2BFG-6 型氣吸式谷子精量穴播機的設(shè)計與試驗

王 超，劉 軍，劉占良，付永斌

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北 張家口 075000）

谷子是起源于我國的1 種傳統(tǒng)特色作物，數(shù)千年來一直作為我國北方干旱、半干旱地區(qū)的主栽作物之一［1-3］。隨著谷子品種不斷改良，近年來，我國谷子播種面積及產(chǎn)量持續(xù)增加，2013 年，我國谷子播種面積為72.07 萬hm2，總產(chǎn)量為177.64 萬t；到2017 年，播種面積擴大到86.10 萬hm2，總產(chǎn)量達到254.79 萬t［4］。但目前，谷子播種仍以人工種植及機械式條播機種植為主［5］。人工種植方式難以控制播量及播深；機械式條播機種植谷種損傷、浪費嚴(yán)重；2 種種植方式均存在出苗后谷苗分布凌亂，人工間苗、定苗工作繁重等問題。因此，谷子種植經(jīng)濟效益差，不適合當(dāng)前谷子精量播種要求。

由于整體種植面積較小，國外針對谷子精量播種機械的研究相對較少，目前較成熟的氣吸式播種機主要適用于播種中耕作物。通過更換配套的排種盤，可播種不同作物，但對播種谷子的適應(yīng)性差。國內(nèi)對谷子精量播種機械的研究主要是將槽輪式排種器、型孔輪式排種器、帶式排種器、往復(fù)式排種器［6］等進行適當(dāng)改進后應(yīng)用于播種機播種谷子，孫燈、侯華銘等將傾斜圓盤式排種器用于谷子精少量播種機［7-9］，崔玉焱［10］研究和設(shè)計了2BGJ-6 型谷子精量播種機，其播種機理均為機械式排種方式。此外，張燕青等［11］配制了谷子種粒懸浮液，利用流體排種裝置實現(xiàn)谷子精少量播種。國內(nèi)對氣吸式谷子播種機的研究主要對其排種盤結(jié)構(gòu)進行分析，如李娜等［12］分析了排種盤型孔數(shù)量對排種性能的影響，池丹丹、呂冰等［13-14］分析了種盤型孔大 小、結(jié)構(gòu)對排種器氣室流場的影響，王芳、王磊 等［15-16］分析了排種盤孔型結(jié)構(gòu)及負壓值對吸種性能的影響。

本試驗針對現(xiàn)有谷子播種機播量大，谷種表皮易損傷的問題，并結(jié)合我國北方干旱、半干旱地區(qū)地質(zhì)情況及谷子種植農(nóng)藝專家要求，設(shè)計了1 種2BFG-6 型氣吸式谷子精量穴播機，解決了谷子種植過程中谷種破損、浪費嚴(yán)重的問題，實現(xiàn)了谷子低損精量播種。

1 整機結(jié)構(gòu)、工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

2BFG-6 型氣吸式谷子精量穴播機主要由機架、懸掛裝置、排種裝置、排肥裝置、開溝鎮(zhèn)壓裝置、風(fēng)機、傳動系統(tǒng)、仿形機構(gòu)等部分組成，其主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

機具采用三點懸掛方式與拖拉機配套使用。通過調(diào)整螺栓調(diào)節(jié)地輪前后位置及其與地面壓力，機具前進的同時帶動地輪轉(zhuǎn)動，地輪作為機具驅(qū)動輪，經(jīng)3 級傳動驅(qū)動排肥裝置及排種裝置主軸轉(zhuǎn)動。風(fēng)機為排種器氣室提供連續(xù)、穩(wěn)定負壓。谷種受負壓作用被吸附至種盤型孔上，排種盤隨排種器主軸同步轉(zhuǎn)動將吸附于種盤上的谷種與種群分離，谷種隨種盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動至排種器零壓區(qū)完成排種。同時，排肥器隨排肥器主軸同步轉(zhuǎn)動完成排肥。

圖1 整機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the seeder

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

該穴播機主要參數(shù)如表1 所示。

表1 谷子穴播機的主要參數(shù)Table1 Main parameters of millet hill-drop planter

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

傳動系統(tǒng)是播種機的1 個重要組成部分，傳動系統(tǒng)設(shè)計是否合理將直接影響排種器和排肥器轉(zhuǎn)動與機具前進速度的同步性，進而影響排種量和排肥量的均勻性和穩(wěn)定性。

2.1.1 傳動方案的確定 2BFG-6 型氣吸式谷子精量穴播機傳動型式為整體傳動，排肥器與排種器共用1 套傳動系統(tǒng)。Z1、Z2構(gòu)成1 級鏈傳動，Z3、Z4構(gòu)成圓柱齒塔輪變速機構(gòu)，Z5、Z6構(gòu)成排種2 級鏈傳動，Z7、Z8構(gòu)成排肥2 級鏈傳動。結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。

具體傳動方案為：左右地輪同時作為動力驅(qū)動輪，地輪通過1 級鏈傳動驅(qū)動圓柱齒塔輪變速機構(gòu)后經(jīng)2 級鏈傳動驅(qū)動排種器主軸、排肥器主軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)排種、排肥。雙地輪同步驅(qū)動設(shè)計可以有效減小單地輪打滑對整個傳動系統(tǒng)帶來的傳動不穩(wěn)定的影響。

圖2 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure of transmission system

2.1.2 傳動系統(tǒng)參數(shù)的確定 由于排種、排肥共用1 套傳動系統(tǒng)，可根據(jù)排種傳動系統(tǒng)要求設(shè)計整體傳動系統(tǒng)參數(shù)。傳動比：

式中D—地輪有效工作直徑，mm

N—排種盤旋轉(zhuǎn)一周排種穴數(shù)

δ—地輪滑移系數(shù)；

x—穴距，mm

根據(jù)設(shè)計要求，播種穴距x=100 ～200 mm，因此設(shè)計圓柱塔輪變速機構(gòu)最大傳動比與最小傳動比之比為2∶1。地輪工作直徑D=500 mm，排種盤旋轉(zhuǎn)一周排種穴數(shù)N=30,地輪滑移系數(shù)δ一般取0.05 ～0.12［17］，鏈輪齒數(shù)Z1=14，Z2=17，Z5=16，Z6=23，將各參數(shù)帶入公式（1）、（2）得傳動比i=1.70 ～3.63。綜合計算后確定圓柱塔輪變速機構(gòu)輪齒齒數(shù)Z3=15，Z4=15、18、21、24、27、30，變速機構(gòu)過渡輪齒數(shù)Z'3=16。

2.2 仿形機構(gòu)的設(shè)計

2.2.1 仿形機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及原理 為保證開溝器開溝一致性，設(shè)計了平行四連桿仿形機構(gòu)，每組仿形機構(gòu)服務(wù)1 個播種單元，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3 所示。

A、B 兩點分別鉸接在機架焊接板的上下兩端，C、D 兩點分別鉸接在播種單元主支架上，AB 與CD、AD 與BC 始終平行且相等；限深輪O1安裝在開溝器前端，通過螺紋桿調(diào)節(jié)其與開溝器的相對位置，用以調(diào)節(jié)開溝深度；鎮(zhèn)壓輪O2鉸接在播種單元橫向支架E 點并利用鎮(zhèn)壓調(diào)節(jié)桿調(diào)整鎮(zhèn)壓強度。為適應(yīng)不同地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)、土壤阻力及地表起伏變化，本機構(gòu)設(shè)計了4 檔仿形強度調(diào)節(jié)。拉伸彈簧下端掛接點K1與B 點同軸心，AD 桿等間距設(shè)計拉伸彈簧上掛接點K2、K3、K4、K5。選取K2～K5掛節(jié)點，彈簧拉力依次增大，改變鎮(zhèn)壓強度。拉伸彈簧可使仿形輪與地表之間始終保持適當(dāng)?shù)膲毫Γ瑥亩行ПＷC開溝器工作的穩(wěn)定性。

圖3 仿形機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structure of profiling machinery

2.2.2 仿形機構(gòu)參數(shù)的確定 影響仿形效果的主要參數(shù)有仿形角α，橫向?qū)挾萣及4 桿尺寸。播前耕整地質(zhì)量及地形條件是設(shè)計仿形量程H的重要依據(jù)。根據(jù)耕整地農(nóng)藝要求，通常情況下設(shè)定上仿形量程H1和下仿形量程H2均為80 ～120 mm［17］。仿形參數(shù)如圖4 所示。

圖4 仿形桿參數(shù)Fig.4 Parameters of profiling bar

仿形量程大?。?/p>

式中：L—連桿長度，mm；

α0—初始仿形角，°；

α1—上仿形角，°；

α2—下仿形角，°。

聯(lián)立公式（3）、（4）、(5)可得：

由公式（6）可知，當(dāng)仿形量程H一定時，增大仿形角α可減小上下桿的長度L，使整個播種機結(jié)構(gòu)更加緊湊，但α過大會使仿形穩(wěn)定性降低；減小α則會增大L值，使機具整體結(jié)構(gòu)不緊湊且重心后移。因此，要根據(jù)實際設(shè)計要求對仿形角和連桿長度進行選擇。

在機具工作過程中，仿形機構(gòu)的橫向?qū)挾萣也會對機具工作效果產(chǎn)生影響。橫向?qū)挾冗^小會造成機具工作橫向擺動，增加機具震動，影響播行直線度；橫向?qū)挾冗^大則會造成機具整體結(jié)構(gòu)不緊湊，較難滿足播種較窄行距作物的機具布置要求。綜合考慮，選取橫向?qū)挾萣=120 mm,前后拉桿長度為 200 mm，仿形輪直徑為280 mm，初始工作角α0=0°，上、下仿形角α1、α2均為25°。將以上參數(shù)及單側(cè)最大仿形量程120 mm 帶入公式（4）、（5）求得上、下連桿長度L=283.94 mm，取整得L=280 mm。

2.3 施肥裝置的設(shè)計

施肥量的多少將直接影響作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，采用合理的施肥裝置可以保證穩(wěn)定的施肥量。筆者所設(shè)計穴播機施肥裝置與排種裝置共用1套傳動系統(tǒng)，其傳動結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。地輪作為驅(qū)動輪經(jīng)3級傳動，驅(qū)動排肥軸上排肥器工作，完成排肥。底肥選用磷酸二胺顆粒肥，排肥器采用外槽輪式排肥器，單位面積最大施肥量Q=225 kg/hm2，最小施肥面積為0.5 hm2，即MB=5 000 m2。肥箱容量:

式中：M—1 箱肥所能施肥的距離，m；

B—工作幅寬，m；

γ—肥料密度，kg/L；

ε—設(shè)計余量。

肥箱設(shè)計余量ε=10%，試驗測得磷酸二胺顆粒肥密度γ=0.79 kg/L，將以上參數(shù)代入公式（7）得V=156.65 L,取整得V=160 L。

2.4 排種器的設(shè)計

氣吸式穴播排種器是穴播機的核心部件，其結(jié)構(gòu)及參數(shù)的合理性將直接影響播種質(zhì)量［18-20］。該穴播排種器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖5 所示。

圖5 穴播排種器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Structure of hill-drop seeder

端蓋與排種盤左側(cè)共同構(gòu)成充種室，排種盤右側(cè)為通過密封圈密封的氣室腔，氣室體下方裝配導(dǎo)種裝置。安裝在主傳動軸上的排種盤通過鏈傳動驅(qū)動安裝在從動軸上的導(dǎo)種裝置，實現(xiàn)排種盤與導(dǎo)種裝置同步轉(zhuǎn)動。

工作時，風(fēng)機為排種器提供連續(xù)負壓。在充種區(qū)，由于受負壓作用，充種室內(nèi)谷種被吸附到排種盤吸種孔上；隨排種盤轉(zhuǎn)動谷種脫離充種區(qū)，經(jīng)攜種區(qū)到達落種區(qū)；在落種區(qū)負壓消失，谷種在自身重力作用下落入導(dǎo)種輪種子輸送腔內(nèi)；輸送腔內(nèi)的谷種隨導(dǎo)種輪轉(zhuǎn)動至投種區(qū)，完成排種。

為使輸送腔內(nèi)谷種數(shù)量一致，在單位時間內(nèi)，排種盤排出谷種數(shù)應(yīng)是轉(zhuǎn)過落種區(qū)的輸送腔數(shù)量的整數(shù)倍。排種盤沿周向均勻布置120 個吸種型孔，導(dǎo)種輪沿周向均勻布置15 個種子輸送腔，傳動比為0.5，實現(xiàn)每個種子輸送腔內(nèi)貯存4 粒谷種。

2.5 機架應(yīng)力分析

機架是整個播種機的骨架，需要足夠的剛度和強度。主梁選用100 mm×100 mm×4.0 mm 方管，材料為Q235。利用SolidWorks 進行機架模型的建立，通過Simulation 模塊進行應(yīng)力分析，其步驟為：設(shè)定算例類型、材料屬性及零部件連接方式，添加夾具約束和外部載荷，進行網(wǎng)格劃分并運行算例。主梁外部載荷后端壓力為2 980 N，前端壓力為300 N，兩側(cè)板壓力各為650 N。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6 所示，共計79 842 個節(jié)點，40 313 個單元。

圖6 機架網(wǎng)格劃分Fig.6 Frame meshing

靜應(yīng)力仿真運算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 機架靜應(yīng)力Fig.7 Static stress of frame

結(jié)果表明，機架最大應(yīng)力和最大應(yīng)變發(fā)生在主梁前段中部與懸掛支架連接處，最大應(yīng)力為1.18e+ 10 N/m2，最大應(yīng)變?yōu)?.05e-4；最大位移量發(fā)生在機架主梁后端最外側(cè)處，最大位移量為1.42 mm，最小安全系數(shù)為2.00，各參數(shù)均滿足設(shè)計要求。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

為檢驗2BFG-6 型氣吸式谷子精量穴播機工作性能，2019 年6 月10 日在河北省保定市蓮池區(qū)對樣機進行田間試驗，該地區(qū)符合谷子生長基本條件。試驗對象選取‘張雜谷5 號’谷種。

3.2 質(zhì)量指標(biāo)及試驗方法

相對于中耕作物種子，谷種外形尺寸小、千粒重小，播種后很難通過人工方式測量每穴穴粒數(shù)、播種深度及種肥距離等參數(shù)。本次試驗主要測量谷種出苗后株距合格率、株距變異系數(shù)、空穴率和種子破損率。

試驗方法：設(shè)定拖拉機行進速度為4 km/h，排種盤型孔直徑為1.0 mm，變速機構(gòu)齒數(shù)Z4取21。機組往返4 次，共計播種48 行，單次往、返距離各為50 m。每個播種單元隨機選取3 行，每行隨機 選取連續(xù)50 株種苗，測量其出苗情況。種子破損率測量：在每個排種口下方放置接種紙杯，機組行駛150 m 后，分別對排種器所排谷種及破損谷種稱重。株距以理論株距（X±1.5）cm 定為合格，大于（X+1.5）cm 定為空穴［21-22］。

株距合格率：

空穴率：

種子破損率：

株距標(biāo)準(zhǔn)差：

穴距變異系數(shù)：

式中n1—合格株距數(shù)；

n2—空穴數(shù)；

n—測量總株距數(shù)；

mp—測量破損種子質(zhì)量；

mc—總測量種子質(zhì)量；

Py—原始種子破損率；

Xi—第i株株距。

3.3 試驗結(jié)果與分析

2019 年6 月27 日對各播種單體所選3 行谷種出苗情況進行測量，取其平均值，結(jié)果如表2 所示。

表2 谷子出苗情況Table 2 Emergence situation of millet

測量結(jié)果表明，株距合格率88.67%～93.33%，空穴率為1.33%～4.67%，株距變異系數(shù)為15.84%～ 29.42%，谷種損傷率為0.43%，各指標(biāo)均滿足文獻［21-22］和農(nóng)藝專家要求。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計了1 種氣吸式谷子精量穴播機，介紹了其工作原理，分析并確定了主要部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。

（2）利用SolidWorks 對機架進行了靜應(yīng)力分析，結(jié)果表明，最小安全系數(shù)為2.00，最大應(yīng)力為1.18e+10 N/m2，最大應(yīng)變?yōu)?.05e-4，最大位移量為1.42 mm，各參數(shù)均滿足設(shè)計要求。

（3）對樣機進行了田間試驗，結(jié)果表明，本研究所設(shè)計穴播機田間工作狀況良好，播后種苗株距合格率為：88.67%～93.33%，空穴率為1.33%～ 4.67%，株距變異系數(shù)為15.84%～ 29.42%，谷種損傷率為0.43%，各指標(biāo)均滿足播種機質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)和谷子農(nóng)藝專家要求。