气吸式花生精密播种机的研究

张甜甜，何晓宁，王延耀，尚书旗，王东伟，佟庆坦

(1.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109；2.山东省根茎类作物生产装备工程技术研究中心，山东 青岛 266109)



气吸式花生精密播种机的研究

张甜甜1,2，何晓宁1,2，王延耀1,2，尚书旗1,2，王东伟1,2，佟庆坦1,2

(1.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109；2.山东省根茎类作物生产装备工程技术研究中心，山东 青岛 266109)

为了实现垄作花生的精密播种，设计了气吸式精密排种器，其主要由本体、种杯、排种圆盘、搅种盘和尾风管组成[21]，通过排种圆盘上拨片的推动作用、搅种盘上搅种钮的搅动作用及尾风管的吹送作用，能够明显提高花生播种的双粒率，降低碎种率和漏播率，提高播种精度。同时，改进了播种机的行走装置，能够有效降低滑移率，保证播种机直线前进的稳定性。所设计的花生播种机主要由机架、悬挂装置、起垄装置、驱动装置、播种装置、施肥装置、喷药装置及覆膜装置等部分组成，集起垄、施肥、播种、喷药、滴灌带铺设、展膜、压膜、覆膜及膜上覆土等多道工序于一体，提高了花生的播种效率[4]。

播种机；花生；气吸式排种器；精密播种

0 引言

就目前总体花生生产的情况来看，国内花生播种机械化程度较其他农业发达国家仍有较大的差距。我国现阶段存在播种机械小型化、分散化等诸多问题，花生机械化播种精密程度偏低也是滞后我国花生播种机械行业高速发展的一个重要因素。针对以上问题，本文设计了一款高效气吸式花生精密播种机[21]，不仅能够实现2垄4行花生的筑垄、开种肥沟、播种施肥、喷药覆膜、压实地膜及膜上筑土带等功能[14]，且可保证花生的精密播种，在提高花生播种效率的同时，也达到了排种均匀、破碎率小及漏播率低等种植要求，实现了花生的精密播种。

1 总体结构及工作原理

该机主要由机架、悬挂装置、起垄装置、驱动装置、播种装置、施肥装置、喷药装置及覆膜装置等部分组成,其原理图的主视图、侧视图及三维立体图如图1、图2所示，其主要工作参数如表1所示。

该花生播种机与五征WZ350型拖拉机配合作业，正常作业时，播种机集土铲和筑土铲共同完成筑垄；肥料从肥箱流出经过排肥器调量后进入到开沟器，开沟器在挖开土层的同时将肥料埋入土中；与此同时，气吸式排种器排出种子落入到开沟器开好的种沟内。调节高度后的刮土轮轮条压入到土壤内部中种子的上面，随着机体前进将土壤均匀地覆盖到化肥和种子上，并将花生垄面整平。

1.悬挂装置 2.集土铲 3.开沟器 4.地轮 5.机架 6.喷药机构 7.刮土轮 8.安膜器 9.压膜辊 10.压膜轮 11.集土滚筒 12.覆土圆盘 13.排种器 14.风机

图2 气吸式花生精密播种机的三维装配图

项目单位参数整机尺寸(长×宽×高)mm2250×2000×1060配套动力kW19．7～25．7输出转速r/min1000作业效率hm2/h0．4～0．6适应膜宽mm800～900播种深度mm30～50播种行数行/幅2垄距mm750～900行距mm270株距mm15、16．5、17．5、18．5、19、20双粒率%≥98漏播率%≤1破碎率%≤0．1播种量kg/hm2195～270施肥量kg/hm2600～750喷药量kg/hm2450～750

与拖拉机连接的电动喷药泵分别连接药桶和喷药杆，通过电动喷药泵的加压使除草剂均匀地喷洒在花生种植的垄面上；地膜通过压膜辊的可活动性将塑料薄膜均匀展平，再由倾斜设置的压膜轮将花生垄面外的地膜压实。覆土圆盘将土壤掀起时，一部分土壤通过圆盘的推动作用进入到在垄面上滚动的集土滚筒内部，靠着呈螺旋线状排列的导土板的作用，形成筑土带。这样花生的种子发芽后可依靠自身的力量钻透地膜及膜上的筑土带，省去了人工打孔抠苗的麻烦，提高了出苗率。

不同的花生种植模式对其播种的株距有着不同的要求，有的要密，有的要疏，本文设计的花生播种机可以实现不同株距间的转换。排种器在链轮的带动下转动工作，在外界条件适宜的情况下，排种器上安装的排种圆盘转动的线速度决定了播种株距的大小。播种机上配套有15、17、18、19、20、21、22、23齿等不同齿数的链轮供选择安装，播种作业前根据需求调节可实现不同株距种植[23]。

2 作业部件及装置设计

2.1 气吸式排种器主要零部件的设计

播种装置是将花生种子有序地输送到种床上，完成种子入土，并根据播种要求有序排列，是播种工序的最重要环节。设计采用地轮驱动气吸式精密排种器，其结构及组成如图3所示。

1.链轮 2.螺栓紧固轴端挡圈 3.平键 4.排种器轴 5.轴承端盖 6.尾风管 7.本体 8.排种圆盘 9.搅种盘 10.轴端挡圈 11.紧固螺栓 12.种杯 13.底壳片 14.螺栓 15.螺母 16.轴承

图3 排种器结构图

Fig.3 Map of seeding opener

2.1.1 影响气吸式排种器性能的主要参数设定

气吸式排种器在外界条件基本一致的情况下，其排种性能还受到多方面的影响：如播种不同作物的种子时对应吸种孔的大小不一样，排种圆盘上每组吸种孔不同的排列方式也会对排种性能产生一定影响，排种盘转动线速度对其产生的影响也很重要。排种圆盘上吸种孔孔径的大小对漏播率影响显著，在排除搅种盘对漏播率的影响下，选取排种圆盘旋转线速度v(m/s)和吸种孔直径大小D(mm)两种情况进行正交试验，结果如图4所示[24]。

本设计试验所选用的花生品种为小白沙1016号，选用1 000粒，测得其长、宽、高的数值并取平均值，如表2所示。

图4 正交试验表

根据初步试验及结合花生播种的相关农艺要求，排种圆盘直径的选择一般在140～260mm范围之内，线速度选择一般在0.2～0.4m/s范围之内，吸种孔直径的选择一般在5.0～7.0mm范围之内，风机风压选择在6 000～8 000Pa范围之内。根据正交试验，各因素最佳理论值如表3所示。

表2 花生品种尺寸特征

M为平均值；δ为变异系数。

表3 影响排种器性能因素的最佳理论值表

本文设计的排种圆盘(见图5)直径为200mm，壁厚为1mm，为了增加其耐磨性，加工制造时选用GCr15为原材料。气吸式排种器可实现单粒种子及多粒种子的精密播种，由于垄作种植的花生要求每株播种两粒花生种子，并且两粒花生种子之间的距离要控制在一定范围之内，所以圆盘面上的每组吸种孔选择按照半径方向排列。

为了降低气吸式排种器的空穴率，在排种圆盘的吸种孔一侧设置有宽度和高度均为2mm的倾斜拨片，拨片的外端向转动方向倾斜，拨片与排种圆盘的中心线夹角β在0°～90°范围之间。图5标注的一组拨片与吸种孔之间的夹角为10°，拨片中心与排种圆盘中心的距离为85mm。当排种圆盘跟着排种轴一起转动时，种子在拨片的推力作用下向排种圆盘内部运动，这样花生种子的运动轨迹可以经过吸种孔，大大增加了种子吸附的概率，提高了排种器排种的稳定性和花生种植的经济效益。

图5 排种圆盘示意图

2.1.2 搅种盘的设计

本文设计的搅种盘盘面上设置有4个搅种钮，目的是为了使花生在搅种钮的推动下跟着搅种盘一起转动。由于气吸式排种器的本体和种杯是采用偏心配合的，而且排种器种杯上设置有落种区域，受到其空间的限制，设计时决定了搅种盘的直径不可能太大。本文设计的搅种盘为了减小对花生种子的损伤，选用黑色橡胶为原料加工制造，设计直径为70mm、厚度为3mm、中心孔半径16.5mm。搅种盘盘面上均布的4个搅种钮相互成90°夹角，搅种钮高度为4mm，上部呈半圆形，其结构如图6所示。

图6 搅种盘示意图

2.1.3 排种器本体的设计

排种器本体与圆盘相对转动的密封性对吸种的性能有重要影响[24]，所以设计出的本体一定要与各个零件紧密配合，增加真空区域的密封性，提高气吸式排种器的吸种能力。综合考虑排种器工作的安全性及加工的制造成本，排种器本体选用灰铸铁HT20来加工制造。

图7为气吸式排种器本体的俯视图及旋转剖视图。本体外环上部分为真空区，下部分为隔离区，在真空区最上端通风口处和隔离槽头部设置了一根尾风管。花生种子由负压吸附在排种盘的吸种孔并随之一起旋转[1]，当花生转到隔离区时种子失去负压作用，花生种子在自身重力及尾风管内风机尾风的吹送作用下，脱离排种圆盘落入开好的种沟内。

图7 气吸式排种器本体示意图

为了减少花生播种的空穴率，提高花生播种的工作质量，本设计在吸风口和隔离槽之间安装了一根尾风管。其工作原理是利用吸风机在吸风口排出的尾风对正好转动到隔离槽区的花生种子进行吹送，避免了隔离区的花生种子因为种衣剂粘连等原因造成的排种困难，以降低空穴率。所设计尾风管外圆直径10mm，壁厚2mm，中心距长度170mm。

2.2 驱动地轮的设计

地轮是播种机工作的主要部件，设计时不仅要求传动系统稳定可靠，且应尽量降低地轮与土壤接触时产生的滑移率。所以，要求设计的地轮能够有相对较低的滑移率，以保证花生播种机排种器的排种稳定性和播种穴距的精确性，设计方案如图8所示。

参考各播种机地轮相对于机架本身的高度，综合考虑花生播种的实际情况，初步设计地轮的轮辋直径为500mm，总宽度为40mm。为尽量节省加工材料，减少地轮的制造成本，设计的轮辐盘面上均布8个直径大小为100mm的圆。外轮圈与轮辐焊接在一块成60°夹角，两个对在一块用M8的螺栓螺母紧固成一个整体。地轮中间焊接有圆形套筒，上面加工有螺纹孔以此用螺栓来与地轮轴固定。地轮整体形状呈V形，在田间工作时，随着机组的前进，地轮对地面形成挤压作用，不仅起到很好的保水保墒作用，其直线行驶的稳定性也较好，减少了地轮的滑移率。

图8 驱动地轮三维示意图

2.3 膜上覆土滚筒的设计

为了省去花生出芽后人工扣膜的麻烦，本文设计了具有连续覆土功能的集土滚筒。花生播种机在田间作业铺上薄膜，经过压膜堒的碾压过后，覆土圆盘与土壤接触推动土壤进入膜上覆土滚筒内部，随着螺旋线导土板推动下，均匀地撒在种子带上方，花生的种芽可依靠自身的力量钻透地膜及膜上的筑土带，省去了人工打孔抠苗的麻烦，提高了出苗率。其设计结构如图9所示。

1.导土板 2.连接轴 3.支撑座 4.集土滚筒拉杆 5.外滚筒 6.滚筒连接杆 7.开口销 8.圆套筒 9.平垫圈 10.内滚筒图

对膜上覆土滚筒进行设计时，滚筒连接杆之间的距离与花生行距相等，设计为270mm。当整机装配时，应保证集土滚筒连接杆的中心处、开沟器所开种沟的中心处，以及排种器落种口在一条直线上。集土滚筒的主要部件是在外滚筒内部倾斜焊接的导土板，导土板的焊接数量及焊接角度的不同都会对膜上覆土量的多少造成影响。为增加集土滚筒的作业效果，尽量减少花生播种机加工制造成本，所设计的导土板选用厚度为1.5mm的薄板。经过理论分析，对集土滚筒进行焊接装配时，选用3个导土板并成45°焊接时，所形成的筑土带质量最好。

3 整机传动比的确定

为了满足花生覆膜播种机在田间作业时所需要的动力需求，达到最佳的工作性能及相关工作指标，符合花生播种的农艺要求，首先要确定好播种机各个传动系统的传动比[22]。

3.1 排种器传动比的确定

花生播种的穴距与排种器的传动比有关。根据不同地区所需要播种穴距的不同，本文设计的花生覆膜播种机要求能够实现L=15、16.5、17.5、18.5、19.5、20cm等多个不同的株距，先以株距为L=20cm为例来设计计算。

前文设计排种圆盘的盘面上共设计了10组排种孔，花生播种的穴距为L=20cm，排种圆盘转1周，机架走过的距离为200cm，而地轮的设计直径为D1=50cm。考虑到地轮的打滑率，则有

(1)

式中 n1—地轮轴转速；

n2—排种轴转速。

10n2L·(1-δ)=n1πD

(2)

式中 L—花生播种株距；

δ—地轮的滑移率；

D—地轮的直径。

为了实现L=15、16.5、17.5、18.5、19cm等几个株距，本设计在不更换地轮轴18齿链轮的基础上，只需相应的把排种器链轮换成17、19、20、21、22齿即可，如表4所示。例如，将排种圆盘的盘面吸种孔数改成9组，采用20/18的传动比，可以实现株距为19.5cm的播种要求。

表4 株距与传动比的关系

3.2 排肥轴传动比的确定

旋转排肥调节器可以控制排肥量的多少。考虑到花生播种机的制造成本及排肥轴直径不大，本设计选用15齿链轮。由公式算得其传动比为

(3)

其中，z1为地轮轴链轮齿数；z3为排肥轴链轮齿数。

3.3 风机传动比的确定

本文所用风机的机体是选用外厂生产的，采购价格在200～300元之间，安装时对其传动系统和支撑部分进行了设计和计算。拖拉机后输出轴标定转速分别为540、1 000r/min两挡，由于风机要求转速为5 000r/min，考虑到传动比过大会降低传动的稳定性，所以本文确定采用二级提速，选用1 000r/min。

考虑到拖拉机后输出轴的输出位置及花生播种机的零部件整体布局，风机传动先采用V带横向传动，传动比设定为i3=D4/D5=2∶1；接着采用齿轮传动，传动比设定为i4=z7/z6=2.5∶1。考虑到传动的稳定性，选用小齿轮齿数z6=20，则由传动比算出大齿轮的齿数z7=50。

4 田间试验与分析

4.1 田间试验设计

1)试验地点：山东省莱阳市团旺镇试验示范基地。

2)田间调查及测定项目：播种穴距均匀性，播种深度均匀性，垄距均匀性，双粒率，空穴率，重播率，出苗率。

3)试验对象及条件：配套动力为五征WZ350型拖拉机，花生品种选用小白沙1016。播种试验按照《NYT987-2006铺膜穴播机作业质量》来对机具进行检测。

4)土壤硬度为120～140kPa，土壤含水量为10%～13%。年平均降水量680mm左右。土壤质地为壤土，土壤坚实度为(221.5×100)Pa；土壤含水率为11.7%(0～10cm)。

5)前后作业面积15hm2，选用不同小区进行抽样试验并记录试验数据，汇总原始试验数据并整理计算各质量指标情况。

4.2 性能测试结果

表5为检测过程中各项指标的测试结果。试验表明：本机作业后花生双粒率为98.32%，漏播率为0.63%，破碎率为0.04%，播种深度合格率为93%，垄距变异系数为2.3%，出苗率为88.33%，播种质量完全满足花生种植的农艺标准要求。

表5 检测过程中各项指标的测试结果

5 结论

1)该机根据花生种植农艺要求，设计采用的气吸式排种器结构紧凑合理、性能优良，种子破碎率与漏播率低，实现了花生的精密播种。田间试验表明：本机作业后的花生双粒率为98.32%，漏播率为0.63%，破碎率为0.04%，播种深度合格率为93%，垄距变异系数为2.3%，出苗率为88.33%，播种质量完全满足花生种植的农艺要求。

2)所设计的地轮直线行驶性较好、滑移率较低，增加了系统传动的稳定性。整机传动结构紧凑合理，传动精度与效率高，空间布置合理，保证了排种的均匀性。

3)该机能够实现2垄4行花生的起垄、开沟、播种、施肥、喷药、覆膜及膜上覆土等功能，播种后地膜覆盖地表，出苗率高，有效地解决了多次作业问题，大大降低投入成本，减少了作业工序。

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Study on Air Suction Precision Seeder for Peanut

Zhang Tiantian1,2, He Xiaoning1,2, Wang Yanyao1,2, Shang Shuqi1,2,Wang Dongwei1,2,Tong Qingtan1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 2.Shandong Province Root Crops Production Equipment Engineering Technology Research Center, Qingdao 266109, China)

In order to achieve precision sowing bed planting peanuts, this design choice gas suction seed metering device, which is mainly made up of body, kind of cup, seeding disc tray and stir species tail wind tubes; pushed through the seeding disc paddles effect, stir species on the seed tray buttons agitation as well as the role of the tail wind blowing tube, can significantly improve the rate of double grain planting peanuts, shredded reduced seed sowing rate and drain rate, increase planting accuracy. While improving the planter walking device, can effectively reduce the slip ratio, ensure the stability of seeder straight forward. Peanut planter designed mainly consists of frame, suspension, transmission, opener, seeding fertilizer systems, spraying systems and film coated casing and other components, can be realized from a one-time 4 Rows in 2 Ridges peanuts ridge, ditching, fertilizing, planting, spraying, coating and film casing and other functions, improve the efficiency of planting peanuts.

peanut; seeder; air suction metering device; precision seeding

2016-04-14

公益性行业(农业)科研专项(201203028)

张甜甜(1990-),女，山东肥城人，硕士研究生，(E-mail)121939176@qq.com。

王延耀(1957-),男，山东青州人，教授，博士， (E-mail)wyy57@126.com。

S223.2+3

A

1003-188X(2017)05-0068-07