气吸组合式玉米、马铃薯播种机的结构设计

王金峰， 杨永发

(西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224)

研究与设计

气吸组合式玉米、马铃薯播种机的结构设计

王金峰， 杨永发

(西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224)

根据云南土壤的特性及农艺要求，结合该省不同地区的地形地貌，设计出一种适合云南玉米马铃薯种植的气吸组合式玉米、马铃薯精良播种机。对该播种机关键工作部件结构及作业参数进行理论分析，通过虚拟样机技术对该机进行虚拟装配，并对播种过程进行运动仿真分析，通过试验检验各组成部件设计的合理性及使用效果。

气吸式；精良播种；虚拟设计；试验

玉米、马铃薯是云南省的主要粮食作物，但其单产低于全国平均水平。由于云南地况比较复杂，大部分的玉米、马铃薯均种植在丘陵及坡地上，而且地块较小，大型玉米播种机械不能使用[1]；云南省的生产力水平相对较低，农民的支付能力不强，基本上还是沿用古老的牲畜加锄头的作业方式，劳动强度大，生产率低。随着生产生活方式的逐渐改变，农村剩余劳动力向城市转移，劳动力逐渐减少，因此急需开发适合云南山地的新型玉米、马铃薯播种机。现有的玉米、马铃薯播种机具大多采用机械式排种方式，容易伤种[2-3]。试验采用的脱毒微型马铃薯种和玉米种具有相似特性，种子一旦损伤将感染病毒，这样就失去了脱毒的意义。本文结合云南省马铃薯种植的具体情况，针对玉米和脱毒微型马铃薯种，设计出一种气吸式玉米、马铃薯播种机，以期为云南省的玉米-马铃薯播种机具开发提供参考。

1 玉米、马铃薯播种农艺技术要求

云南省马铃薯种植一般在二月中旬进行，玉米种植一般在七月上旬进行，田间农艺参数见表1。

表1 玉米、马铃薯双垄种植农艺参数 cm

根据田间农艺参数，采用单垄双行种植，玉米、马铃薯的播种株距分别为25～35 cm和15～20 cm；行距分别为40～50 cm和40～75 cm；大地轮的直径为80 cm，根据大地轮直径设计传动比，确定吸种器种盘的排种孔个数。

2 播种机结构及工作原理

玉米、马铃薯播种机结构简图如图1所示

图1 玉米、马铃薯播种机结构简图

作业时拖拉机通过连接架为播种机作业提供动力，拖拉机的输出轴与离心风机的输入轴相连，带动离心风机高速旋转，气流软管为气吸式吸种器提供负压，种箱内的种子经过输种管输送到吸种器的种子吸腔内。随着大地轮的行走，通过链轮传动，输入合适的传动比，同时也带动吸种器和刮种器转动，进行吸种和排种。随着刮种器的转动使种子落入开沟器内，进而落入土壤中，最后由覆土装置将土壤覆盖在种子上，至此完成一个播种过程[4-7]。

3 播种机关键参数的选择

3.1 传动比确定

机具作业时应保证吸种器与大地轮之间相应的传动比要求，以达到相应的株距，即大地轮转过一周，对应的吸种盘也应转过与之相应的圈数，这就要求吸种器种盘上的吸种孔数应与刮种器刮板数成一定的比例关系，以保证刮种器排出的每一粒种子均能准确落入开沟器内。为保证吸种盘具有足够的充种时间，吸种盘的转速应尽可能低些。本设计采用二级链传动方式进行传动，已知大地轮直径为80 cm，与其相连的链轮选择齿数为z1，带动支撑板上的链轮转动，形成一级传动，其链轮齿数为z2，支撑板链轮带动吸种器上的链轮转动，形成二级传动，吸种器链轮齿数为z3，则传动比i为：

大地轮走一周，吸种盘旋转1/i周。根据玉米的播种农艺要求，大地轮旋转一周的距离为Dπ，玉米、马铃薯的株距由表1可知为d，由此可知吸种孔的个数n为：

通过计算可知，玉米的吸种盘孔数为11，马铃薯吸种盘孔数为16。

3.2 吸种压力

根据经验，真空室压力是影响排种性能的关键因素，吸种盘要实现能够准确吸附每一粒种子，必须满足真空室的压力大于种子腔的大气压力与种子所受附加力的合力。压力越大吸种性能越好，但真空室压力过大可能会吸附多粒种子，造成重播现象。因此，计算出的真空室压力应比理论值稍大。

P·tanθ≥FN+mg+∑Fi

式中：P为排种孔上的正压力(N)；θ为种子与排种盘间的摩擦角(°)；m为种子质量；g为重力加速度(m/s2)；Fi为所受离心力、惯性力、种子群对种子摩擦力及压力的合力(N)。

3.3 播种机的运动轨迹

根据机具的模型参数，以作业垄面为X轴，垂直于垄面上方为Y轴建立坐标系，则穴播轮的运动方程为：

X=Rcos(ωt)+Vm·t

Y=R+sin(ωt)

求一阶导数后，可得X、Y轴向速度分量为：

则绝对速度为：

式中：R为穴播轮的半径(cm)；ω为穴播轮的角速度(rad)；Vm为牵引机具的前进速度(m/s)；t为时间(s)。

根据玉米、马铃薯播种农艺参数，由牵引机具的前进速度设置吸种器的相应转速，应用SoildWorks进行运动学仿真。虽然玉米、马铃薯播种农艺参数不同，但均可通过更换吸种器的吸种盘来改变播种的株距。由大地轮提供动力，通过计算，大地轮每行走一周，玉米吸种盘旋转11个吸种孔的距离，马铃薯吸种盘旋转16个吸种孔的距离。大地轮的直径为80 cm，吸种盘的直径为30 cm，则玉米株距为30 cm，马铃薯株距为18 cm。种子通过吸种盘时相对机具做匀速圆周运动，经过刮种器时做自由落体运动，从吸种到落种通过软件模拟分析轨迹如图2和图3所示。

图2 工作时玉米种子运动轨迹

图3 工作时马铃薯薯种运动轨迹

4 播种机田间试验分析

播种率是保证播种效果的最重要衡量指标，故确定本次试验的目标为播种率y(反映穴播株距、穴粒数与覆膜质量等的综合指标)。吸种盘的转速N和真空室内负压P是影响播种质量的重要因素，在实际生产作业中与云南省曲靖市模具三厂协作进行样机的试验，试验结果见表2和表3。

通过试验结果分析可知，吸种盘转速越低，真空室内负压越大，则播种效率越高；随着吸种盘转速的增加，机械振动增大，吸种能力下降，播种率随之降低。

表2 玉米播种试验方案及结果

表3 马铃薯播种试验及结果

转速N/r·min-1压强P/MPa播种率/%转速N/r·min-1压强P/MPa播种率/%533085.4540594.61534587.21539093.42536090.12537591.53537592.53536089.24539091.34534587.15040587.85033083.1

5 结论

(1)设计了一种适合云南地形地貌和农艺要求的气吸式精量播种机，减轻了农民的劳动强度，提高了播种效率，有助于增加农民收入。

(2)通过更换吸种器上的吸种盘，达到既可以播种玉米，又可以播种脱毒微型马铃薯的目的，简单方便，提高农机利用率，一机多用，节约购机成本。

(3)通过试验，得到影响播种质量的关键技术参数，有助于对机具做进一步的优化设计。

[1] 唐庆海，赵庆城.我国机械播种技术与播种机械发展概况与趋势[J].河北农业技术师范学院学报，1994(3)：53-55.

[2] 温莉萍.精量播种机械化技术现状及其发展[J].农村牧区机械化，2007(24)：36-37.

[3] 程兴田.播种机械的现状与发展前景[J].农机与食品机械，1999(6)：25—26.

[4] 刘文忠，赵满全，王文明.气吸式排种装置排种性能试验研究[J].农机化研究，2009(9)：152-156.

[5] 王保帅，杨永发，张帅，等.气吸式玉米膜上精量穴播机的设计与分析[J].林业机械与木工设备，2016，44(1)：25-28.

[6] 邱兵，陈忠慧.气吸振动式秧盘精播机振动部件的改进设计[J].农机化研究，2002(2)：66-67.

[7] 栾明川，王延耀.气吸式花生排种器排种性能的研究[J].莱阳农学院学报，1996，13(3)：233-236.

(责任编辑 张雅芳)

Structural Design of Air Suction-type Combined Maize and Potato Planter

WANG Jin-feng， YANG Yong-fa

(College of Machinery and Transportation，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China)

According to the characteristics of soil in Yunnan and agronomic requirements，coupled with the geographical features of different areas in this province，an air-suction type combined planter suitable for maize and potato planting in Yunnan is designed.Theoretical analysis of the structure and working parameters of key working parts of the planter is conducted and virtual assembly of this machine is conducted using virtual prototyping technology.The motion simulation analysis of the planting process is conducted and the rationality and the effect of the components are inspected through tests.

air suction type；precision seeding；virtual design；test

2016-11-02

云南省教育厅科学研究基金项目(2012Z070)；云南省科技厅支持项目(2011CF007)

王金峰(1989-)，河南商丘人，硕士，主要从事机械制造及自动化的研究，E-mail：1610174268@qq.com。

S776.24

A

2095-2953(2017)02-0025-03