2BJZ-2型指夹式玉米单粒精量播种机设计与试验

2019-12-21靳晓燕孙士明张海滨梁玉成于晓波

农机化研究 2019年3期

靳晓燕，孙士明，张海滨，梁玉成，于晓波

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

2007年，我国玉米种植面积达到2948万hm2，超过稻谷和小麦，成为我国种植面积最大的粮食作物品种。2012年，我国玉米种植面积扩大到3 493万hm2，总产量增加到20 800万t，玉米产量超过稻谷产量383万t，成为我国第一大粮食作物品种[1]。2015年，我国玉米种植面积3 812万hm2，总产量达到22 564万t，达到历史最高水平。在农业供给侧改革指导下，我国进一步优化调整种植业结构， “镰刀湾”地区玉米种植面积将逐步减少，从2016年开始，计划到2020年，减少333万hm2左右。到2016年，我国玉米种植面积3 676万hm2，占全年粮食种植面积的32.5%，比2015年减少136万hm2，比稻谷种植面积多660万hm2；玉米产量21 955万t，占全年粮食产量的35.6%，比2015年减少609万t，比稻谷产量多1 262万t。黑龙江省是我国玉米种植面积最大的省份，2000年以来，黑龙江省玉米种植面积一直稳定在210万hm2左右。2005年，黑龙江省玉米播种面积开始增加，达到273万hm2。2006年，黑龙江省玉米播种面积增加到330.5万hm2。2007年，黑龙江省玉米播种面积增加到388.4万hm2 [2]。2007年以来黑龙江省玉米种植面积情况如图1所示[3]，到2015年，黑龙江省达到历史高峰744.5万hm2，2016年回落到640万hm2，产量达到3 000万t。玉米是近年来黑龙江省粮食作物种植面积和产量增长最快的作物，对黑龙江省粮食增产起到了巨大的推动作用[4]。

图1 黑龙江省玉米播种面积

玉米机械化单粒播种技术是一种节本增效的新技术，能使株距、营养面积一致，通风透光条件好，提高了成穗率、千粒质量，使群体生产力达到最高水平，比常规播种节省种子50%左右, 且实现苗匀、苗齐、苗壮, 减少了田间间苗作业,也避免了间苗伤根,无多余苗争水争肥,不破坏除草剂封闭层,提高了除草剂的除草效果[5]。近年来，随着种子质量的提高和种植习惯的改变，单粒播种技术开始普及，对玉米单粒精量播种机的要求也越来越高。目前，我国玉米单粒播种使用的排种器主要有勺轮式和气吸式两种类型[6]。2行玉米单粒精量播种机使用的播种器主要是勺轮式，不磕种，可播催芽种，作业速度4km/h左右，不能满足高速作业需要[7]；种子适应性较差，由于种子大小不一，与勺形大小很难匹配，播小粒种子时就会出现一孔多个种子的现象，重播率高；在丘陵坡地倾斜或整地质量不好颠簸震动作业时种子容易从勺轮中脱落，抗干扰能力差，漏播率高。随着玉米秸秆还田保护性耕作技术推广和丘陵坡地机械化进程加快，农用拖拉机由小型向中大型升级，迫切需要抗干扰能力强、作业速度高及性能先进的玉米单粒精量播种机。

1 总体设计方案

1.1 功能特点

2BJZ-2型指夹式玉米单粒精量播种机，适合在玉米秸秆粉碎全量还田深翻埋茬整地、玉米秸秆粉碎半量以下部分还田松耙混拌或旋耕混拌整地、软茬地秸秆粉碎全量还田未耕整地条件下，完成玉米的开沟、施肥、播种、压种、监控、覆土及镇压等项联合作业，可垄上播种作业，也可平播作业，具有同位仿形和“V”形镇压功能特点。

1.2 技术指标

配套动力/kW：22～33

行距/cm：60～70，可调

施肥部位：种侧4～6cm、深5～10cm ，可调

施肥量/kg·hm-2： 150～900，可调

排种量/万株·hm-2：5.0～10.5，可调

播种深度/cm：3～6，可调

株距合格指数/%: ≥80

作业速度/km·h-1：3～7

1.3 总体配置

2BJZ-2型指夹式玉米单粒精量播种机总体结构形式设计为拖拉机整体后悬挂式，配套动力为22～33kW四轮拖拉机。其播种作业阻力小，拖拉机的牵引能力充足，受限制的主要因素是悬挂装置提升能力小。机具质量一般控制在400kg左右，重心位置距悬挂点60cm左右，以确保机组纵向稳定性符合设计要求，综合考虑确定指夹式玉米单粒精量播种机工作幅宽为2行。

2BJZ-2型指夹式玉米单粒精量播种机由机架、地轮、施肥单体、肥箱、施肥变速、排种器、播种变速、种箱、开沟圆盘及镇压机构等主要零部件组成，如图2所示。指夹式玉米单粒精量播种机运输时整体升起离地，作业时播种机施肥圆盘落地入土转动开沟；地轮落地转动带着地轮轴上的链轮通过链条驱动排肥轴转动，排肥轴带着排肥盒转动进行排肥，排肥盒排出的肥料通过排肥管输送到施肥圆盘开的土壤沟中；同位播种仿形单体落地双圆盘入土转动开沟，双圆盘两侧单绞连接限深轮同位仿行限深开沟，压沟刀压实种床；同时地轮落地转动带着地轮轴上的链轮通过链条驱动排种轴转动进行排种，排种器排出的种子从导种管输送到种床内；电子监控器在导种管内检测排种情况，出现3粒以上漏播报警；由两个空心窄橡胶组成“V”形镇压轮将种床两侧土壤同时向内挤压完成覆土，同时由侧面向内压实种床，完成播种作业。

图2 2BJZ-2型指夹式玉米单粒精量播种机

2 关键部件设计

2.1 同位仿形播种单体研究

播种单体是播种机的核心工作部件，主要完成开沟、限深、播种、覆土和镇压作业[8]。研制同位仿形播种单体(见图3)，采用平行四连杆式仿形机构，开沟圆盘、仿形轮和排种器投种点在同一位置，限深仿形精确，播深一致性好，采用“V”形镇压器，镇压轮为两空心窄橡胶 “V”型轮，将开沟播种后种床两侧土壤同时由侧面向内挤压，进行覆土镇压，覆土均匀、不夹干土，种床压实好，种上压得轻，利于出苗。

图3 播种单体轴测图

其主要由连杆前座、仿形连杆、连杆后座、单架体、播种开沟圆盘、限深轮、限深轮调节手柄、排种器连接架、链轮、排种器、种箱及镇压轮等件组成，结构紧凑，满足小型拖拉机悬挂能力弱、纵向稳定性差的要求。

2.2 地轮装配

地轮主要是用于调节机架高度及控制播种和施肥深度。左侧地轮外侧安装排种变速箱组合，为排种提供动力并控制播种株距，右侧地轮外侧安装排肥变速箱组合，为排肥提供动力并控制排肥量。地轮装配分左右两组，固定在机架主梁两端后下方，主要由地轮固定座、调节丝杠、地轮支臂、传动链条、橡胶轮组合等件组合而成，如图4所示。橡胶轮选取5.00-12型号，轮胎直径540cm，轮胎宽度145cm。

2.3 指夹式排种器研究

指夹式排种器主要由入料口、排种轴、排种体、指夹播盘、指夹、导种体及导种皮带组成，如图5所示。

图4 地轮装配

图5 指夹式排种器

指夹式排种器有12个指夹，指夹播盘带着指夹旋转到充种区时，指夹能模仿人体手指的运动，夹住1～3粒种子离开充种区；向上运动到上边表面凸凹不平的清种区滑动时，指夹夹住的多粒种子稳定性被打破，不稳定的种子掉落下来，经过毛刷清种区时多余的种子又一次被清除；指夹夹住的剩余种子转到投种口时，种子被指夹投进隔板开口落入与排种托盘同步旋转的导种皮带槽内，种子随导种皮带转到下方靠自重落入种床内。导种链叶片上，与排种托盘同步旋转的导种链叶把种子带到开沟器上方，种子靠自重经导种管落人种沟内。指夹式排种器由于有指夹夹住种子完成清种，在丘陵坡地倾斜或整地质量不好或颠簸震动作业时种子不容易脱落，抗干扰能力强，漏播率低。由于具有凸凹不平颠簸清种和毛刷清种两套清种装置，其单粒性能好，重播率低，且不磕种。

指夹式播种器性能测试试验在JPS-12排种器试验台上进行。该试验台具有计算机视觉图像和数据采集处理分析系统。指夹式播种器固定在台架上，涂有油脂的橡胶带在下面匀速移动模拟播种机田间行走作业，播种器转动排出的种子落在匀速移动涂有油脂的橡胶带上，排种器试验台对排出的种子自动进行图像数据实时采集检测分析，完成排种器的性能测试。

指夹式排种器由哈尔滨沃尔科技有限公司生产提供，玉米种子选用市场销售量较大的先玉335品种。指夹式玉米单粒精量播种机设计作业速度为3～7km/h。指夹式排种器在低速时性能优良，高速时性能下降。因此，JPS-12排种器试验台橡胶带匀速移动测试初始速度确定在5km/h，每增加0.5km/h测试1组数据，最大到12km/h。在橡胶带不同匀速移动下，改变指夹式排种器排种轴转速进行匹配，保证排出种子以23cm间距为测试粒距，对圆形大粒种子、马齿形大粒种子、圆形小粒种子及马齿形小粒种子的粒距合格指数进行测试，每个橡胶带匀速移动速度测试200粒种子。指夹式排种器性能测试试验结果如图6所示。根据GB/T 6973-2005单粒(精量)播种机试验方法作业性能指标要求：粒距合格指数≥80%，漏播指数≤8%，重播指数≤15%，合格粒距变异系数≤30%[9]。通过试验图形曲线看，在作业速度达到8.5km/h时，各种形状玉米种子的粒距合格指数高达90%以上；在作业速度达到10.5km/h时，各种形状玉米种子的粒距合格指数都达到85%以上；在作业速度高达12km/h时，各种形状玉米种子的粒距合格指数都达到80%以上，达到国家单粒(精量)播种机行业标准粒距合格指数≥80%的要求。试验表明：指夹式排种器排马齿形大粒玉米种子的粒距合格指数性能最好，在作业速度达到7.5km/h时，粒距合格指数高达95%，达到中耕作物精密播种机优等品要求，性能指标可以和气力式排种器相媲美，具有排扁形种子的结构优点，特别适合使用在玉米单粒播种机上。

图6 指夹式排种器粒距合格指数

2.4 传动系统设计

传动系统设计如图7所示。工作时，左右地轮共同驱动排种轴和排肥轴作业，在地轮的外侧安装了单向棘轮，防止地轮左右运转不同步，互相干扰，影响传动效果，损坏零件。播种机作业时，地轮落地转动，通过链轮和链条带动排种器和排肥器转动，完成排种和排肥作业。传动装配是由排肥传动装配和播种传动装配组成，主要由地轮、排种下塔轮、排种上塔轮、排肥下塔轮、排肥上塔轮、六方轴、链条、内六方孔轴承及张紧部件等组成。

传动系统应保证技术指标中施肥量和播种量的要求，并且传动可靠，不同施肥量和播种量的调整方便。该机传动系统采用了排肥三级、排种三级方案，由塔轮完成变速。具体传动路线设计方案是：当地轮转动时，地轮轴上的Z13齿链轮通过10A型套筒滚子链驱动地轮臂铰接轴上的Z23齿链轮转动，地轮臂铰接轴上Z16齿链轮带动排肥过渡轴上的Z16齿链轮转动，排肥过渡轴上的排肥下塔轮Z16、Z19或Z21通过08A型套筒滚子链驱排肥六方轴上的排肥上塔轮Z16、Z19或Z21转动，排肥六方轴上的排肥盒转动完成排肥作业；地轮臂铰接轴转动同时带动排种下塔轮上的变速链轮通过08A型套筒滚子链驱动播种传动的六方轴上的排种上塔轮转动，再由播种传动的六方轴上的Z19齿链轮通过08A型套筒滚子链驱动排种器轴上Z19齿链轮的转动，选择排种上下塔轮上的不同齿数变数链轮确定不同传动比，完成精密播种；作业时，可根据公顷保苗株数和株距要求，通过株距调整表选择不同齿数的链轮，实现玉米播种量的调整。

图7 播种机传动系统

2.4.1 排肥传动系统设计

每行排肥器数量为1个，排肥器每公顷排肥量Q计算公式为

式中Q—每公顷排肥量(kg/ hm2)；

q—排肥器每转一圈的排肥量(g/r)；

L—行距(m)；

D—支承轮直径(m)；

δ—滑移率；

i—排肥传动比。

由排肥器每公顷排肥量Q计算公式导出排肥传动比i计算公式为

按照设计技术指标和结构特点选取各参数。玉米播种时排肥量Q为150～900kg/hm2，行距L按0.65m单行计算，排肥器每转一圈的排肥量为36～140g/r，地轮直径D按0.50m计算，滑移率δ按10%选取。

将式中已知参数、排肥器每转一圈的排肥量q和每公顷排肥量Q的最小和最大值带入排肥传动比i，则i最小=0.47,i最大=0.72。即排肥传动比i的范围值最小应小于0.467，最大应大于0.623。

排肥设计为三级传动，i肥=i1×i2×i3，根据每公顷排肥量Q的设计要求，合理分配传动比，确定链轮齿数。Z1为13齿，Z2为23齿，Z3为16齿，Z4为16齿，Z5为16、19、21齿，Z6为21、19、16齿。

验证排肥传动比i的范围值，即

验证施肥量Q的范围值，即

排肥传动比i和施肥量Q的范围值符合设计技术指标要求，改变链轮齿数配比，可得到不同的公顷排肥量。排肥传动系统如图8所示。

图8 排肥传动系统

2.4.2 排种传动系统设计

排种传动比计算公式为

式中D—地轮直径(cm)；

s—株距(cm)；

δ—滑移率；

n—排种盘一圈排种数。

按照设计技术指标和结构特点选取各参数。玉米排种量Q为5.0～10.5万株/hm2，按照0.65m行距单行计算，则株距为s=14.6～30.7cm。指夹式排种器排种盘一圈有12个指夹，排种数量为12个。地轮选取5.00-12型号，去掉轮胎下陷和变形，直径D按50cm计算，滑移率δ按10%选取。将式中已知参数代入公式，得i=0.47～0.98。即排种传动比i的范围值最小应小于0.47，最大应大于0.98。

排种设计为三级传动，则

i=i1·i2·i3

根据i2值，通过计算机优化组合确定6种调速链轮齿数。Z1为13齿，Z2为23齿，Z3为16、23齿，Z4为13、15、17、19、21齿，Z5为19齿，Z6为19齿。播种传动系统如图9所示。

图9 播种传动系统

验证排肥传动比i的范围值，即

排种器每公顷排种量Q计算公式为

式中Q—每公顷排种量；

L—行距(m)；

δ—滑移率；

D—支承轮直径(m)；

n—排种盘一圈排种数；

i—排肥传动比。

将式中已知参数和i的最大最小值代入公式得

排种器每公顷排种量Q符合设计技术指标要求，改变链轮齿数配比，可得到不同的公顷排种量。传动比和株距计算结果如表1所示。

表1 株距调整表

3 样机试验

2015年11月4日，黑龙江农垦农业机械试验鉴定站对2BJZ-2型指夹式单粒精密播种机进行了检测，样机由黑龙江沃尔农装科技股份有限公司生产，检测地点在黑龙江省农业机械工程科学研究院试验田。播种机主要技术参数如表2所示。在垄距65cm、株距20cm、播种深度5cm情况下，2BJZ-2型指夹式单粒精密播种机性能指标检测结果如表3所示。