張亞新，張立華，張玉梅

(赤峰學(xué)院 建筑與機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰　024000)

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腳踏式玉米播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張亞新，張立華，張玉梅

(赤峰學(xué)院 建筑與機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰024000)

摘要：針對(duì)北方播種玉米的壟作區(qū)內(nèi)存在一些狹長(zhǎng)或凹凸不平的特殊地塊，設(shè)計(jì)了一種便攜式腳踏玉米播種機(jī)，包括支撐底座、踏板、前推杠桿及排種裝置，通過(guò)支撐底座與踏板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)排種裝置的排種。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)壟寬分別為350、380、400mm時(shí)，株距誤差分別為7.44%、5.13%、1.91%，播種深度合格率分別為95.14%、92.1%、89.72%，測(cè)試誤差符合要求，腳踏式玉米播種機(jī)的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足特殊地塊的耕種需求。

關(guān)鍵詞：玉米；播種機(jī)；腳踏式

0引言

玉米是我國(guó)重要的糧食和飼料作物,在我國(guó)北方旱區(qū)的種植面積非常廣泛[1]。由于我國(guó)大面積的后備土地資源集中在北方干旱地區(qū)[2]，在此區(qū)域農(nóng)民自行開(kāi)墾的不規(guī)則小塊土地較多，玉米的種植分布區(qū)域有不斷增大的趨勢(shì)。同時(shí)，對(duì)于適應(yīng)這種自開(kāi)采、小區(qū)域、不規(guī)則土地玉米種植設(shè)備的需求也在不斷地增加。

播種機(jī)的研究是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究領(lǐng)域[3]，目前國(guó)內(nèi)外大中型播種機(jī)械的生產(chǎn)、制造已經(jīng)比較成熟。在我國(guó)北方的大規(guī)模玉米種植地區(qū)，主要使用的播種機(jī)都是專(zhuān)用大、中型播種機(jī)或農(nóng)機(jī)帶動(dòng)的小型播種機(jī)，但簡(jiǎn)單方便、技術(shù)成熟、安全可靠、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的微型或人工操作的超微型種植裝備和技術(shù)依然存在著有效供給的不足。尤其在北方山區(qū)和丘陵地帶，由于受到耕種自然條件的限制，很多狹長(zhǎng)地塊或自開(kāi)墾地塊無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械播種，只能采用人工播種，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大而且效率低下，農(nóng)民迫切需要適合這種地塊播種的微型半自動(dòng)播種機(jī)械。因此，微型半自動(dòng)播種機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及推廣應(yīng)用成為亟待解決的問(wèn)題 。

1設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1設(shè)計(jì)原理

目前，市面上可見(jiàn)的非全自動(dòng)、有人工部分參與的微型播種機(jī)是一種人工直插式播種機(jī)。這種播種機(jī)操作簡(jiǎn)單、可靠性好、使用無(wú)空間限制，可以實(shí)現(xiàn)小塊不規(guī)則土地的玉米播種；但其人機(jī)工程性較差，操作者在完成播種時(shí)所耗費(fèi)的人工超過(guò)使用鎬頭等原始播種方式。為此，設(shè)計(jì)了一種雙壟交替式腳踏播種機(jī)。這種播種機(jī)操作類(lèi)似踩高蹺，兩腳交替前行，帶動(dòng)微型播種機(jī)前進(jìn)，同時(shí)每踏一步播種機(jī)下部的排種機(jī)構(gòu)在人體重力作用下進(jìn)行播種，有效減輕操作者的疲勞強(qiáng)度。

1.2總體設(shè)計(jì)

腳踏式播種機(jī)由支撐底座、踏板、前推杠桿、杠桿鏈接支塊、杠桿斜向運(yùn)動(dòng)限位板、踏位導(dǎo)向限位柱、種箱和排種器等組成，如圖1所示。

1.支撐底座　2.踏板　3.防滑凹槽　4.擺動(dòng)前推杠桿

主要技術(shù)參數(shù)如下：

整機(jī)質(zhì)量/kg：6

播種壟距/mm：350～400(可調(diào))

播種株距/mm：270～330(可調(diào))

播種深度/mm：40～60(理論)

作業(yè)速度/km·h-1：0.4～0.6(理論)

1.3工作原理

腳踏播種機(jī)工作前，先將種子加入到踏板下面的種箱里，并把播種機(jī)左右兩側(cè)的播種裝置間隔一壟，左前右后放置；使用人員左腳踩踏播種機(jī)的左踏板，播種機(jī)左側(cè)機(jī)構(gòu)在人體重力和自重的作用下向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)排種器向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)播種器排種。同時(shí)，擺動(dòng)前推杠桿將播種機(jī)右側(cè)機(jī)構(gòu)向前方推舉到播種位置上方；右腳踩踏右踏板，左腳抬起，播種機(jī)右側(cè)播種；循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)連續(xù)播種。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1支撐底座

耕地土壤是由固、液、氣三相組成的分散體，其含水量、結(jié)構(gòu)性和孔隙度等決定了土壤不同的力學(xué)性能。當(dāng)播種機(jī)支撐底座沿壟坡下滑的過(guò)程中，產(chǎn)生對(duì)土壤的擠壓作用；當(dāng)擠壓力超過(guò)某個(gè)失效面上的抗剪強(qiáng)度后，沿此剪切面形成垡片[4]。在此過(guò)程中，土壤發(fā)生剪切破壞并隨之破裂滑向壟谷。根據(jù)土壤壓縮與破壞理論，建立土塊的抗剪切力T為[5]

(1)

其中：τ為剪切面上的剪切力,τ=0.03MPa ；b為播種機(jī)支撐踏板縱向幅寬；β為剪切面與水平位置夾角；h(t)為t時(shí)刻支撐底座楔入壟坡的變形量。

實(shí)驗(yàn)表明：滑動(dòng)摩擦力與法向應(yīng)力呈直線(xiàn)關(guān)系[6]，假設(shè)支撐底座與壟坡的滑動(dòng)摩擦力f為

f=kσ(t)

(2)

其中，k為摩擦-正應(yīng)力比例系數(shù), k=0.72；σ(t)為支撐底座對(duì)壟坡垂直方向隨時(shí)間t變化的法向壓力。根據(jù)北京林業(yè)大學(xué)李艷杰教授等人的研究結(jié)果，土壤的壓縮曲線(xiàn)呈擬線(xiàn)性上升,達(dá)到峰值后光滑下降[7]。支撐底座對(duì)壟坡土壤的壓縮作用力較小，變形發(fā)生在壓縮的開(kāi)始階段，近似線(xiàn)性關(guān)系，支撐底座沿斜坡垂直運(yùn)動(dòng)位移為

(3)

其中，E為土壤壓縮開(kāi)始階段的近似線(xiàn)性變形的壓縮系數(shù)，北方土壤近似取E=0.6MPa-1[8]；A為支撐底座與斜坡的有效接觸面積。

腳踏播種機(jī)支撐底座在操作人員的踩踏作用下，向下運(yùn)動(dòng)。由于播種機(jī)擺動(dòng)前推機(jī)構(gòu)的局限性，腳踏式播種機(jī)兩側(cè)機(jī)構(gòu)的踩踏位置不在播種位置的正上方，而是在靠近壟峰位置。支撐底座下落過(guò)程中接觸壟坡，并沿壟坡滑落到壟谷實(shí)現(xiàn)播種。壟坡在支撐底座的作用下變形如圖2所示。

1.播種機(jī)支撐底座　2.壟峰　3.壟坡　4.壟谷

考慮到北方多為干旱地區(qū)，土壤性質(zhì)屬于欠固結(jié)土[9]，因此支撐底座沿壟坡下滑過(guò)程中，受到壟坡作用力主要包括土壤的抗剪切力、土壤對(duì)支撐底座的滑動(dòng)摩擦力及土壤抵抗壓縮變形的反力。支撐底座由支撐板、遮土沿、排種器安裝口、導(dǎo)向管和圓形開(kāi)孔組成，工作原理如圖3所示。

1.支撐板　2.排種器安裝口　3.排種器

支撐板中間位置有排種器安裝口，在排種器安裝口的四周有4根導(dǎo)向管呈矩形四角排列，導(dǎo)向管連接的支撐板含有圓形開(kāi)孔，其孔徑小于導(dǎo)向管內(nèi)徑，用于安裝踏板的導(dǎo)向柱和復(fù)位彈簧；支撐板的兩側(cè)設(shè)有遮土沿，防止兩側(cè)壟峰的土進(jìn)入支撐板與防土沿中間的位置。4根豎向?qū)驐U穿過(guò)腳踏式玉米播種機(jī)支撐板上的導(dǎo)向管，通過(guò)螺紋與踩踏板連接；導(dǎo)向管中的復(fù)位彈簧輔助踏板在操作人員撤掉踩踏力時(shí)自動(dòng)復(fù)位；種箱固定在踩踏板上，與種箱添種口結(jié)合，下端連接導(dǎo)種器和排種器；排種器連接在連接支撐板中的排種器安裝孔上，在踩踏板和支撐板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)播種。

支撐底座在壟坡下滑的過(guò)程中，受到向下的壓力及自身重力F、壟坡支持力N、坡面的摩擦力f及土壤的抗剪切反力T。支撐底座最低端沿壟坡面的垂直位移為h(t)，水平位移為l(t)。

假設(shè)：①支撐底座對(duì)斜坡的剪切力沿斜坡水平方向向下；②支撐底座側(cè)面與壟坡面傾斜角度一致；③支撐底座下滑過(guò)程中出現(xiàn)的坡面縫隙被下滑的土粒填充對(duì)摩擦力不產(chǎn)生影響；④支撐底座側(cè)壁與水平面夾角β隨h(t)發(fā)生變化，但變化量較小，忽略不計(jì)。

根據(jù)牛頓第二定律，對(duì)支撐底座進(jìn)行受力分析，可得

(4)

其中，a1表示支撐底座沿平行壟坡下滑的加速度； a2表示支撐底座垂直壟坡方向的加速度；m表示播種機(jī)一側(cè)和操作者的自重之和。

將式(1)～式(3)代入式(4)可得

(5)

其中，l″(t)表示支撐底座沿壟坡水平方向運(yùn)動(dòng)位移的二次導(dǎo)數(shù)，即水平位移方向的加速度；h″(t)表示支撐底座垂直壟坡方向運(yùn)動(dòng)位移的二次導(dǎo)數(shù)，即垂直位移方向的加速度。

2.2踏板機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)腳踏式玉米播種機(jī)的踩踏播種，雙壟式腳踏玉米播種機(jī)踏板機(jī)構(gòu)，包括踩踏板、防滑凹槽、種箱添種口、添種口把手、豎向?qū)驐U和圓柱形卡環(huán)，如圖4所示。

1.防滑凹槽 　2. 踩踏板　3.添種口手柄

踩踏板上設(shè)有防滑凹槽，使操作人員在踩踏過(guò)程中踩踏準(zhǔn)確，播種機(jī)垂直于地面向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確播種；防滑凹槽中間設(shè)有掀開(kāi)式種箱添種口，通過(guò)添種口手柄打開(kāi)添種口，在播種機(jī)上端進(jìn)行添種；4根豎向?qū)驐U穿過(guò)腳踏式玉米播種機(jī)支撐底座的導(dǎo)向管，通過(guò)螺紋與踩踏板連接；導(dǎo)向桿的下端通過(guò)螺紋連接圓柱形卡環(huán)，限制踩踏板相對(duì)于支撐底座向上運(yùn)動(dòng)的最大位置；導(dǎo)向管中的復(fù)位彈簧輔助踏板在操作人員撤掉踩踏力時(shí)，自動(dòng)復(fù)位,實(shí)現(xiàn)一次腳踏式播種機(jī)排種。

2.3排種機(jī)構(gòu)

腳踏式玉米播種采用楔形開(kāi)口式排種方式,由種箱、導(dǎo)種管、楔形塞、固定板、開(kāi)口彈簧、連接軸銷(xiāo)、左排種嘴和右排種嘴組成，如圖5所示。

1.種箱　2.導(dǎo)種管　3.楔形塞　4.右排種嘴

漏斗形種箱固定在踏板機(jī)構(gòu)下側(cè)，種箱下端連接導(dǎo)種管；勺形的左排種嘴和右排種嘴通過(guò)連接軸銷(xiāo)與導(dǎo)種管下端連接，左排種嘴和右排種嘴的上端通過(guò)開(kāi)口彈簧連接；楔形塞安裝在固定板下端，固定板上側(cè)固定在播種機(jī)支撐底座下端；踏板機(jī)構(gòu)與支撐底座之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)固定板和楔形塞，與左排種嘴和右排種嘴發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)楔形塞隨固定板相對(duì)于左排種嘴和右排種嘴向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在開(kāi)口彈簧彈力的作用下，左排種嘴和右排種嘴下端打開(kāi)，進(jìn)行排種；當(dāng)楔形塞復(fù)位時(shí)，左排種嘴和右排種嘴下端閉合，結(jié)束排種。

3田地試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)條件

2014年3月,在赤峰市寧城縣一肯中鄉(xiāng)二組的玉米試驗(yàn)田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，8°～12°緩坡，土質(zhì)為栗鈣土，狹長(zhǎng)地塊，長(zhǎng)427m，地勢(shì)相對(duì)平坦，屬于典型的北方半干旱耕作區(qū)，采用赤峰地區(qū)大范圍播種的“先玉335”號(hào)玉米種子。

3.2試驗(yàn)方法

先使用農(nóng)機(jī)將耕地犁出試驗(yàn)所需要的350、380、400mm壟寬各3條427m的長(zhǎng)壟。卸下播種機(jī)一側(cè)的播種器，換裝為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的草木灰盒，在播種器每一次播種的位置會(huì)留下草木灰痕跡摻雜進(jìn)土里便于統(tǒng)計(jì)播種株數(shù)；另一側(cè)播種器播種“先玉335”號(hào)玉米種子，并統(tǒng)計(jì)播種機(jī)在不同壟株距下各土層的種子數(shù)。具體方法如下[10]：

1)分別在不同的隔壟進(jìn)行播種機(jī)的播種，測(cè)量每條壟種植的株數(shù)，計(jì)算出平均株距。

2)在已播地不同行取樣，取樣長(zhǎng)度為200mm,不同壟寬各取20段。取樣方法：從壟谷的上表面開(kāi)始，每10mm縱向深度取樣1次，記錄覆蓋層內(nèi)的種子數(shù)，直至全部種子出現(xiàn)，1組記錄完成。

3.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同壟距實(shí)際播種株距誤差以及不同土層的種子數(shù)如表1和表2所示。

表2　不同土層的種子數(shù)比率

在壟寬分別為350、380、400mm時(shí)，株距誤差分別為7.44%、5.13%、1.91%。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，播種深度40～60mm 為合格，壟寬分別為350、380、400mm時(shí)，播種深度合格率分別為95.14%、92.1%、89.72%，基本符合農(nóng)藝要求。

株距誤差和播種深度不合格產(chǎn)生的主要原因：壟寬越寬，播種機(jī)中間的連接機(jī)構(gòu)越長(zhǎng)，使支撐底座沿壟坡下滑受到的影響越大，最終體現(xiàn)在播種深度不合格率和株距誤差。

4結(jié)論

研制的雙壟交替式腳踏播種機(jī)包括支撐底座、踏板、前推杠桿及排種裝置。對(duì)腳踏式播種機(jī)支撐底座與壟坡之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，確定了支撐底座沿壟坡下滑時(shí)受到的作用力，引入土壤壓縮破壞理論，忽略次要因素，建立了支撐底座沿壟坡下滑的動(dòng)力學(xué)模型。田間試驗(yàn)表明：當(dāng)壟寬分別為350、380、400mm時(shí)株距誤差分別為7.44%、5.13%、1.91%，播種深度合格率分別為95.14%、92.1%、89.72%，測(cè)試誤差符合要求。腳踏式玉米播種機(jī)的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足特殊地塊耕種的農(nóng)藝要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]董樹(shù)亭,張吉旺.建立玉米現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系,加快玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J].玉米科學(xué),2008,16(4):18-20,25.

[2]梅旭榮,嚴(yán)昌榮，牛西午．北方旱作節(jié)水高效型農(nóng)牧業(yè)綜合發(fā)展研究[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2005．

[3]羅紅旗,高煥文,劉安東,等.玉米壟作免耕播種機(jī)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37(4):45-47.

[4]孫一源．農(nóng)業(yè)土壤力學(xué)[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1985．

[5]鄭厚貴,張周強(qiáng).基于土壤壓縮破壞理論的挖掘鏟的設(shè)計(jì)與分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011,33(11):122-127.

[6]張明義,鄧安福.樁-土滑動(dòng)摩擦的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2002,23(2):246-249.

[7]李艷潔,徐泳.土壤試樣單軸壓縮試驗(yàn)與離散元法模擬對(duì)比研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,14(4): 76-80.

[8]陳書(shū)申,陳曉平.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)[M]．武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2012.

[9]梅旭榮,嚴(yán)昌榮，牛西午．北方旱作節(jié)水高效型農(nóng)牧業(yè)綜合發(fā)展研究[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2005．

[10]王利強(qiáng),吳崇友,高連興,等.2BSF-4型穴灌坐水播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(12):71-74.

Abstract ID:1003-188X(2016)06-0172-EA

Design and Experiment of Stampede-style Maize Seeder

Zhang Yaxin, Zhang Lihua, Zhang Yumei

(College of Architecture and Mechanical Engineering,Chifeng University, Chifeng 024000,China)

Abstract：To solve the problems of the North Ridge sowing maize area exists in Narrow or uneven of the special region, a stampede-style maize seeder was designed.The seeding machine comprises a supporting base, a pedal, push lever and Sowing mechanism.Through the relative movement of the support base and the pedal, planting with sowing machine.The result of field tests showed that in row spacing was respectively 350mm、380mm and 400mm, and plant spacing error were 7.44%, 5.13% and 1.91%,sowing depth qualified rate were 95.14%、92.1% and 89.72%.The design of stampede-style maize seeder satisfied the agronomic requirements.

Key words：soil;seeder; stamped-style

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0172-04

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張亞新(1981-),男，內(nèi)蒙古赤峰人，副教授，碩士,(E-mail)zhangyaxin198106@163.com。

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZY242)

收稿日期：2015-05-18