气吸式小白菜播种机开沟器设计与试验

孙新平 李骅 齐新丹 张绪 陈曦 王永健

摘要：目前，我国小白菜多采用人工撒播的播种方式，不仅机械化水平低，而且劳动力成本高。针对这一问题，设计一款气吸式小白菜播种机，并对开沟器进行研究。通过计算，确定开沟器的关键参数，入土角为123°、滑刀刃口角为35°、滑刀的刀刃曲线函数y=0.002x2+0.7x。为提升开沟器的开沟性能，设计Ⅰ型和Ⅱ型两款开沟器，采用EDEM软件模拟两款开沟器在土槽中的开沟状况，对比后最终确定Ⅰ型开沟器的开沟性能较优。通过ANSYS有限元分析软件对Ⅰ型开沟器进行静力学分析，验证开沟器的设计符合材料的强度要求。最后，对整机进行田间试验测试，测出整机播种量为4.08 kg/hm2；各行播量一致性的标准差为0.12 g，变异系数为3.1%；总播量稳定性的标准差为0.97 g，变异系数为2.8%。试验结果表明该播种机播种均匀性良好，能为小白菜等播种机械的设计提供理论参考以及提高青菜种植业的生产效率。

关键词：小白菜；播种机；开沟器；气吸式；田间测试

中图分类号：S223.2+3

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2023） 04-0017-08

Abstract： At present， Chinese cabbage is mostly sown by artificial sowing， which is not only low level of mechanization， but also high labor cost. Aiming at this problem， this paper designs an air suction type cabbage seeder， and studies the trench opener on the machine. Through calculation， the key parameters of the trencher are determined， including： the insertion angle is 123°， the sliding blade angle is 35°， the sliding blade curve function is Y=0.002x2+0.7x. In order to improve the furrow opening performance of the furrow opener， two types of furrow opener， type Ⅰ and type Ⅱ， are designed in this paper. EDEM software is used to simulate the furrow opening conditions of the two types of furrow opener in the soil tank. After comparison， the furrow opening performance of the type Ⅰ furrow opener is determined to be better. The statics analysis of type Ⅰ furrow opener was carried out by ANSYS finite element analysis software， and the design of furrow opener was verified to meet the strength requirements of materials. Finally， field tests were carried out on the machine， and the sowing capacity of the machine was 4.08 kg/hm2. The standard deviation was 0.12 g and the coefficient of variation was 3.1%. The standard deviation of total seeding stability was 0.97 g， and the coefficient of variation was 2.8%. The experimental results show that the planter has good sowing uniformity in each row， which can provide theoretical reference for the design of cabbage sowing machinery and improve the production efficiency of vegetable planting industry.

Keywords： Chinese cabbage; seeder; ditcher; air suction; field test

0 引言

我國是世界蔬菜生产和消费大国［1］，以江苏省为例，全省蔬菜种植面积每年总体稳定在1 400 khm2左右［2］，蔬菜种植产业已经成为江苏省重要的经济增长点。我国种植的蔬菜品种多种多样，其中，小白菜因其具有生长周期较短、口感好、耐寒性好、生长周期短等优点，在我国被广泛种植［3］。小白菜种子粒径较小［4］，一般在1～2 mm［5］，播种过程中多为人工散播［6］，种植工艺以及机器关键部位技术投入少，导致机械化程度较低［7-11］。市面上现存的一些小白菜播种机许多是由其他播种机改装而来，工作性能不够稳定，难以符合我国小白菜种植农户的实际需求［12-15］。

国外蔬菜播种机多采用气吸式结构，播种精度较高，播种效率也较高，但是我国与欧美国家的蔬菜种植模式以及相关农艺标准有所不同，许多欧美进口的播种机在我国推广进程仍较为缓慢，也存在结构复杂，成本高昂，后期修理维护难的问题，市面上适合我国农艺要求的高性能蔬菜播种机仍较为匮乏。国内厂家研发的蔬菜播种机大多以机械式为主，结构简单，成本较为低廉，便于种植户操作，但是针对小粒径种子蔬菜的播种机仍然较少，现有农机的播种精度仍然较低，市场上针对小粒径种子蔬菜的播种机仍然缺口较大。

本研究结合江苏省太仓市的小白菜种植农艺，设计了一款符合我国相关农艺要求的气吸式小白菜播种机，并对机器上的开沟器进行研究。该播种机一次作业可实现开沟、精量排种、覆土回填等多项功能，为小白菜等小粒径种子蔬菜的播种提供参考。

1 气吸式小白菜精量播种机总体结构

该气吸式小白菜精量播种机主要由传动地轮、横梁、5个独立播种单元、六角长轴、正负压管道、三点悬挂装置、软管以及变速箱等组成，如图1所示。

气吸式小白菜精量播种机采用三点悬挂的方式与拖拉机挂接，风机安装在三点悬挂装置前端；两个传动地轮对称布置在机架两侧，由地轮转动产生动力，再以链传动的方式将动力传递至播种机的其他部分；5个播种单元均匀独立的排布在横梁上，并通过软管与上方的正负压管道相连；六角长轴将地轮传递的动力通过链传动均匀分配到5个播种单元中；传动地轮两侧的变速箱，可对链传动中的传动比进行调节，该机具一次下地能完成开沟、吸种、排种、覆土回填等多道作业工序。其中，单个播种单元的结构如图2所示，每个播种单元由仿形机构、镇压滚、排种器、开沟器及外框架等组成。

播种单元后端设有仿形装置，可通过旋转摇把实现对播种深度的调节；播种单元中部安装气吸式排种器，排种器下方与开沟相连，种子从排种器内下落后能够掉落至开沟器开好的种沟内，其中左右两侧的4个播种单元，每个单元都对称安装2个排种器，中间一个播种单元只安装1个排种器，整机共设置9个排种器；开沟器后端与覆土器相连，能够对完成播种的种沟进行覆土回 填；播种单元下方设有镇压辊，可实现对土槽的镇压填平。

2 开沟器设计

2.1 开沟器选型

开沟器是播种机上用来开出种沟的部件，其开沟性能的好坏对播种机的播种性能影响很大。开沟器按照其工作时入土角的不同，可分为锐角开沟器和钝角开沟器两大类。锐角开沟器入土角α<90°，这类锐角开沟器入土角小，工作时入土性能较好，但开沟阻力较大，不适合用于高速播种。钝角开沟器入土角α>90°，其主要形式有靴鞋式、滑刀式、单元盘式和双圆盘式等多种，钝角开沟器入土性能较弱，但工作时可切割土块和残茬，开沟器不易堵塞，适合用于高速播种。这其中，滑刀式开沟器因具有结构简单、不易壅土的特点，在生产中被使用的尤为频繁［16］。

滑刀式开沟器在结构上有多种形式，其常见的两种结构为普通型滑刀式开沟器和双腔型滑刀式开沟器。普通型滑刀式主要由滑刀以及侧板等部分组成，开沟时滑刀刃口以钝角破土，侧板将土壤挤向两侧面从而形成种沟；双腔型滑刀式开沟器主要由滑刀、侧板、排种管以及排肥管等组成。滑刀后方连接有排种管以及排肥管2个腔体，可实现种肥分施的要求。

2.2 开沟器结构

2.2.1 Ⅰ型滑刀式开沟器的结构

参考普通型滑刀式开沟器结构，设计一款Ⅰ型滑刀式开沟器，其结构如图3所示。该款滑刀式开沟器主要由滑刀、侧板、方插板、L型挂板等组成。 滑刀安装在开沟器前端，夹在开沟器两侧的侧板之间，作业时通过滑刀两侧的楔面实现破土并开出种沟。开沟器的上端安装一块方插板，其上方与播种机上的排种器相连，作业时排种器排出的菜种通过方插板掉落至开沟器内并最终落入已经开好的种沟中。开沟器通过后端的L型挂板与覆土器相连，再由覆土器对播种完成的种沟进行覆土回填。

2.2.2 Ⅱ型滑刀式开沟器的结构

参考双腔型滑刀式开沟器结构，设计了一款Ⅱ型滑刀式开沟器，图4为其结构示意图。该款滑刀式开沟器主要由滑刀、侧边挤土板、落种坡面等组成。

该款开沟器的最前端为滑刀，工作时滑刀刃口以钝角破土。侧边挤土板将土壤擠向两侧面并开出种沟。开沟器尾端为落种坡面，坡面与开好的种沟间呈一定的斜度且该斜度大于种子的静摩擦角，工作时排种器排出的种子最先落在落种坡面上，之后种子再沿着坡面滑落至开好的种沟内，再由覆土器完成后续的覆土回填作业，最终完成种子播种的全过程。

2.3 开沟器相关参数计算

2.3.1 滑刀入土角

入土角α是指开沟器在入土时滑刀前端面与水平方向间的夹角，图5为Ⅰ型和Ⅱ型两种开沟器入土角α的示意图。

所以刃口角的取值范围为β＜57.7°。杨薇［18］通过研究发现，刃口角的取值范围一般为30°～80°，本文最终取整确定滑刀刃口角β =35°。

2.3.3 滑刀刀刃曲线

滑刀的刀刃曲线决定了滑刀刀刃的形状，良好的刀刃曲线设计能够使得滑刀在破土时阻力减小，提升滑刀在土壤中的滑切效率。图6为滑刀的刀刃曲线示意图。

3 开沟器仿真

3.1 基于EDEM软件的开沟器仿真分析

为了验证Ⅰ型和Ⅱ型两款开沟器在土壤中的开沟性能，采用离散元软件EDEM对开沟器在土槽内的开沟状况进行模拟，通过对比所开出种沟的形状是否稳定整齐，借此来判定开沟器的开沟性能。在离散元软件EDEM中的Creator（模型创建）模块定义出原型颗粒，采用球形颗粒模拟土壤颗粒，为了简化模型，统一设置土壤颗粒模型为双球模型，半径为5 mm，颗粒模型如图7所示。由于土壤颗粒之间存在黏聚力，因此选择接触力学模型为Hertz-Mindlin with Bonding模型，该模型可以用来粘接颗粒，适合用来模拟土壤以及岩石等结构［21-24］。利用创建好的土壤颗粒模型来建颗粒工厂，以生成的土壤颗粒填充一个尺寸为500 mm×500 mm×100 mm的土壤颗粒床模型，生成的土槽颗粒床模型如图8所示。

颗粒床模型用来模拟开沟器工作的土槽，相关离散元具体参数数值参考相关文献［17］，如表1所示。在Simulator（仿真计算）模块中，需将SolidWorks软件绘制出的Ⅰ型和Ⅱ型滑刀式开沟器三维模型以step的文件格式导入EDEM中。因一般蔬菜播种机的作业速度约为3 km/h，即0.833 m/s，因此需同时赋予2种开沟器一个向前的运动速度，大小为0.833 m/s，统一将2种开沟器的开沟深度设置为30 mm，设置完毕之后进行仿真。 仿真过程结束后，通过后处理步骤导出Ⅰ型滑刀式开沟器在0 s（开始开沟阶段）、0.5 s（稳定开沟阶段）以及1 s（开沟结束阶段）的工作状态，如图9所示，导出Ⅱ型滑刀式开沟器在0 s（开始开沟阶段）、0.5 s（稳定开沟阶段）以及1 s（开沟结束阶段）的工作状态，如图10所示。

分别使用Analyst分析模块中的Slices（截断分析）选项，对经过Ⅰ型开沟器开沟的土槽土壤、Ⅱ型开沟器开沟的土槽土壤以及未经任何开沟器开沟的土槽土壤进行截断处理，Slice depth（截断厚度）设置为10 mm，3种土壤的截面图如图11所示。

通过对比两种土壤截面可以看出，经过Ⅱ型滑刀式开沟器开沟的土槽土壤与未经开沟的土槽土壤差别不大，不能形成稳定的种沟形状，不符合开沟器在开沟时所开沟形需整齐平直的设计要求。推测出现该种情况可能与Ⅱ型滑刀式开沟器结构有关，因为Ⅱ型滑刀式开沟器的滑刀部分相较于两侧的挤土板有较大的高度差，开沟时经过滑刀滑切过的土壤颗粒会发生相对位移，向两侧的挤土板方向滑动，因为滑刀与挤土板之间存在较大的高度差，土壤颗粒会沿着挤土板漏至已经开好的种沟内，造成开沟效果不明显的现象。

因此，在通过EDEM软件对Ⅰ型和Ⅱ型两种滑刀式开沟器的开沟过程进行模拟仿真后，得出如下结论：相较于Ⅱ型滑刀式开沟器，Ⅰ型滑刀式开沟器开出的种沟形状更为稳定整齐且能在种沟两侧形成一定的翻土堆积量，有利于种子发芽，因此本课题最终选取Ⅰ型滑刀式开沟器作为播种机的开沟器形式。

3.2 基于有限元的开沟器静力学分析

开沟作业在整个播种过程中是一道重要工序，而开沟器作为其主要部件，在工作中需要频繁与土壤接触，可能会出现强度断裂、扭转破坏等现象，进而严重影响到开沟器的开沟性能，因此有必要对开沟器进行静力学分析。将已经用SolidWorks软件建模好的开沟器模型导入至ANSYS Workbench 17.0软件中，并划分四面体网格，将开沟器的材料设定为65Mn，具体参数如表2所示。

开沟器的工作阻力受多种因素的影响，如开沟器形式与结构参数、开沟深度、土壤特性及播种作业速度等，第二版农业机械学［25］对单个开沟器所受的工作阻力做了如下的介绍，如表3所示。

滑刀式开沟器的平均阻力范围是200～400 N，取极限工况下的最大工作阻力值400 N作为此处开沟器所受的工作阻力，进行应力分析。

由图12可以看出，开沟器的变形主要发生在其滑刀的外侧，变形量由开沟器的后端向前端逐步递增，最大变形量为0.140 95 mm，整体的变形量较小，不影响开沟器的正常工作，符合作业条件；由图13可以看出，最大应力位置位于开沟器后端的螺栓连接处，应力大小为96.958 MPa，远远小于65Mn材料的屈服强度785 MPa，符合材料的强度要求。

4 播种机大田试验

4.1 田间试验方法

根据所设计的播种机模型制造出样机，并于2021年1月在太仓市潢泾镇开展样机田间测试。测试过程严格按照GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》进行。试验前在9个排种器种箱内分别倒入20 g菜种。进行测试作业时，拖拉机的行进速度为3 km/h。为了保证测试的准确性，首次测定在播种开始20 m后进行，最后一次测定在播种结束前20 m处停止，在此阶段内播种机的工作状态较为稳定，更加接近播种机的真实工作状态，使得测出的数据可靠度较高，整个测试区域的长度为50 m。每次播种结束后，将编号为1～9的排种器内剩余种子卸掉，分别对应装入编号为1～9的密封袋内，并用精度为0.01 g的精密实验室天秤称出每个密封袋内种子的重量。排种器在50 m测试区域内播种量计算公式如式（6）所示，測试共进行5次。

5 结论

1） 本文设计了一款气吸式精量播种机，主要由传动地轮、横梁、5个独立播种单元、六角长轴、正负压管道、三点悬挂装置、软管以及变速箱等构成。

2） 播种机选用的开沟器为滑刀式开沟器。通过计算，得出开沟器滑刀入土角为123°，滑刀刀刃曲线为y=0.002x2+0.7x，滑刀刃口角为35°，通过离散元软件EDEM模拟开沟器在吐槽中的开沟状况，验证开沟器具有良好的开沟性能。通过ANSYS workbench对开沟器进行静力学分析，得出最大变形量为0.140 95 mm，最大应力为96.958 MPa，符合材料的强度要求。

3） 通过整机田间试验测试，得出播种机的各行播量一致性的标准差为0.12 g，变异系数为3.1%，总体播量稳定性的标准差为0.97 g，变异系数为2.8%，试验结果表明该播种机各行播种均匀性良好，总体播种性能也较为稳定。

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