2BF-2型谷子精少量流体播种机的设计与试验

张燕青，崔清亮，侯华铭，畅治兵,孙静鑫

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

0 引言

谷子为五谷之首，营养价值高，是人类喜爱的饮食之一。山西谷子种植面积和总产量位居全国前列，但山西谷子种植区雨量偏少，气候干旱，播种后谷子出苗率低；且种植区地形以丘陵山地和分散小块地为主，播种方式大多采用“三脚耧”人工播种和机械式、气力式等大田机械播种。人工播种播量大、播种均匀性差且后续间苗和定苗工作量大，生产率低；而大型播种机结构尺寸大、操作不灵活，不适合丘陵山地和小块地播种，制约了种植规模的扩大[1-4]。因此，设计研发适合山西气候条件与地形特点的播种机是谷子大规模生产亟待解决的问题。

国内学者对谷子精少量播种机的设计和研发取得了突破性成果。张世杰等[5-6]对2BP-6、2BG-6型谷子精少量播种机进行了设计与试验；裴进灵等[7]采用带清种槽窝眼式排种器研发了2BM系列谷子免少间苗谷子播种机；边胤等[8]采用往复式排种器研发了谷子精密播种机。上述机械式播种机工作时仍存在卡种、播种不均匀问题。田聪等[9]设计了气吸式谷子精量播种机，其排种器耗能大，要求加工精度高、气密性好。

流体播种方法是将种子均匀分布在保水剂溶液中进行定量机播的方法，可一定程度上控制播量、提高播种均匀性及种子出苗和发芽率[10]。国内外学者对流体播种方法和流体播种机进行了研究，其多用于花卉和牧草种子的播种[11-13]。谷子种子粒小质轻，播种难，播后出苗率低，专门针对山西地形特点和气候条件的谷子精少量流体播种机还鲜见报道。为此，本文结合山西谷子种植区气候和地形特点，采用输送泵式流体排种装置研制了2BF-2型谷子精少量流体播种机，并进行了田间播种试验。

1 整机结构与工作过程

1.1 设计要求

本文设计的2BF-2型谷子精少量流体播种机需完成开沟、播种、覆土及镇压工作过程，且满足以下性能要求：①设计的播种机需保证各行排量稳定，播种均匀；②设计不同的传动比保证流体播种穴距可调，且保证播种行距可调，适应不同的土壤墒情条件；③设计的开沟器开沟深度可调，开沟平整，工作可靠；④在满足播种性能的基础上，尽量保证播种机结构紧凑、整机体积小质量轻且适合山西丘陵山地和分散小块地播种。

1.2 整机结构与技术参数

2BF-2型谷子流体播种机适用于分散、不规则小块地谷子种植，结构简单，灵活性强，主要由地轮、牵引杆、种箱、链传动系统、机架及输送泵式流体排种装置、排种管、开沟器、覆土器、手扶杆、镇压轮等组成，如图1所示。为适应山西谷子种植区土壤墒情和气候条件，此播种机开沟深度、播种行距及播种穴距均可调。

1.地轮 2.牵引杆 3.种箱 4.链传动系统 5.机架 6.输送泵式排种器 7.排种管 8.开沟器 9.覆土器 10.手扶杆 11.镇压轮图1 播种机结构示意图Fig.1 Structure diagram of sowing machine

1.3 工作过程

在播种前0.5h，以保水剂、谷子种子、水质量比为1.1∶10∶200配制谷子种粒混合悬浮液，此配制比例适合谷子流体播种，而且谷子播后出苗率大于80%[14]。工作时，由人或畜拉动牵引杆为播种机提供动力，人握手扶杆掌控方向，地轮通过链传动系统传动，带动输送泵式流体排种装置转动，排种装置吸取种箱中的谷子混合悬浮液经排种管均匀排入开沟器所开的种沟内，随后覆土，镇压，完成播种。

1.4 主要技术参数

2BF-2型谷子精少量流体播种机主要技术参数如表1所示。

表1 播种机技术参数表Table 1 Technical parameter of sowing machine

续表1

2 主要工作部件设计

2.1 输送泵式排种装置的设计

为提高谷子排种均匀性、降低伤种率及提高谷子播后出苗率，创新设计了输送泵式流体排种装置[14]，主要由输送泵、排种管及限位卡等组成，如图2所示。

1.种箱 2.限位卡 3.输送泵 4.泵管 5.三通管 6.长弯排种管 7.末端排种管 8.短弯排种管图2 流体排种装置示意图Fig.2 Structure diagram of fluid seed metering device

输送泵为排种作业提供动力，调节输送泵的转速可改变排种量，其主要由泵壳、轴承、转动盘、滚轮、转动轴、微型轴承及滚轮轴等组成，如图3所示。为提高排种均匀性，根据蠕动传输原理，确定输送泵滚轮数为6个。输送泵工作时，泵壳将泵管锁闭，转动盘随转动轴转动，滚轮随转动盘转动并交替挤压泵管，滚轮挤压泵管，泵管内形成负压，谷子种粒混合悬浮液在负压推动下流动。因种粒混合悬浮液具有一定粘性，滚轮挤压泵管时，种粒已滑走，输送泵不易损伤谷子种粒。

排种管的作用是输送种粒混合悬浮液。为提高排种均匀性，设计了分合式排种管组合结构[14]，其主要由泵管、三通管、长弯排种管、短弯排种管和末端排种管组成，如图2所示。输送泵工作时，泵管抽取种箱中的种粒混合悬浮液，悬浮液经三通管，分流至长弯排种管和短弯排种管，再经三通管混合由末端排种管排出。泵管的作用是泵送悬浮液；三通管的作用是分流并汇合悬浮液；长弯、短弯排种管具有一定的长度差，可重新排列悬浮液中的种粒，以提高排种均匀性；末端排种管可保证每滴悬浮液中的种子数，利于种子出苗；限位卡的作用是防止泵送悬浮液时，泵管移动。为满足排种性能要求且兼顾整机结构，泵管、长弯排种管、短弯排种管、末端排种管均选用弹性性能好、使用寿命长的硅胶软管，其内径分别为4.8、4、4、4mm，长度分别为700、100、74.4、20mm。

1.泵壳1 2轴承 3.转动盘 4.泵壳2 5.泵壳3 6.滚轮 7.转动轴 8.微型轴承 9.滚轮轴 10.泵管图3 输送泵结构简图Fig.3 Structure diagram of delivery pump

2.2 种箱的设计

山西谷子种植区气候干旱且缺少水源，播种时需携带一定量水，考虑整机质量，携带水量不宜过多。谷子精少量播种需种子4～7kg/hm2[15]，根据谷子种粒混合悬浮液配制比例，则流体播种需80～140kg/hm2。2BF-2型流体播种机适合小块地种植，本文设计的种箱容积需满足0.067hm2耕地的播种量，忽略保水剂与种子体积，则需9.3L水左右，故设计种箱容积为10L。兼顾整机结构和质量，种箱选用25cm×20cm×20cm的长方形塑料盒，其底部开孔，穿入排种管，使用密封圈密封，防止悬浮液渗漏。

2.3 链传动系统的设计

2BF-2型流体播种机传动方式为1级链传动，主要由主动轮、08B滚子链条、从动轮、排种轴、张紧轮及轴承座等组成，如图4所示。此链传动系统改变了链轮转动方向，使得输送泵转动方向和地轮转动方向相匹配，以保证排出谷子种粒混合悬浮液。

1.地轮 2.主动轮 3.链条 4.输送泵式排种装置 5.轴承座 6.传动轴 7.从动轮 8.张紧轮图4 传动系统示意图Fig.4 Structure diagram of transmission

随着地轮的滚动，经链条及链轮增速传动，带动排种轴的转动。播种机传动比为

(1)

(2)

其中，i为播种机传动比；z1为主动轮齿数；z2为从动轮齿数；n1为主动轮转速(r/min)；n2为从动轮转速(r/min)；δ为地轮滑移率(%)；S为地轮在单位时间内走过的实际距离(m)；R为地轮承载后的半径(m)。

通过更换从动轮改变传动比，从而调节谷子流体播种的穴距。旱地谷子播种穴距5～8cm，本文设计流体播种穴距为5、6.5、8cm。人推播种机速度约为0.5m/s，则选定排种器转速n2取40、53、60r/min，播种机地轮滑移率8.75%，联立式(1)、式(2)计算播种机传动比和主从链轮齿数如表2所示。

表2 链轮齿数表Table 2 The number of teeth sprocket

2.4 开沟器的设计

2BF-2型播种机为人推式播种机，本文设计的开沟器不宜过大，且需保证下层细湿土先落到沟中覆盖种子，以利于种子发芽，故选用钝角滑刀式开沟器[16]。滑刀式开沟器入土部分为一较长的滑刀，向下压切土壤，且容易入土，其主要由滑刀、侧板、连接板、调节杆组成，侧板后部为斜边切口，可使下层湿土先落入沟内覆盖种子，如图5所示。因播种小颗粒种子，故开沟器滑刀部分不宜过长，本文设计的滑刀式开沟器滑刀长度为80 mm。为保证滑刀对土壤有滑切作用的必要条件[16]是：滑刀入土角α>90°+φ，φ为土壤与滑刀间的入土角且φ=14°～38°，故设计开沟器入土角α=135°，满足要求。为使滑刀刃将土壤切开，并减小工作阻力，使其在刃口处的土粒向后滑移的必要条件[16]是β<90°-φ，本文取β=45°，满足要求。开沟器开沟宽度即开沟器双翼侧板间的宽度X，需满足[17]

(3)

其中，X为开沟器两侧板间的宽度(mm)；H为开沟器开沟深度(mm)；Hn为覆土器覆土深度(mm)。

设计的开沟器开沟最大深度50cm，经试验，刮板式覆土器覆土深度约29mm，故两侧板间的宽度约18.3mm。开沟器调节杆上标有刻度，可无极调播深，调节范围0～75mm，且滑刀材料选用65Mn制造，具有足够的强度和刚度，不易折弯变形，滑切土壤效果好，可平稳工作。

1.调节杆 2.连接板 3.滑刀 4.开沟器侧板图5 开沟器结构示意图Fig.5 Structure of opener

3 播种性能试验

3.1 试验条件

2016年8月，在山西农业大学工学院农业工程实验教学中心土槽进行了田间试验。试验地土壤为沙壤土，土壤含水率14.1%，土壤坚实度10.4kg/cm2，测区长度40m。试验前先整地，地块土壤上虚下实，虚土部分深度约10cm。

3.2 试验材料与仪器

试验供试谷子品种为山西地区高产、稳产的晋谷21号，含水率为10.2%。试验设备为2BF-2型谷子流体播种机。试验仪器主要有直尺、三角尺、毛刷等。

3.3 试验方法

田间试验前参照JB/T 6274.1—2013《谷物播种机 第1部分 技术条件》[18]的要求对流体播种机进行排种性能试验，试验中将播种机地轮架空，使用电机以0.5 m/s的速度驱动地轮转动，分别在3种传动比下收集了60s的谷子质量，计数，重复试验5次，计算总排量稳定性变异系数、各行排量一致性变异系数、种子破碎率。试验结果如表3所示。

参照NY/T 987-2006《铺膜穴播机 作业质量》[19]，对流体播种机进行田间播种试验。田间试验主要测量播种机穴粒数合格率、穴距合格率、空穴率及播种深度一致性变异系数。试验前，将覆土器卸下，不进行覆土、镇压作业。根据所设计的3种传动比，由人推播种机约0.5 m/s尽可能匀速前进，在试验土槽中进行播种试验，每次播种40m，重复试验5次。试验中，播种机可平稳连续工作，链传动系统未发生卡齿、跳齿状况。试验结束后，在播种机行驶方向上，用毛刷轻拨走土壤，寻找保水剂与种子的混合悬浮液，用直尺测量251滴悬浮液中的种子数和相邻两滴悬浮液几何中心距离，计算穴距合格率和穴粒数合格率、空穴率。计算公式为

穴距合格率为

穴粒数合格率为

空穴率为

其中，xh为合格穴距个数，合格穴距为要求穴距值±1.5cm；lh为1穴2粒～3粒谷子种粒的总穴数；kh为1穴0粒谷子种粒的总穴数；f为每次试验测定总穴数。

(7)

(8)

3.4 试验结果与分析

2BF-2型谷子精少量流体播种机排种性能试验结果如表3所示。不同传动比下播种均匀性试验结果和不同开沟器高度下播深一致性试验结果，如表4和表5所示。

表3 排种性能试验结果Table 3 Results of seeding performance experiment

表4 播种均匀性试验结果Table 4 The uniformity test results of seeding machine

表5 播深一致性试验结果Table 5 The uniformity test results of sowing depth

由表3可知：各行排量一致性变异系数小于等于4.42%，总排量稳定性变异系数小于等于2.12%，种子破碎率小于等于0.009%，排量稳定，伤种率低，满足JB/T 6274.1-2013《谷物播种机 第1部分 技术条件》[18]的要求。

由表4可知：该播种机穴距合格率均大于80%，穴粒数合格率均大于74%，空穴率均小于5%，基本达到谷子精少量播种要求,但空穴率大于2%，有待进一步改进。

由表5可知：在播种机行进速度约0.5m/s进行播种作业时，研制的滑刀式开沟器开沟深度变异系数很小，均小于4%，与理论设计相符，该开沟器开沟平整，可稳定工作。

4 结论

1)2BF-2型谷子精少量流体播种机行距可调，且田间通过性能优异，适合山西丘陵地形种植。流体播种有效解决气候干旱问题；输送泵式排种器结构轻巧，排种均匀，穴距可调，伤种率低；设计的滑刀式开沟器，开沟平整且可保证细湿土与种子接触，利于出苗。

2)排种性能试验表明：该播种机在所设计的传动比下各行排量一致性变异系数不大于4.42%，总排量稳定性变异系数不大于2.12%,种子破碎率不大于0.009%，排量稳定，伤种率低。

3)播种均匀性试验表明：播种机在各传动比下，穴距合格率均大于80%，穴粒数合格率均大于74%，空穴率均小于5%，基本达到谷子精少量播种要求。

4)播深一致性试验表明：滑刀式开沟器播种深度一致性变异系数小于4%，开沟深度均值接近所要求深度，开沟平整，工作可靠。