脚踏式玉米播种机的设计与试验

张亚新，张立华，张玉梅

(赤峰学院 建筑与机械工程学院，内蒙古 赤峰　024000)



脚踏式玉米播种机的设计与试验

张亚新，张立华，张玉梅

(赤峰学院 建筑与机械工程学院，内蒙古 赤峰024000)

摘要：针对北方播种玉米的垄作区内存在一些狭长或凹凸不平的特殊地块，设计了一种便携式脚踏玉米播种机，包括支撑底座、踏板、前推杠杆及排种装置，通过支撑底座与踏板的相对运动，实现排种装置的排种。田间试验结果表明：当垄宽分别为350、380、400mm时，株距误差分别为7.44%、5.13%、1.91%，播种深度合格率分别为95.14%、92.1%、89.72%，测试误差符合要求，脚踏式玉米播种机的设计能够满足特殊地块的耕种需求。

关键词：玉米；播种机；脚踏式

0引言

玉米是我国重要的粮食和饲料作物,在我国北方旱区的种植面积非常广泛[1]。由于我国大面积的后备土地资源集中在北方干旱地区[2]，在此区域农民自行开垦的不规则小块土地较多，玉米的种植分布区域有不断增大的趋势。同时，对于适应这种自开采、小区域、不规则土地玉米种植设备的需求也在不断地增加。

播种机的研究是传统的农业机械化研究领域[3]，目前国内外大中型播种机械的生产、制造已经比较成熟。在我国北方的大规模玉米种植地区，主要使用的播种机都是专用大、中型播种机或农机带动的小型播种机，但简单方便、技术成熟、安全可靠、造价经济的微型或人工操作的超微型种植装备和技术依然存在着有效供给的不足。尤其在北方山区和丘陵地带，由于受到耕种自然条件的限制，很多狭长地块或自开垦地块无法实现机械播种，只能采用人工播种，不但劳动强度大而且效率低下，农民迫切需要适合这种地块播种的微型半自动播种机械。因此，微型半自动播种机的设计、生产以及推广应用成为亟待解决的问题 。

1设计原理及机构

1.1设计原理

目前，市面上可见的非全自动、有人工部分参与的微型播种机是一种人工直插式播种机。这种播种机操作简单、可靠性好、使用无空间限制，可以实现小块不规则土地的玉米播种；但其人机工程性较差，操作者在完成播种时所耗费的人工超过使用镐头等原始播种方式。为此，设计了一种双垄交替式脚踏播种机。这种播种机操作类似踩高跷，两脚交替前行，带动微型播种机前进，同时每踏一步播种机下部的排种机构在人体重力作用下进行播种，有效减轻操作者的疲劳强度。

1.2总体设计

脚踏式播种机由支撑底座、踏板、前推杠杆、杠杆链接支块、杠杆斜向运动限位板、踏位导向限位柱、种箱和排种器等组成，如图1所示。

1.支撑底座　2.踏板　3.防滑凹槽　4.摆动前推杠杆

主要技术参数如下：

整机质量/kg：6

播种垄距/mm：350～400(可调)

播种株距/mm：270～330(可调)

播种深度/mm：40～60(理论)

作业速度/km·h-1：0.4～0.6(理论)

1.3工作原理

脚踏播种机工作前，先将种子加入到踏板下面的种箱里，并把播种机左右两侧的播种装置间隔一垄，左前右后放置；使用人员左脚踩踏播种机的左踏板，播种机左侧机构在人体重力和自重的作用下向下运动，推动排种器向下运动实现播种器排种。同时，摆动前推杠杆将播种机右侧机构向前方推举到播种位置上方；右脚踩踏右踏板，左脚抬起，播种机右侧播种；循环往复，实现播种机连续播种。

2关键部件设计

2.1支撑底座

耕地土壤是由固、液、气三相组成的分散体，其含水量、结构性和孔隙度等决定了土壤不同的力学性能。当播种机支撑底座沿垄坡下滑的过程中，产生对土壤的挤压作用；当挤压力超过某个失效面上的抗剪强度后，沿此剪切面形成垡片[4]。在此过程中，土壤发生剪切破坏并随之破裂滑向垄谷。根据土壤压缩与破坏理论，建立土块的抗剪切力T为[5]

(1)

其中：τ为剪切面上的剪切力,τ=0.03MPa ；b为播种机支撑踏板纵向幅宽；β为剪切面与水平位置夹角；h(t)为t时刻支撑底座楔入垄坡的变形量。

实验表明：滑动摩擦力与法向应力呈直线关系[6]，假设支撑底座与垄坡的滑动摩擦力f为

f=kσ(t)

(2)

其中，k为摩擦-正应力比例系数, k=0.72；σ(t)为支撑底座对垄坡垂直方向随时间t变化的法向压力。根据北京林业大学李艳杰教授等人的研究结果，土壤的压缩曲线呈拟线性上升,达到峰值后光滑下降[7]。支撑底座对垄坡土壤的压缩作用力较小，变形发生在压缩的开始阶段，近似线性关系，支撑底座沿斜坡垂直运动位移为

(3)

其中，E为土壤压缩开始阶段的近似线性变形的压缩系数，北方土壤近似取E=0.6MPa-1[8]；A为支撑底座与斜坡的有效接触面积。

脚踏播种机支撑底座在操作人员的踩踏作用下，向下运动。由于播种机摆动前推机构的局限性，脚踏式播种机两侧机构的踩踏位置不在播种位置的正上方，而是在靠近垄峰位置。支撑底座下落过程中接触垄坡，并沿垄坡滑落到垄谷实现播种。垄坡在支撑底座的作用下变形如图2所示。

1.播种机支撑底座　2.垄峰　3.垄坡　4.垄谷

考虑到北方多为干旱地区，土壤性质属于欠固结土[9]，因此支撑底座沿垄坡下滑过程中，受到垄坡作用力主要包括土壤的抗剪切力、土壤对支撑底座的滑动摩擦力及土壤抵抗压缩变形的反力。支撑底座由支撑板、遮土沿、排种器安装口、导向管和圆形开孔组成，工作原理如图3所示。

1.支撑板　2.排种器安装口　3.排种器

支撑板中间位置有排种器安装口，在排种器安装口的四周有4根导向管呈矩形四角排列，导向管连接的支撑板含有圆形开孔，其孔径小于导向管内径，用于安装踏板的导向柱和复位弹簧；支撑板的两侧设有遮土沿，防止两侧垄峰的土进入支撑板与防土沿中间的位置。4根竖向导向杆穿过脚踏式玉米播种机支撑板上的导向管，通过螺纹与踩踏板连接；导向管中的复位弹簧辅助踏板在操作人员撤掉踩踏力时自动复位；种箱固定在踩踏板上，与种箱添种口结合，下端连接导种器和排种器；排种器连接在连接支撑板中的排种器安装孔上，在踩踏板和支撑板的相对运动下实现播种。

支撑底座在垄坡下滑的过程中，受到向下的压力及自身重力F、垄坡支持力N、坡面的摩擦力f及土壤的抗剪切反力T。支撑底座最低端沿垄坡面的垂直位移为h(t)，水平位移为l(t)。

假设：①支撑底座对斜坡的剪切力沿斜坡水平方向向下；②支撑底座侧面与垄坡面倾斜角度一致；③支撑底座下滑过程中出现的坡面缝隙被下滑的土粒填充对摩擦力不产生影响；④支撑底座侧壁与水平面夹角β随h(t)发生变化，但变化量较小，忽略不计。

根据牛顿第二定律，对支撑底座进行受力分析，可得

(4)

其中，a1表示支撑底座沿平行垄坡下滑的加速度； a2表示支撑底座垂直垄坡方向的加速度；m表示播种机一侧和操作者的自重之和。

将式(1)～式(3)代入式(4)可得

(5)

其中，l″(t)表示支撑底座沿垄坡水平方向运动位移的二次导数，即水平位移方向的加速度；h″(t)表示支撑底座垂直垄坡方向运动位移的二次导数，即垂直位移方向的加速度。

2.2踏板机构

为实现脚踏式玉米播种机的踩踏播种，双垄式脚踏玉米播种机踏板机构，包括踩踏板、防滑凹槽、种箱添种口、添种口把手、竖向导向杆和圆柱形卡环，如图4所示。

1.防滑凹槽 　2. 踩踏板　3.添种口手柄

踩踏板上设有防滑凹槽，使操作人员在踩踏过程中踩踏准确，播种机垂直于地面向下运动实现准确播种；防滑凹槽中间设有掀开式种箱添种口，通过添种口手柄打开添种口，在播种机上端进行添种；4根竖向导向杆穿过脚踏式玉米播种机支撑底座的导向管，通过螺纹与踩踏板连接；导向杆的下端通过螺纹连接圆柱形卡环，限制踩踏板相对于支撑底座向上运动的最大位置；导向管中的复位弹簧辅助踏板在操作人员撤掉踩踏力时，自动复位,实现一次脚踏式播种机排种。

2.3排种机构

脚踏式玉米播种采用楔形开口式排种方式,由种箱、导种管、楔形塞、固定板、开口弹簧、连接轴销、左排种嘴和右排种嘴组成，如图5所示。

1.种箱　2.导种管　3.楔形塞　4.右排种嘴

漏斗形种箱固定在踏板机构下侧，种箱下端连接导种管；勺形的左排种嘴和右排种嘴通过连接轴销与导种管下端连接，左排种嘴和右排种嘴的上端通过开口弹簧连接；楔形塞安装在固定板下端，固定板上侧固定在播种机支撑底座下端；踏板机构与支撑底座之间相对运动带动固定板和楔形塞，与左排种嘴和右排种嘴发生相对运动。当楔形塞随固定板相对于左排种嘴和右排种嘴向上运动时，在开口弹簧弹力的作用下，左排种嘴和右排种嘴下端打开，进行排种；当楔形塞复位时，左排种嘴和右排种嘴下端闭合，结束排种。

3田地试验

3.1试验条件

2014年3月,在赤峰市宁城县一肯中乡二组的玉米试验田进行现场测试，8°～12°缓坡，土质为栗钙土，狭长地块，长427m，地势相对平坦，属于典型的北方半干旱耕作区，采用赤峰地区大范围播种的“先玉335”号玉米种子。

3.2试验方法

先使用农机将耕地犁出试验所需要的350、380、400mm垄宽各3条427m的长垄。卸下播种机一侧的播种器，换装为此专门设计的草木灰盒，在播种器每一次播种的位置会留下草木灰痕迹掺杂进土里便于统计播种株数；另一侧播种器播种“先玉335”号玉米种子，并统计播种机在不同垄株距下各土层的种子数。具体方法如下[10]：

1)分别在不同的隔垄进行播种机的播种，测量每条垄种植的株数，计算出平均株距。

2)在已播地不同行取样，取样长度为200mm,不同垄宽各取20段。取样方法：从垄谷的上表面开始，每10mm纵向深度取样1次，记录覆盖层内的种子数，直至全部种子出现，1组记录完成。

3.3试验结果及分析

不同垄距实际播种株距误差以及不同土层的种子数如表1和表2所示。

表2　不同土层的种子数比率

在垄宽分别为350、380、400mm时，株距误差分别为7.44%、5.13%、1.91%。根据设计要求，播种深度40～60mm 为合格，垄宽分别为350、380、400mm时，播种深度合格率分别为95.14%、92.1%、89.72%，基本符合农艺要求。

株距误差和播种深度不合格产生的主要原因：垄宽越宽，播种机中间的连接机构越长，使支撑底座沿垄坡下滑受到的影响越大，最终体现在播种深度不合格率和株距误差。

4结论

研制的双垄交替式脚踏播种机包括支撑底座、踏板、前推杠杆及排种装置。对脚踏式播种机支撑底座与垄坡之间相对运动进行分析，确定了支撑底座沿垄坡下滑时受到的作用力，引入土壤压缩破坏理论，忽略次要因素，建立了支撑底座沿垄坡下滑的动力学模型。田间试验表明：当垄宽分别为350、380、400mm时株距误差分别为7.44%、5.13%、1.91%，播种深度合格率分别为95.14%、92.1%、89.72%，测试误差符合要求。脚踏式玉米播种机的设计能够满足特殊地块耕种的农艺要求。

参考文献：

[1]董树亭,张吉旺.建立玉米现代产业技术体系,加快玉米产业发展[J].玉米科学,2008,16(4):18-20,25.

[2]梅旭荣,严昌荣，牛西午．北方旱作节水高效型农牧业综合发展研究[M].北京:中国农业科学技术出版社，2005．

[3]罗红旗,高焕文,刘安东,等.玉米垄作免耕播种机研究[J].农业机械学报,2006,37(4):45-47.

[4]孙一源．农业土壤力学[M]．北京：中国农业出版社，1985．

[5]郑厚贵,张周强.基于土壤压缩破坏理论的挖掘铲的设计与分析[J].农机化研究，2011,33(11):122-127.

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[8]陈书申,陈晓平.土力学与地基基础[M]．武汉：武汉理工大学出版社，2012.

[9]梅旭荣,严昌荣，牛西午．北方旱作节水高效型农牧业综合发展研究[M].北京:中国农业科学技术出版社，2005．

[10]王利强,吴崇友,高连兴,等.2BSF-4型穴灌坐水播种机的设计与试验[J].农业工程学报,2005,21(12):71-74.

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

文章编号：1003-188X(2016)06-0172-04

中图分类号：S223.2+5

文献标识码：A

作者简介：张亚新(1981-),男，内蒙古赤峰人，副教授，硕士,(E-mail)zhangyaxin198106@163.com。

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY242)

收稿日期：2015-05-18