棘轮式间歇充种胡麻播种机设计与试验*

2021-05-11瞿江飞赵武云史瑞杰戴飞张仕林王锋

中国农机化学报 2021年4期

瞿江飞，赵武云，史瑞杰，戴飞，张仕林，王锋

(1. 甘肃农业大学机电工程学院，兰州市，730070； 2. 西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西杨凌，712100)

通讯作者：赵武云，男，1966年生，甘肃兰州人，博士，教授，博导；研究方向为北方旱区作物生产装备工程。E-mail: zhaowy@gsau.edu.cn

0 引言

胡麻作为亚麻的一种，是我国甘肃、宁夏、内蒙古等年降水量低于500 mm的旱作农业地区重要的油料作物，胡麻油中含有大量的不饱和脂肪酸，能够预防高脂血症和动脉粥样硬化。因此，随着我国市场对胡麻原料的需求量日益增大，近年来胡麻种植面积也得到了大面积推广，仅在甘肃省，2018年全省胡麻种植面积达54.57 khm2，占该省油料作物总种植面积的25%。而传统胡麻生产种植方式主要采用人工种植方式，该方式效率低、劳动强度大，加之北方旱区气候、地势等种植条件的制约，导致胡麻播种深度与株距难以统一，造成出苗不全、产量低的现象，严重影响了胡麻产业的发展[1]。

目前国外胡麻产业应用的智能装备精度较高，机型相对较大，但是价格昂贵，不适宜我国北方旱区胡麻产业的生产使用[2]，我国胡麻机械化播种水平较高，主要以机械化条播机为主，主要适用于相对平坦地块。胡麻是栽培农作物中密度相对比较高的农作物之一，合理的种植密度有利于个体与群体之间的协调生长，以保证胡麻纤维的质量和出麻率[3]。部分地区胡麻已经作为主要的油料作物，因此胡麻产业在今后的发展中需要更多地机械进行支持，进而需研究更多地机械为满足胡麻的全过程机械化生产[4-8]。针对上述问题与要求，结合北方旱区胡麻种植农艺要求，本文拟设计一种适用于小型地块，具有种肥分施、结构简单和容易操作等特点的棘轮式间歇充种胡麻播种机，对其关键部件参数进行选取并做作业性能试验优化。

1 整机结构与工作原理

棘轮式间歇充种胡麻播种机由小型拖拉机提供动力，采用后牵引方式带动机具作业。整机主要包括悬挂装置、排种装置、棘轮控制间歇式充种装置、开沟器、覆土装置、平整装置等构成，其结构如图1所示。

棘轮式间歇充种胡麻播种机工作时，在拖拉机牵引力的作用下，带动棘轮式间歇充种胡麻播种机工作，设置并列的4个排种装置，通过小地轮转动带动外槽轮排种器进行工作，机架上方设置种箱和肥箱，胡麻种子通过自身的重力通过排种管进入到外槽轮排种器中，其通过棘轮为转动频率使得充种充分，排种器前设置开沟器，使得排种器排出的胡麻种子准确排到沟内。同时在种间前方设置排肥装置，大地轮在工作的同时通过链传动带动轴转动，轴上设置4个外槽轮排肥器，开沟器在牵引力的作用下，在排肥口前方进行开沟，外槽轮排肥器在轴的作用下进行工作，肥箱中的肥料在自身重力的作用下，进入外槽轮排肥器，在外槽轮的作用下，进过排肥导管在排种口排出，落入种间沟内。在后方设置覆土器，在已播种的种沟内进行覆土，最后平整装置对覆土进行平整，使得胡麻种子、土壤接触更加充分，完成胡麻机械一体化播种作业。棘轮式间歇充种胡麻播种机技术参数如表1所示。

图1 棘轮式间歇充种胡麻播种机整机结构示意图Fig. 1 Structural diagram of ratchet type intermittent seed filling flax seeder1.外槽轮排肥器 2.排种管 3.外槽轮排种器 4.镇压器 5.覆土器 6.棘轮 7.小地轮 8.开沟器 9.排肥管 10.大地轮 11.机架 12.链条 13.肥箱 14.种箱

表1 棘轮式间歇充种胡麻播种机技术参数Tab. 1 technology of intermittent seed filling flax seeder

2 关键部件设计

2.1 排种器设计

2.1.1 排种器选择

常用的谷物条播排种器有外槽轮式、内槽轮式、滚齿式、磨盘式、摆杆式、离心式等[9]，谷物排种器的设计要求有：排种要均匀稳定、各排种器之间的排种量应一致、通用性好、播量调节范围要大、不损伤种子或少损伤种子、工作可靠，使用寿命长，并能适应高速作业的要求[10]。由于胡麻适用于条播，并且对排量的稳定性高，需求的排种器容易制作、结构简单，因此选择外槽轮式排种器，本研究采用棘轮与外槽轮排种器相结合的充种、排种的结构，结构如图2所示，其优点是通过棘轮的作用使得外槽轮排种器充种更加充分，通过计算得到棘轮每次转动的时间与外槽轮每个种槽转动的时间，使得充种为间歇式充种的方式，并且采用外槽轮排种器使得播量更容易调节。由于胡麻种子尺寸大小基本相同，所以选择固定式槽轮排种器，通过改变槽轮转速来控制排种量，其结构如图2所示。

(a) 外槽轮排种器结构示意图

(b) 外槽轮排种器与棘轮配合结构图2 外槽轮排种器结构示意图与棘轮配合结构Fig. 2 Schematic diagram of outer grooved wheel seed metering device and ratchet matching structure1.排槽轮 2.排种盒 3.压边圈 4.棘轮 5.外槽轮排种器

2.1.2 排种量计算

外槽轮排种器的槽轮是排种器进行排种工作时的主要部件，外槽轮排种器排种能力与槽轮直径的d、槽轮的转速n和槽轮工作的长度L成正比[11]，所设计的外槽轮式小籽粒排种器更加适用于胡麻籽粒的播种，参照胡麻籽粒结构尺寸，将排种槽轮的结构参数做了进一步优化。目前，甘肃省主要种植的胡麻品种包括陇亚-10、陇亚-11、陇亚-13、定亚-23四种，分别测量各品种胡麻籽粒的结构尺寸，得到平均胡麻结构参数为5 mm×3.5 mm×1.5 mm，则根据槽轮最小工作长度Lmin≥(1.5～2.2)LS，其中LS为胡麻种子长度，初取槽轮有效工作长度L=20 mm，该值可通过旋转播量调节手轮改变排种槽轮和阻塞套在种杯中的有效工作长度而改变。

对于播种胡麻、亚麻等小粒种子外槽轮式排种器，考虑种子形状不规则，其凹槽断面形状宜采用圆弧形断面，轮槽排列方式采用直槽式，凹槽最小半径应大于2 mm，为了减少种子损伤率，取凹槽圆弧半径r=3 mm，凹槽深度应大于胡麻籽粒厚度的一半，取1 mm。

根据胡麻栽培技术的农艺要求，在进行播种作业时，每公顷播种量Q≥3 kg，小籽粒排种器播量计算由槽轮单圈转动的排量q1与胡麻种植农艺要求的排种量q2决定[12]。

(1)

式中：D——地轮直径，取0.12 m；

Q——农业技术要求播种量，取45 kg/hm2；

e——行距，取0.18 m；

δ——地轮滑移系数，取4.2；

i——传动比，计算得0.5。

由式(1)计算得出，农艺技术要求排种量为3.17 g/r。

为计算槽轮单圈转动播量，需首先计算出外槽轮凹槽断面面积fq，绘制外槽轮断面几何图形(图3)。

fq=f1+f2

(2)

(3)

(4)

式中：d——外槽轮外径，取3 cm；

α——单个凹槽与外槽轮中心圆心角，rad；

φ——单个凹槽圆心角，rad；

r——凹槽圆弧半径，取0.9 cm；

b——单个凹槽弦长，cm。

式中：dg——槽轮根圆直径，cm。

图3 外槽轮凹槽断面Fig. 3 Diagram of the groove section of the outer groove wheel

由式(2)、式(3)计算得出外槽轮凹槽断面面积fq为0.34 cm2。

当播量一定时，槽轮直径、转速和槽轮工作长度均可影响排种器的排种均匀性。其中，以播种对象以小麦为主槽轮直径一般取40～51 mm，而以播种对象主要为胡麻等小粒种子的槽轮直径一般取24～28 mm。若所设计外槽轮单圈转动排量q1与农艺种植要求的排量q2相同，则此槽轮直径为最佳，且排种均匀，不会产生阻塞、伤种现象[13]。

(5)

式中：d——外槽轮外径，取3 cm；

L——槽轮的有效工作长度，cm；

γ——种子密度，取0.609 g/cm3；

α0——槽内种子充满系数，取0.620；

fq——单个凹槽的截面积，cm2；

z——槽数，取z=8；

λ——带动层特性系数。

根据种子带动层特性系数与槽轮工作长度关系，取λ=0.20，当q1=q2时，表示所设计的外槽轮排种器符合农艺技术的播种要求，即当q1=q2=3.17 g/r时，由(5)式计算出槽轮有效工作长度L=1.46 cm≥2.2LS=1.1 cm，符合设计要求，为避免排种器内种子流动受阻，导致种子断流和排种不畅，取L=1.5 cm。

2.2 排种箱容积确定

排种箱容积的设计应当适中，不能过小或者过大，过小需要频繁加种子，过大使得整体的重量增大，影响播种机的播种均匀性。排种箱的箱壁应该倾斜，这样才能保证种子能够顺利的从排种箱中落下来，进入到排种器中，因为胡麻种子很小，因此流动能力比较好，故对排种箱内壁的倾斜程度要求不是很严格，所以该播种机要选用梯台型的种箱，即上口大，下口小的排种箱。设计箱体的长为L1、上口宽为W1、下口宽为F1、高为E1，排种箱、排肥箱的长和宽分别为l1、w1和e1、f1，其结构如图4所示。

根据胡麻种植特点，选择种箱四行作业幅宽B=720 mm，则左、右两侧种箱的总容积

(6)

C=C1+C2+C3+C4

C1=C2=C3=C4

式中：C——种箱总容积，L；

L——种箱装满种子所能播种的距离，设定为2 500 m；

B——排种系统工作幅宽，取0.72 m；

Qmax——单位面积最大播种量，取50 kg/hm2；

γ1——胡麻种子密度，取0.609 kg/L；

C1、C2、C3、C4——种箱的容积[14]。

由式(6)计算得出，种箱的总容积C=16.26 L，则C1=C2=C3=C4=4.065 L。

(a) 俯视图

(b) 侧视图图4 排种箱结构示意图Fig. 4 Schematic diagram of seed metering box structure

2.3 棘轮式间歇充种装置

外槽轮排种器在排种的时候，由于牵引速度过快而造成外槽轮充种不充分情况发生，为此设计棘轮式间歇充种装置，随着小地轮前进，棘轮和外槽轮排种器随之工作，在不同的速度下，棘轮会产生不同的转动频率，外槽轮排种器在不同频率下，进行充种，使得充种更加充分，其结构如图5所示。棘轮参数的确定：选择齿数时，应考虑到棘轮的齿距不能过小，若齿距P过小，棘齿的强度将会受到影响，通常情况下，Z=8～30，本设计取齿数Z=9，棘轮的齿距角

θ=2π/Z

(7)

由式(7)计算出齿距角θ=40°。

一般情况下棘轮棘齿工作面倾角的选择要考虑到棘轮齿根强度，因此本研究选择棘齿工作面倾角β=10°；棘轮齿高h一般取7.5 mm；选择棘轮的模数时，应满足棘齿的弯曲强度，本研究取棘轮模数m=7，棘轮的齿距

P=πm

(8)

由式(8)计算得出齿距P≈22 mm。

由于棘轮齿顶圆直径D是模数m与齿数Z之积，所以可以求出r2=31.5 mm，则r1=24 mm；棘轮的其余尺寸可按有关资料确定[15]。

图5 棘轮结构示意图Fig. 5 Ratchet structure diagram

2.4 开沟器结构设计

2.4.1 开沟器选择

胡麻作物的种植特点和要求是播种深度为25～35 mm为宜，胡麻种子的发芽适宜温度在22 ℃左右，胡麻种子较小，子叶的顶土能力弱，适宜浅播，因此在开沟器的选择中，一定要满足胡麻作物的种植特点和要求。胡麻播种机一般是在由整地机械新整的土地上进行播种工作，新整的土地中残茬和杂草比较少，没有太大的土块，所以杂草不会缠绕在开沟器上，土块和残茬也不会对开沟器造成太大的阻力，再根据本身的经济条件和各开沟器的开沟性能，锄铲式开沟器的主要优点有：锄铲式开沟器的尾部尖而锋利，比较容易进入土壤，所开出来的种沟小一点，相对较浅，适合胡麻种植。锄铲式开沟器开出来的种沟平整，受地形因素的影响比较小，适应性比较强。锄铲式开沟器相比其他开沟器结构比较简单，重量也比其他开沟器要轻，价格低廉，不仅便于生产制造，而且很容易维修保护[16]，所以本设计选用的开沟器是锄铲式开沟器。

2.4.2 开沟器入土角确定

合理的入土角ε对开沟器能否顺利的工作具有重要的意义，假如把入土角ε设计的比较大的时候，那么开沟器在工作时土壤上移量会增大，而且土壤上移之后堆积的土层就会增高，这就会造成土壤之间有相互混乱的趋势，不仅是这样，同时也会增加播种机正常工作时的工作阻力；但是如果又把入土角ε设计的较小的话，开沟器刃部的强度就会减弱[17]。根据胡麻种植的对种沟的要求和胡麻种植地区土质的影响，一般情况下，开沟器的入土角ε角度在30°～50°之间，为了保证开沟器能够正常入土，因此本研究设计中把入土角ε设定为45°，其结构如图6所示。

图6 开沟器实物图Fig. 6 Physical drawing of ditcher

2.5 覆土器设计与参数确定

覆土器的主要作用就是把由前面开沟器开出种沟的土壤覆盖到排好的种子上面，防止阳光直晒而导致水分不足，种子不能更好的发芽，覆土器的结构比较简单，而在覆土器的下方设计了一个开口是为了防止土壤堆积之后会影响到机器的正常行走，或者堆积的土壤太多会损坏覆土器。覆土器的设计影响因素有很多，行距、覆土量决定聚土板的长和宽，同时两板间的夹角太大或者太小也会影响覆土器的覆土能力[18]，因此，根据胡麻种植的要求、种沟的大小和深度及胡麻种植区域土质的影响[19]，设计覆土器。覆土器技术参数如表2所示。

表2 棘轮式间歇充种胡麻播种机覆土器技术参数Tab. 2 Technical parameters of soil covering device of

3 试验验证

3.1 试验方案

3.1.1 对播种器进行固定台架播量调节试验

选择其一播种单元作为试验对象，初选外槽轮的有效工作长度为1.1 cm，再将播种单元水平架起，使得地轮呈悬空状态，在排种箱中加入适量的胡麻种子，然后转动地轮数圈，使得排种器内充满种子，以20～30 r/min的速度均匀的转动地轮30圈，然后对排出来的种子总量进行称重，通过计算得出播量为95.1 g。由于刚开始存在误差较大，因此在转动2～3 s后，开始试验，试验过程如图7所示。

(a) T=0 s时

(b) T=2 s时

(d) T=14 s时图7 播种器固定台架播量调节试验图Fig. 7 Test chart of seeding rate adjustment of fixed seeder

固定台架播量调节试验结果可得，当外槽轮排种器有效工作长度为1.1 cm时，排出的种子总重为92.5 g，和播量算得的排种量误差是2.7%，超过了2%，由于排种器内种子流动受阻，导致种子断流和排种不畅，因此调整外槽轮的有效工作长度为1.2 cm、1.3 cm、1.4 cm、1.5 cm进行试验，直至当调整外槽轮的有效工作长度为1.5 cm时，排出种子量为93.4 g，计算可得误差为1.8%，其误差小于2%，满足棘轮式间歇充种胡麻播种机的设计要求。

3.1.2 田间试验

按照播种机预期实现的设计功能，结合国家行业标准GB/T 9478—2005《谷物条播机试验方法》以及NYT 1143—2006《播种机质量评价技术规范》规定的试验方法进行田间作业性能试验，选取一小型轮式拖拉机，标定功率为28 kW，作业机前进速度为2.1～2.5 km/h。选取播种深度合格率、播种间距合格率、总排种量稳定性变异系数、各行排种量一致性变异系数及漏播率作为能够体现播种机工作性能的测试指标。

选取一试验样块地，根据设计要求在试验地进行试播，记录播种机配套动力及工作速度，试播结束后，在相同的条件下，进行取样，取样长度为120 mm，在每行中取10段。取样的方法：在种沟表面起，每8 mm的深度取样一次，连续取样5次，记录覆盖层内的胡麻的籽粒数，然后对数据进行分析，计算出播种深度合格率、播种间距合格率、总排种量稳定性变异系数、各行排种一致性、漏播率。

3.2 试验结果与分析

对棘轮式间歇充种胡麻播种机进行了田间试验作业性能检验，并对试验结果进行了测量，试验结果如表3所示，棘轮式间歇充种胡麻播种机播种深度合格率为91.2%、播种间距合格率93.5%、总排种量稳定性变异系数5.5%、各行排种一致性2.8%，试验指标达到国家标准要求，通过计算的出平均的漏播率为1.2%。田间试验表明，当棘轮式间歇充种胡麻播种机前进速度为0.6 m/s时，其各个部件作业性能良好且相对可靠，设计的棘轮式间歇充种装置作业稳定，棘轮式间歇充种胡麻播种机试验指标均达到行业标准要求。