气吸式小青菜播种机的设计

陈 曦，李 骅，齐新丹，李博竑，李胜兵

(1.南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 211816；2.江苏省智能化农业装备重点实验室，江苏 南京 210031；3.南京农业大学 工学院，江苏 南京 210031)

近年来，小青菜种植产业蓬勃发展，其产业规模日益扩大[1-6]。小青菜属于十字花科芸薹属植物，因其耐寒性好，生长周期短且富含丰富的矿物质和维生素，在我国许多地区广泛种植。小青菜在播种时，因其粒径较小，在实际播种过程中多采用撒播的方式，机械化程度较低，且易造成种子浪费，不便于后期机械化收获作业。市面上现存的一些小青菜播种机大多是由其他播种机改装而来，工作性能不够稳定，针对不同的农艺要求和种植环境适应性较差，难以符合我国小青菜种植农户的实际需求。

小青菜播种机按照排种器的工作原理可将其分为机械式和气力式两大类[7-8]。机械式播种机是指利用机械式排种器上的型孔将种子从种箱内分离出来，从而进行播种作业的机械[9]。机械式排种器类型多样，根据排种器类型的不同，可分为外槽轮式、型孔轮式、窝眼轮式、指夹式、水平圆盘式、倾斜圆盘式、垂直转勺式和带式等30多种[10]，其优点是结构简单、制作成本低，缺点是效率较低、工作稳定性较低，对种子的球型度要求高，在进行播种作业前，需要先对种子进行筛选。

气力式播种机通常由液压系统或者拖拉机动力输出轴带动风机转动，依靠风机提供给排种器稳定的风压，将种子吸附到排种盘上进行播种作业。由于依靠风压对种子进行控制，气力式播种机具有对种子损伤小，对种子外形尺寸要求不严格，通用性强，播种精度高，节约种子，不用间苗，且适合高速作业等优点[11-14]。气力式播种机的缺点是结构比较复杂，价格也比机械式播种机高。

国外研发的小青菜播种机大多是气力式播种机，技术较为成熟。例如MASCHIO公司开发出了一款SP气吸式精密播种机，依靠平行四连杆仿形装置和单体传动装置等的配合，一次作业能够实现4～6行种子的播种。该机器具有落种点低、精准度高、适用于低马力段拖拉机、稳定性高等优点。此外，许多国外的播种机存在价格贵、机具与我国种植规范不匹配等问题，并不适合我国国情，在实际的推广使用时存在许多困难。

我国研发的小青菜播种机大多是机械式播种机。例如山东科博公司生产的一款手推式精播机，通过排种系统对下种数量实现控制，播种时按量定距，将种子有规律地排放在出苗环境较好的土层当中。该精播机具有操作简便、转弯灵巧等优点。但是与国外生产的播种机相比，许多国内厂家生产的播种机存在播种效率低，种子浪费严重等问题。

本文针对我国在小青菜播种环节机械化水平低的问题，结合气吸式播种机具有播种精度高、通用性强等特点，设计了一款符合我国种植农艺要求的气吸式小青菜播种机，对提高小青菜等小粒径种子的播种效率具有重要意义。

1 整机总体结构的设计

1.1 整机结构

本文的设计结合江苏太仓地区的小青菜种植农艺要求，在国内外研究人员对气吸式播种机的研究基础之上，确定了本课题设计的气吸式小青菜播种机总体结构，如图1所示。该款播种机主要由传动地轮、播种装置、风机、正(负)压管道、整机机架、软管、变速箱等组成，其中播种装置包含5组独立的播种单元，每个播种单元的结构如图2所示，每个播种单元由播深调节装置、排种器、开沟覆土装置、播种单元机架、前后双镇压轮组合等部分组成。对于安装在播种机两侧的4组播种单元，每个播种单元上左右对称地安装2个排种器；对于播种机中间的1组播种单元，安装1个排种器，每2个排种器之间水平距离为130 mm，该气吸式播种机上共装有9个排种器。

1.传动地轮，2.播种装置，3.整机机架，4.风机，5.负压气管，6.正压气管，7.软管，8.变速箱

1.深度调节装置，2.排种器，3.开沟覆土装置，4.播种单元机架，5.前后双镇压轮组合

其中，传动地轮安装在播种机两侧，依靠拖拉机的牵引带动播种机进行作业；风机安装在播种机机架后端，依靠拖拉机的动力输出轴产生风压；正负压管道焊接在整机机架上，对风机产生的风压进行分流；整机机架后端设有三点悬挂组合，通过三点悬挂组合与拖拉机三点悬挂连接；播深调节装置安装在播种单元后端，通过旋转其上的摇把实现对开沟深度的调节；排种器安装在播种单元中间，完成种子的吸附与排种；开沟覆土装置安装在排种器下端，实现种子的开沟覆土作业；双镇压轮组合安装在播种单元前后两端，作用是对覆完土的区域进行镇压。该机器一次下地能完成开沟、播种、覆土、镇压等多道作业工序。

1.2 主要技术参数

气吸式小青菜播种机主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

1.3 工作原理

工作时，地轮在拖拉机的牵引下开始滚动，通过右侧地轮的转动带动变速箱内的链轮转动，再由变速箱内的六角长轴将动力传递至9个排种器的转轴上，带动排种器内的排种盘旋转。安装在机架后端的风机通过万向节与外接拖拉机相连，利用拖拉机输出轴产生的动力带动风机产生风压，产生的风压进入正负压管道内，负压管将负压均匀分配到9个排种器内，此时每个排种器内形成密闭空间，种箱内的种子因为负压吸附作用被牢牢吸附在排种盘上。当种子跟随排种盘旋转即将进入落种区域时，风机产生的正压通过正压管道，均匀分配到9个排种器内，此时排种器内的负压气道被隔断，吸附作用消失，种子在自身的重力作用下落入下方的出开沟器中，再由开沟覆土装置完成开沟和覆土。播种装置上设有开沟深度调节装置，可根据实际作业情况调节开沟深度。播种装置前后装有镇压轮组合，对落入沟中且经过覆土的种子进行镇压，从而完成整个作业过程。

1.4 传动系统设计

传动系统包括六角长轴、右侧地轮、排种器转轴、左侧地轮、侧边链传动、变速箱等部分，总体设计如图3所示。气吸式小青菜播种机的结构形式为右侧地轮传动结构，拖拉机与三点悬挂连接。当拖拉机以一定速度作业时，地轮与地面产生摩擦而作旋转运动，继而带动右侧地轮侧边链轮旋转，地轮侧边链通过链传动带动中间的六角长轴旋转，可在变速箱内调整六角长轴转速，中间长轴上链轮通过链条与9个排种器上的链轮连接，从而带动9个排种器内的排种盘旋转。

1.左侧地轮，2.六角长轴，3.排种器转轴，4.变速箱，5.右侧地轮，6.侧边链传动

2 关键部件的设计

2.1 开沟器的设计

开沟器按照开沟形式的不同，主要分为滚动式和移动式两类。移动式开沟器又分为船式、滑刀式等形式。相较于其他形式的开沟器，滑刀式开沟器具有滑切性能好等优点，故本文采用滑刀式开沟器作为播种机的开沟导种装置。本文所采用的划刀式开沟器由滑刀、侧板、方插板、L型挂板等组成，结构如图4所示。滑刀安装在开沟器前端，夹在开沟器两侧的侧板之间，作业时通过滑刀两侧的楔面实现破土并开出种沟。开沟器的上端安装一块方插板，其上方与播种机上的排种器相连，作业时排种器排出的菜种通过方插板掉落至开沟器内并最终落入已经开好的种沟中。开沟器通过后端的L型挂板与覆土器相连，再由覆土器对播种完成的种沟进行覆土回填。

1.滑刀，2.方插板，3.侧板，4.L型挂板

2.1.1 开沟器刀刃曲线的选定 滑刀的刀刃曲线决定了滑刀刀刃的形状，良好的刀刃曲线设计能够使得滑刀在破土时阻力减小，提升滑刀在土壤中的滑切效率。图5为滑刀的刀刃曲线示意图，图中圆弧段AB表示开沟器在开沟时与土壤的最大接触区域，θ1和θ2分别为刀刃曲线在A、B两点处的滑切角，k1和k2分别为刀刃曲线在A、B两点处的斜率，n1、n2分别为刀刃曲线在A、B两点处的法线。顾耀权等[15]通过研究发现，当滑切角的范围在35°～55°之间时，滑刀的入土阻力较小，故将此范围定为刀刃曲线的滑切角范围。参考贾洪雷等[16]的研究，将滑刀的刀刃曲线设定为一元二次函数，具体见公式(1)和公式(2)。

y=ax2+bx

(1)

k=y′=2ax+bx

(2)

公式(1)、(2)中，a、b为常数；k为斜率。

B点的纵坐标表示开沟器的高度，一般由最大施肥深度决定。根据实践经验，对于青菜等小粒径种子，其施肥深度为50 mm左右。考虑到实际作业中，土壤中存在沙砾、碎石等情况，在设计开沟器高度时需要留有一定的余量，最终将开沟器的高度定为60 mm，故B点的纵坐标yB=60。

由图5可知，随着横坐标x的增大，刀刃曲线的划切角在不断减小，因此，最大的划切角55°出现在A点处，最小的划切角35°出现在B点处。

图5 滑刀刀刃曲线示意图

k1=yA=tan(90°-θ1)

(3)

(4)

将θ1=55°、θ2=35°，A点的坐标(0，0)，B点的纵坐标yB=60代入上述4个公式中，求得a=0.002，b=0.7，得出滑刀的刀刃曲线函数，见公式(5)。

y=0.002x2+0.7x

(5)

2.1.2 开沟器刃口角的选定 滑刀两侧楔面之间的夹角为滑刀的刃口角α，如图6所示。研究表明，滑刀刃口角α对于开沟器的开沟性能影响较为显著。开沟作业时，滑刀通过两侧的楔面实现破土，土壤颗粒间发生相对位移，沿着楔面向滑刀两侧滑动并最终形成种沟。刃口角过大会导致滑刀在开沟时所受阻力过大，土壤上翻量过大进而影响开沟效果。刃口角过小则开沟器在工作时，滑刀的强度难以保证。杨薇[17]通过研究发现，刃口角的取值范围一般为30°～80°，本文选取刃口角α=60°。

2.1.3 开沟器刀片厚度的选定 刀片厚度h为开沟器两侧板之间的距离，如图6所示。刀片厚度h主要由开沟器的开沟宽度b确定，开沟宽度b又与开沟深度a有关。按照翻垄覆土原理，开沟宽度b与开沟深度a的关系见公式(6)。

图6 开沟器参数示意图

b=ak

(6)

公式(6)中，k为宽深比，为了减少回土量，取k=1.3。

根据农艺要求，开沟深度主要根据种子大小、土壤质地、土壤温度、土壤湿度、气候条件而定。种子小，贮藏物质少，发芽后顶土能力弱，宜浅播；反之，大粒种子宜深播。种子播种深度以种子直径的2～6倍为宜，小粒种子覆土15～20 mm，中粒种子覆土20～25 mm，大粒种子覆土30 mm左右。小青菜种子属于小粒径菜种，故本文的开沟深度a取20 mm，代入公式(6)中进而得出开沟宽度b=26 mm，最终圆整后确定刀片厚度h为30 mm。

2.2 排种器的设计

本文选取气吸式排种器作为机具的配套排种装置，该排种器主要由种箱、负压出口、传动轴、排种盘、导种装置、正压清堵口等部分组成，结构如图7所示。其工作原理：排种时，种箱内的种子通过进种口进入排种器内，排种器上的负压出口通过软管与负压气管相连，通过外接拖拉机动力输出轴带动风机产生风压，通过软管将风压传至排种器内，进而将种子吸附到排种盘上。排种盘由传动轴带动进行逆时针旋转，种子随着排种盘的旋转进入导种装置附近，此时，由于正压清堵口的存在导致负压气道被隔断，单粒种子脱离了负压的吸附作用，在种子的重力作用下落入导种装置里，最终进入排种器下方的开沟器中，再由开沟覆土装置完成最终的开沟播种作业。研究表明，排种盘上的吸附孔直径、吸附孔个数对排种器的排种性能影响很大[18-20]。

图7 排种器结构示意图

2.2.1 排种器上吸附孔直径的选定 排种盘上吸附孔的直径直接决定了种子能否被吸附在排种上，其吸附孔直径根据小青菜种子的平均宽度而定，具体计算公式见公式(7)。

dx=(0.64～0.66)d

(7)

公式(7)中，dx为吸附孔直径(mm)；d为种子的平均宽度(mm)。

本文选取品名为“冬秀青梗菜”的菜种50粒，用数显游标卡尺测量其三轴尺寸，计算出小青菜种子的平均宽度为1.69 mm，代入公式(7)中，最终经过圆整后确定吸附孔直径为1.2 mm。

2.2.2 排种器上吸附孔个数的选定 排种上吸附孔的数量决定了排种盘尺寸的大小，影响着排种器的工作效率。吸附孔数量过少则排种器的播种效率低，吸附孔数量过多则播种精度会受影响。徐苏阳等[21]通过研究发现，吸附孔的数量与播种机的速度、播种株距、种盘转速相关，具体见公式(8)。

(8)

公式(8)中，Z为吸附孔的数量；vb为播种机的速度(m/s)；l为播种株距(m)；n为种盘转速(r/min)。

根据农艺要求，小青菜的株距为8～15 cm之间，行距为13 cm。根据《农业机械手册》，n≤50 r/min，播种机的前进速度vb≤18 km/h，代入公式(8)进行计算，得出Z的取值为75。考虑到加工精度以及排种稳定性等问题，取吸附孔数量Z=90，相邻孔的角度为4°。

3 田间试验

3.1 田间试验条件

本次田间试验于2021年1月在江苏省太仓市璜泾镇进行，图8为田间试验图。本次测试的土壤类型为壤土，土壤含水率为15.38%，土壤坚实度为1500.8 kPa；测试选用的种子品名为“冬秀青梗菜”；配套动力源选择常发CF700型拖拉机，通过三点悬挂的方式将气吸式播种机与拖拉机相连，利用万向节总成将拖拉机动力输出轴与风机动力输入轴相连。在测试之前，需先用旋耕机清除试验田块内的杂草和碎石。

图8 田间试验图

3.2 田间试验方法

作业前，需要将测试地块的宽度划分成机组播幅的整数倍，播种机播种时采用离心播法，如图9所示，即拖拉机从地块中间开始由内向外绕行，可顺时针或逆时针进行离心播种作业。测试过程严格按照GB/T 6973─2005 单粒(精密)播种机试验方法进行。试验前在9个排种器种箱内分别倒入20 g菜种。进行测试作业时，拖拉机的行进速度为3 km/h。为了保证测试的准确性，首次测定在播种开始20 m后进行，最后测定在播种结束前20 m处停止，测试区域的长度为50 m。每次播种结束后，将编号为1～9的排种器内剩余种子卸掉，分别装入对应编号为1～9的密封袋内，并用精度为0.01 g的精密实验室天平秤称出每个密封袋内种子的重量。排种器在50 m测试区域内播种量计算见公式(9)，测试共进行5次。

图9 离心播法示意图

mui=mymsi

(9)

公式(9)中，mui为播种量(g)，i为排种器编号1～9；my为测试使用种子量，my=20 g；msi为试验剩余种子量(g)。

3.3 田间试验结果

测得9个排种器每次测试的播种量数据，如表2所示。

表2 排种器播种量测试数据 g

得出各行播量一致性和总播量稳定性数据，如表3所示。

表3 标准差与变异系数统计表

由表2结果得出，该气吸式播种机的播种量为4.08 kg/hm2，符合机具3.0～4.5 kg/hm2的技术要求。

由表3结果可知：各行播量一致性的标准差为0.12 g，变异系数为3.1%；总播量稳定性的标准差为0.97 g，变异系数为2.8%。该数据表明，气吸式播种机在播种时各行播种均匀性良好，总体工作性能也较为稳定。

4 结论

(1)设计了一款气吸式小青菜播种机，采用三点悬挂方式，配套动力30～45 kW，工作幅宽为120 cm，播种行数为9行，播种行距为130 mm，播种株距可调，播种深度20～30 mm，作业速度3～3.5 km/h。作业时，通过气吸式排种器将种子吸附并落入下方的开沟器中，通过开沟覆土装置完成种子的播种。

(2)通过计算得出开沟器的几个关键参数，确定了开沟器的刀刃曲线方程，确定了开沟器的刃口角为60°，开沟器的刀片厚度为30 mm。

(3)通过计算确定了排种器的一些关键参数，包括排种器的吸附孔直径为1.2 mm，吸附孔数量为90个。

(4)通过田间测试，得出气吸式小青菜播种机的播种量为4.08 kg/hm2，符合机具的技术要求。各行排量一致性的标准差为0.12 g，变异系数为3.1%；总排量稳定性的标准差为0.97 g，变异系数为2.8%，结果表明：该气吸式播种机工作性能较为稳定，为小青菜等小粒径种子作物的播种提供了重要参考。