倒挂式圆管气吸玉米免耕精播机的试验研究

王洪伟，史智兴，张晋国，赵晓顺，周国龙，李剑锋

1.河北农业大学机电工程学院，河北保定071001

2.河北农业大学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播机的试验研究

王洪伟1，史智兴2*，张晋国1，赵晓顺1，周国龙1，李剑锋1

1.河北农业大学机电工程学院，河北保定071001

2.河北农业大学信息科学与技术学院，河北保定071001

针对目前圆盘气吸式播种机存在的气道结构庞杂、风压损失大、动力损耗大的缺陷；以圆管气吸式排种装置为基础研制的倒挂气吸式玉米精密播种机。通过播种机的排种试验测得播种机排种负压值3.8 kPa、漏播指数3.75%、重播指数8.33%、粒距合格率87.5%、合格粒距变异系数25.7、播种深度平均值42.76 mm、播深合格率87%。与2BYQFH-4垂直圆盘气吸播种机相比，气道结构简单、所需动力小，简化排种器结构，减少气压损失环节，降低风机功率；相关技术指标均达到国家标准，种子破损率低、播深一致、排肥稳定、播种均匀、可实现单粒精密播种。

气吸式；免耕播种机；性能试验

在全世界，玉米的种植面积已达到2.0×109hm2，而玉米总产量则超过6.000×1011kg，我国玉米产量更是占全世界的22.4%以上，居世界第二［1］。最近几年来，为提高粮食的总产量，政府大力发展农业机械化并得到了很大的推广。

现代精准农业里的精量播种技术不仅能够节约种子、大幅减少间苗、定苗的工作量，且能有效降低土壤肥力的浪费，极大的增大农作物的产量［2］。而对于玉米精播机来说，气力式排种器的最大的优势是对种子的尺寸、形状要求不高，且伤种少，易达到单粒点播，通用性好，经济适用［3，4］。

我国目前玉米精播机的气力式排种器基本上是垂直圆盘结构的。这种结构需要每个播种行一个排种器，结构臃肿、需要的驱动力大，吸气管道复杂、漏气环节多、风压损失大，需要大功率的风机来完成播种任务［5］。

课题组从2004年开始研制圆管气吸式玉米小麦两用精密排种器，至今已研究设计出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，以此为基础改进设计方案，试制一台结构采取圆管排种器倒挂安装的播种机，排种器紧邻地表，种子经投种机构刮落后直接落入种沟，省去接种漏斗、输种管等中间结构避免种子下落过程中的随机碰撞，经田间实验验证满足农艺要求的单粒距均匀性，田间查苗分析其播深合格率，种子破损率满足有关国家标准；简化吸气管道，减少气体泄漏，有效降低负压及风机功率［6］。

1　倒挂式圆管气吸玉米免耕精密播种机简介

1.1整机结构设计

图1为倒挂式圆管气吸玉米免耕精密播种机的整机结构简图。采用了目前机动性较好的三点悬挂链接方式。其主要构造包括：风机传动装置；（1）悬挂装置；（2）主机架；（3）排种器机架；（4）肥沟开沟器；（5）种沟开沟器；（6）防秸秆护板；（7）排种器；（8）镇压装置；（9）种箱及排种盒；（10）排肥器；（11）等部件组成。可实现在秸秆覆盖田间的免耕播种施肥作业。

图1　整机结构简图Fig.1 The machine diagram

1.2工作原理及工作过程

播种时，圆管排种器在地轮驱动下转动（其链轮可与变速齿轮箱链接以便进行株距的调整），背负式风机在拖拉机后动力输出轴驱动下转动，通过风机软管使圆管内产生负压。在负压作用下，排种盒内种子被吸附在圆管吸附孔上，此时，排种盒内的种子数量变少，而种箱内的种子则在其自身重力作用下自流到排种盒用以补充排种盒内的空缺避免排种器漏吸现象；同时，在位于排种盒排种口的清种刷的作用下，吸附孔上只剩一粒种子，随着排种管的转动到达种盒底部的投种位置，经分叉锲形板投种器刮落后直接落入种沟。避免了种子与中间输种装置的随机碰撞。同时排肥器在安装于地轮的驱动链轮的带动下搅动肥料进行排肥作业；位于肥沟开沟器后方的覆土片对肥沟内的肥料进行覆土，完成施肥过程。排种器排种精度高，单粒率、粒距均匀性、种子破损率等都能达到农艺上要求的精播要求。

图2　排种原理图Fig.2 The image of metering principle

2　播种机的主要参数及主要技术优势

2.1整机主要技术参数

排种器为播种效率高、不伤种的的气力式排种器，种沟开沟器与肥沟开沟器选用了窄箭铲式开沟器，可满足免耕地块的播种要求；采用外槽轮式排肥器，其具有结构简单，工作可靠，通用性好，排量调节简单方便等诸多优点；播肥深度：与种子间距50 mm，种箱容量50 L，排种盒容量2 L。其主要的技术参数如表1所示。

表1　主要技术参数Table 1 The main technical parameters

2.2与2BYQFH-4免耕气吸式玉米播种机的技术优势

与农哈哈2BYQFH-4免耕气吸式玉米播种机相比，本机选用一管径为90 mm、圆周度好，长度等于播种机作业宽度的钢质管材作为排种器—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（本文为600 mm）确定吸附玉米孔的位置以及大小，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（本机为6个吸气孔，孔径为4 mm）；即为一个排种圆管开出四个播种行［6］。吸种管外圆加工出轴承和链轮的安装位置，选用规格为HD-25连接螺纹头内径为25的气动旋转接头采用螺纹连接的方式与排种器连接，旋转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（图3），配合种箱及种盒总成可以使吸种孔吸附种子。相比垂直圆盘结构的气吸式排种器的一个排种器需要链接一个风机管道软管，该型播种机只需两端与气动旋转接头套接两个软管；减少了漏气环节，简化管道结构且由于排种圆管内腔小相应需要的负压也小；相比垂直圆盘式气吸排种器能有效减少负压损失进而降低风机功率。本机试验是以农哈哈的2BYQFH-4免耕气吸玉米播种机为对照，该型播种机为4行的垂直圆盘气吸式播种机；经查阅其产品说明书及后期对比播种试验得到以下数据：其所需配套动力为29.84-44.76 kW，相应风机转速则达到了4800～5500 rpm /min；管道庞杂，漏气环节多，风压损失大相应需要拖拉机动力大；由本机主要技术参数及圆管气道结构：其在气道链接结构，拖拉机动力，风机转速等方面明显优于该型播种机。

图3　圆管气道布置简图Fig.3 The layout of circular tube airway

2014年，课题组在保定市飞达农机公司完成了第一代样机制作；并于2015年五月份后根据其存在缺陷改进其主机架及排种器机架结构、气道连接方式、排种盒及种箱等结构完成二代样机制造，在飞达农机厂房内及其试验田进行了整机的吸排种效果的测试，试验设备包括拖拉机及配套风机、YEJ-101型矩形膜盒压力表、DT2235B接触式转速表、玉米种子等。经实地田间播种试验测得该型排种器在改进气道连接方式后的满足吸排种要求的风压值为3.8 kPa；相应风机转速为（1962～3800）rpm/min，结合本课题组08年对该圆管排种器所做的相关室内台架排种试验，正交试验结果显示在孔径为4 mm、负压为3.0 kPa时对应排种效果最好；但在本机实际田间作业过程中与台架试验作业环境有很大不同，且气道的连接结构也不同；同时所得数据也同样受种子品种、种子的均匀性、操作熟练程度等影响；因此，所得数据有一定差异性。后期进一步对其不足的地方进行改进［7］。

3　播种机的田间性能试验分析

研究制造过程中，课题组设计并完成了两次田间试验（包括动态试验与静态试验）。第一次（静态）进行了初步的播种均匀性、种子破损率试验（未安装开沟装置），第二次（动态）在试验田进行了实际的播种试验；进行播种深度、施肥深度等试验，并进行出苗后的查苗，对株距进行二次测定以对第一次的粒距均匀性进行验证。

3.1田间粒距均匀性试验

试验以该倒挂式圆管气吸免耕精密播种机为样机在位于我国河北省保定市飞达农机的试验田进行了多次的播种实验。并选择同一地块，然后将其分为两块试验田；且两地块土壤特性基本相同，前茬及播种期相同，田间管理一致。采用倒挂式圆管气吸玉米免耕播种机进行播种试验。在播种之后20 d进行田间查苗。试验的播种地块为淮河平原的黄土地。试验的外部条件：土壤的含水率为40%，地表的坡度不大于50并且比较平坦。试验时的空气温度平均为260上下，为了更好地说明该型播种机的良好的通用性，选择悬浮速度、千粒重、外形尺寸具有代表性的玉米种子进行播种田间试验。本试验选用德利农988作为试验的玉米种子进行了播种试验。该品种穗轴白色、黄粒、半马齿形、出籽率87.7%，千粒重330 g，容重731 g/L，2008年经过了河北省农林科学院植物保护研究所抗病性接种鉴定分析；适合河北地区夏玉米区的播种。试验要求：（参照GB/T 6973-2005单粒（精密）播种机试验方法—附录E田间试验）粒距测定长度应大于规定所播种子的250粒距长度，依据最新国标田间试验要求机组的行进速度为设计值的中值为6 km/h，随机选取其中三个播种行，测定其粒距；首次播种测定应在播种开始20 m后进行，最后测定应在播种结束前20 m停止；为方便进行播种后粒距的测量，本次测定粒距均匀性试验过程中拆除了种沟开沟器及覆土装置，种子经投种器刮落后直接落入了地面的浅层土壤中；待样本数量达到测量标准后安装种沟开沟器及覆土装置进行下面播种深度、施肥深度等试验项目的测定。播种试验后记录播种后的试验数据［8］。

图4　机组作业图Fig.4 The planter in working

图5　粒距测定（黑色圈内为种子）Fig.5 The determination of seed distance

3.2播种质量、播种精度指标的计算

漏播和重播定义；理论上应该播一粒种子的地方而实际上没有种子称为漏播。统计计算时，凡种子粒距大于1.5倍理论粒距称为漏播。理论上应该播一粒种子的地方而实际上播下了两粒或多粒称为重播。统计计算时，凡种子粒距小于或等于0.5倍理论粒距称为重播［8］。

由本次设定播种机的理论粒距Xf为240 mm，有重播、漏播定义粒距大于或等于360 mm为漏播；小于或等于120 mm为重播；结合GB/T 6973-2005单粒（精密）播种机试验方法以及JB/T10293-200单粒（精密）播种机技术条件；算出粒距合格指数、重播指数、漏播指数三项反映播种质量的指标数据。并得出反映单粒精密播种机播种精度的指标数据：粒距平均值、标准差、合格粒距变异系数［9］。

（1）试验中在试验田的浅层土壤测量连续的250个粒距样本，并将样本以0.1 Xr的间隔分成区段。例如在Xr两边有如下区段：［0.9 Xr，Xr］；［Xr，1.1 Xr］；［1.1 Xr，1.2 Xr］等等。其中Xr表示理论粒距或者设计粒距。

绘制频率直方图如图6所示；（依据玉米单粒（精密）播种机试验方法GB/T6973-2005）以X为横坐标，相对频率Fi=ni/N为纵坐标，式中：N为试验测定的种子数。

（3）将整个粒距样本划分为下述区间：Xi∈（0，0.5），Xi∈（0.5，1.5），Xi∈（1.5，2.5），Xi∈（2.5，3.5），Xi∈（3.5，+00）

如果满足如下条件

（4）则可以确立一下等式

式中Xi取值（0.5，1.5］

（5）由上述反应播种质量指标

反应播种精度指标

式中Xi取值为（0.5，1.5］

样本区段内各个粒距（播行内相邻两粒种子间的距离）与测定位置编号之间的关系；本文用origin软件进行数据处理与拟合对应位置编号与测定样本粒距（包含理论粒距）关系图（图6）。

图6　测定位置与粒距关系拟合图Fig.6 The fitting relation between the position determination and the seed space

图7　频率直方图Fig.7 The frequency histogram

表2　播种质量指标（理论粒距为240 mm）Table 2 The index of sowing quality

表3　播种精度指标Table 3 The index of seeding precision

该型播种机的播种质量与播种精度指标均优于国家标准，是一款性能良好的玉米精密播种机械；且其免耕地块的作业效果也满足现阶段的播种要求；田间作业性能能够满足玉米免耕生产需要。

但由于在田间作业试验时，会受到人为、环境等因素的影响，同时所得数据也同样受种子品种、种子的均匀性、土壤特性、操作熟练程度等因素的影响；因此，有一定的差异性［10］。

3.3播种、施肥深度合格率、种子破损率试验

玉米的播种深度对后期玉米生长有很大影响。如果播种深度合理、一致性好则可以能够使玉米出苗整齐，幼苗健壮。播种太深，幼苗芽鞘较长，出苗较晚易长成弱苗；播种太浅，在土壤墒情较差的情况下，可能导致种子不发芽而造成缺苗现象。为满足免耕地块的播种要求，本机设计播种深度设计为3～8 cm［11］。

玉米单粒（精密）播种机试验方法GB/T6973-2005，检测设备包括秒表及卷尺；本次试验选取出苗后的幼苗进行播深测定，选取播种时任意四行或者沿播种幅宽按照‘S'型选取样本区段，每行选取25株幼苗进行播深测量；共选取四行则样本数为100株幼苗，然后计算播深合格率。

免耕施肥播种机GB/T20865-2007对各行排肥量一致性、总排量稳定性进行分析。采用目前广泛使用的外槽轮式排肥器；经查阅相关资料其排肥性能满足免耕条件下的排肥要求；免耕播种、施肥后，种子深度及合格率等测试结果如表4所示；结果表明，种子的平均播深为42.76，播深合格率为87%；整机设计合理。

表4　播深合格率、排肥性能Table 4 The percentage of sowing depth and distributing performance

对种子破损率的分析，设计采用的发明专利圆管气吸排种器的分叉锲形板刮种装置（图8），安装于排种盒内，其中刮种板的豁口与吸种孔对正。用以取代使用的刮种橡胶条，吸种孔上吸附的种子转到刮种板的薄位置时，种子两侧先与分叉锲形板两侧接触，随着排种器的转动，种子被其表面抬离了吸种孔，当高度一定时，种子受到吸附力变小而脱离进而落入种沟；由于刮种过程没有剪切作用消除了伤种问题，经后期静态、动态试验数据分析，在一定转速条件下，种子破损率可为0。

按照JB/T10293-2001单粒（精密）播种机技术条件，关于单粒（精密）播种机种子破损率要求气力式的种子破损率应小于等于0.5%。其满足国家标准，适应精密播种条件下的作业要求。为使该型机满足精密播种条件下的种子破损率的要求；在进行装配、调试播种机时，应按照加工装配精度要求进行操作。后期进行田间作业时，对其投种器豁口与吸种空的相对位置要按照投种及位置进行安装并紧固。

图8　分叉锲形板刮种装置Fig.8 The device of scraper

4　结论

（1）整机结构简单实用，满足吸种要求的最低负压为3.8 kPa，风机转速为1962～3800 rpm/min，气道结构及气道密封性明显优于传统的垂直圆盘气力式播种机；

（2）对精密播种机要求的粒距均匀性，通过降低排种器高度实现无输种装置，避免了种子下落过程中的随机碰撞而导致的粒距不均匀，经田间试验测得漏播指数3.75%、重播指数8.33%、粒距合格率87.5%、合格粒距变异系数25.7；其粒距均匀性满足国家标准要求；

（3）出苗后查苗情况分析数据，播种深度合格率87%，平均播深为42.76 mm，满足田间作业要求且实际作业安装限深调节装置可以根据不同播种要求对播深及施肥深度进行调节；

（4）采用伤种少、对种子尺寸要求低的气力式排种器，采用分叉锲形板投种器，一定转速条件下，种子破损率为0；满足国标关于气力式精密播种机种子破损率的要求；

（5）目前安装于排种盒内的清种刷清种效果不佳，没有达到现阶段单粒清种的预期效果；播种过程中会有两粒或两粒以上种子落入种沟；后期清种装置有待改进。

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［9］中华人民共和国国家监督检验检疫总局，中国国家标准化委员会.JB/T10293-2013单粒（精密）播种机技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2013

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Experimental Study on Corn No-till Precision Planter with Upside Down CircularAir Suction Tube

WANGHong-wei1，SHIZhi-xing2*，ZHANGJin-guo1，ZHAOXiao-shun1，ZHOUGuo-long1，LIJian-feng1
1.College of Mechanical and Electrical Engineering/Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China
2.College of Information Science and Technology/Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China

Aiming at the defects in the current circular pneumatic seeder，such as numerous and jumbled air passage，great wind pressure loss，and great power loss，it develops inverted air-suction corn precision seeder based on the circular tube air-suction seeding device.Through the seeding test of the seeder，it turns out that the negative pressure of the seeding is 3.8kPa.leak seed index of 3.75%，repeating seeding rate of 8.33%，qualified rate 87.5%between seeds，variation coefficient 25.7，average depth of 42.76 mm and qualified rate of 87%.Compared with 2BYQFH-4 vertical circular pneumatic seeder，it has simple air passage structure，requires small power，simplifies the structure of the seeder，reduces the air pressure loss，and reduces the fan power.The related technological indexes reach the national standards.Moreover，the breakage rate of the seeds becomes lower；the seeding depth is uniform；the fertilizer is stably ejected；the seeding is even.It can realize the precise seeding of the single grain.

Air suction；no-till planter；performance validation test

S223.2

A

1000-2324（2016）05-0720-06

2015-07-21

2015-12-28

“十二五”国家粮食丰产科技工程（2011BAD16B08）；河北省人力资源和社会保障厅河北省高层次人才资助项目：基于圆管式气吸排种器的玉米免耕施肥播种机开发研究（201304203）

王洪伟（1988-），男，山东东明县人，在读硕士研究生.E-mail：779134485@qq.com

Author for correspondence.E-mail：szx540105@yahoo.com.cn