小型玉米套种精量穴播器研制

尹 起，盛文斌

(山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255091)



小型玉米套种精量穴播器研制

尹 起，盛文斌

(山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255091)

基于种肥同施单元和穴播变频单元等结构研制了一种玉米套种精量种肥穴播器，主要用来实现小麦收获前期的玉米套种播种机械化，可精确控制种子、化肥的穴播量及穴间距(130～380mm)。与此同时，对自行研制的套种精量种肥穴播器进行了相关试验。结果表明：该穴播器有较高的工作可靠性，行走流畅且不会影响小麦的生长和收获，能够高效地完成小麦垄沟间玉米的精量播种；播种行距、株距均匀，深度适中，基本没有漏播、重播现象。该穴播器适用丘陵地区作业，并能实现播种量、施肥量的调节。

玉米；套种；精量；穴播器

0 引言

玉米是我国的最大粮食作物之一[1]，具有生长周期短、产量高等特点，高产、稳产且种植范围广。在我国北方很多地区，通常小麦未成熟收获之前在小麦的沟垄间套种玉米[2]，以通过进一步延长玉米生长周期来达到提高产量的目的。

伴随着农业机械化发展的进程，在大力推广保护性精细耕作技术与装备的背景下，国内越来越多的高等院校和科研院所对耕作技术和播种机具展开研究，取得了显著的研究成果。越来越多的大型多行播种机具被研制，在提高播种效率的也实现了精量播种，但这些大型设备无法完成较小地块甚至丘陵地区等较为复杂地块的播种作业[3-7]。

目前，四杆仿形机构形式[8]、打穴式[9]、穴灌式[10]及动力甩刀式[11]播种机具也相继研制与应用，使得播种机具的类型更加多元化，功能更加具体化，促进了农业机械化生产和免耕播种机的发展[11-14]。

同时，市场上出现了带有开沟器的套种小型单行播种机和人工播种施肥镐，已经较为成熟。一般而言，带有开沟器的套种小型单行播种机动力消耗较大，具有扰动性，工作稳定性稍差；而人工播种施肥镐虽然满足了免耕精量播种的要求，但覆土以及株距、播深控制等均需要人力辅助，其劳动强度大，作业效率低。

因此，研制一种降低劳动强度、提高播种与施肥作业效率的小型免耕套种机具显得十分重要。本文设计了一种在小麦沟垄之间套种玉米的免耕穴播器，适合丘陵地区小地块，用于小麦沟垄间玉米的播种与施肥，结构简单、轻便，易于操作，可适用于较为复杂地形，且效率高，可显著降低劳动强度。

1 穴播器结构及原理

1.1 基本结构

自行研制的小型玉米套种精量种肥穴播器主要由牵引杆、穴播变频单元、地轮、种肥箱、导种管、导肥管、拉簧、种肥同施单元和后轮等部分组成(如图1所示)。种肥同施单元内设置可用来调节施肥量和穴播量的调整垫片。

1.地轮 2.牵引杆 3.穴播变频单元 4.种肥箱 5.导种管(导肥管被遮挡) 6.腹板 7.拉簧 8.种肥同施单元 9.后轮图1 穴播器的整体结构Fig.1 The overall structure of the dibbling machine

该穴播器采用单行免耕穴播结构,穴播器的三维效果如图2所示。

图2 穴播器三维效果图Fig.2 Dibbling three-dimensional figure

1.2 工作原理

田间作业时，穴播器在牵引杆的牵引作用下驱动地轮向前运行，位于地轮轴上的链轮转动；穴播变频单元在链传动作用下实现转动，与变频盘通过螺栓连接的变频齿驱动镐杆绕着支撑杆可在一定角度范围内旋转，从而带动种肥同施单元实现上下摆动。工作过程中，变频齿与镐杆脱离接触时，种肥同施单元末端在弹簧拉力作用下快速进入土壤，此时滑块板在惯性力作用下打开，种子与肥料落入土壤里，完成种肥同施作业；随后，种肥同施单元在弹簧作用力下抬起，土壤回落，完成覆土过程。

为适应不同地区的播种作业，播种机可通过穴播变频单元来调节株距。有些地域存在秸秆，播深不能达到耕作要求，利用播种机的腹板部分来调节播深，以适应不同土壤状态下的播种，保证出苗率；通过调节种肥同施单元中的垫片来改变种肥槽的大小，进而控制播种量、施肥量。

2 关键零部件设计

2.1 种肥同施单元

2.1.1 基本结构

种肥同施单元主要包括滑块版、弹簧、支撑杆、刮种舌、进种孔、进肥孔、主镐体和调节垫片等部分，如图3所示。其中，进种孔和进肥孔位于主镐体上部，刮种舌和刮肥舌镶嵌在主镐体的后部凹槽内；支撑杆穿过主镐体上方的孔、弹簧和滑块板上的孔，使滑块版和弹簧固定在主镐体上。

2.1.2 工作原理

穴播器作业时，种子和肥料沿导种管和导肥管靠重力滑落到种肥同施单元的主镐体、刮种刮肥舌和滑块板围成的腔体内，有部分种子和肥料进入种槽和肥槽内；当镐头在弹簧拉力作用下快速滑落，滑块板向下惯性移动，当主镐体的尖端进入土壤中停止运动并刨出凹坑，滑块板因惯性作用继续向下滑动，这时种肥槽运动到刮种刮肥舌的下部，种肥槽里的种子和肥料沿主镐体的凹槽滑落到凹坑内；滑块板在弹簧的作用下迅速回位，种肥同施单元在穴播变频单元的作用下太高时，凹坑边上的泥土滑落盖住种子和肥料，一个播种周期完成。本种肥同施单元设计了独立的种槽和肥槽，可实现侧方位施肥，避免烧种现象。

1.滑块板 2.弹簧 3.支撑杆 4.主镐体 5.进种孔 6.进肥孔 7.刮种舌 8.刮肥舌 9.调节垫片 10.种槽 11.肥槽图3 种肥同施单元三维模型图Fig.3 Seed manure disseminator three-dimensional model diagram

在滑块板上镶嵌的调节垫片可以调节种肥槽的“空腔”大小，进而调节播种施肥量。带有种槽和肥槽的后滑块结构简单、便于更换，满足不同播种量、施肥量的需要。刮种舌采用橡胶材料(聚氯丁二烯CR)，材质很软，避免伤种、卡种等现象。种子和肥料分别存放于同施器相连的导管内，导管随种肥同施单元上下运动，可以避免种子、肥料在导管内发生“卡滞”和“粘连”现象。

2.1.3 播种深度控制

因自然条件、播种区域等原因导致对播种深度要求不一，因此专门设计了可调式的组合杆，以便调节种肥同施单元的播种和施肥深度，如图4所示。

1.杆Ⅰ 2.腹板 3.紧固螺栓 4.杆Ⅱ 5.种肥同施单元图4 种肥同施单元入土深度示意图Fig.4 The grave depth map of Seed manure unit

杆Ⅰ与杆Ⅱ之间铰接，铰接点是一根固定在穴播器上的轴。穴播变频单元变频齿的长度一定，杆Ⅰ向下运动达到的最大角度也就一定，通过调节腹板来改变两杆之间的角度，从而调节种肥同施单元的入土的深度，达到调节播种深度的作用。

玉米的播种深度为30～50mm，穴播器的高度一定，因此杆件Ⅰ距地面的高度与一定。经计算，种肥同施单元的入土角θ2应在30°～60°之间。

图4中，当种肥同施单元入地时，杆Ⅰ处于水平位置，此时杆Ⅰ与杆Ⅱ之间的夹角为θ2，杆Ⅰ、杆Ⅱ和腹板之间构成一个三角形。由图可知，θ1-θ2=90°，因此角θ1的范围应为120°～150°。根据整机的结构杆，Ⅰ与腹板铰接点距杆Ⅰ与杆Ⅱ铰接点距离L1=92mm，杆Ⅱ与腹板铰接点距杆Ⅱ与杆Ⅰ铰接点距离L2=77mm。

根据公式

式中θ2—种肥同施单元入土角；

L1—杆Ⅰ、腹板铰接点距杆Ⅰ、Ⅱ铰接点距离；

L2—杆Ⅱ、腹板铰接点距杆Ⅰ、Ⅱ铰接点距离；

L3—腹板分别与杆Ⅰ、杆Ⅱ的2个铰接点之间的长度。

求得腹板的可调长度L3的范围为137～156mm。

2.2 穴播变频单元

2.2.1 基本结构

穴播变频单元作为控制种肥同施单元入土频率的器件，主要由变频盘、滚动轴承及变频齿等部分组成，如图5所示。

1.变频盘 2.滚动轴承 3.变频齿图5 穴播变频单元Fig.5 Dibbling inverter

滚定轴承安装在变频齿与杆件Ⅰ接触的位置，变频齿通过螺栓连接在变频盘上，可以通过增加或减少变频齿的数目来控制变频器转动1周对杆件Ⅰ作用的次数，进而控制种肥同施单元入土频率，控制播种和施肥的穴间距。

2.2.2 工作原理

穴播器被向前拉动的同时地轮转动，地轮轴将动力通过链传动使穴播变频单元所在的轴转动，进而控制穴播变频单元转动。穴播器作业时，需要链传动系统传递工作所需动力，而在穴播器不作业空转的过程中不需要该链传动提供动力。因此，穴播变频单元轴上的链轮用飞轮(齿数18、内径34mm、外径78mm，可以单向传递动力)代替。当穴播器处于作业状态时，向前拉动穴播器，飞轮处于工作状态，此时地轮转动通过链传动系统带动穴播变频单元转动，进而使整个机器处于工作状态；当穴播器储运非工作状态运动时，向后推动机器，飞轮处于空转工作状态，此时地轮转动不会通过链传动系统带动穴播变频单元工作，机器处于非工作状态。

同时，变频齿的末端安装滚动轴承，可以使穴播变频单元与控制种肥同施单元的杆件作用时由滑动摩擦变为滚动摩擦，减少工作阻力。

2.2.3 确定传动比

经过多次试验及查阅与机械传动相关的资料，同时考虑该精量种肥同施单元的外形尺寸，最终决定采用链轮传动传输该穴播器所需动力。链轮传动比的确定：地轮直径D=300mm，玉米穴间距L=130mm，穴播变频单元初步确定齿数A=3，地轮轮旋转1周机器前进的距离为L1=πD=942mm，则传动比为i1=D/L≈2.5。

当穴播变频单元齿数为3个时，传动比i1=2.5，此时穴间距为130mm。当穴播变频单元齿数为2个时,穴间距为190mm。

经过计算，最终确定该链轮传动的传动比为i=2.5。通过变换穴播变频单元的齿数，使齿数分别为3、2、1时，穴间距分别为130、190、380mm。

3 穴播试验

本穴播器主要应用于丘陵地区或者小地块的玉米套种作业，其播种效率与漏播率受小麦沟垄的整齐度及本机的使用方式影响较大。现有套种机型在播种效率、漏播率上还有很大发展空间，加之制造成本高，在一定程度上限制了推广。为了适应套种播种的需要，进行探究试验，旨在研究玉米种子大小、播种机行走速度对播种机株距和漏播率的影响。

3.1 试验地点与设备

试验地点选在淄博市马尚镇一块农田，土壤中玉米播种范围深度(30～50cm)，相对湿度为81%，田地里生长的小麦高度为500mm左右；小麦的沟垄较为整齐，两行小麦之间的垄间距为300mm。自行设计的套种播种机、米尺、秒表、弹簧测力计及不同型号的玉米种子(农大108和登海9号)。

3.2 试验指标及影响因素

播种性能指标：播种效率、漏播率[15]。

影响因素：播种间距、播种机行走速度和玉米种子的大小。

3.3 试验方法

当穴播变频单元选用两个变频齿时，采用农大108玉米种子，分别以0.7、1.0、1.3m/s的速度播种1 000m，连续试验6次取平均值，观察3种条件下播种情况并统计播种株数、漏播和重播数(参照GBT 6973-2005)，得到如表1所示的试验数据。

表1 农大108号玉米种子试验数据统计表

更换与农大108种子大小差异较大的登海9号玉米种子，同时更换种肥同施单元中种槽和肥槽的调节垫片，其他试验条件不变，每种播种速度重新进行6次试验，对试验结果的统计取平均值得到如表2所示的试验数据。

表2 登海9号玉米种子试验数据统计表

试验结果显示：该机器能够很好地在小麦垄沟之间播种玉米，行走流畅且不会影响小麦的生长和收获。同时，玉米播种的行距、种距均匀，播种的深度也均匀合适，播种效果不受玉米种子大小的影响，漏播率或重播率符合国标。本文设计的套种精量种肥穴播器如图6所示。通过试验，得到了如下作业参数：

播种速度/m·s-1：1

动力/kW：0.8

单粒率/%：≥99

株距合格率/%：≥99

图6 实验室试验Fig.6 Laboratory tests

4 结论

1)本穴播器可以根据播种需要通过调节种肥同施单元上的滑块板种槽和肥槽上调节垫片的厚度，分别对种子和肥料的穴播量进行控制，以达到需要的播种施肥量。

2)根据土壤情况调节两镐杆间的角度控制种肥同施单元的入土深度，控制播种施肥深度。当玉米的播种深度为30～50mm时,θ1的范围应为120°～150°，种肥同施单元的入土角θ2应在30°～60°。

3)可以通过调节穴播变频单元的齿数来控制穴间距，以达到需要的播种间距。当齿数分别为3、2、1时，穴间距分别为130、190、380mm。

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Design on Small Maize Interplanting Precise Dibbling Machine

Yin Qi, Sheng Wenbin

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255091， China)

A kind of precise seed and fertilizer interplanting maize dibbling machine was designed, based on the seed and fertilizer sowed simultaneously and dibbling frequency conversion unit structure. It was mainly used to the maize interplant seeding before the wheat harvest. It can accurately control the quantity of dibbling seed and fertilizer, and adjust the planting distance(130～180mm). At the same time, relevant experiments were carried out. The experimental results showed that it has higher reliability when dibbling machine working, walk smoothly, not affect the growth of wheat and harvest and was able to effectively complete precise sowing between row of wheat. When the seeding machine working, row spacing and planting distance was average, seeding depth was moderate and the phenomenon of missing sowing and replay sowing wasn’t appear. The dibbling machine could work in hilly areas and adjust quantity of dibbling seed and fertilizer.

maize; interplant; precise; dibbling machine

2016-05-05

国家发明专利(201610161424.5)

尹 起(1990-)，男，山东莱阳人，硕士研究生,(E-mail)yinqi89@163.com。

盛文斌(1973-),男，吉林洮南人，副教授， (E-mail)wbsheng@sdut.edu.cn。

S223.2+3

A

1003-188X(2017)06-0115-05