìn)行小麥、谷子、油菜、高粱、向日葵等作物的單粒精量的穴播或條播；田間播種即可完成切莖與破茬、開(kāi)溝與作種床、播種與施肥及種床鎮(zhèn)壓等工序。該機(jī)的主要適用于我國(guó)東三省的播種作業(yè)。

河北農(nóng)哈哈農(nóng)機(jī)有限公司研制的ZBYQF一4玉米氣吸播種機(jī)采用了傳統(tǒng)的垂直圓盤(pán)氣吸式播種方式,能夠達(dá)到農(nóng)藝上要求的單粒精量播種。該播種機(jī)采用排種器獨(dú)立安裝,行距可變,多級(jí)變速,達(dá)到玉米株距均勻的要求；最新式開(kāi)溝器阻力小,四連桿單體仿形的結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足播種機(jī)在各類(lèi)型地塊都能仿形,播種入土深度一致;采用新式風(fēng)機(jī)傳動(dòng)形式，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)機(jī)械效率高；應(yīng)用范圍大,達(dá)到了我國(guó)北方早田播種作業(yè)的農(nóng)藝要求,播種株距、深度、行距、單粒性都能依據(jù)不同地塊不同作物快捷的進(jìn)行調(diào)節(jié)；對(duì)玉米尺寸的幾何外觀(guān)要求不嚴(yán),平均直徑在6～8mm都可以正常作業(yè),且苗高齊整,單產(chǎn)相對(duì)其它排種器增收5%左右。

西北農(nóng)業(yè)大學(xué)分析了國(guó)外農(nóng)機(jī)公司的氣力式精密播種機(jī)的雙吸盤(pán)排種器,介紹了該型排種器的大體結(jié)構(gòu)及排種過(guò)程,了解了其主要工作部件的構(gòu)造及幾何參數(shù),其排種性能高于傳統(tǒng)的機(jī)械式,且播種作業(yè)速度高、粒距均勻性好,滿(mǎn)足農(nóng)藝上要求的精密播種,但是大面積應(yīng)用還需時(shí)間。

總之,氣力式播種機(jī)在我國(guó)發(fā)展較慢,大多是從外國(guó)引進(jìn)改進(jìn)的,而且只能適用于小田塊作業(yè)[7]。

2整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1新舊圓管氣吸排種器的播種機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)比

2008年研制的圓管氣吸排種器是安裝在播種機(jī)機(jī)架上方(見(jiàn)圖1)，排種管吸附的種子經(jīng)投種器刮離排種管，種子在落入種溝前會(huì)與漏斗和輸種管內(nèi)壁多次隨機(jī)碰撞，導(dǎo)致種子落入種溝后的粒距不均勻，不能滿(mǎn)足單粒精播的農(nóng)藝要求。

為解決種子下落過(guò)程中與接種漏斗、輸種管等輸種裝置的隨機(jī)碰撞造成的粒距不均勻的缺陷，本課題組一直嘗試把圓管排種器與地面的距離縮短，減少種子在下落過(guò)程中的隨機(jī)碰撞。為此，在已有圓管氣吸播種機(jī)(圓管排種器高于機(jī)架)基礎(chǔ)上，降低圓管高度，設(shè)計(jì)了倒掛式圓管氣吸播種機(jī)，如圖2所示[8]。

降低排種管高度帶來(lái)了一系列問(wèn)題：①排種器高度降低造成下部空間變得擁擠，原有種箱由于上方鎮(zhèn)壓輪的限制，已不能安裝于改進(jìn)后的機(jī)架，需重新設(shè)計(jì)一種箱；②為盡量降低排種管高度，需要重新設(shè)計(jì)機(jī)架；③排種器緊鄰?fù)恋乇砻?，為適應(yīng)免耕秸稈覆蓋條件下的播種作業(yè)，需要考慮秸稈堵塞所帶來(lái)的問(wèn)題；④排種器安裝于機(jī)架下方，造成下部空間狹小不利于播種過(guò)程中的操作及后期維修與裝配，需要合理設(shè)計(jì)與裝配各零部件的大小與體積。

1.主機(jī)架　2.種箱　3.排種器

1.排種器機(jī)架　2.主機(jī)架　3.種溝開(kāi)溝器

2.2倒掛式圓管氣吸播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

該型玉米氣吸式精密播機(jī)由開(kāi)溝(種溝、肥溝)覆土裝置、機(jī)架(主機(jī)架、排種器機(jī)架)、圓管氣吸排種器、種箱、排種盒、整形鎮(zhèn)壓裝置、風(fēng)機(jī)及防秸稈護(hù)板等組成，如圖3所示。

該裝置改變了傳統(tǒng)的播種機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)，采用一種倒立式的結(jié)構(gòu)方案，在播種機(jī)原有的機(jī)架(本文中稱(chēng)為主機(jī)架)的兩個(gè)側(cè)橫梁底部焊接排種管機(jī)架，包括排種管機(jī)架斜梁、排種管機(jī)架側(cè)橫梁、排種管機(jī)架后橫梁和排種管機(jī)架前橫梁。排種管兩端的支撐軸承座倒掛安裝于排種管機(jī)架側(cè)橫梁；與播種行對(duì)應(yīng)的種箱安裝在排種管機(jī)架后橫梁；種箱的下邊沿安裝分叉楔形板刮種器；防秸稈護(hù)板安裝在排種管機(jī)架前橫梁；排種管的驅(qū)動(dòng)鏈輪安裝在排種管軸頭，兩根風(fēng)機(jī)軟管分別從排種管兩端插入排種管內(nèi)孔。

1.風(fēng)機(jī)總成　2.肥箱及排肥器總成　3.懸掛總成　4.主機(jī)架

2.3圓管氣吸播種機(jī)工作原理

播種機(jī)播種作業(yè)的方向如圖4上方箭頭所示，排種管旋轉(zhuǎn)方向如箭頭所示。

1.主機(jī)架　2.排種器機(jī)架　3.排種器安裝軸承

種箱內(nèi)的種子經(jīng)過(guò)排種盒到達(dá)充種區(qū)后被旋轉(zhuǎn)的排種管吸種孔吸附而分離出來(lái)。排種管吸附的種子隨排種管旋轉(zhuǎn)，經(jīng)安裝于排種盒出種口的清種刷清理吸種孔處多余種子后，吸孔處只剩1粒種子。當(dāng)種子到達(dá)排種管外圓周的最低點(diǎn)時(shí)，被分叉楔形板投種器刮落，經(jīng)過(guò)種溝護(hù)板直接落入種溝底部。其省去了接種漏斗、輸種管等輸種裝置，避免了種子下落過(guò)程中與輸種裝置的隨機(jī)碰撞，種子落入種溝后有良好的粒距均勻性，達(dá)到單粒播種下的粒距均勻性要求[8-9]。

3關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與研究

3.1機(jī)架的設(shè)計(jì)

針對(duì)原播種機(jī)的不足，結(jié)合本課題組的氣吸圓管排種器，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)使吸種管倒掛的機(jī)架，以已有的垂直圓盤(pán)播種機(jī)機(jī)架為基礎(chǔ)，重新設(shè)計(jì)了圓管氣吸排種器的機(jī)架，使圓管氣吸排種器位于機(jī)架下方,省去了接種漏斗、輸種管等裝置,種子經(jīng)投種器刮落后直接落入種溝，消除種子與輸種裝置的隨機(jī)碰撞，保證了種子落入種溝后的粒距均勻性，如圖5所示。

1.主機(jī)架　2.排種管機(jī)架前橫梁　3.排種管機(jī)架斜梁

3.2圓管排種器的選用與氣道連接的改進(jìn)

選用管徑為90mm、圓周度好、長(zhǎng)度等于播種機(jī)作業(yè)寬度的鋼質(zhì)管材作為排種管,用焊接的兩個(gè)軸承頭及配套軸承座,倒掛安裝在排種器機(jī)架上。沿排種管的軸線(xiàn)按播種行距(600mm)確定吸附玉米孔的位置及大小,在管壁上沿著圓周方向鉆出若干個(gè)孔均布于圓周作為吸種孔，吸種管外圓加工出軸承和鏈輪的安裝位置,以前采用的結(jié)構(gòu)形式是直接把風(fēng)機(jī)軟管插入排種圓管，漏氣損失大；改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)選用規(guī)格為HD-25連接螺紋頭內(nèi)徑為25的旋轉(zhuǎn)接頭采用螺紋連接的方式與圓管排種器連接起來(lái)，選擇接頭另一端接風(fēng)機(jī)軟管。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使排種管內(nèi)部處于真空狀態(tài),配合種箱及種盒總成可以使吸種孔吸附種子[8]。

傳統(tǒng)的氣力式垂直圓盤(pán)的播種機(jī)的排種器是相互獨(dú)立的，需要通過(guò)獨(dú)立的風(fēng)機(jī)軟管運(yùn)輸氣體,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣壓損失大;倒掛式圓管氣吸播種機(jī)僅用一根圓管作為排種器,可實(shí)現(xiàn)多行播種,改進(jìn)了氣道結(jié)構(gòu),減少了氣體泄漏,可降低負(fù)壓風(fēng)機(jī)功率。

1.機(jī)架　2.排種器　3.驅(qū)動(dòng)鏈輪

3.3種箱與排種盒的改進(jìn)設(shè)計(jì)

種子由盛種的種箱進(jìn)入與排種管直接接觸的排種盒，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使排種管產(chǎn)生負(fù)壓，種子在吸種孔附近負(fù)壓的作用下吸附在排種管上隨著排種管的轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)排種管底部后經(jīng)投種器刮落后落入種溝。該部分設(shè)計(jì)包括兩部分: 種盒與分叉跨立式種箱。種盒上加工有安裝螺釘孔，通過(guò)螺釘安裝于排種器機(jī)架后橫梁，并有種箱安裝孔，通過(guò)螺釘連接種箱與種盒。種盒的排種口為半徑為15mm的半圓弧，并在種盒內(nèi)部加工出安裝清種刷的位置；分叉鍥形板投種器通過(guò)螺釘安裝于種盒底部，投種器豁口與圓管排種器最底部的吸種孔相對(duì)應(yīng)。種盒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

1.種盒安裝螺孔　2.種箱安裝螺孔　3.清種刷安裝孔　4.排種口

為達(dá)到良好的充種效果，保證充種區(qū)與圓管排種器的圓弧面很好配合，在種箱下部與吸種管接觸部位設(shè)計(jì)安裝一種盒。該種盒包括分叉鍥形刮種板、清種刷，兩者與種盒裝配一起，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、方便拆裝調(diào)試。2008年研制的基于圓管氣吸排種器的整機(jī)，排種器高于機(jī)架,相應(yīng)的投種位置結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。其投種位置位于接種漏斗正上方，種子被刮落后，投種位置至充種區(qū)這一段距離會(huì)出現(xiàn)吸種孔處于未吸附狀態(tài)，造成氣壓損失，密封性不好。為保證每個(gè)吸種孔處于吸附種子狀態(tài)，重新設(shè)計(jì)的種盒結(jié)構(gòu)投種位置位于排種管最低端，保證了種子被刮落后吸種孔會(huì)馬上進(jìn)入充種區(qū)重新吸附種子保證每個(gè)吸種孔始終處于吸附狀態(tài)，氣密性較好。種盒與分叉跨立式種箱通過(guò)螺釘相連，裝配結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1.種箱　2.被吸附種子　3.排種管　4.投種位置

1.種箱　2.種盒　3.吸種管

分叉跨立式種箱與種盒為可拆卸式設(shè)計(jì)，便于使用過(guò)程中的安裝調(diào)試與裝配；同時(shí)，種箱下部分別連接兩個(gè)種盒，兩行共用1個(gè)種箱，簡(jiǎn)化了種箱結(jié)構(gòu)。

4防堵裝置的設(shè)計(jì)與研究

為了適應(yīng)免耕秸稈覆蓋條件下的播種作業(yè)、消除排種管降低帶來(lái)的秸稈堵塞的問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)措施，如圖10、圖11所示。

圖10　防秸稈護(hù)板

1.肥管　2.排種器機(jī)架斜梁　3.排種器機(jī)架前橫梁　4.種溝開(kāi)溝器

防秸稈護(hù)板選用了厚度適中的鋼板，為在裝配時(shí)與鎮(zhèn)壓裝置及種箱相配合，防秸稈護(hù)板采用了較為簡(jiǎn)單的螺釘安裝方式，可與鎮(zhèn)壓裝置共同仿形，防止因堵塞秸稈太多導(dǎo)致護(hù)板變形。

1)采用排種管倒掛安裝，相對(duì)于排種管安裝在機(jī)架上方，可使排種管機(jī)架高于排種管。

2)排種管機(jī)架前橫梁與排種管機(jī)架斜梁構(gòu)成一個(gè)平面，用于安裝與播種機(jī)機(jī)架寬度等寬的防秸稈護(hù)板，在播種機(jī)作業(yè)行進(jìn)過(guò)程中可以起到下壓秸稈的作用，避免排種管及排種管驅(qū)動(dòng)鏈輪接觸和纏繞秸稈。防秸稈護(hù)板的上沿以不影響肥管的布置為度，防秸稈護(hù)板的下沿要低于排種管的最低點(diǎn)，與種子開(kāi)溝器的種溝護(hù)板的上沿對(duì)齊為度。

3)排種管機(jī)架通過(guò)排種管機(jī)架斜梁焊接在主機(jī)架上，比采用立梁垂直焊接的結(jié)構(gòu)能夠更好地避免掛帶秸稈。

5結(jié)論

1)關(guān)鍵部件都以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗材少為設(shè)計(jì)選用目標(biāo)，利于后期加工與裝配，節(jié)約成本，降低造價(jià)。

2)采用圓管排種器倒掛的機(jī)架結(jié)構(gòu)，不僅省去接種漏斗、輸種管等部件，簡(jiǎn)化了整機(jī)結(jié)構(gòu)，而且避免了與輸種管等部件的隨機(jī)碰撞。

3)田間試驗(yàn)表明：該型播種機(jī)械較垂直圓盤(pán)式的播種機(jī)在粒距上有顯著改善。

4)初步設(shè)計(jì)的整機(jī)采用兩行共用1個(gè)種箱的方式，簡(jiǎn)化播種機(jī)結(jié)構(gòu)。

5)與垂直圓盤(pán)播種機(jī)相比，該型播種機(jī)降低了風(fēng)機(jī)功率及風(fēng)壓損失。

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Inversion Type Circular Tube Suction No-till Corn Precision Planter

Wang Hongweia， Zhang Jinguoa， Shi Zhixingb, Zhao Xiaoshuna

(a.College of Mechanical and Electrical Engineering; b.College of Information Science and Technology, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001,China)

Abstract：Analysis of the current situation of com planting mechanization in China, in order to adapt to the corn sowing precision work requirements, development of a simple structure need, model of pneumatic precision seeder with low cost. This paper is based on the vertical plate pneumatic precision seeder, introduces the structure of a circular tube type maize no tillage precision seeder, the working principle and the main innovative characteristics. The machine adopts a circular tube structure upside down as a metering device, can effectively solve the traditional disk type air suction seed metering device shortcomings, with the quality of small, simple structure, convenient operation, good economy, the field through the other advantages, has broad application and scientific theory of value.

Key words：corn; no tillage precision seeder; gas suction pipe; upside down type

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0113-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王洪偉(1988-)，男，山東菏澤人，碩士研究生， (E-mail)779134485@qq. com。通訊作者：張晉國(guó)(1957-)，男，石家莊人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail) zhangjinguo@hebau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：河北省人力資源和社會(huì)保障廳河北省高層次人才項(xiàng)目(201304203)

收稿日期：2015-03-17