小麦玉米两用免耕施肥播种机的设计研究

冉云亮，李连合，王万章，于建军，袁玲合，王建波

(1.河南农业大学河南粮食作物协同创新中心，河南郑州450002;2.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州450002;3.河南省财经学校，河南郑州450012)

黄淮海地区多为小麦玉米两作生产，为赶农时小麦玉米机械化播种及生产配套在实际生产中显得尤为重要。小麦玉米大量的秸秆覆盖地表，免耕播种机作业时秸秆量大，地表秸秆韧性强，对播种机作业性能及效率要求较高［1］。目前国内的两用播种机的研究中有固定道式、一种排种器两用、玉米高位投种等方式的小麦玉米两用播种机，固定道式的需要留出拖拉机行走道，不适合多数地区;一种排种器两用式的是指用同一种排种器既播玉米又播小麦，其播种质量较差，玉米高位投种式的是在小麦播种机上方装上相应玉米排种器来实现玉米播种，其播种精度不高;另外，多数播种机缺少相应的秸秆处理装置，易造成秸秆缠绕拥堵［2－4］，作业阻力大，影响播种质量。为此，结合黄淮海地区一年两熟区小麦玉米种植的农艺要求，设计了一种小麦玉米两用免耕播种机。该机在满足农艺要求的前提下，改善了免耕播种质量，提高机械作业效率，一次可完成灭茬、开沟施肥、播种、镇压等功能，并实现了玉米小麦播种一机两用，适合河南等地小麦玉米一年两作区保护性耕作。

1 播种机的结构与原理

小麦玉米两用播种机主要有机架、传动部分、施肥部分、刀轴刀盘部分、玉米播种单体、小麦镇压轮部分组成(图1)。播种施肥部分为拆卸调整方便，施肥腿通过U型螺栓固定于机架中间梁上。为实现小麦玉米播种一机两用和小麦玉米种植配套，本设计将地轮前置，小麦镇压轮和玉米播种单体设计为可拆装部分，两者可以通过互换来分别实现小麦玉米的播种作业。玉米播种单体上带有平行四杆仿形机构，可根据田间地形进行仿形，实现播深一致。

图1 免耕施肥播种机的结构Fig.1 Structure of no tillage fertilizing and seeding machine

播种机采用三点后悬挂方式，动力采用66.2 kW以上轮式拖拉机。拖拉机动力输出轴输出动力传递至变速箱，带动刀轴刀盘总成完成灭茬开沟作业，由前置驱动地轮通过各传动部分带动小麦玉米排种器工作。小麦播种时如图1－a所示，施肥部分的开沟器开出施肥沟，肥料在排肥器作用下通过输肥管进入施肥沟，完成施肥工艺，同时固定在施肥腿上的小麦排种管在排种管的作用下完成小麦播种工艺，最后由小麦镇压轮完成镇压工艺，完成小麦播种作业。玉米播种时如图1－b所示，施肥部分的开沟器开出施肥沟，肥料在排肥器作用下通过输肥管进入施肥沟，完成施肥工艺，圆盘开沟器完成开沟工艺，传动部分传至玉米播种单体，带动玉米精密排种器完成排种，落入开出的沟内，由覆土器完成覆土工艺，最后玉米播种镇压轮完成镇压工艺，完成玉米播种作业。

根据小麦玉米种植农艺参数和小麦玉米两用免耕施肥播种机的功能要求设计机架宽度为2 300 mm，刀轴转速 320 r·min－1，耕深 80 ～120 mm 可调，开沟宽度为180 mm。小麦播种采用宽窄行190～110 mm设计;玉米播种采用600 mm等行距设计，玉米施肥行距为等行距600 mm，小麦播种行数14行，玉米播种行数4行。玉米播种播在小麦的宽行中，种肥侧施。

2 关键部件的设计

2.1 机架与传动的设计

机架部分主要用来支撑刀轴刀盘、变速箱、小麦播种施肥部分、传动机构、玉米施肥部分，以及玉米播种单体的挂接。其中机架前部焊接由用于与拖拉机挂接的悬挂架［6－7］。传动部分主要有驱动前置、链传动机构、六方传动轴、播种链传动机构、施肥链传动机构完成，玉米传动加上玉米变速箱输出轴、过渡双链轮、玉米排种链传动等组成，机架与传动部分的结构如图2所示。传动部分主要用来将驱动前轮的动力传递至各功能部分，驱动前轮经2次链传动传至玉米变速箱输入轴，玉米变速箱输入轴一部分经过链传动传至小麦排肥轴和排种轴，另一部分经过玉米播种变速箱传至玉米变速箱输出轴，经过链传动传至玉米排种轴。

图2 机架与传动部分的结构Fig.2 Structure of the frame and the driving part

2.2 传动比计算

小麦播种机的传动比为1∶1，玉米播种机传动比以67 500株·hm－2为基准进行设计，排种器采用指夹式精密排种器，两级减速传动，分别为玉米播种变速箱一阶减速和最后一阶传动减速。玉米播种变速箱变速比分别为1档5∶6、2档1∶1、3档7∶6、4 档 4∶3、5 档 3∶2、6 档 5∶3。

玉米播种传动比为:

式中:i为玉米播种传动比;i变为变速箱传动比;i2为过渡链轮到玉米排种链轮传动比;z2为玉米排种链轮齿数，值为26;z1为过渡双链轮齿数，值为17。

以玉米播种变速箱4档为基准计算，最后可得玉米播种传动比为2.04，驱动前轮直径为460 mm，玉米播种株数为42 900～75 900株·hm－2。

2.3 机具安全性设计计算

玉米免耕播种机作业时玉米播种机单体悬挂在机架后，播种机长度加大，机具重心后移，将造成拖拉机在挂接机具时引起翻转。为此，在Solidworks设计时，将三维虚拟样机每个零部件添加与实际相符的材料，来找出其理论重心的位置和机具的最大质量。由虚拟计算可得玉米播种时机具重心到拖拉机下悬挂点之间的距离为72.5 cm。

拖拉机安全行驶所确定农具最大质量为:

式中:MFmax为安全行驶农具最大质量;Ftf为拖拉机从前轴转移的最大静载荷;L为拖拉机轴距;x为拖拉机后轮中心轴到挂接点的水平距离;y为下拉杆水平位置时农具质心到下悬挂点的距离，值为72.5 cm。拖拉机选用东方红－X904型拖拉机。

避免后轮超载所确定农具最大质量为:

式中:MRmax为避免后轮过载确定机具最大质量;Rtr为拖拉机后轮所能承受载荷的最大增加值。

根据GB/T 10911—2003《农业轮式拖拉机和后悬挂农具的匹配》［5］和所选拖拉机的型号查的所需的相应的值，最终算得拖拉机安全行驶所确定农具最大质量为1 260 kg，避免后轮超载所确定农具最大质量为1 580 kg。因此，拖拉机能悬挂的机具最大重量不能超过1 260 kg。所设计的机具重量为920 kg，故播种机可满足安全悬挂要求。

2.4 仿形机构设计和仿真分析

由于玉米播种单体挂接在与刀轴总成刚性连接的机架上，增加了播种机的长度，旋转刀轴作业的振动颠覆会造成玉米漏播率提高，地面起伏不平会造成播深不一。因此，本设计增加了四杆仿形机构，一方面可减小机架振动对播种精度的影响，另一方面可实现播深一致。四杆机构各尺寸的大小需要按照当地实际的播种农艺要求及仿形量来决定，如图3所示。从图3可知，上下仿形机构总仿形量［8－9］为:

式中:H为总仿形量，mm;L为平行四杆的长度，mm;

一般播种机上牵引角α为0～10°，本设计上下仿形量各为50 mm，取牵引角为0°，可得，上仿形角 α2=15°，下仿形角 α1=15°，连杆距离 AD 约为190 mm，设计取杆长为200 mm。

图3 平行四杆机构上下仿形尺寸参数Fig.3 The upper and lower profile size parameters of parallel four bar mechanism

在Adams仿真软件中给机构添加约束和驱动，得到仿真曲线如图4所示。

图4 仿真结果曲线Fig.4 Curve of the simulation results

从图4可看出，四杆仿形机构的A点(MARKER3)是一条直线，说明在地面有起伏的情况下，不带仿形机构会使播深变化较大，D点(MARKER4)的曲线跟地形基本一致，使得开沟器可以开出深度一致的种沟，保证播深稳定。

3 田间试验

本机是在某定型小麦播种机结构基础研制而成，小麦播种试验符合国家有关标准。玉米播种试验在洛阳市孟津县农技推广站实验基地进行，玉米品种郑单958，行距600 mm。试验过程中样机平稳运转，工作安全可靠，能够有效完成开沟灭茬、施肥、播种、镇压等功能。田间试验数据［10］采集获得播种机各项工作性能参数如表1所示。

根据NY/T 1143—2006播种机质量评价技术规范［11－12］，播种机各项工作性能参数达到质量标准。本小麦玉米两用免耕施肥播种机与其他播种机相比，该机可有效的进行拨草，旋刀可以切断沟内的根茬，提高播种质量，播种后镇压成沟状，可以方便灌溉，排水防涝，蓄水保墒。

表1 播种机工作性能参数Table 1 Working performance parameters of seeder

4 结论

1)小麦玉米两用播种机可有效的完成灭茬、开沟施肥、播种、覆土镇压等功能，各项参数符合要求，符合了黄淮海一年两熟区的种植农艺要求。

2)小麦玉米两用播种机采用驱动轮前置的设计，可以保证驱动轮始终走在未耕过的土壤上，增大了与地面之间的摩擦力，从而减小打滑，分别实现了小麦玉米播种的机械传动路线，达到了一机两用的设计目标。

3)开沟灭茬播种机可以有效的切断沟内的根茬，提高播种质量，播种后镇压成沟状，不仅可蓄水保墒，而且可排水防涝。

4)小麦玉米播种机采用190～110 mm小麦种植模式，玉米600 mm等行距模式，实现小麦玉米机械化生产配套;一机两用，提高了机具的利用率，对一年两熟地区小麦玉米种植具有重要意义。

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