2BSQF-6型大豆玉米带状复合种植旋耕起垄施肥播种机设计*

吴雨康，薛金林，高辉松，孙星钊，张步军，程成

(1. 南京农业大学工学院，南京市，210031； 2. 连云港市元天农机研究所，江苏连云港，222002；3. 连云港市中兴机械制造有限公司，江苏连云港，223800)

0 引言

近年来，我国大豆产量缺口持续走高，为了实现在现有耕地面积的基础上提升大豆产量，大豆玉米带状间作种植模式被提出并得到广泛推广与应用。对比两种作物单独种植模式，该模式践行了“玉米不减产，多收一茬豆”的理念，有效地增加了大豆产量，提高了经济效益[1-3]。但是，这种高产种植效益却受到播种机械化水平低的限制。目前，应用于该模式的播种机具大多由玉米、大豆单作播种机经过简易的改装而来，不能达到理想的作业效果[4]。而且以现有播施条件，采取不同机具进行多次单项作业，不但成本高，且程序复杂，不符合种植实际，导致农户种植意愿较低。

目前，国外一些发达国家已经研制出较为精密的播种机，基本上已经实现了大豆(玉米)在生产过程中大面积机械化作业。如德国某公司研制出了一款Solitair9气力式精量播种机，美国某公司研制的DV9R0玉米精量播种机，它们工作可靠，性能优越，但是整机结构复杂，重量较大，且生产成本较高。国内的河北某公司研制出2BFGY-5(8)型玉米旋耕施肥播种机，山东理工大学研制2BMFY-4型智能玉米免耕播种机，这些机具都具有较高的作业效率，但是无法满足同时播种2种形状、株距等种植特点不同的作物，不适应于大豆玉米带状间作种植模式[5-8]。

本文针对大豆玉米带状复合种植机械化水平不高、现有机械难以适应不同区域种植环境与条件要求等问题，依据江苏省大豆玉米带状复合种植的农艺要求，设计了2BSQF-6型大豆玉米带状复合种植播种机，为积极响应国家关于大力发展大豆玉米带状复合种植技术，扩大大豆种植面积，提升大豆玉米带状复合种植机械化水平，促进农民减本增效，助力乡村振兴，提供了适宜的装备支持。

1 整机机构与工作原理

1.1 设计要求

大豆玉米带状复合种植是作物栽培技术的创新，采用大豆玉米带状间作套种，高低协同，高效利用边行优势和光能。依据江苏省大豆玉米带状复合种植模式的农艺要求，2BSQF-6型大豆玉米带状复合种植播种机采用2行玉米与4行大豆这一种植模式，并满足以下设计要求。

1) 考虑到江苏省及临近地区在大豆玉米播种期与生长期多雨及高温的区域特点，为了保证大豆、玉米种植后稳产高产，播种机具备开沟起垄功能，便于排涝与灌溉。

2) 考虑到江苏省及临近地区的大豆玉米带状复合种植大都是在麦茬地上进行种植，为了减少残留麦秸秆对种植的影响及减少机具多次入地作业，播种机应集旋耕、施肥、起垄、播种、镇压等功能于一体。

3) 需要满足缩株保密的种植要求，播种单体具备株行距可调、播量可控的能力。

4) 为便于玉米对行收获，玉米播种单体设计在中间。

1.2 整机结构

2BSQF-6型大豆玉米复合播种机可同时完成旋耕、起垄、施肥、播种、镇压等作业。整机主要由三点悬挂装置、旋耕装置、起垄装置、施肥装置、机架主体以及播种单体构成，如图1所示。

播种机的前端包括三点悬挂装置、旋耕装置，三点悬挂安装于机架前部，用于挂接在动力机械上，旋耕装置位于机架下方，进行松土碎土与灭茬作业；整机的中端包含施肥装置和起垄装置，施肥装置安装于机架上方，进行开沟施肥作业，机架下方安装起垄装置，用于起垄作业；播种单体位于播种机后端，通过仿形机构挂接于机架后端，进行开沟播种以及镇压作业。

1.3 工作原理

播种机挂接在动力装置上后，开始作业前，将开沟器、镇压器等可调节高度的装置调整至合适位置，同时调节仿形连杆在机架上左右横移的位置来确定播种行距，完成作业前准备工作。机具开始作业时，动力输入至旋耕刀组传动齿轮箱，经由传动齿轮箱左右两输出轴带动旋耕刀组运转开始旋耕碎土灭茬作业；排肥器由电机单独驱动，经塑料软管将肥料送入管靴式开沟器开辟的沟壑中，完成施肥作业；然后通过起垄装置完成起垄作业；再由圆盘开沟器进行垄上开沟作业，机械式排种器由滚动地轮经传动装置提供动力输入，将种子排入沟壑中，并覆土镇压。

所设计的播种机的主要技术指标如表1所示。

表1 播种机主要技术参数Tab. 1 Main technical parameters of the seeder

2 关键部件设计

2.1 旋耕起垄装置

旋耕作业时，旋耕刀的运动即为机具前进运动与刀轴旋转运动的合运动，如图2所示。机具前进方向为x轴正向，前进速度设为Vq，旋耕刀轴沿顺时针方向旋转，耕作深度设为h。

图2 旋耕刀运动轨迹示意图

旋耕刀开始运转时，刀具端点D满足以下运动方程。

(1)

式中：R——刀具回转半径，mm；

ω——旋耕刀角速度，rad/s；

t——时间，s。

旋耕速比ξ与旋耕刀具端点的瞬时回转速度Rω以及机具的前进速度Vq之间满足以下关系。

(2)

通过式(1)对时间t求导，可求得任意一点的水平分速度为Vx和竖直分速度为Vy，为保证旋耕刀从入土到离开土壤时正常工作，应满足水平分速度Vx<0，即应当满足以下关系。

Vq<(R-h)ω

(3)

经查阅文献得旋耕速比ξ>1，则切土与抛土效果较好。故要确保旋耕刀从切入土壤到离开土壤时均工作，就要在满足式(3)的基础上，同时保证旋耕速比ξ>1。一般旋耕机前进速度为0.5～2 m/s，耕深在1～25 cm，本文在考虑机组实际工作状态后，确定机具前进速度Vq为1 m/s，耕深为200 mm。

为确定回转半径R，求出旋耕转速n即可，而转速n与通过同一安装平面内安装的刀片数Z以及切土节距S满足以下关系。

(4)

一般旱地旋耕Z取值为2～3，依据实际作业情况，Z取值为2，考虑到耕作地土质较为疏松，设定土壤切土节距S为15 cm，将所有数值代入式(4)，求解出转速n=200 r/min，则旋耕刀角速度ω=20.94 rad/s，依据旋耕刀参数表最后确定其回转半径R为245 mm。

在刀具选型上，卧式旋耕常用刀型为弯刀和直角刀，弯刀有较为锐利的正切刃和侧切刃，正面切削刃口较宽，侧面切削刃口为弧形曲线式，具备优异的划切性能，有较好的松土和抛翻能力，考虑实际作业环境中存在前茬作物残茬较多的情况，最终选用IT245型弯刀作为旋耕刀具。相邻两弯刀间间距为40 mm，依据幅宽确定左右刀具各安装30把，考虑到耕作后土壤不能过于杂乱，刀具应该以螺旋线的方向布置，且位于一条螺旋线上的刀具的旋向应保持一致。

为了满足较大幅宽下的作业要求，本机采用了中间传动正配置的传动方式，该布置形式传递动力大，效率高，但存在传动箱占据耕幅，弯刀切削不到传动箱体下方土壤的现象。为此，本机在旋耕装置中间位置设有开沟小犁，保证中间位置的土壤也能旋耕到位。

旋耕装置由传动齿轮箱、刀轴、刀座、刀片、挡土板以及开沟小犁组成。整体布置结构如图3所示。

图3 旋耕装置示意图

旋耕装置进行松土后，起垄装置完成导土和翻土作业。起垄装置主要包括起垄铲曲面、翼板以及铲柄，如图4所示。根据农业机械设计手册，半螺旋曲面有较好翻土效果。因此，起垄曲面采用半螺旋形曲面设计，该装置可通过固定螺栓连接实现起垄高度200～250 mm范围内的调节。左右两起垄铲将旋耕后的松土铲入起垄铲曲面上，松土沿曲面向两侧抛翻，最后由翼板与挡土板配合完成松土的整形成垄。

图4 起垄装置示意图

2.2 播种装置

播种装置是播种机最为关键的部件之一，主要包括滚动地轮、机架、镇压强度调节机构、传动装置、种箱、机械式排种器、仿形连杆连接支架以及圆盘开沟器等，如图5所示。在动力机械的牵引下，滚动地轮与地面接触产生驱动力，经蜗轮蜗杆传动装置将动力输入指夹式排种器内，驱动排种器进行排种作业；同时，该滚动地轮还具有覆土与镇压的功能。

图5 播种单体结构图

播种机上常见的排种器可以分为机械式和气力式，机械式排种器包括指夹式、窝眼式、圆盘式排种器，而气力式根据气流的作用方式不同可分为气吹式、气吸式和气压式三种类型[9]。基于以下原因，本文选用机械指夹式排种器：(1)气力式排种器具有对种子大小、形状适应能力强，不易伤种，可用于高速作业等优点，但其用于玉米等不规则种子的播种时功率消耗相对较大，当种子群运动不合理时，容易出现漏播、重播等现象，同时其结构复杂，成本较高。(2)指夹式排种器结构简单，修理维护容易，使用成本低，并且能保证一定的播种质量，农户使用意愿强。

2.3 仿形机构

为了确保在复杂地形上的作业质量，播种机主体机架与后端播种装置之间需要采用柔性连接。由于单铰接单自由度仿形机构存在单拉杆角度变化过大的问题，本文设计为平行四连杆双自由度仿形机构，通过复合作用效果来减小播种单体振动幅度，保证了开沟播种镇压作业的稳定性。

平行四连杆双自由度仿形机构稳定工作的前提是尺寸参数设计的合理性，即保证机构的上下仿形量及其仿形角设计的正确性。通常上下仿形量设为80～120 mm[10-11]，考虑到播种机首先进行旋耕作业，地表较平整，故降低对仿形的要求，故将仿形量设定在 80～100 mm之间，仿形机构结构参数如图6所示。

图6 仿形机构结构参数示意图

为确保连接播种单体的稳定性，本文设计的独立仿形四杆机构结构参数应该满足以下关系。

h=L[sin(α2-α)+sin(α1+α)]

(5)

式中：L——仿形连杆长度，mm；

α——工作角，(°)；

α1——上仿形角，(°)；

α2——下仿形角，(°)；

h——总仿形量，mm。

由式(5)可得，在总仿形量h一定的前提下，仿形连杆长度L与上仿形角α1以及下仿形角α2成反比关系，即仿形连杆长度越长，仿形角越小，播种装置稳定性越好，播种效率越高。

图6中总仿形量h为上仿形量h1(即B点移至B1点时的垂直距离)与下仿形量h2(B点移至B2点时的垂直距离)之和。依据实际工作环境需求，初步将工作角设定为0°，上仿形量h1设为85 mm，考虑到稳定性的因素，α1及α2假设为20°。

将设定的上仿形量h1、上仿形角α1以及工作角α代入式(5)，计算出仿形连杆长度L=248.52 mm，取值为250 mm，将所得数据代入式(6)中可确定下仿形量h2的数值。

h2=Lsin(α2-α)

(6)

由式(6)可得，h2=85.50 mm，处于80～100 mm的合理区间，满足设计要求。

独立仿形四杆机构装配图如图7所示。

图7 独立仿形连杆装配图

2.4 功率分析

复合播种机作业功率消耗主要有旋耕切削功耗N1、开沟功耗N2、前进阻力功耗N3以及电动排肥功耗N4。以此得出复合播种机整机功耗

N=N1+N2+N3+N4

(7)

2.4.1 旋耕切削功耗分析

旋耕切削主要是刀片切削土壤消耗的功率[12]，用式(8)表示。

Nr=0.1kBHVd

(8)

式中：Nr——理想旋耕切削功耗，kW；

k——旋耕比阻，N/m2；

B——工作幅宽，m；

H——旋耕高度，cm；

Vd——前进速度，m/s。

结合大豆玉米复合播种农艺要求，旋耕比阻k取值9.5[13]，工作幅宽B取值2.5 m，旋耕高度H取值15 cm，前进速度Vd取值1.3 m/s，代入式(8)，得出Nr=46.313 kW。

考虑到存在传动损失的因素，结合传动效率λ，得出旋耕切削功耗

(9)

将传动效率λ设为0.7，代入式(9)，得出N1= 66.161 kW。

2.4.2 开沟功耗分析

开沟起垄装置所受到牵引阻力主要为开沟起垄曲面和翼板与土壤相互作用，开沟播种的功率消耗[14]用式(10)表示。

N2=0.1k1bhVd

(10)

式中：b——开沟宽度，m；

h——开沟深度，cm；

k1——切土比阻，N/cm2。

取b=0.15 m，h=20 cm，Vd=1.3 m/s，k1=35 N/cm2，代入式(10)，计算得N2=13.65 kW，由于复合播种机涉及开沟施肥以及开沟播种，因此最终确定开沟功耗约N2为28 kW。

2.4.3 前进阻力功耗分析

前进阻力功耗与起垄阻力[15]、重力等因素有关。

N3=σFVd

(11)

式中：σ——比例系数；

F——牵引阻力，kN。

各项取值为σ=0.2，F=12.5 kN，Vd=1.3 m/s，代入式(11)，计算出N3=3.25 kW。

2.4.4 电动排肥功耗分析

施肥装置中排肥器由单独电机驱动，电机选用额定电压12 V，额定功率100 W的直流电机，因此N4=0.1 kW。

将所有计算结果代入式(7)，计算出总功耗N=97.511 kW，因此复合播种机配套动力功率不低于97 kW。

3 样机性能试验

3.1 试验方法

为了验证复合播种机的工作性能，将以播种深度合格率、粒距合格率以及漏播率作为性能指标进行田间试验。

复合播种机在江苏省连云港灌云县大豆农场行试验(图8)，试验地土壤类型为盐土，地势平坦，前茬覆盖率为75.8%，对土壤状态进行测试，经过测定得知其含水率为16.1%，土壤紧实度为973.5 kPa，土壤坚实度为2.87 kgf/cm2。试验配套拖拉机功率为100 kW，机具行进速度为4.7 km/h，参照GB/T 20865—2017《免(少)耕施肥播种机》以及GB/T 6973—2005《精密播种机试验方法》中的规范方法进行相关试验，对复合播种机的作业效果进行检测。

图8 田间试验

3.2 试验结果与分析

田间试验得出的主要试验数据如表2所示。

表2 试验数据Tab. 2 Experimental data

依据复合播种机的田间试验效果，复合播种机在保证一次性实现旋耕、施肥、起垄、播种、镇压的作业功能的同时将播种深度合格率稳定在93.3%，漏播率以及重播率控制在了8%以下，在粒距合格指数表现上，大豆和玉米分别为85%和95.2%，整体展现了良好的作业效果。

4 结论

1) 为落实玉米大豆复合种植技术要求，做到“玉米不减产、多收一季豆”的生产目标，大豆、玉米复合播种机是一项关键设备。本文设计了可实现2行玉米和4行大豆的带状复合种植的2BSQF-6型大豆玉米复合种植播种机。主要设计的关键部件包括旋耕起垄装置、播种装置以及平行四连杆双自由度仿形机构，该机集旋耕、施肥、起垄、播种等作业功能于一体。此外，对关键部件的功耗进行需求分析，得出整机需求功率为97.511 kW，以此选择合适的动力源。

2) 所设计的样机经过田间试验表明，大豆玉米播种深度合格率均为93.3%，大豆和玉米的粒距合格指数分别为85%和95.2%，漏播率均控制在8%以下，机具各项指标均满足大豆玉米带状复合种植的农艺要求。

3) 该机具特别适合于播种季与生长季雨水多地区麦茬地的大豆玉米带状复合种植。同时，该机具提升了大豆玉米带状复合种植机械化水平，减少了投入成本，有效地提高了作业效率，增强了农户种植意愿，对推动发展大豆玉米复合种植技术具有重大意义。