腳踏式玉米播種機的設計與試驗

張亞新，張立華，張玉梅

(赤峰學院 建筑與機械工程學院，內(nèi)蒙古 赤峰　024000)

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腳踏式玉米播種機的設計與試驗

張亞新，張立華，張玉梅

(赤峰學院 建筑與機械工程學院，內(nèi)蒙古 赤峰024000)

摘要：針對北方播種玉米的壟作區(qū)內(nèi)存在一些狹長或凹凸不平的特殊地塊，設計了一種便攜式腳踏玉米播種機，包括支撐底座、踏板、前推杠桿及排種裝置，通過支撐底座與踏板的相對運動，實現(xiàn)排種裝置的排種。田間試驗結果表明：當壟寬分別為350、380、400mm時，株距誤差分別為7.44%、5.13%、1.91%，播種深度合格率分別為95.14%、92.1%、89.72%，測試誤差符合要求，腳踏式玉米播種機的設計能夠滿足特殊地塊的耕種需求。

關鍵詞：玉米；播種機；腳踏式

0引言

玉米是我國重要的糧食和飼料作物,在我國北方旱區(qū)的種植面積非常廣泛[1]。由于我國大面積的后備土地資源集中在北方干旱地區(qū)[2]，在此區(qū)域農(nóng)民自行開墾的不規(guī)則小塊土地較多，玉米的種植分布區(qū)域有不斷增大的趨勢。同時，對于適應這種自開采、小區(qū)域、不規(guī)則土地玉米種植設備的需求也在不斷地增加。

播種機的研究是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械化研究領域[3]，目前國內(nèi)外大中型播種機械的生產(chǎn)、制造已經(jīng)比較成熟。在我國北方的大規(guī)模玉米種植地區(qū)，主要使用的播種機都是專用大、中型播種機或農(nóng)機帶動的小型播種機，但簡單方便、技術成熟、安全可靠、造價經(jīng)濟的微型或人工操作的超微型種植裝備和技術依然存在著有效供給的不足。尤其在北方山區(qū)和丘陵地帶，由于受到耕種自然條件的限制，很多狹長地塊或自開墾地塊無法實現(xiàn)機械播種，只能采用人工播種，不但勞動強度大而且效率低下，農(nóng)民迫切需要適合這種地塊播種的微型半自動播種機械。因此，微型半自動播種機的設計、生產(chǎn)以及推廣應用成為亟待解決的問題 。

1設計原理及機構

1.1設計原理

目前，市面上可見的非全自動、有人工部分參與的微型播種機是一種人工直插式播種機。這種播種機操作簡單、可靠性好、使用無空間限制，可以實現(xiàn)小塊不規(guī)則土地的玉米播種；但其人機工程性較差，操作者在完成播種時所耗費的人工超過使用鎬頭等原始播種方式。為此，設計了一種雙壟交替式腳踏播種機。這種播種機操作類似踩高蹺，兩腳交替前行，帶動微型播種機前進，同時每踏一步播種機下部的排種機構在人體重力作用下進行播種，有效減輕操作者的疲勞強度。

1.2總體設計

腳踏式播種機由支撐底座、踏板、前推杠桿、杠桿鏈接支塊、杠桿斜向運動限位板、踏位導向限位柱、種箱和排種器等組成，如圖1所示。

1.支撐底座　2.踏板　3.防滑凹槽　4.擺動前推杠桿

主要技術參數(shù)如下：

整機質(zhì)量/kg：6

播種壟距/mm：350～400(可調(diào))

播種株距/mm：270～330(可調(diào))

播種深度/mm：40～60(理論)

作業(yè)速度/km·h-1：0.4～0.6(理論)

1.3工作原理

腳踏播種機工作前，先將種子加入到踏板下面的種箱里，并把播種機左右兩側的播種裝置間隔一壟，左前右后放置；使用人員左腳踩踏播種機的左踏板，播種機左側機構在人體重力和自重的作用下向下運動，推動排種器向下運動實現(xiàn)播種器排種。同時，擺動前推杠桿將播種機右側機構向前方推舉到播種位置上方；右腳踩踏右踏板，左腳抬起，播種機右側播種；循環(huán)往復，實現(xiàn)播種機連續(xù)播種。

2關鍵部件設計

2.1支撐底座

耕地土壤是由固、液、氣三相組成的分散體，其含水量、結構性和孔隙度等決定了土壤不同的力學性能。當播種機支撐底座沿壟坡下滑的過程中，產(chǎn)生對土壤的擠壓作用；當擠壓力超過某個失效面上的抗剪強度后，沿此剪切面形成垡片[4]。在此過程中，土壤發(fā)生剪切破壞并隨之破裂滑向壟谷。根據(jù)土壤壓縮與破壞理論，建立土塊的抗剪切力T為[5]

(1)

其中：τ為剪切面上的剪切力,τ=0.03MPa ；b為播種機支撐踏板縱向幅寬；β為剪切面與水平位置夾角；h(t)為t時刻支撐底座楔入壟坡的變形量。

實驗表明：滑動摩擦力與法向應力呈直線關系[6]，假設支撐底座與壟坡的滑動摩擦力f為

f=kσ(t)

(2)

其中，k為摩擦-正應力比例系數(shù), k=0.72；σ(t)為支撐底座對壟坡垂直方向隨時間t變化的法向壓力。根據(jù)北京林業(yè)大學李艷杰教授等人的研究結果，土壤的壓縮曲線呈擬線性上升,達到峰值后光滑下降[7]。支撐底座對壟坡土壤的壓縮作用力較小，變形發(fā)生在壓縮的開始階段，近似線性關系，支撐底座沿斜坡垂直運動位移為

(3)

其中，E為土壤壓縮開始階段的近似線性變形的壓縮系數(shù)，北方土壤近似取E=0.6MPa-1[8]；A為支撐底座與斜坡的有效接觸面積。

腳踏播種機支撐底座在操作人員的踩踏作用下，向下運動。由于播種機擺動前推機構的局限性，腳踏式播種機兩側機構的踩踏位置不在播種位置的正上方，而是在靠近壟峰位置。支撐底座下落過程中接觸壟坡，并沿壟坡滑落到壟谷實現(xiàn)播種。壟坡在支撐底座的作用下變形如圖2所示。

1.播種機支撐底座　2.壟峰　3.壟坡　4.壟谷

考慮到北方多為干旱地區(qū)，土壤性質(zhì)屬于欠固結土[9]，因此支撐底座沿壟坡下滑過程中，受到壟坡作用力主要包括土壤的抗剪切力、土壤對支撐底座的滑動摩擦力及土壤抵抗壓縮變形的反力。支撐底座由支撐板、遮土沿、排種器安裝口、導向管和圓形開孔組成，工作原理如圖3所示。

1.支撐板　2.排種器安裝口　3.排種器

支撐板中間位置有排種器安裝口，在排種器安裝口的四周有4根導向管呈矩形四角排列，導向管連接的支撐板含有圓形開孔，其孔徑小于導向管內(nèi)徑，用于安裝踏板的導向柱和復位彈簧；支撐板的兩側設有遮土沿，防止兩側壟峰的土進入支撐板與防土沿中間的位置。4根豎向?qū)驐U穿過腳踏式玉米播種機支撐板上的導向管，通過螺紋與踩踏板連接；導向管中的復位彈簧輔助踏板在操作人員撤掉踩踏力時自動復位；種箱固定在踩踏板上，與種箱添種口結合，下端連接導種器和排種器；排種器連接在連接支撐板中的排種器安裝孔上，在踩踏板和支撐板的相對運動下實現(xiàn)播種。

支撐底座在壟坡下滑的過程中，受到向下的壓力及自身重力F、壟坡支持力N、坡面的摩擦力f及土壤的抗剪切反力T。支撐底座最低端沿壟坡面的垂直位移為h(t)，水平位移為l(t)。

假設：①支撐底座對斜坡的剪切力沿斜坡水平方向向下；②支撐底座側面與壟坡面傾斜角度一致；③支撐底座下滑過程中出現(xiàn)的坡面縫隙被下滑的土粒填充對摩擦力不產(chǎn)生影響；④支撐底座側壁與水平面夾角β隨h(t)發(fā)生變化，但變化量較小，忽略不計。

根據(jù)牛頓第二定律，對支撐底座進行受力分析，可得

(4)

其中，a1表示支撐底座沿平行壟坡下滑的加速度； a2表示支撐底座垂直壟坡方向的加速度；m表示播種機一側和操作者的自重之和。

將式(1)～式(3)代入式(4)可得

(5)

其中，l″(t)表示支撐底座沿壟坡水平方向運動位移的二次導數(shù)，即水平位移方向的加速度；h″(t)表示支撐底座垂直壟坡方向運動位移的二次導數(shù)，即垂直位移方向的加速度。

2.2踏板機構

為實現(xiàn)腳踏式玉米播種機的踩踏播種，雙壟式腳踏玉米播種機踏板機構，包括踩踏板、防滑凹槽、種箱添種口、添種口把手、豎向?qū)驐U和圓柱形卡環(huán)，如圖4所示。

1.防滑凹槽 　2. 踩踏板　3.添種口手柄

踩踏板上設有防滑凹槽，使操作人員在踩踏過程中踩踏準確，播種機垂直于地面向下運動實現(xiàn)準確播種；防滑凹槽中間設有掀開式種箱添種口，通過添種口手柄打開添種口，在播種機上端進行添種；4根豎向?qū)驐U穿過腳踏式玉米播種機支撐底座的導向管，通過螺紋與踩踏板連接；導向桿的下端通過螺紋連接圓柱形卡環(huán)，限制踩踏板相對于支撐底座向上運動的最大位置；導向管中的復位彈簧輔助踏板在操作人員撤掉踩踏力時，自動復位,實現(xiàn)一次腳踏式播種機排種。

2.3排種機構

腳踏式玉米播種采用楔形開口式排種方式,由種箱、導種管、楔形塞、固定板、開口彈簧、連接軸銷、左排種嘴和右排種嘴組成，如圖5所示。

1.種箱　2.導種管　3.楔形塞　4.右排種嘴

漏斗形種箱固定在踏板機構下側，種箱下端連接導種管；勺形的左排種嘴和右排種嘴通過連接軸銷與導種管下端連接，左排種嘴和右排種嘴的上端通過開口彈簧連接；楔形塞安裝在固定板下端，固定板上側固定在播種機支撐底座下端；踏板機構與支撐底座之間相對運動帶動固定板和楔形塞，與左排種嘴和右排種嘴發(fā)生相對運動。當楔形塞隨固定板相對于左排種嘴和右排種嘴向上運動時，在開口彈簧彈力的作用下，左排種嘴和右排種嘴下端打開，進行排種；當楔形塞復位時，左排種嘴和右排種嘴下端閉合，結束排種。

3田地試驗

3.1試驗條件

2014年3月,在赤峰市寧城縣一肯中鄉(xiāng)二組的玉米試驗田進行現(xiàn)場測試，8°～12°緩坡，土質(zhì)為栗鈣土，狹長地塊，長427m，地勢相對平坦，屬于典型的北方半干旱耕作區(qū)，采用赤峰地區(qū)大范圍播種的“先玉335”號玉米種子。

3.2試驗方法

先使用農(nóng)機將耕地犁出試驗所需要的350、380、400mm壟寬各3條427m的長壟。卸下播種機一側的播種器，換裝為此專門設計的草木灰盒，在播種器每一次播種的位置會留下草木灰痕跡摻雜進土里便于統(tǒng)計播種株數(shù)；另一側播種器播種“先玉335”號玉米種子，并統(tǒng)計播種機在不同壟株距下各土層的種子數(shù)。具體方法如下[10]：

1)分別在不同的隔壟進行播種機的播種，測量每條壟種植的株數(shù)，計算出平均株距。

2)在已播地不同行取樣，取樣長度為200mm,不同壟寬各取20段。取樣方法：從壟谷的上表面開始，每10mm縱向深度取樣1次，記錄覆蓋層內(nèi)的種子數(shù)，直至全部種子出現(xiàn)，1組記錄完成。

3.3試驗結果及分析

不同壟距實際播種株距誤差以及不同土層的種子數(shù)如表1和表2所示。

表2　不同土層的種子數(shù)比率

在壟寬分別為350、380、400mm時，株距誤差分別為7.44%、5.13%、1.91%。根據(jù)設計要求，播種深度40～60mm 為合格，壟寬分別為350、380、400mm時，播種深度合格率分別為95.14%、92.1%、89.72%，基本符合農(nóng)藝要求。

株距誤差和播種深度不合格產(chǎn)生的主要原因：壟寬越寬，播種機中間的連接機構越長，使支撐底座沿壟坡下滑受到的影響越大，最終體現(xiàn)在播種深度不合格率和株距誤差。

4結論

研制的雙壟交替式腳踏播種機包括支撐底座、踏板、前推杠桿及排種裝置。對腳踏式播種機支撐底座與壟坡之間相對運動進行分析，確定了支撐底座沿壟坡下滑時受到的作用力，引入土壤壓縮破壞理論，忽略次要因素，建立了支撐底座沿壟坡下滑的動力學模型。田間試驗表明：當壟寬分別為350、380、400mm時株距誤差分別為7.44%、5.13%、1.91%，播種深度合格率分別為95.14%、92.1%、89.72%，測試誤差符合要求。腳踏式玉米播種機的設計能夠滿足特殊地塊耕種的農(nóng)藝要求。

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Abstract ID:1003-188X(2016)06-0172-EA

Design and Experiment of Stampede-style Maize Seeder

Zhang Yaxin, Zhang Lihua, Zhang Yumei

(College of Architecture and Mechanical Engineering,Chifeng University, Chifeng 024000,China)

Abstract：To solve the problems of the North Ridge sowing maize area exists in Narrow or uneven of the special region, a stampede-style maize seeder was designed.The seeding machine comprises a supporting base, a pedal, push lever and Sowing mechanism.Through the relative movement of the support base and the pedal, planting with sowing machine.The result of field tests showed that in row spacing was respectively 350mm、380mm and 400mm, and plant spacing error were 7.44%, 5.13% and 1.91%,sowing depth qualified rate were 95.14%、92.1% and 89.72%.The design of stampede-style maize seeder satisfied the agronomic requirements.

Key words：soil;seeder; stamped-style

文章編號：1003-188X(2016)06-0172-04

中圖分類號：S223.2+5

文獻標識碼：A

作者簡介：張亞新(1981-),男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，碩士,(E-mail)zhangyaxin198106@163.com。

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學?？茖W研究項目(NJZY242)

收稿日期：2015-05-18