靳曉燕，孫士明，張海濱，梁玉成，于曉波

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

2007年，我國玉米種植面積達(dá)到2948萬hm2，超過稻谷和小麥，成為我國種植面積最大的糧食作物品種。2012年，我國玉米種植面積擴(kuò)大到3 493萬hm2，總產(chǎn)量增加到20 800萬t，玉米產(chǎn)量超過稻谷產(chǎn)量383萬t，成為我國第一大糧食作物品種[1]。2015年，我國玉米種植面積3 812萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)到22 564萬t，達(dá)到歷史最高水平。在農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革指導(dǎo)下，我國進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)， “鐮刀灣”地區(qū)玉米種植面積將逐步減少，從2016年開始，計(jì)劃到2020年，減少333萬hm2左右。到2016年，我國玉米種植面積3 676萬hm2，占全年糧食種植面積的32.5%，比2015年減少136萬hm2，比稻谷種植面積多660萬hm2；玉米產(chǎn)量21 955萬t，占全年糧食產(chǎn)量的35.6%，比2015年減少609萬t，比稻谷產(chǎn)量多1 262萬t。黑龍江省是我國玉米種植面積最大的省份，2000年以來，黑龍江省玉米種植面積一直穩(wěn)定在210萬hm2左右。2005年，黑龍江省玉米播種面積開始增加，達(dá)到273萬hm2。2006年，黑龍江省玉米播種面積增加到330.5萬hm2。2007年，黑龍江省玉米播種面積增加到388.4萬hm2 [2]。2007年以來黑龍江省玉米種植面積情況如圖1所示[3]，到2015年，黑龍江省達(dá)到歷史高峰744.5萬hm2，2016年回落到640萬hm2，產(chǎn)量達(dá)到3 000萬t。玉米是近年來黑龍江省糧食作物種植面積和產(chǎn)量增長最快的作物，對黑龍江省糧食增產(chǎn)起到了巨大的推動(dòng)作用[4]。

圖1 黑龍江省玉米播種面積

玉米機(jī)械化單粒播種技術(shù)是一種節(jié)本增效的新技術(shù)，能使株距、營養(yǎng)面積一致，通風(fēng)透光條件好，提高了成穗率、千粒質(zhì)量，使群體生產(chǎn)力達(dá)到最高水平，比常規(guī)播種節(jié)省種子50%左右, 且實(shí)現(xiàn)苗勻、苗齊、苗壯, 減少了田間間苗作業(yè),也避免了間苗傷根,無多余苗爭水爭肥,不破壞除草劑封閉層,提高了除草劑的除草效果[5]。近年來，隨著種子質(zhì)量的提高和種植習(xí)慣的改變，單粒播種技術(shù)開始普及，對玉米單粒精量播種機(jī)的要求也越來越高。目前，我國玉米單粒播種使用的排種器主要有勺輪式和氣吸式兩種類型[6]。2行玉米單粒精量播種機(jī)使用的播種器主要是勺輪式，不磕種，可播催芽種，作業(yè)速度4km/h左右，不能滿足高速作業(yè)需要[7]；種子適應(yīng)性較差，由于種子大小不一，與勺形大小很難匹配，播小粒種子時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一孔多個(gè)種子的現(xiàn)象，重播率高；在丘陵坡地傾斜或整地質(zhì)量不好顛簸震動(dòng)作業(yè)時(shí)種子容易從勺輪中脫落，抗干擾能力差，漏播率高。隨著玉米秸稈還田保護(hù)性耕作技術(shù)推廣和丘陵坡地機(jī)械化進(jìn)程加快，農(nóng)用拖拉機(jī)由小型向中大型升級，迫切需要抗干擾能力強(qiáng)、作業(yè)速度高及性能先進(jìn)的玉米單粒精量播種機(jī)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 功能特點(diǎn)

2BJZ-2型指夾式玉米單粒精量播種機(jī)，適合在玉米秸稈粉碎全量還田深翻埋茬整地、玉米秸稈粉碎半量以下部分還田松耙混拌或旋耕混拌整地、軟茬地秸稈粉碎全量還田未耕整地條件下，完成玉米的開溝、施肥、播種、壓種、監(jiān)控、覆土及鎮(zhèn)壓等項(xiàng)聯(lián)合作業(yè)，可壟上播種作業(yè)，也可平播作業(yè)，具有同位仿形和“V”形鎮(zhèn)壓功能特點(diǎn)。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

配套動(dòng)力/kW：22～33

行距/cm：60～70，可調(diào)

施肥部位：種側(cè)4～6cm、深5～10cm ，可調(diào)

施 肥 量/kg·hm-2： 150～900，可調(diào)

排 種 量/萬株·hm-2：5.0～10.5，可調(diào)

播種深度/cm：3～6，可調(diào)

株距合格指數(shù)/%: ≥80

作業(yè)速度/km·h-1：3～7

1.3 總體配置

2BJZ-2型指夾式玉米單粒精量播種機(jī)總體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為拖拉機(jī)整體后懸掛式，配套動(dòng)力為22～33kW四輪拖拉機(jī)。其播種作業(yè)阻力小，拖拉機(jī)的牽引能力充足，受限制的主要因素是懸掛裝置提升能力小。機(jī)具質(zhì)量一般控制在400kg左右，重心位置距懸掛點(diǎn)60cm左右，以確保機(jī)組縱向穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求，綜合考慮確定指夾式玉米單粒精量播種機(jī)工作幅寬為2行。

2BJZ-2型指夾式玉米單粒精量播種機(jī)由機(jī)架、地輪、施肥單體、肥箱、施肥變速、排種器、播種變速、種箱、開溝圓盤及鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)等主要零部件組成，如圖2所示。指夾式玉米單粒精量播種機(jī)運(yùn)輸時(shí)整體升起離地，作業(yè)時(shí)播種機(jī)施肥圓盤落地入土轉(zhuǎn)動(dòng)開溝；地輪落地轉(zhuǎn)動(dòng)帶著地輪軸上的鏈輪通過鏈條驅(qū)動(dòng)排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)，排肥軸帶著排肥盒轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行排肥，排肥盒排出的肥料通過排肥管輸送到施肥圓盤開的土壤溝中；同位播種仿形單體落地雙圓盤入土轉(zhuǎn)動(dòng)開溝，雙圓盤兩側(cè)單絞連接限深輪同位仿行限深開溝，壓溝刀壓實(shí)種床；同時(shí)地輪落地轉(zhuǎn)動(dòng)帶著地輪軸上的鏈輪通過鏈條驅(qū)動(dòng)排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行排種，排種器排出的種子從導(dǎo)種管輸送到種床內(nèi)；電子監(jiān)控器在導(dǎo)種管內(nèi)檢測排種情況，出現(xiàn)3粒以上漏播報(bào)警；由兩個(gè)空心窄橡膠組成“V”形鎮(zhèn)壓輪將種床兩側(cè)土壤同時(shí)向內(nèi)擠壓完成覆土，同時(shí)由側(cè)面向內(nèi)壓實(shí)種床，完成播種作業(yè)。

圖2 2BJZ-2型指夾式玉米單粒精量播種機(jī)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 同位仿形播種單體研究

播種單體是播種機(jī)的核心工作部件，主要完成開溝、限深、播種、覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)[8]。研制同位仿形播種單體(見圖3)，采用平行四連桿式仿形機(jī)構(gòu)，開溝圓盤、仿形輪和排種器投種點(diǎn)在同一位置，限深仿形精確，播深一致性好，采用“V”形鎮(zhèn)壓器，鎮(zhèn)壓輪為兩空心窄橡膠 “V”型輪，將開溝播種后種床兩側(cè)土壤同時(shí)由側(cè)面向內(nèi)擠壓，進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓，覆土均勻、不夾干土，種床壓實(shí)好，種上壓得輕，利于出苗。

圖3 播種單體軸測圖

其主要由連桿前座、仿形連桿、連桿后座、單架體、播種開溝圓盤、限深輪、限深輪調(diào)節(jié)手柄、排種器連接架、鏈輪、排種器、種箱及鎮(zhèn)壓輪等件組成，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足小型拖拉機(jī)懸掛能力弱、縱向穩(wěn)定性差的要求。

2.2 地輪裝配

地輪主要是用于調(diào)節(jié)機(jī)架高度及控制播種和施肥深度。左側(cè)地輪外側(cè)安裝排種變速箱組合，為排種提供動(dòng)力并控制播種株距，右側(cè)地輪外側(cè)安裝排肥變速箱組合，為排肥提供動(dòng)力并控制排肥量。地輪裝配分左右兩組，固定在機(jī)架主梁兩端后下方，主要由地輪固定座、調(diào)節(jié)絲杠、地輪支臂、傳動(dòng)鏈條、橡膠輪組合等件組合而成，如圖4所示。橡膠輪選取5.00-12型號(hào)，輪胎直徑540cm，輪胎寬度145cm。

2.3 指夾式排種器研究

指夾式排種器主要由入料口、排種軸、排種體、指夾播盤、指夾、導(dǎo)種體及導(dǎo)種皮帶組成，如圖5所示。

圖4 地輪裝配

圖5 指夾式排種器

指夾式排種器有12個(gè)指夾，指夾播盤帶著指夾旋轉(zhuǎn)到充種區(qū)時(shí)，指夾能模仿人體手指的運(yùn)動(dòng)，夾住1～3粒種子離開充種區(qū)；向上運(yùn)動(dòng)到上邊表面凸凹不平的清種區(qū)滑動(dòng)時(shí)，指夾夾住的多粒種子穩(wěn)定性被打破，不穩(wěn)定的種子掉落下來，經(jīng)過毛刷清種區(qū)時(shí)多余的種子又一次被清除；指夾夾住的剩余種子轉(zhuǎn)到投種口時(shí)，種子被指夾投進(jìn)隔板開口落入與排種托盤同步旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)種皮帶槽內(nèi)，種子隨導(dǎo)種皮帶轉(zhuǎn)到下方靠自重落入種床內(nèi)。導(dǎo)種鏈葉片上，與排種托盤同步旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)種鏈葉把種子帶到開溝器上方，種子靠自重經(jīng)導(dǎo)種管落人種溝內(nèi)。指夾式排種器由于有指夾夾住種子完成清種，在丘陵坡地傾斜或整地質(zhì)量不好或顛簸震動(dòng)作業(yè)時(shí)種子不容易脫落，抗干擾能力強(qiáng)，漏播率低。由于具有凸凹不平顛簸清種和毛刷清種兩套清種裝置，其單粒性能好，重播率低，且不磕種。

指夾式播種器性能測試試驗(yàn)在JPS-12排種器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。該試驗(yàn)臺(tái)具有計(jì)算機(jī)視覺圖像和數(shù)據(jù)采集處理分析系統(tǒng)。指夾式播種器固定在臺(tái)架上，涂有油脂的橡膠帶在下面勻速移動(dòng)模擬播種機(jī)田間行走作業(yè)，播種器轉(zhuǎn)動(dòng)排出的種子落在勻速移動(dòng)涂有油脂的橡膠帶上，排種器試驗(yàn)臺(tái)對排出的種子自動(dòng)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集檢測分析，完成排種器的性能測試。

指夾式排種器由哈爾濱沃爾科技有限公司生產(chǎn)提供，玉米種子選用市場銷售量較大的先玉335品種。指夾式玉米單粒精量播種機(jī)設(shè)計(jì)作業(yè)速度為3～7km/h。指夾式排種器在低速時(shí)性能優(yōu)良，高速時(shí)性能下降。因此，JPS-12排種器試驗(yàn)臺(tái)橡膠帶勻速移動(dòng)測試初始速度確定在5km/h，每增加0.5km/h測試1組數(shù)據(jù)，最大到12km/h。在橡膠帶不同勻速移動(dòng)下，改變指夾式排種器排種軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配，保證排出種子以23cm間距為測試粒距，對圓形大粒種子、馬齒形大粒種子、圓形小粒種子及馬齒形小粒種子的粒距合格指數(shù)進(jìn)行測試，每個(gè)橡膠帶勻速移動(dòng)速度測試200粒種子。指夾式排種器性能測試試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。根據(jù)GB/T 6973-2005單粒(精量)播種機(jī)試驗(yàn)方法作業(yè)性能指標(biāo)要求：粒距合格指數(shù)≥80%，漏播指數(shù)≤8%，重播指數(shù)≤15%，合格粒距變異系數(shù)≤30%[9]。通過試驗(yàn)圖形曲線看，在作業(yè)速度達(dá)到8.5km/h時(shí)，各種形狀玉米種子的粒距合格指數(shù)高達(dá)90%以上；在作業(yè)速度達(dá)到10.5km/h時(shí)，各種形狀玉米種子的粒距合格指數(shù)都達(dá)到85%以上；在作業(yè)速度高達(dá)12km/h時(shí)，各種形狀玉米種子的粒距合格指數(shù)都達(dá)到80%以上，達(dá)到國家單粒(精量)播種機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)粒距合格指數(shù)≥80%的要求。試驗(yàn)表明：指夾式排種器排馬齒形大粒玉米種子的粒距合格指數(shù)性能最好，在作業(yè)速度達(dá)到7.5km/h時(shí)，粒距合格指數(shù)高達(dá)95%，達(dá)到中耕作物精密播種機(jī)優(yōu)等品要求，性能指標(biāo)可以和氣力式排種器相媲美，具有排扁形種子的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，特別適合使用在玉米單粒播種機(jī)上。

圖6 指夾式排種器粒距合格指數(shù)

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖7所示。工作時(shí)，左右地輪共同驅(qū)動(dòng)排種軸和排肥軸作業(yè)，在地輪的外側(cè)安裝了單向棘輪，防止地輪左右運(yùn)轉(zhuǎn)不同步，互相干擾，影響傳動(dòng)效果，損壞零件。播種機(jī)作業(yè)時(shí)，地輪落地轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鏈輪和鏈條帶動(dòng)排種器和排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)，完成排種和排肥作業(yè)。傳動(dòng)裝配是由排肥傳動(dòng)裝配和播種傳動(dòng)裝配組成，主要由地輪、排種下塔輪、排種上塔輪、排肥下塔輪、排肥上塔輪、六方軸、鏈條、內(nèi)六方孔軸承及張緊部件等組成。

傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)保證技術(shù)指標(biāo)中施肥量和播種量的要求，并且傳動(dòng)可靠，不同施肥量和播種量的調(diào)整方便。該機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用了排肥三級、排種三級方案，由塔輪完成變速。具體傳動(dòng)路線設(shè)計(jì)方案是：當(dāng)?shù)剌嗈D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，地輪軸上的Z13齒鏈輪通過10A型套筒滾子鏈驅(qū)動(dòng)地輪臂鉸接軸上的Z23齒鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪臂鉸接軸上Z16齒鏈輪帶動(dòng)排肥過渡軸上的Z16齒鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，排肥過渡軸上的排肥下塔輪Z16、Z19或Z21通過08A型套筒滾子鏈驅(qū)排肥六方軸上的排肥上塔輪Z16、Z19或Z21轉(zhuǎn)動(dòng)，排肥六方軸上的排肥盒轉(zhuǎn)動(dòng)完成排肥作業(yè)；地輪臂鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)排種下塔輪上的變速鏈輪通過08A型套筒滾子鏈驅(qū)動(dòng)播種傳動(dòng)的六方軸上的排種上塔輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再由播種傳動(dòng)的六方軸上的Z19齒鏈輪通過08A型套筒滾子鏈驅(qū)動(dòng)排種器軸上Z19齒鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，選擇排種上下塔輪上的不同齒數(shù)變數(shù)鏈輪確定不同傳動(dòng)比，完成精密播種；作業(yè)時(shí)，可根據(jù)公頃保苗株數(shù)和株距要求，通過株距調(diào)整表選擇不同齒數(shù)的鏈輪，實(shí)現(xiàn)玉米播種量的調(diào)整。

圖7 播種機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)

2.4.1 排肥傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每行排肥器數(shù)量為1個(gè)，排肥器每公頃排肥量Q計(jì)算公式為

式中Q—每公頃排肥量(kg/ hm2)；

q—排肥器每轉(zhuǎn)一圈的排肥量(g/r)；

L—行距(m)；

D—支承輪直徑(m)；

δ—滑移率；

i—排肥傳動(dòng)比。

由排肥器每公頃排肥量Q計(jì)算公式導(dǎo)出排肥傳動(dòng)比i計(jì)算公式為

按照設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取各參數(shù)。玉米播種時(shí)排肥量Q為150～900kg/hm2，行距L按0.65m單行計(jì)算，排肥器每轉(zhuǎn)一圈的排肥量為36～140g/r，地輪直徑D按0.50m計(jì)算，滑移率δ按10%選取。

將式中已知參數(shù)、排肥器每轉(zhuǎn)一圈的排肥量q和每公頃排肥量Q的最小和最大值帶入排肥傳動(dòng)比i，則i最小=0.47,i最大=0.72。即排肥傳動(dòng)比i的范圍值最小應(yīng)小于0.467，最大應(yīng)大于0.623。

排肥設(shè)計(jì)為三級傳動(dòng)，i肥=i1×i2×i3，根據(jù)每公頃排肥量Q的設(shè)計(jì)要求，合理分配傳動(dòng)比，確定鏈輪齒數(shù)。Z1為13齒，Z2為23齒，Z3為16齒，Z4為16齒，Z5為16、19、21齒，Z6為21、19、16齒。

驗(yàn)證排肥傳動(dòng)比i的范圍值，即

驗(yàn)證施肥量Q的范圍值，即

排肥傳動(dòng)比i和施肥量Q的范圍值符合設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，改變鏈輪齒數(shù)配比，可得到不同的公頃排肥量。排肥傳動(dòng)系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 排肥傳動(dòng)系統(tǒng)

2.4.2 排種傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排種傳動(dòng)比計(jì)算公式為

式中D—地輪直徑(cm)；

s—株距(cm)；

δ—滑移率；

n—排種盤一圈排種數(shù)。

按照設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取各參數(shù)。玉米排種量Q為5.0～10.5萬株/hm2，按照0.65m行距單行計(jì)算，則株距為s=14.6～30.7cm。指夾式排種器排種盤一圈有12個(gè)指夾，排種數(shù)量為12個(gè)。地輪選取5.00-12型號(hào)，去掉輪胎下陷和變形，直徑D按50cm計(jì)算，滑移率δ按10%選取。將式中已知參數(shù)代入公式，得i=0.47～0.98。即排種傳動(dòng)比i的范圍值最小應(yīng)小于0.47，最大應(yīng)大于0.98。

排種設(shè)計(jì)為三級傳動(dòng)，則

i=i1·i2·i3

根據(jù)i2值，通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化組合確定6種調(diào)速鏈輪齒數(shù)。Z1為13齒，Z2為23齒，Z3為16、23齒，Z4為13、15、17、19、21齒，Z5為19齒，Z6為19齒。播種傳動(dòng)系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 播種傳動(dòng)系統(tǒng)

驗(yàn)證排肥傳動(dòng)比i的范圍值，即

排種器每公頃排種量Q計(jì)算公式為

式中Q—每公頃排種量；

L—行距(m)；

δ—滑移率；

D—支承輪直徑(m)；

n—排種盤一圈排種數(shù)；

i—排肥傳動(dòng)比。

將式中已知參數(shù)和i的最大最小值代入公式得

排種器每公頃排種量Q符合設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求，改變鏈輪齒數(shù)配比，可得到不同的公頃排種量。傳動(dòng)比和株距計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 株距調(diào)整表

3 樣機(jī)試驗(yàn)

2015年11月4日，黑龍江農(nóng)墾農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站對2BJZ-2型指夾式單粒精密播種機(jī)進(jìn)行了檢測，樣機(jī)由黑龍江沃爾農(nóng)裝科技股份有限公司生產(chǎn)，檢測地點(diǎn)在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院試驗(yàn)田。播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。在壟距65cm、株距20cm、播種深度5cm情況下，2BJZ-2型指夾式單粒精密播種機(jī)性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表3所示。

表2 主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表2

表3 性能指標(biāo)檢測結(jié)果

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了2BJZ-2型指夾式玉米單粒精量播種機(jī)，創(chuàng)新開發(fā)了指夾式排種器及同位仿形播種單體等部件，并進(jìn)行了關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)具在玉米翻埋、混拌條件下，可完成玉米的圓盤開溝、側(cè)深施肥、單粒播種、電子監(jiān)控、種床壓實(shí)及覆土鎮(zhèn)壓等項(xiàng)作業(yè)，經(jīng)鑒定產(chǎn)品性能達(dá)到國際同類技術(shù)先進(jìn)水平。