張燕青，崔清亮，侯華銘，暢治兵,孫靜鑫

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

0 引言

谷子為五谷之首，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，是人類喜愛(ài)的飲食之一。山西谷子種植面積和總產(chǎn)量位居全國(guó)前列，但山西谷子種植區(qū)雨量偏少，氣候干旱，播種后谷子出苗率低；且種植區(qū)地形以丘陵山地和分散小塊地為主，播種方式大多采用“三腳耬”人工播種和機(jī)械式、氣力式等大田機(jī)械播種。人工播種播量大、播種均勻性差且后續(xù)間苗和定苗工作量大，生產(chǎn)率低；而大型播種機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸大、操作不靈活，不適合丘陵山地和小塊地播種，制約了種植規(guī)模的擴(kuò)大[1-4]。因此，設(shè)計(jì)研發(fā)適合山西氣候條件與地形特點(diǎn)的播種機(jī)是谷子大規(guī)模生產(chǎn)亟待解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)谷子精少量播種機(jī)的設(shè)計(jì)和研發(fā)取得了突破性成果。張世杰等[5-6]對(duì)2BP-6、2BG-6型谷子精少量播種機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與試驗(yàn)；裴進(jìn)靈等[7]采用帶清種槽窩眼式排種器研發(fā)了2BM系列谷子免少間苗谷子播種機(jī)；邊胤等[8]采用往復(fù)式排種器研發(fā)了谷子精密播種機(jī)。上述機(jī)械式播種機(jī)工作時(shí)仍存在卡種、播種不均勻問(wèn)題。田聰?shù)萚9]設(shè)計(jì)了氣吸式谷子精量播種機(jī)，其排種器耗能大，要求加工精度高、氣密性好。

流體播種方法是將種子均勻分布在保水劑溶液中進(jìn)行定量機(jī)播的方法，可一定程度上控制播量、提高播種均勻性及種子出苗和發(fā)芽率[10]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)流體播種方法和流體播種機(jī)進(jìn)行了研究，其多用于花卉和牧草種子的播種[11-13]。谷子種子粒小質(zhì)輕，播種難，播后出苗率低，專門針對(duì)山西地形特點(diǎn)和氣候條件的谷子精少量流體播種機(jī)還鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，本文結(jié)合山西谷子種植區(qū)氣候和地形特點(diǎn)，采用輸送泵式流體排種裝置研制了2BF-2型谷子精少量流體播種機(jī)，并進(jìn)行了田間播種試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 設(shè)計(jì)要求

本文設(shè)計(jì)的2BF-2型谷子精少量流體播種機(jī)需完成開溝、播種、覆土及鎮(zhèn)壓工作過(guò)程，且滿足以下性能要求：①設(shè)計(jì)的播種機(jī)需保證各行排量穩(wěn)定，播種均勻；②設(shè)計(jì)不同的傳動(dòng)比保證流體播種穴距可調(diào)，且保證播種行距可調(diào)，適應(yīng)不同的土壤墑情條件；③設(shè)計(jì)的開溝器開溝深度可調(diào)，開溝平整，工作可靠；④在滿足播種性能的基礎(chǔ)上，盡量保證播種機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、整機(jī)體積小質(zhì)量輕且適合山西丘陵山地和分散小塊地播種。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

2BF-2型谷子流體播種機(jī)適用于分散、不規(guī)則小塊地谷子種植，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活性強(qiáng)，主要由地輪、牽引桿、種箱、鏈傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架及輸送泵式流體排種裝置、排種管、開溝器、覆土器、手扶桿、鎮(zhèn)壓輪等組成，如圖1所示。為適應(yīng)山西谷子種植區(qū)土壤墑情和氣候條件，此播種機(jī)開溝深度、播種行距及播種穴距均可調(diào)。

1.地輪 2.牽引桿 3.種箱 4.鏈傳動(dòng)系統(tǒng) 5.機(jī)架 6.輸送泵式排種器 7.排種管 8.開溝器 9.覆土器 10.手扶桿 11.鎮(zhèn)壓輪圖1 播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of sowing machine

1.3 工作過(guò)程

在播種前0.5h，以保水劑、谷子種子、水質(zhì)量比為1.1∶10∶200配制谷子種?；旌蠎腋∫?，此配制比例適合谷子流體播種，而且谷子播后出苗率大于80%[14]。工作時(shí)，由人或畜拉動(dòng)牽引桿為播種機(jī)提供動(dòng)力，人握手扶桿掌控方向，地輪通過(guò)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)，帶動(dòng)輸送泵式流體排種裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，排種裝置吸取種箱中的谷子混合懸浮液經(jīng)排種管均勻排入開溝器所開的種溝內(nèi)，隨后覆土，鎮(zhèn)壓，完成播種。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

2BF-2型谷子精少量流體播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 播種機(jī)技術(shù)參數(shù)表Table 1 Technical parameter of sowing machine

續(xù)表1

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 輸送泵式排種裝置的設(shè)計(jì)

為提高谷子排種均勻性、降低傷種率及提高谷子播后出苗率，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了輸送泵式流體排種裝置[14]，主要由輸送泵、排種管及限位卡等組成，如圖2所示。

1.種箱 2.限位卡 3.輸送泵 4.泵管 5.三通管 6.長(zhǎng)彎排種管 7.末端排種管 8.短彎排種管圖2 流體排種裝置示意圖Fig.2 Structure diagram of fluid seed metering device

輸送泵為排種作業(yè)提供動(dòng)力，調(diào)節(jié)輸送泵的轉(zhuǎn)速可改變排種量，其主要由泵殼、軸承、轉(zhuǎn)動(dòng)盤、滾輪、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、微型軸承及滾輪軸等組成，如圖3所示。為提高排種均勻性，根據(jù)蠕動(dòng)傳輸原理，確定輸送泵滾輪數(shù)為6個(gè)。輸送泵工作時(shí)，泵殼將泵管鎖閉，轉(zhuǎn)動(dòng)盤隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪隨轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)并交替擠壓泵管，滾輪擠壓泵管，泵管內(nèi)形成負(fù)壓，谷子種?；旌蠎腋∫涸谪?fù)壓推動(dòng)下流動(dòng)。因種?；旌蠎腋∫壕哂幸欢ㄕ承?，滾輪擠壓泵管時(shí)，種粒已滑走，輸送泵不易損傷谷子種粒。

排種管的作用是輸送種粒混合懸浮液。為提高排種均勻性，設(shè)計(jì)了分合式排種管組合結(jié)構(gòu)[14]，其主要由泵管、三通管、長(zhǎng)彎排種管、短彎排種管和末端排種管組成，如圖2所示。輸送泵工作時(shí)，泵管抽取種箱中的種?；旌蠎腋∫?，懸浮液經(jīng)三通管，分流至長(zhǎng)彎排種管和短彎排種管，再經(jīng)三通管混合由末端排種管排出。泵管的作用是泵送懸浮液；三通管的作用是分流并匯合懸浮液；長(zhǎng)彎、短彎排種管具有一定的長(zhǎng)度差，可重新排列懸浮液中的種粒，以提高排種均勻性；末端排種管可保證每滴懸浮液中的種子數(shù)，利于種子出苗；限位卡的作用是防止泵送懸浮液時(shí)，泵管移動(dòng)。為滿足排種性能要求且兼顧整機(jī)結(jié)構(gòu)，泵管、長(zhǎng)彎排種管、短彎排種管、末端排種管均選用彈性性能好、使用壽命長(zhǎng)的硅膠軟管，其內(nèi)徑分別為4.8、4、4、4mm，長(zhǎng)度分別為700、100、74.4、20mm。

1.泵殼1 2軸承 3.轉(zhuǎn)動(dòng)盤 4.泵殼2 5.泵殼3 6.滾輪 7.轉(zhuǎn)動(dòng)軸 8.微型軸承 9.滾輪軸 10.泵管圖3 輸送泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagram of delivery pump

2.2 種箱的設(shè)計(jì)

山西谷子種植區(qū)氣候干旱且缺少水源，播種時(shí)需攜帶一定量水，考慮整機(jī)質(zhì)量，攜帶水量不宜過(guò)多。谷子精少量播種需種子4～7kg/hm2[15]，根據(jù)谷子種?；旌蠎腋∫号渲票壤?，則流體播種需80～140kg/hm2。2BF-2型流體播種機(jī)適合小塊地種植，本文設(shè)計(jì)的種箱容積需滿足0.067hm2耕地的播種量，忽略保水劑與種子體積，則需9.3L水左右，故設(shè)計(jì)種箱容積為10L。兼顧整機(jī)結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，種箱選用25cm×20cm×20cm的長(zhǎng)方形塑料盒，其底部開孔，穿入排種管，使用密封圈密封，防止懸浮液滲漏。

2.3 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2BF-2型流體播種機(jī)傳動(dòng)方式為1級(jí)鏈傳動(dòng)，主要由主動(dòng)輪、08B滾子鏈條、從動(dòng)輪、排種軸、張緊輪及軸承座等組成，如圖4所示。此鏈傳動(dòng)系統(tǒng)改變了鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使得輸送泵轉(zhuǎn)動(dòng)方向和地輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相匹配，以保證排出谷子種?；旌蠎腋∫?。

1.地輪 2.主動(dòng)輪 3.鏈條 4.輸送泵式排種裝置 5.軸承座 6.傳動(dòng)軸 7.從動(dòng)輪 8.張緊輪圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Structure diagram of transmission

隨著地輪的滾動(dòng)，經(jīng)鏈條及鏈輪增速傳動(dòng)，帶動(dòng)排種軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。播種機(jī)傳動(dòng)比為

(1)

(2)

其中，i為播種機(jī)傳動(dòng)比；z1為主動(dòng)輪齒數(shù)；z2為從動(dòng)輪齒數(shù)；n1為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r/min)；n2為從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r/min)；δ為地輪滑移率(%)；S為地輪在單位時(shí)間內(nèi)走過(guò)的實(shí)際距離(m)；R為地輪承載后的半徑(m)。

通過(guò)更換從動(dòng)輪改變傳動(dòng)比，從而調(diào)節(jié)谷子流體播種的穴距。旱地谷子播種穴距5～8cm，本文設(shè)計(jì)流體播種穴距為5、6.5、8cm。人推播種機(jī)速度約為0.5m/s，則選定排種器轉(zhuǎn)速n2取40、53、60r/min，播種機(jī)地輪滑移率8.75%，聯(lián)立式(1)、式(2)計(jì)算播種機(jī)傳動(dòng)比和主從鏈輪齒數(shù)如表2所示。

表2 鏈輪齒數(shù)表Table 2 The number of teeth sprocket

2.4 開溝器的設(shè)計(jì)

2BF-2型播種機(jī)為人推式播種機(jī)，本文設(shè)計(jì)的開溝器不宜過(guò)大，且需保證下層細(xì)濕土先落到溝中覆蓋種子，以利于種子發(fā)芽，故選用鈍角滑刀式開溝器[16]?；妒介_溝器入土部分為一較長(zhǎng)的滑刀，向下壓切土壤，且容易入土，其主要由滑刀、側(cè)板、連接板、調(diào)節(jié)桿組成，側(cè)板后部為斜邊切口，可使下層濕土先落入溝內(nèi)覆蓋種子，如圖5所示。因播種小顆粒種子，故開溝器滑刀部分不宜過(guò)長(zhǎng)，本文設(shè)計(jì)的滑刀式開溝器滑刀長(zhǎng)度為80 mm。為保證滑刀對(duì)土壤有滑切作用的必要條件[16]是：滑刀入土角α>90°+φ，φ為土壤與滑刀間的入土角且φ=14°～38°，故設(shè)計(jì)開溝器入土角α=135°，滿足要求。為使滑刀刃將土壤切開，并減小工作阻力，使其在刃口處的土粒向后滑移的必要條件[16]是β<90°-φ，本文取β=45°，滿足要求。開溝器開溝寬度即開溝器雙翼側(cè)板間的寬度X，需滿足[17]

(3)

其中，X為開溝器兩側(cè)板間的寬度(mm)；H為開溝器開溝深度(mm)；Hn為覆土器覆土深度(mm)。

設(shè)計(jì)的開溝器開溝最大深度50cm，經(jīng)試驗(yàn)，刮板式覆土器覆土深度約29mm，故兩側(cè)板間的寬度約18.3mm。開溝器調(diào)節(jié)桿上標(biāo)有刻度，可無(wú)極調(diào)播深，調(diào)節(jié)范圍0～75mm，且滑刀材料選用65Mn制造，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，不易折彎變形，滑切土壤效果好，可平穩(wěn)工作。

1.調(diào)節(jié)桿 2.連接板 3.滑刀 4.開溝器側(cè)板圖5 開溝器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of opener

3 播種性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2016年8月，在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心土槽進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地土壤為沙壤土，土壤含水率14.1%，土壤堅(jiān)實(shí)度10.4kg/cm2，測(cè)區(qū)長(zhǎng)度40m。試驗(yàn)前先整地，地塊土壤上虛下實(shí)，虛土部分深度約10cm。

3.2 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)供試谷子品種為山西地區(qū)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的晉谷21號(hào)，含水率為10.2%。試驗(yàn)設(shè)備為2BF-2型谷子流體播種機(jī)。試驗(yàn)儀器主要有直尺、三角尺、毛刷等。

3.3 試驗(yàn)方法

田間試驗(yàn)前參照J(rèn)B/T 6274.1—2013《谷物播種機(jī) 第1部分 技術(shù)條件》[18]的要求對(duì)流體播種機(jī)進(jìn)行排種性能試驗(yàn)，試驗(yàn)中將播種機(jī)地輪架空，使用電機(jī)以0.5 m/s的速度驅(qū)動(dòng)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，分別在3種傳動(dòng)比下收集了60s的谷子質(zhì)量，計(jì)數(shù)，重復(fù)試驗(yàn)5次，計(jì)算總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)、種子破碎率。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

參照NY/T 987-2006《鋪膜穴播機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》[19]，對(duì)流體播種機(jī)進(jìn)行田間播種試驗(yàn)。田間試驗(yàn)主要測(cè)量播種機(jī)穴粒數(shù)合格率、穴距合格率、空穴率及播種深度一致性變異系數(shù)。試驗(yàn)前，將覆土器卸下，不進(jìn)行覆土、鎮(zhèn)壓作業(yè)。根據(jù)所設(shè)計(jì)的3種傳動(dòng)比，由人推播種機(jī)約0.5 m/s盡可能勻速前進(jìn)，在試驗(yàn)土槽中進(jìn)行播種試驗(yàn)，每次播種40m，重復(fù)試驗(yàn)5次。試驗(yàn)中，播種機(jī)可平穩(wěn)連續(xù)工作，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)未發(fā)生卡齒、跳齒狀況。試驗(yàn)結(jié)束后，在播種機(jī)行駛方向上，用毛刷輕撥走土壤，尋找保水劑與種子的混合懸浮液，用直尺測(cè)量251滴懸浮液中的種子數(shù)和相鄰兩滴懸浮液幾何中心距離，計(jì)算穴距合格率和穴粒數(shù)合格率、空穴率。計(jì)算公式為

穴距合格率為

穴粒數(shù)合格率為

空穴率為

其中，xh為合格穴距個(gè)數(shù)，合格穴距為要求穴距值±1.5cm；lh為1穴2?！?粒谷子種粒的總穴數(shù)；kh為1穴0粒谷子種粒的總穴數(shù)；f為每次試驗(yàn)測(cè)定總穴數(shù)。

(7)

(8)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2BF-2型谷子精少量流體播種機(jī)排種性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。不同傳動(dòng)比下播種均勻性試驗(yàn)結(jié)果和不同開溝器高度下播深一致性試驗(yàn)結(jié)果，如表4和表5所示。

表3 排種性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of seeding performance experiment

表4 播種均勻性試驗(yàn)結(jié)果Table 4 The uniformity test results of seeding machine

表5 播深一致性試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The uniformity test results of sowing depth

由表3可知：各行排量一致性變異系數(shù)小于等于4.42%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)小于等于2.12%，種子破碎率小于等于0.009%，排量穩(wěn)定，傷種率低，滿足JB/T 6274.1-2013《谷物播種機(jī) 第1部分 技術(shù)條件》[18]的要求。

由表4可知：該播種機(jī)穴距合格率均大于80%，穴粒數(shù)合格率均大于74%，空穴率均小于5%，基本達(dá)到谷子精少量播種要求,但空穴率大于2%，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

由表5可知：在播種機(jī)行進(jìn)速度約0.5m/s進(jìn)行播種作業(yè)時(shí)，研制的滑刀式開溝器開溝深度變異系數(shù)很小，均小于4%，與理論設(shè)計(jì)相符，該開溝器開溝平整，可穩(wěn)定工作。

4 結(jié)論

1)2BF-2型谷子精少量流體播種機(jī)行距可調(diào)，且田間通過(guò)性能優(yōu)異，適合山西丘陵地形種植。流體播種有效解決氣候干旱問(wèn)題；輸送泵式排種器結(jié)構(gòu)輕巧，排種均勻，穴距可調(diào)，傷種率低；設(shè)計(jì)的滑刀式開溝器，開溝平整且可保證細(xì)濕土與種子接觸，利于出苗。

2)排種性能試驗(yàn)表明：該播種機(jī)在所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比下各行排量一致性變異系數(shù)不大于4.42%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于2.12%,種子破碎率不大于0.009%，排量穩(wěn)定，傷種率低。

3)播種均勻性試驗(yàn)表明：播種機(jī)在各傳動(dòng)比下，穴距合格率均大于80%，穴粒數(shù)合格率均大于74%，空穴率均小于5%，基本達(dá)到谷子精少量播種要求。

4)播深一致性試驗(yàn)表明：滑刀式開溝器播種深度一致性變異系數(shù)小于4%，開溝深度均值接近所要求深度，開溝平整，工作可靠。