马铃薯气力精量播种机设计与试验

吕金庆，衣淑娟，陶桂香，毛 欣

（1. 黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2. 东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

0 引 言

马铃薯是中国第四大主粮作物，2017年中国马铃薯种植面积约5 626.0×103hm2。中国马铃薯种植农艺要求劳动强度大、耗费工时，播种精度、播种质量是马铃薯高产稳产、提高马铃薯品质的重要保证，因此马铃薯的播种过程是马铃薯生产的关键环节，且对马铃薯的产量、品质有着显著的影响[1-2]。精量高速播种是马铃薯机械化播种所追求的目标，也是马铃薯增产增收的关键，但是现阶段马铃薯机械化播种技术，仍难以满足高速精量的农艺要求[3-5]。

目前中国马铃薯机械化播种仍以机械式播种为主，播种机的主要形式包括针剌式、转盘式、舀勺式、输送带式和指夹式等，其中针刺式、舀勺式和输送带式，虽然总体结构简单，但是在作业过程中由于自身机械结构的限制以及缺少有效的清种装置，其漏播率和重播率较高[6-7]；而转盘式和指夹式采用单粒取种的方式，虽然播种精度较高，但是播种作业速度较低，且伤薯严重，落地后种薯株距合格率低，不能满足马铃薯精量高速播种的作业要求[8-10]。气力式马铃薯播种在中国马铃薯机械化播种仍是空白[11-12]；因此，针对上述问题，本文研制了一种气力式马铃薯精量播种机。

本文对马铃薯气力式精量播种机整体结构进行设计，研制了多臂均布式马铃薯精量排种器，采用负压吸种、正压吹种的吸排种方法，并对配气阀、吸种臂、吸种嘴、风机、动态供种系统和开沟器等关键部件进行设计，并进行田间生产试验。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

该马铃薯气力精量播种机主要由施肥铲1、机架2、肥箱3、排种器4、电机5、吹气风机6、种箱7、吸气风机8、覆土器9、传动装置10、地轮11所组成，整机结构如图1所示。

1.2 工作原理

工作时播种机由拖拉机牵引运动，位于播种机上部种箱中的种薯在重力的作用下下落，由动态供种装置对排种器吸种区内的种薯进行实时监控动态稳定供种，其动力由拖拉机的蓄电池供给，并实现料位传感器控制供种区的料位；播种机两侧的吸气风机和吹气风机的动力由拖拉机的动力输出轴供给，吸气风机进气口通过管道与吸种室连接，风机工作时在种子室内产生负压，排种器吸嘴在吸种区吸附种子，当吸附种子的吸嘴旋转出排种器真空室，吸力消失，种子靠自重下落，同时吹气风机开始向下落种薯吹气，吹气方向与机组前进速度方向相反，可与机组前进时下落种薯的前移速度相平衡，达到零速投种。排种器的动力由地轮转动经传动系统供给，株距调节在侧传动箱中由更换不同齿数链轮满足11～39 cm的株距调节要求，施肥系统由肥箱、螺旋排肥器、侧深分层施肥铲进行施肥作业，覆土作业由整机后部的覆土器进行覆土，从而完成整个播种作业。

图1 马铃薯气力精量播种机整机结构Fig.1 Integral structure of precision air-suction type planter for potato

1.3 马铃薯播种农艺要求

马铃薯气力精量播种机适用于大规模、大面积、大地块的马铃薯播种作业，其农艺要求如图 2所示，参考农业机械设计手册与相关文献，东北一季地区马铃薯播种垄距在800～900 mm之间[13]，种子与肥料采用侧方分层的形式，将肥料通过侧深分层施肥铲施在种薯两侧，播种后种子所在位置略高于底肥位置，以保证马铃薯种子生长种床所需肥料，同时又不会造成伤种[14-15]。

图2 马铃薯播种农艺要求Fig.2 Agronomic requirements of potato planting

1.4 主要结构参数

整机结构需符合东北一季作区的马铃薯播种农艺要求，一次作业便可完成开沟、施肥、播种、覆土和镇压等作业。其中，马铃薯株距由中间传动中的侧传动箱调整，可调节范围为11～39 cm，开沟深度可进行高度调节；同时根据不同种薯（整薯、切块薯）方便更换排种器的不同吸嘴，以满足不同作业的播种要求，整机主要参数如表1所示。

表1 2CMP2气吸式马铃薯播种机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of 2CMP2 air-suction type planter for potato

2 关键部件设计

2.1 排种器整体结构

排种器是播种机中最为重要的作业部件，其性能直接影响播种机的播种质量；而传统的机械式排种器作业速度较慢、播种质量差[16]。因此，本文设计的马铃薯气力式排种器采用气吸式播种原理，与上述排种器相比，具有作业速度高和播种精度准确的优点[17]。

马铃薯气力精量播种机排种器单体包括种箱、排种器单体、动态供种装置和料位开关 4个部分，动态供种装置固定安装在排种器单体的上方，为排种器动态衡定供给播种所需种薯，其整体结构如图3所示。

图3 气吸式马铃薯排种器整体结构Fig.3 Integral structure of air-suction type potato seed-metering device

2.2 排种器结构设计

如图 4所示，排种器的结构包括吸种嘴、吸种臂、配气阀、压紧弹簧、吸管接口、吹管接口、静止轴、旋转轴和种箱等，其结构如图4所示。配气阀内部有2个独立的正压气室和负压气室可用作排种器的吸种和投种过程，压紧弹簧压紧阀体侧壁，将其固定，同时还可保证排种器的气密性，2个气室分别通过管道与吸气和吹气2个风机相连通，作业时，由拖拉机带动，进行高速旋转的 2个风机为排种器提供吸种负压和投种正压，吸种臂通过配气阀的通孔，使气流可以在管路中流动，吸种臂的末端安装吸嘴吸取排种器种箱中的种薯，每个吸种嘴每次作业只吸取 1粒种薯进行投种，保证马铃薯播种作业的精确性。

图4 排种器结构简图Fig.4 Sketch structure of seed-metering device

2.2.1 吸种嘴的设计

吸种嘴与吸种臂的末端通过锁紧圈固定连接，随着排种器旋转，播种作业时直接与种薯接触，吸气风机使吸种臂和吸种嘴内部形成负压，吸种嘴便可吸取排种器种箱中种薯；设计吸种嘴的材料选用丁晴橡胶（NBR），既满足作业刚度又有弹性，可在吸附种薯的时候产生微小的变形，更贴合种薯，提升吸种过程的稳定性、减小伤种，同时也可以减少吸种嘴同时吸附多个种薯的情况，保证每个吸种嘴每次作业只吸取1粒种薯，减小重播率，提升播种质量[18]，吸种嘴可根据吸附种薯的不同分为常规薯吸种嘴和微型薯吸种嘴。其结构如图5a、5b所示。常规薯吸嘴其顶部为向外发散的伞状，内表面可与种薯更好的贴合，增加吸种稳定性，使每个吸种嘴只吸取 1粒种薯进行播种作业，根据前期预试验，以及常规薯种薯的三轴尺寸，最终确定吸种嘴顶部最大内径为45 mm，折弯角为145°，吸嘴口母线夹角为90°；微型薯吸种嘴适用于播种质量在30～50 g的微型薯，其顶部设计为向内聚合的空心锥状，最小内径为10 mm，最大内径为19 mm，与折弯角为145°。

2.2.2 吸种臂的设计

根据文献[13]，目前中国播种用的常规种薯(包括切块薯和整薯)三轴平均直径约为38～57 mm，且前期预实验中的种薯均在此范围内，由此，根据文献中的方法确定吸种臂的内径为24.32～37.62 mm[19]。本文设计的气吸式马铃薯排种器由地轮提供动力，可由马铃薯种植的理论粒距确定吸种臂的个数N≥18。通过改变转速以满足农艺要求的株距，当播种粒距和播种机前进速度一定时，吸种臂的个数越多，所需的排种器转速越低，为了提升排种器的吸种质量及播种效率，所以吸种臂个数应取较大值。但国内很多地区种植马铃薯时使用切块薯，切块薯外形复杂、形状不规则，一颗种薯被吸种嘴吸附后，吸嘴空隙较大，造成重复吸种，增加了重播率[19-20]，为降低排种器的重吸率，需要适当缩小吸种臂内径，并综合考虑配气阀尺寸和排种器整体结构尺寸，最终确定吸种臂内径为 20 mm，吸种臂后部折弯 90°，总体个数为20，吸种臂结构和安装排布图如图 6所示，在旋转阀外表面双排等间距交错排列布置，每 2个吸种臂之间的夹角为18°，吸种臂左右两侧夹角为14°。

图5 吸种嘴结构图Fig.5 Structure diagram of suction nozzle

2.2.3 配气阀的设计

由于马铃薯种薯为大粒径的种子，而传统的型孔盘或滚筒式排种器只适合于玉米、水稻等小粒径种子的精密播种[21]。因此，本文所设计的排种器阀体采用了配气阀与吸种臂径向安装的方式，吸种臂等间距 2排交错排列在配气阀的表面，可以播种较大粒径的常规薯。

如图7所示，配气阀包括旋转阀和静止阀2个部分，静止阀体安装在旋转阀的内部，其内部有独立的正压区和负压区，负压区与正压区各占角度为300°与13°，与风机和吸种臂相配合，旋转阀外表面加工通孔，以便安装吸种臂，使气体在配气阀内流动，并与排种器外部相连通进行吸种和投种作业；2个阀体侧面加工为锥面，均采用铝合金为基底，在表面进行陶瓷化处理，在减轻质量的同时还可提高硬度，保证阀体的密封性，避免润滑，提升吸种效果[22-23]。

2.3 播种机风机设计

风机是气力式播种机中极为关键的部件，其性能的优劣，直接关系到能否满足播种作业时所需的负压和流量。小麦等小粒径作物在气吸式播种时，其需要的风量较小，因此，传统的轴流式风机便可以满足作业要求，而马铃薯大粒径的物理特性，气压值较小，会造成排种作业漏播率较高，需要更大的负压，由于离心式风机作业效率高，性能稳定在农业领域类应用广泛[24]，本研究所设计的播种机风机为离心式风机，其结构如图8所示，主要结构包括叶片，风机前罩壳，风机后罩壳，底座，幅板。底座与播种机机架连接，固定安装风机，幅板将风机与种箱固连的作用。

图6 吸种臂结构和安装排布图Fig.6 Structure and installation arrangement diagram of suction arm

图7 配气阀结构简图Fig.7 Structure diagram of air distribution valve

叶轮是风机中最为核心的关键部件，其中叶片是向流体传递能量的唯一部件，其尺寸和参数对风机的性能有着很大的影响。叶片前倾安装时，风机效率较高，但是稳定性较差、且噪音大；叶片后倾安装，虽工作性能稳定，但其工作效率较低，因此，本研究设计的风机叶片采用垂直于转轴安装，工作效率较高，性能稳定，且噪音小[25]。

图8 风机结构图Fig.8 Structure diagram of fan

风机的全压力P与叶轮外径D、转速n、叶片出口的安装角 β有很大的关系，且其关系往往通过试验所得，具体计算方式可由风机设计经验公式得出。

式中P为风机全压力，Mpa；ρ为流体密度，kg/m3；μ为环流系数；D为叶轮外径，m；n为风机叶轮转速，r/min；k为全压系数。

前期预试验中所获得的马铃薯排种器吸种负压最大需要达到10.1 kPa左右，因此，考虑到能量损失，所设计的风机在最高转速作业时，负压值需大于理论值，才能满足马铃薯排种器作业要求。由参考文献[25]可知，在风机工作时，存在机械损失的情况，导致离心式风机的全压系数会小于100%，且与效率等因素有关，试验证明k一般在0.88～0.90之间[25]。

为满足播种作业压力要求，农业播种机风机的转速较高，一般在1 500～3 000 r/min间，选取气体密度为1.29 kg/m3，通过式（1）、式（2），并综合考虑风机与播种机的尺寸，确定叶轮的外径为750 mm。

2.4 分体式滑刀开沟器设计

2.4.1 开沟器整体结构与工作原理

作为播种作业过程中与土壤直接接触的工作部件，开沟器对于种子的着床覆盖有很大影响，传统的铧靴式开沟器对土壤的扰动量较大，且开沟作业开出的平沟降低了播种精度，种子横向偏移系数大，工作阻力较大，而滑刀式开沟器开出的V型沟可使种子落入V型沟沟底，减小横向变异系数，保证播种精度[26-28]。因此，基于传统的滑刀式开沟器，本文创新设计了一种分体式滑刀开沟器，如图 9所示，分体式滑刀开沟器主要由开沟铲铲片1、开沟铲主体2和开沟器柄3组成。

图9 滑刀式开沟器整体结构Fig.9 Schematic diagram of sliding-knife opener

开沟器安装在播种机排种器正下方，随着拖拉机一起运动，开沟铲铲片前端的刃口对土壤进行切削破碎，土壤沿着开沟铲铲片的侧面向两侧运动，随后沿着开沟铲的主体侧壁向后运动，在开沟铲主体侧壁有少量土壤颗粒，在重力和其他土壤颗粒摩擦力的作用下，先落入沟底，为种子的下落提供含水率较高的软种床；其余大量的土壤颗粒沿着开沟铲主体向后运动，脱离侧壁后在重力的作用下落入垄沟内，对种薯进行覆盖；位于开沟器上部的开沟器柄可以根据不同的开沟深度要求进行调节[29]。

2.4.2 开沟器参数设计

传统的滑刀式开沟器，为厚度在3～8 mm的滑刀刀片，根据作业条件不同，入土角一般选在 20°～60°间，其入土切土能力好，所开出的垄沟成V型，可提高播种质量，且对土壤扰动小，下层土壤可先回流，为薯种提供良好的种床，但是其开沟宽度小、深度低，不能满足马铃薯大粒径作物的播种要求[26,28]。因此，本设计基于上述传统开沟器，创新设计了由开沟器主体和铲片组成的分体式滑刀开沟器，根据马铃薯的播种农艺要求，在播种时最大耕深可达到150 mm[5]，采用开沟器主体与开沟器铲片组合的形式，可调节铲片的高度，以此增加开沟的深度，设计开沟器铲片高度为160 mm，铲片采用铸钢材料，耐磨性较好，为使马铃薯顺利落入垄沟，播种时种沟宽度较大，一般不小于150 mm[9-11]，使开沟时土壤颗粒向两侧运动，设计铲片包括左、右 2部分，采用折弯的方式，将两部分前端进行焊接，保证前端铲片能顺利入土，作业时土壤可沿后部折弯部分表面向两侧运动。舀勺式马铃薯排种器下部的整体宽度为240 mm，考虑到开沟器宽度需略大于排种器宽度，为配合马铃薯播种机作业时开沟器侧壁不磕碰种薯、使其顺利落入垄沟内，参照铧靴式马铃薯开沟器尺寸，并综合考虑开沟器安装位置和垄台宽度，设计开沟器的宽度为280 mm[20]。

土壤摩擦角 φ一般在 15°～38°之间，为使铲片对土壤有滑切作用，倾角应大于90°+φ，所以设计的铲片倾角为 135°[26]。根据预试验，铲片厚度过小，装置强度低；铲片厚度过大，会增加作业时的工作阻力，会使入土性能和土壤的滑切作用下降，土壤破碎效果差，不能达到开沟所需的土壤颗粒破碎要求，参照传统马铃薯开沟器并综合考虑开沟器的整体宽度，设计的铲片厚度为 8 mm[26-27]。为了减少土壤颗粒之间在开沟器表面运动的相互影响，使下方湿土先回流，提高良好的种床条件，刃口曲线设计为直线[30]。

开沟器铲片其上沿与开沟器主体侧板下沿平行，土壤颗粒沿着铲片侧板运动继而沿开沟器侧表面运动，在开沟器主体侧板运动时，部分颗粒在重力作用下回落入垄沟，且下层土壤颗粒先落到沟中，利于马铃薯发芽[31]，因此，侧板的底部倾角大于土壤颗粒的摩擦角，使土壤颗粒顺利滑落至沟底，设计向内倾斜45°的折弯形式，土壤颗粒可沿着表面下落。开沟器的整体长度与开沟器侧面夹角，即 2个铲片折弯后的夹角，直接影响开沟作业土壤覆盖种薯状态，通过前期预试验和大量实际生产试验，并参考文献[29]，确定开沟器长度为500 mm，开沟器侧面夹角为60°。

2.5 动态供种控制系统

播种机动态供种系统采用负反馈调节方式，供种作业过程由4个供种电机对动态供种系统提供动力，左右2个排种器的两端各安装有2个料位开关K，控制排种器种箱内的种薯高度，当种薯高度过高时，会触碰料位传感器K，与预设值的比较器进行对比，供种电机M断开连接，停止供种作业，当种箱内的种薯高度下降后，料位传感器K被释放，将信号传递给供种电机M，电机重新启动，继续向排种器箱体内供种，料位开关K的安装，使排种器供种过程动态化，并可以根据实际的作业情况进行调整，实现马铃薯播种机的连续作业，整个供种装置由拖拉机提供输出电压，动态供种原理如图 10所示。

图10 动态供种原理图Fig.10 Principle diagram of dynamic seed-supplying device

种箱中的马铃薯数量过大会使排种器运行过程的阻力增加，数量过少会有漏吸现象，都会降低吸种精度，增加漏播率，通过预试验及生产试验，确定种箱中种面高度保持在150 mm。动态供种装置可向排种器种箱内动态供给种薯，种箱内部侧壁安装有料位开关，当种箱中种薯的高度达到预设高度时，种薯便会触碰到料位开关，使动态供种装置停止向种箱输送种薯；随着排种器的工作，将种薯排出排种器进行播种，种箱中种面高度下降，料位开关被释放，继而重新启动供种装置继续输送种薯，以保证种箱内种面高度保持稳定。

3 生产试验

3.1 试验条件

分别于2016年5月与2017年5月在黑龙江省农业科学院试验基地和黑龙江省克山农场进行播种试验，试验田土地平整，土壤含水率为18.2%，土壤坚实度为60.7 kPa，试验地长300 m，宽667 m，2 a的试验田面积相同，均为 200 hm2。播种机配套动力为 73.5 kW 的东方红1004-C轮式拖拉机，设置播种机的理论株距为200 mm；试验过程中采用常规种薯与微型薯 2种类型的马铃薯。其中单个常规种薯平均 3轴尺寸为 48.2 mm×37.5 mm×25.7 mm，形状指数为202.9，平均含水率76.2%，单粒种薯平均质量 24.2 g，净度＞99%；微型薯的单粒薯平均 3轴尺寸为 32.28 mm×28.36 mm×28.34 mm，形状指数为245.3，平均含水率67.3%，单粒种薯平均质量12.3 g，净度＞99%，作业过程和播种效果如图11所示。

图11 田间试验Fig.11 Field experiment

播种后，对种植行进行编号，在其中随机选取 3行进行测量，除去种植行两端各20 m区域，剩余260 m作为试验数据测量段，每20 m长分为1段，对每一行进行编号，并随机选取 5个测量段进行数据采集，每段测量100个种薯的间距，共选取500个种薯进行株距测量，每组试验重复 3次，取平均值，计算出株距变异系数、重播率和漏播率。并与传统的舀勺式马铃薯播种机在相同的作业条件下进行对比，舀勺式排种器安装传统铧靴式开沟器。

3.2 评价指标

参照《GB/T 6242-2006 种植机械 马铃薯种植机试验方法》与《NY/T 990-2006 马铃薯种植机械 作业质量》规定的试验方法和指标，选取重播率、漏播率、株距变异系数和种子横向偏移系数为评价指标，进行气吸式马铃薯播种机的田间生产试验评价[32-33]。

重播是实际测量排种粒距不大于 0.5倍理论排种粒距。漏播是实际测量排种粒距大于1.5倍理论排种粒距。重、漏播率的计算方法如式（3）、式（4）所示。

式中 D0为重播率，%；n1为测量排种粒距小于 0.5倍理论排种粒距种薯数量，粒；N为测量的种薯总体数量，粒。

式中M为漏播率，%；n1为测量排种粒距大于1.5倍理论排种粒距种薯数量，粒。

株距变异系数是一行中株距实际间距的偏差与标准株距的百分比，其计算如式（5）所示。

式中 CV为株距变异系数，%；Xi为株距实际测量值，mm；X0为标准株距值，mm。

机具作业100 m测量1组数据，以种沟中线为基准，测量种子偏移量，每行连续测量100粒种薯，进行3次重复试验，计算每1次测量中100组数据的标准差即为种子横向偏移系数[30]。测量 5次取平均值，计算方法如式（6）所示。

式中η为种子横向偏移系数，mm；xi为每次测量的偏移量，mm；δ为偏移量的算术平均值，mm；J表示试验数据测量的数量。

3.3 结果与分析

表2为田间试验结果，由表2可知，气力式马铃薯播种机在播种常规种薯和微型薯时，其漏播率为0.86%和0.40%、重播率为0.56%和0.78%，均≤1%；株距变异系数为3.6%与2.8%，均≤10%；满足马铃薯播种作业要求，其种子的横向偏移系数为3.83和3.19 mm，也均小于传统舀勺式开沟器播种的数值，表明分体式滑刀开沟器开出的 V形沟比铧靴式开沟器开出的平沟效果好，是由于 V型沟能减少种薯落入沟底后的运动和横向位移，使种薯在垄沟内横向位置方向更接近于垄沟中心。

其余作业指标如表 3所示，播种机最高作业速度可达10.2 km/h，平均播种深度140 mm，测量传统舀勺式马铃薯播种机种植马铃薯的出苗期为 20～25 d，气吸式播种机选用分体式滑刀开沟器为马铃薯播种提供了良好的种床，使出苗期生长提前2～3 d，同苗率为96%，满足马铃薯播种作业要求，达到了快速精量播种的目的。

表2 气力式和传统舀勺式马铃薯播种机田间生产试验对比Table 2 Performance comparison of air-suction type planter with belt-cup seed metering device

表3 气力式马铃薯播种机田间生产试验Table 3 Field production test of air-suction type planter for potato

4 结 论

1）本文创新研制了马铃薯气力式精量播种机，采用吹气和吸气风机共同作用达到负压吸种、正压吹种精量吸排种的关键技术，提高了播种精度与速度；设计了马铃薯气力式排种器，采用多臂均布式的形式，并研制了排种器的关键部件，包括锥面配气阀的组合设计，提高了配气阀转动耐磨损度，减少了由杂草、泥沙等杂物对吸排种质量的影响；将配气阀设计为具有2个独立的正、负压气室，与吸气、吹气风机进行协同吸、吹种作业。

2）对离心式风机叶片参数进行设计，使风机达到播种马铃薯时所需负压；采用动态智能供种装置，动态实时监控排种器中种薯的数量，保证种面高度保持稳定；研制分体式滑刀开沟器可为种薯的着床和生长提供良好的种床条件，促进马铃薯生长。

3）气力式精量播种机的2 a的田间生产试验表明，在播种常规种薯和微型薯时，其漏播率为0.86%和0.40%，重播率为0.56%和0.78%，株距变异系数为3.6%与2.8%，种子横向偏移系数为3.83和3.19 mm，相较于传统的舀勺式马铃薯排种器，其作业效果均有显著的提升，作业速度可达到10.2 km/h，播种早出苗2～3 d，同苗率达到96%。且远远高于国家标准所规定的作业指标，满足马铃薯精量高速播种的要求。

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