王 超，劉 軍，劉占良，付永斌

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)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(guó)的1 種傳統(tǒng)特色作物，數(shù)千年來(lái)一直作為我國(guó)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(lái)，我國(guó)谷子播種面積及產(chǎn)量持續(xù)增加，2013 年，我國(guó)谷子播種面積為72.07 萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量為177.64 萬(wàn)t；到2017 年，播種面積擴(kuò)大到86.10 萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量達(dá)到254.79 萬(wàn)t［4］。但目前，谷子播種仍以人工種植及機(jī)械式條播機(jī)種植為主［5］。人工種植方式難以控制播量及播深；機(jī)械式條播機(jī)種植谷種損傷、浪費(fèi)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(wèn)題。因此，谷子種植經(jīng)濟(jì)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(guó)外針對(duì)谷子精量播種機(jī)械的研究相對(duì)較少，目前較成熟的氣吸式播種機(jī)主要適用于播種中耕作物。通過(guò)更換配套的排種盤(pán)，可播種不同作物，但對(duì)播種谷子的適應(yīng)性差。國(guó)內(nèi)對(duì)谷子精量播種機(jī)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(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后應(yīng)用于播種機(jī)播種谷子，孫燈、侯華銘等將傾斜圓盤(pán)式排種器用于谷子精少量播種機(jī)［7-9］，崔玉焱［10］研究和設(shè)計(jì)了2BGJ-6 型谷子精量播種機(jī)，其播種機(jī)理均為機(jī)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(shí)現(xiàn)谷子精少量播種。國(guó)內(nèi)對(duì)氣吸式谷子播種機(jī)的研究主要對(duì)其排種盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如李娜等［12］分析了排種盤(pán)型孔數(shù)量對(duì)排種性能的影響，池丹丹、呂冰等［13-14］分析了種盤(pán)型孔大 小、結(jié)構(gòu)對(duì)排種器氣室流場(chǎng)的影響，王芳、王磊 等［15-16］分析了排種盤(pán)孔型結(jié)構(gòu)及負(fù)壓值對(duì)吸種性能的影響。

本試驗(yàn)針對(duì)現(xiàn)有谷子播種機(jī)播量大，谷種表皮易損傷的問(wèn)題，并結(jié)合我國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)地質(zhì)情況及谷子種植農(nóng)藝專(zhuān)家要求，設(shè)計(jì)了1 種2BFG-6 型氣吸式谷子精量穴播機(jī)，解決了谷子種植過(guò)程中谷種破損、浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了谷子低損精量播種。

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

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

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

機(jī)具采用三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)配套使用。通過(guò)調(diào)整螺栓調(diào)節(jié)地輪前后位置及其與地面壓力，機(jī)具前進(jìn)的同時(shí)帶動(dòng)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪作為機(jī)具驅(qū)動(dòng)輪，經(jīng)3 級(jí)傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)排肥裝置及排種裝置主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)機(jī)為排種器氣室提供連續(xù)、穩(wěn)定負(fù)壓。谷種受負(fù)壓作用被吸附至種盤(pán)型孔上，排種盤(pán)隨排種器主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)將吸附于種盤(pán)上的谷種與種群分離，谷種隨種盤(pán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至排種器零壓區(qū)完成排種。同時(shí)，排肥器隨排肥器主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)完成排肥。

圖1 整機(jī)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(jī)主要參數(shù)如表1 所示。

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

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)是播種機(jī)的1 個(gè)重要組成部分，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理將直接影響排種器和排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)與機(jī)具前進(jìn)速度的同步性，進(jìn)而影響排種量和排肥量的均勻性和穩(wěn)定性。

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

具體傳動(dòng)方案為：左右地輪同時(shí)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)輪，地輪通過(guò)1 級(jí)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)圓柱齒塔輪變速機(jī)構(gòu)后經(jīng)2 級(jí)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)排種器主軸、排肥器主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)排種、排肥。雙地輪同步驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)可以有效減小單地輪打滑對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)的傳動(dòng)不穩(wěn)定的影響。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure of transmission system

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

式中D—地輪有效工作直徑，mm

N—排種盤(pán)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(jì)要求，播種穴距x=100 ～200 mm，因此設(shè)計(jì)圓柱塔輪變速機(jī)構(gòu)最大傳動(dòng)比與最小傳動(dòng)比之比為2∶1。地輪工作直徑D=500 mm，排種盤(pán)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(dòng)比i=1.70 ～3.63。綜合計(jì)算后確定圓柱塔輪變速機(jī)構(gòu)輪齒齒數(shù)Z3=15，Z4=15、18、21、24、27、30，變速機(jī)構(gòu)過(guò)渡輪齒數(shù)Z'3=16。

2.2 仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.2.1 仿形機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及原理 為保證開(kāi)溝器開(kāi)溝一致性，設(shè)計(jì)了平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)，每組仿形機(jī)構(gòu)服務(wù)1 個(gè)播種單元，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

A、B 兩點(diǎn)分別鉸接在機(jī)架焊接板的上下兩端，C、D 兩點(diǎn)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(kāi)溝器前端，通過(guò)螺紋桿調(diào)節(jié)其與開(kāi)溝器的相對(duì)位置，用以調(diào)節(jié)開(kāi)溝深度；鎮(zhèn)壓輪O2鉸接在播種單元橫向支架E 點(diǎn)并利用鎮(zhèn)壓調(diào)節(jié)桿調(diào)整鎮(zhèn)壓強(qiáng)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了4 檔仿形強(qiáng)度調(diào)節(jié)。拉伸彈簧下端掛接點(diǎn)K1與B 點(diǎn)同軸心，AD 桿等間距設(shè)計(jì)拉伸彈簧上掛接點(diǎn)K2、K3、K4、K5。選取K2～K5掛節(jié)點(diǎn)，彈簧拉力依次增大，改變鎮(zhèn)壓強(qiáng)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?，從而有效保證開(kāi)溝器工作的穩(wěn)定性。

圖3 仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure of profiling machinery

2.2.2 仿形機(jī)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(jì)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

仿形量程大小：

式中：L—連桿長(zhǎng)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(shí)，增大仿形角α可減小上下桿的長(zhǎng)度L，使整個(gè)播種機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，但α過(guò)大會(huì)使仿形穩(wěn)定性降低；減小α則會(huì)增大L值，使機(jī)具整體結(jié)構(gòu)不緊湊且重心后移。因此，要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求對(duì)仿形角和連桿長(zhǎng)度進(jìn)行選擇。

在機(jī)具工作過(guò)程中，仿形機(jī)構(gòu)的橫向?qū)挾萣也會(huì)對(duì)機(jī)具工作效果產(chǎn)生影響。橫向?qū)挾冗^(guò)小會(huì)造成機(jī)具工作橫向擺動(dòng)，增加機(jī)具震動(dòng)，影響播行直線度；橫向?qū)挾冗^(guò)大則會(huì)造成機(jī)具整體結(jié)構(gòu)不緊湊，較難滿足播種較窄行距作物的機(jī)具布置要求。綜合考慮，選取橫向?qū)挾萣=120 mm,前后拉桿長(zhǎng)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(zhǎng)度L=283.94 mm，取整得L=280 mm。

2.3 施肥裝置的設(shè)計(jì)

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(jì)穴播機(jī)施肥裝置與排種裝置共用1套傳動(dòng)系統(tǒng)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2 所示。地輪作為驅(qū)動(dòng)輪經(jīng)3級(jí)傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)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(jì)余量。

肥箱設(shè)計(jì)余量ε=10%，試驗(yàn)測(cè)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(jì)

氣吸式穴播排種器是穴播機(jī)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(jiǎn)圖如圖5 所示。

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

端蓋與排種盤(pán)左側(cè)共同構(gòu)成充種室，排種盤(pán)右側(cè)為通過(guò)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(dòng)軸上的排種盤(pán)通過(guò)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)安裝在從動(dòng)軸上的導(dǎo)種裝置，實(shí)現(xiàn)排種盤(pán)與導(dǎo)種裝置同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

工作時(shí)，風(fēng)機(jī)為排種器提供連續(xù)負(fù)壓。在充種區(qū)，由于受負(fù)壓作用，充種室內(nèi)谷種被吸附到排種盤(pán)吸種孔上；隨排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)谷種脫離充種區(qū)，經(jīng)攜種區(qū)到達(dá)落種區(qū)；在落種區(qū)負(fù)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(dòng)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(shí)間內(nèi)，排種盤(pán)排出谷種數(shù)應(yīng)是轉(zhuǎn)過(guò)落種區(qū)的輸送腔數(shù)量的整數(shù)倍。排種盤(pán)沿周向均勻布置120 個(gè)吸種型孔，導(dǎo)種輪沿周向均勻布置15 個(gè)種子輸送腔，傳動(dòng)比為0.5，實(shí)現(xiàn)每個(gè)種子輸送腔內(nèi)貯存4 粒谷種。

2.5 機(jī)架應(yīng)力分析

機(jī)架是整個(gè)播種機(jī)的骨架，需要足夠的剛度和強(qiáng)度。主梁選用100 mm×100 mm×4.0 mm 方管，材料為Q235。利用SolidWorks 進(jìn)行機(jī)架模型的建立，通過(guò)Simulation 模塊進(jìn)行應(yīng)力分析，其步驟為：設(shè)定算例類(lèi)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(jìn)行網(wǎng)格劃分并運(yùn)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(jì)79 842 個(gè)節(jié)點(diǎn)，40 313 個(gè)單元。

圖6 機(jī)架網(wǎng)格劃分Fig.6 Frame meshing

靜應(yīng)力仿真運(yùn)算結(jié)果如圖7 所示。

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

結(jié)果表明，機(jī)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(jī)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(jì)要求。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

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

3.2 質(zhì)量指標(biāo)及試驗(yàn)方法

相對(duì)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(guò)人工方式測(cè)量每穴穴粒數(shù)、播種深度及種肥距離等參數(shù)。本次試驗(yàn)主要測(cè)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(yàn)方法：設(shè)定拖拉機(jī)行進(jìn)速度為4 km/h，排種盤(pán)型孔直徑為1.0 mm，變速機(jī)構(gòu)齒數(shù)Z4取21。機(jī)組往返4 次，共計(jì)播種48 行，單次往、返距離各為50 m。每個(gè)播種單元隨機(jī)選取3 行，每行隨機(jī) 選取連續(xù)50 株種苗，測(cè)量其出苗情況。種子破損率測(cè)量：在每個(gè)排種口下方放置接種紙杯，機(jī)組行駛150 m 后，分別對(duì)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(cè)量總株距數(shù)；

mp—測(cè)量破損種子質(zhì)量；

mc—總測(cè)量種子質(zhì)量；

Py—原始種子破損率；

Xi—第i株株距。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2019 年6 月27 日對(duì)各播種單體所選3 行谷種出苗情況進(jìn)行測(cè)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(cè)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(xiàn)［21-22］和農(nóng)藝專(zhuān)家要求。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了1 種氣吸式谷子精量穴播機(jī)，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(duì)機(jī)架進(jìn)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(jì)要求。

（3）對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，本研究所設(shè)計(jì)穴播機(jī)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(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和谷子農(nóng)藝專(zhuān)家要求。