倒挂式圆管气吸玉米免耕精密播种机的研制

王洪伟，张晋国，史智兴，赵晓顺

(河北农业大学 a.机电工程学院；b.信息科学与技术学院，河北 保定　071001)



倒挂式圆管气吸玉米免耕精密播种机的研制

王洪伟a，张晋国a，史智兴b，赵晓顺a

(河北农业大学 a.机电工程学院；b.信息科学与技术学院，河北 保定071001)

摘要：根据我国当前玉米播种机械的现状，为适应玉米播种精密化作业的要求，需要研制一种结构简单、成本低的新型气吸式精密播种机。为此，以垂直圆盘气吸式精密播种机为基础，介绍了一种圆管式玉米免耕精密播种机的结构、工作原理和主要创新特点。该机采用倒挂的圆管结构作为排种器，能有效解决传统圆盘式气吸排种器的缺点，具有质量小、结构简单、操作方便、经济性好及田间通过性好等优点，具有推广和理论价值。

关键词：玉米；免耕精密播种；圆管气吸；倒挂式

0引言

近年来，在我国大力发展“三农”有关政策的驱动下，各种有关播种的机械的发展速度异常迅猛，作为我国玉米种植产业机械化科研项目重要一环的玉米播种机械的研发得到各级政府的大力支持。它一般由拖拉机悬挂进行工作，能够很方便地在我国北方平原地区进行作业，是当前我国北方旱地应用最好的农业机械之一。玉米作为我国的粮食和饲料作物,在我国农村作物经济体系中占很大的比重，玉米播种面积和总产量都居世界第2位。当前，我国农村经济也正面临着由落后的计划农业向现代科技农业转变的历史时期,玉米种植机械化是其重要的组成部分[1]。

目前，我国播种机大范围使用的排种器为机械式排种器，缺陷是对种子尺寸要求严格、作业速度较低。与传统的机械式精密排种器相比,气力式排种器具有播种量少、不损害种子及田间播种速度高诸多优势,且对种子外形、形状及质量要求不严格,不损害种子外皮,容易满足现阶段要求的单粒播种的农艺要求。虽其通用性好、田间播种速度提高潜力大[2]，但应用于玉米精密播种机的气力式排种器一般为垂直圆盘结构，这类排种器一般要求1个播种行布置1个,结构臃肿、需要风机的旋转扭矩力大、气道管道布置庞杂、气密性不好、风机压力损失大,一般需要较大功率的风机来完成驱动与播种任务[3]。

课题组从2004年开始研究玉米小麦两用圆管式气吸排种装置，并已申请国家专利(专利号：200410046058.6)。目前，以此为基础研制出了圆管孔眼式小麦气吸排种器、新型缝隙式小麦气吸排种器、气吸式小麦精密播种机缝隙式排种器等多种排种装置。2008年，研制的玉米精播机圆管式气吸排种装置的圆管排种器是安装在播种机机架上方，排种管吸附的种子经投种器刮离排种管，种子在落入种沟前会与漏斗和输种管内壁多次随机碰撞，导致种子落入种沟后的粒距不均匀，不能满足单粒精播的农艺要求这一缺陷。为此，研制一种倒挂式圆管气吸精密播种机，简化了气吸播种机结构，降低了造价、提高了播种作业速度和播种质量。其经济性好，市场潜力大，对加速农业机械化进程具有重大意义[4-6]。

1气吸式玉米免耕精密播种机研究现状

我国精量播种机械的研制已经取得了较快发展,研究的原理、结构异常多样。除了研究小麦、萝卜、甜菜等重要作物的精量播种以外,还研究了花生、土豆、谷子等的精量播种,多数排种器台架试验研究效果好,但应用于田间实际的较少。实际应用的精密播种机还处于机型老旧、种类少和性能低下的状态,亟待进一步改进与完善。

近几年，我国的气力式精密播种机的研究与推广都进入了一个发展较快的历史时期,许多高校与农机研究机构研制了多类型的精量播种机械。例如，ZBQ-M3型免耕施肥气力式精量播种机械采用气吸式,不损害种子,可以播有种子包衣的各类形状规则种子,催芽播种和一次性正侧深施肥等都达到了科学种田的高要求。此外，更换排种器的尺寸和链轮及改变风机功率，还可进行小麦、谷子、油菜、高粱、向日葵等作物的单粒精量的穴播或条播；田间播种即可完成切茎与破茬、开沟与作种床、播种与施肥及种床镇压等工序。该机的主要适用于我国东三省的播种作业。

河北农哈哈农机有限公司研制的ZBYQF一4玉米气吸播种机采用了传统的垂直圆盘气吸式播种方式,能够达到农艺上要求的单粒精量播种。该播种机采用排种器独立安装,行距可变,多级变速,达到玉米株距均匀的要求；最新式开沟器阻力小,四连杆单体仿形的结构可满足播种机在各类型地块都能仿形,播种入土深度一致;采用新式风机传动形式，结构紧凑，传动机械效率高；应用范围大,达到了我国北方早田播种作业的农艺要求,播种株距、深度、行距、单粒性都能依据不同地块不同作物快捷的进行调节；对玉米尺寸的几何外观要求不严,平均直径在6～8mm都可以正常作业,且苗高齐整,单产相对其它排种器增收5%左右。

西北农业大学分析了国外农机公司的气力式精密播种机的双吸盘排种器,介绍了该型排种器的大体结构及排种过程,了解了其主要工作部件的构造及几何参数,其排种性能高于传统的机械式,且播种作业速度高、粒距均匀性好,满足农艺上要求的精密播种,但是大面积应用还需时间。

总之,气力式播种机在我国发展较慢,大多是从外国引进改进的,而且只能适用于小田块作业[7]。

2整机结构及工作原理

2.1新旧圆管气吸排种器的播种机设计对比

2008年研制的圆管气吸排种器是安装在播种机机架上方(见图1)，排种管吸附的种子经投种器刮离排种管，种子在落入种沟前会与漏斗和输种管内壁多次随机碰撞，导致种子落入种沟后的粒距不均匀，不能满足单粒精播的农艺要求。

为解决种子下落过程中与接种漏斗、输种管等输种装置的随机碰撞造成的粒距不均匀的缺陷，本课题组一直尝试把圆管排种器与地面的距离缩短，减少种子在下落过程中的随机碰撞。为此，在已有圆管气吸播种机(圆管排种器高于机架)基础上，降低圆管高度，设计了倒挂式圆管气吸播种机，如图2所示[8]。

降低排种管高度带来了一系列问题：①排种器高度降低造成下部空间变得拥挤，原有种箱由于上方镇压轮的限制，已不能安装于改进后的机架，需重新设计一种箱；②为尽量降低排种管高度，需要重新设计机架；③排种器紧邻土地表面，为适应免耕秸秆覆盖条件下的播种作业，需要考虑秸秆堵塞所带来的问题；④排种器安装于机架下方，造成下部空间狭小不利于播种过程中的操作及后期维修与装配，需要合理设计与装配各零部件的大小与体积。

1.主机架　2.种箱　3.排种器

1.排种器机架　2.主机架　3.种沟开沟器

2.2倒挂式圆管气吸播种机整机结构

该型玉米气吸式精密播机由开沟(种沟、肥沟)覆土装置、机架(主机架、排种器机架)、圆管气吸排种器、种箱、排种盒、整形镇压装置、风机及防秸秆护板等组成，如图3所示。

该装置改变了传统的播种机机架结构，采用一种倒立式的结构方案，在播种机原有的机架(本文中称为主机架)的两个侧横梁底部焊接排种管机架，包括排种管机架斜梁、排种管机架侧横梁、排种管机架后横梁和排种管机架前横梁。排种管两端的支撑轴承座倒挂安装于排种管机架侧横梁；与播种行对应的种箱安装在排种管机架后横梁；种箱的下边沿安装分叉楔形板刮种器；防秸秆护板安装在排种管机架前横梁；排种管的驱动链轮安装在排种管轴头，两根风机软管分别从排种管两端插入排种管内孔。

1.风机总成　2.肥箱及排肥器总成　3.悬挂总成　4.主机架

2.3圆管气吸播种机工作原理

播种机播种作业的方向如图4上方箭头所示，排种管旋转方向如箭头所示。

1.主机架　2.排种器机架　3.排种器安装轴承

种箱内的种子经过排种盒到达充种区后被旋转的排种管吸种孔吸附而分离出来。排种管吸附的种子随排种管旋转，经安装于排种盒出种口的清种刷清理吸种孔处多余种子后，吸孔处只剩1粒种子。当种子到达排种管外圆周的最低点时，被分叉楔形板投种器刮落，经过种沟护板直接落入种沟底部。其省去了接种漏斗、输种管等输种装置，避免了种子下落过程中与输种装置的随机碰撞，种子落入种沟后有良好的粒距均匀性，达到单粒播种下的粒距均匀性要求[8-9]。

3关键部件的设计与研究

3.1机架的设计

针对原播种机的不足，结合本课题组的气吸圆管排种器，设计一种结构使吸种管倒挂的机架，以已有的垂直圆盘播种机机架为基础，重新设计了圆管气吸排种器的机架，使圆管气吸排种器位于机架下方,省去了接种漏斗、输种管等装置,种子经投种器刮落后直接落入种沟，消除种子与输种装置的随机碰撞，保证了种子落入种沟后的粒距均匀性，如图5所示。

1.主机架　2.排种管机架前横梁　3.排种管机架斜梁

3.2圆管排种器的选用与气道连接的改进

选用管径为90mm、圆周度好、长度等于播种机作业宽度的钢质管材作为排种管,用焊接的两个轴承头及配套轴承座,倒挂安装在排种器机架上。沿排种管的轴线按播种行距(600mm)确定吸附玉米孔的位置及大小,在管壁上沿着圆周方向钻出若干个孔均布于圆周作为吸种孔，吸种管外圆加工出轴承和链轮的安装位置,以前采用的结构形式是直接把风机软管插入排种圆管，漏气损失大；改进后的结构选用规格为HD-25连接螺纹头内径为25的旋转接头采用螺纹连接的方式与圆管排种器连接起来，选择接头另一端接风机软管。风机转动使排种管内部处于真空状态,配合种箱及种盒总成可以使吸种孔吸附种子[8]。

传统的气力式垂直圆盘的播种机的排种器是相互独立的，需要通过独立的风机软管运输气体,结构复杂、气压损失大;倒挂式圆管气吸播种机仅用一根圆管作为排种器,可实现多行播种,改进了气道结构,减少了气体泄漏,可降低负压风机功率。

1.机架　2.排种器　3.驱动链轮

3.3种箱与排种盒的改进设计

种子由盛种的种箱进入与排种管直接接触的排种盒，风机的转动使排种管产生负压，种子在吸种孔附近负压的作用下吸附在排种管上随着排种管的转动到达排种管底部后经投种器刮落后落入种沟。该部分设计包括两部分: 种盒与分叉跨立式种箱。种盒上加工有安装螺钉孔，通过螺钉安装于排种器机架后横梁，并有种箱安装孔，通过螺钉连接种箱与种盒。种盒的排种口为半径为15mm的半圆弧，并在种盒内部加工出安装清种刷的位置；分叉锲形板投种器通过螺钉安装于种盒底部，投种器豁口与圆管排种器最底部的吸种孔相对应。种盒结构简图如图7所示。

1.种盒安装螺孔　2.种箱安装螺孔　3.清种刷安装孔　4.排种口

为达到良好的充种效果，保证充种区与圆管排种器的圆弧面很好配合，在种箱下部与吸种管接触部位设计安装一种盒。该种盒包括分叉锲形刮种板、清种刷，两者与种盒装配一起，结构紧凑简单、方便拆装调试。2008年研制的基于圆管气吸排种器的整机，排种器高于机架,相应的投种位置结构示意图如图8所示。其投种位置位于接种漏斗正上方，种子被刮落后，投种位置至充种区这一段距离会出现吸种孔处于未吸附状态，造成气压损失，密封性不好。为保证每个吸种孔处于吸附种子状态，重新设计的种盒结构投种位置位于排种管最低端，保证了种子被刮落后吸种孔会马上进入充种区重新吸附种子保证每个吸种孔始终处于吸附状态，气密性较好。种盒与分叉跨立式种箱通过螺钉相连，装配结构如图9所示。

1.种箱　2.被吸附种子　3.排种管　4.投种位置

1.种箱　2.种盒　3.吸种管

分叉跨立式种箱与种盒为可拆卸式设计，便于使用过程中的安装调试与装配；同时，种箱下部分别连接两个种盒，两行共用1个种箱，简化了种箱结构。

4防堵装置的设计与研究

为了适应免耕秸秆覆盖条件下的播种作业、消除排种管降低带来的秸秆堵塞的问题，在结构设计上采取相应措施，如图10、图11所示。

图10　防秸秆护板

1.肥管　2.排种器机架斜梁　3.排种器机架前横梁　4.种沟开沟器

防秸秆护板选用了厚度适中的钢板，为在装配时与镇压装置及种箱相配合，防秸秆护板采用了较为简单的螺钉安装方式，可与镇压装置共同仿形，防止因堵塞秸秆太多导致护板变形。

1)采用排种管倒挂安装，相对于排种管安装在机架上方，可使排种管机架高于排种管。

2)排种管机架前横梁与排种管机架斜梁构成一个平面，用于安装与播种机机架宽度等宽的防秸秆护板，在播种机作业行进过程中可以起到下压秸秆的作用，避免排种管及排种管驱动链轮接触和缠绕秸秆。防秸秆护板的上沿以不影响肥管的布置为度，防秸秆护板的下沿要低于排种管的最低点，与种子开沟器的种沟护板的上沿对齐为度。

3)排种管机架通过排种管机架斜梁焊接在主机架上，比采用立梁垂直焊接的结构能够更好地避免挂带秸秆。

5结论

1)关键部件都以结构简单、耗材少为设计选用目标，利于后期加工与装配，节约成本，降低造价。

2)采用圆管排种器倒挂的机架结构，不仅省去接种漏斗、输种管等部件，简化了整机结构，而且避免了与输种管等部件的随机碰撞。

3)田间试验表明：该型播种机械较垂直圆盘式的播种机在粒距上有显著改善。

4)初步设计的整机采用两行共用1个种箱的方式，简化播种机结构。

5)与垂直圆盘播种机相比，该型播种机降低了风机功率及风压损失。

参考文献：

[1]廖庆喜,黄海东,吴福通.国玉米精密播种机械化的现状与发展趋势[J].农业装备技术,2006,32(l):36-38.

[2]陈立东,何堤.精密排种器的现状及发展方向[J].农机化研究,2006(4):16-18.

[3]马连元.内侧充种垂直圆盘排种器结构、原理和应用[J].农业机械学报,1996,27(3):43-47.

[4]马立,张晋国.圆管孔眼式小麦气吸排种器的设计[J].农机化研究,2010,32(6):97-100.

[5]张晋国,马立,史智兴.新型缝隙式小麦气吸排种器的设计[J].农机化研究,2010,32(4):69-71.

[6]陈凤燕.气吸式小麦精密播种机缝隙式排种器的设计与研究[D].保定:河北农业大学,2011.

[7]徐正林.关于气吸精密播种有关问题的研究[J].山西农业大学学报，1996,16(2):21-22.

[8]孙松涛，史智兴，张晋国，等.玉米精播机圆管式气吸排种装置实验研究[J].农机化研究，2008(11):146-148.

[9]国家标准局.GB/T6913-1986单粒(精密)播种机试验方法[S].北京:中国标准出版社,1987:16-18.

Inversion Type Circular Tube Suction No-till Corn Precision Planter

Wang Hongweia， Zhang Jinguoa， Shi Zhixingb, Zhao Xiaoshuna

(a.College of Mechanical and Electrical Engineering; b.College of Information Science and Technology, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001,China)

Abstract：Analysis of the current situation of com planting mechanization in China, in order to adapt to the corn sowing precision work requirements, development of a simple structure need, model of pneumatic precision seeder with low cost. This paper is based on the vertical plate pneumatic precision seeder, introduces the structure of a circular tube type maize no tillage precision seeder, the working principle and the main innovative characteristics. The machine adopts a circular tube structure upside down as a metering device, can effectively solve the traditional disk type air suction seed metering device shortcomings, with the quality of small, simple structure, convenient operation, good economy, the field through the other advantages, has broad application and scientific theory of value.

Key words：corn; no tillage precision seeder; gas suction pipe; upside down type

文章编号：1003-188X(2016)04-0113-05

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

作者简介：王洪伟(1988-)，男，山东菏泽人，硕士研究生， (E-mail)779134485@qq. com。通讯作者：张晋国(1957-)，男，石家庄人，教授，博士生导师，(E-mail) zhangjinguo@hebau.edu.cn。

基金项目：河北省人力资源和社会保障厅河北省高层次人才项目(201304203)

收稿日期：2015-03-17