倒掛式圓管氣吸玉米免耕精播機的試驗研究

王洪偉，史智興，張晉國，趙曉順，周國龍，李劍鋒

1.河北農業大學機電工程學院，河北保定071001

2.河北農業大學信息科學與技術學院，河北保定071001

倒掛式圓管氣吸玉米免耕精播機的試驗研究

王洪偉1，史智興2*，張晉國1，趙曉順1，周國龍1，李劍鋒1

1.河北農業大學機電工程學院，河北保定071001

2.河北農業大學信息科學與技術學院，河北保定071001

針對目前圓盤氣吸式播種機存在的氣道結構龐雜、風壓損失大、動力損耗大的缺陷；以圓管氣吸式排種裝置為基礎研制的倒掛氣吸式玉米精密播種機。通過播種機的排種試驗測得播種機排種負壓值3.8 kPa、漏播指數3.75%、重播指數8.33%、粒距合格率87.5%、合格粒距變異系數25.7、播種深度平均值42.76 mm、播深合格率87%。與2BYQFH-4垂直圓盤氣吸播種機相比，氣道結構簡單、所需動力小，簡化排種器結構，減少氣壓損失環節，降低風機功率；相關技術指標均達到國家標準，種子破損率低、播深一致、排肥穩定、播種均勻、可實現單粒精密播種。

氣吸式；免耕播種機；性能試驗

在全世界，玉米的種植面積已達到2.0×109hm2，而玉米總產量則超過6.000×1011kg，我國玉米產量更是占全世界的22.4%以上，居世界第二［1］。最近幾年來，為提高糧食的總產量，政府大力發展農業機械化并得到了很大的推廣。

現代精準農業里的精量播種技術不僅能夠節約種子、大幅減少間苗、定苗的工作量，且能有效降低土壤肥力的浪費，極大的增大農作物的產量［2］。而對于玉米精播機來說，氣力式排種器的最大的優勢是對種子的尺寸、形狀要求不高，且傷種少，易達到單粒點播，通用性好，經濟適用［3，4］。

我國目前玉米精播機的氣力式排種器基本上是垂直圓盤結構的。這種結構需要每個播種行一個排種器，結構臃腫、需要的驅動力大，吸氣管道復雜、漏氣環節多、風壓損失大，需要大功率的風機來完成播種任務［5］。

課題組從2004年開始研制圓管氣吸式玉米小麥兩用精密排種器，至今已研究設計出圓管孔眼式小麥氣吸排種器、新型縫隙式小麥氣吸排種器、氣吸式小麥精密播種機縫隙式排種器等多種排種裝置，2008年研制的玉米精播機圓管式氣吸排種裝置的圓管排種器，以此為基礎改進設計方案，試制一臺結構采取圓管排種器倒掛安裝的播種機，排種器緊鄰地表，種子經投種機構刮落后直接落入種溝，省去接種漏斗、輸種管等中間結構避免種子下落過程中的隨機碰撞，經田間實驗驗證滿足農藝要求的單粒距均勻性，田間查苗分析其播深合格率，種子破損率滿足有關國家標準；簡化吸氣管道，減少氣體泄漏，有效降低負壓及風機功率［6］。

1　倒掛式圓管氣吸玉米免耕精密播種機簡介

1.1整機結構設計

圖1為倒掛式圓管氣吸玉米免耕精密播種機的整機結構簡圖。采用了目前機動性較好的三點懸掛鏈接方式。其主要構造包括：風機傳動裝置；（1）懸掛裝置；（2）主機架；（3）排種器機架；（4）肥溝開溝器；（5）種溝開溝器；（6）防秸稈護板；（7）排種器；（8）鎮壓裝置；（9）種箱及排種盒；（10）排肥器；（11）等部件組成?？蓪崿F在秸稈覆蓋田間的免耕播種施肥作業。

圖1　整機結構簡圖Fig.1 The machine diagram

1.2工作原理及工作過程

播種時，圓管排種器在地輪驅動下轉動（其鏈輪可與變速齒輪箱鏈接以便進行株距的調整），背負式風機在拖拉機后動力輸出軸驅動下轉動，通過風機軟管使圓管內產生負壓。在負壓作用下，排種盒內種子被吸附在圓管吸附孔上，此時，排種盒內的種子數量變少，而種箱內的種子則在其自身重力作用下自流到排種盒用以補充排種盒內的空缺避免排種器漏吸現象；同時，在位于排種盒排種口的清種刷的作用下，吸附孔上只剩一粒種子，隨著排種管的轉動到達種盒底部的投種位置，經分叉鍥形板投種器刮落后直接落入種溝。避免了種子與中間輸種裝置的隨機碰撞。同時排肥器在安裝于地輪的驅動鏈輪的帶動下攪動肥料進行排肥作業；位于肥溝開溝器后方的覆土片對肥溝內的肥料進行覆土，完成施肥過程。排種器排種精度高，單粒率、粒距均勻性、種子破損率等都能達到農藝上要求的精播要求。

圖2　排種原理圖Fig.2 The image of metering principle

2　播種機的主要參數及主要技術優勢

2.1整機主要技術參數

排種器為播種效率高、不傷種的的氣力式排種器，種溝開溝器與肥溝開溝器選用了窄箭鏟式開溝器，可滿足免耕地塊的播種要求；采用外槽輪式排肥器，其具有結構簡單，工作可靠，通用性好，排量調節簡單方便等諸多優點；播肥深度：與種子間距50 mm，種箱容量50 L，排種盒容量2 L。其主要的技術參數如表1所示。

表1　主要技術參數Table 1 The main technical parameters

2.2與2BYQFH-4免耕氣吸式玉米播種機的技術優勢

與農哈哈2BYQFH-4免耕氣吸式玉米播種機相比，本機選用一管徑為90 mm、圓周度好，長度等于播種機作業寬度的鋼質管材作為排種器—排種管，用焊接的兩個軸承頭及配套軸承座，倒掛安裝在排種器機架上。沿排種管的軸線按播種行距（本文為600 mm）確定吸附玉米孔的位置以及大小，在管壁上沿著圓周方向鉆出若干個孔均布于圓周作為吸種孔（本機為6個吸氣孔，孔徑為4 mm）；即為一個排種圓管開出四個播種行［6］。吸種管外圓加工出軸承和鏈輪的安裝位置，選用規格為HD-25連接螺紋頭內徑為25的氣動旋轉接頭采用螺紋連接的方式與排種器連接，旋轉接頭另一端接風機軟管。風機轉動使排種管內部處于真空狀態（圖3），配合種箱及種盒總成可以使吸種孔吸附種子。相比垂直圓盤結構的氣吸式排種器的一個排種器需要鏈接一個風機管道軟管，該型播種機只需兩端與氣動旋轉接頭套接兩個軟管；減少了漏氣環節，簡化管道結構且由于排種圓管內腔小相應需要的負壓也??；相比垂直圓盤式氣吸排種器能有效減少負壓損失進而降低風機功率。本機試驗是以農哈哈的2BYQFH-4免耕氣吸玉米播種機為對照，該型播種機為4行的垂直圓盤氣吸式播種機；經查閱其產品說明書及后期對比播種試驗得到以下數據：其所需配套動力為29.84-44.76 kW，相應風機轉速則達到了4800～5500 rpm /min；管道龐雜，漏氣環節多，風壓損失大相應需要拖拉機動力大；由本機主要技術參數及圓管氣道結構：其在氣道鏈接結構，拖拉機動力，風機轉速等方面明顯優于該型播種機。

圖3　圓管氣道布置簡圖Fig.3 The layout of circular tube airway

2014年，課題組在保定市飛達農機公司完成了第一代樣機制作；并于2015年五月份后根據其存在缺陷改進其主機架及排種器機架結構、氣道連接方式、排種盒及種箱等結構完成二代樣機制造，在飛達農機廠房內及其試驗田進行了整機的吸排種效果的測試，試驗設備包括拖拉機及配套風機、YEJ-101型矩形膜盒壓力表、DT2235B接觸式轉速表、玉米種子等。經實地田間播種試驗測得該型排種器在改進氣道連接方式后的滿足吸排種要求的風壓值為3.8 kPa；相應風機轉速為（1962～3800）rpm/min，結合本課題組08年對該圓管排種器所做的相關室內臺架排種試驗，正交試驗結果顯示在孔徑為4 mm、負壓為3.0 kPa時對應排種效果最好；但在本機實際田間作業過程中與臺架試驗作業環境有很大不同，且氣道的連接結構也不同；同時所得數據也同樣受種子品種、種子的均勻性、操作熟練程度等影響；因此，所得數據有一定差異性。后期進一步對其不足的地方進行改進［7］。

3　播種機的田間性能試驗分析

研究制造過程中，課題組設計并完成了兩次田間試驗（包括動態試驗與靜態試驗）。第一次（靜態）進行了初步的播種均勻性、種子破損率試驗（未安裝開溝裝置），第二次（動態）在試驗田進行了實際的播種試驗；進行播種深度、施肥深度等試驗，并進行出苗后的查苗，對株距進行二次測定以對第一次的粒距均勻性進行驗證。

3.1田間粒距均勻性試驗

試驗以該倒掛式圓管氣吸免耕精密播種機為樣機在位于我國河北省保定市飛達農機的試驗田進行了多次的播種實驗。并選擇同一地塊，然后將其分為兩塊試驗田；且兩地塊土壤特性基本相同，前茬及播種期相同，田間管理一致。采用倒掛式圓管氣吸玉米免耕播種機進行播種試驗。在播種之后20 d進行田間查苗。試驗的播種地塊為淮河平原的黃土地。試驗的外部條件：土壤的含水率為40%，地表的坡度不大于50并且比較平坦。試驗時的空氣溫度平均為260上下，為了更好地說明該型播種機的良好的通用性，選擇懸浮速度、千粒重、外形尺寸具有代表性的玉米種子進行播種田間試驗。本試驗選用德利農988作為試驗的玉米種子進行了播種試驗。該品種穗軸白色、黃粒、半馬齒形、出籽率87.7%，千粒重330 g，容重731 g/L，2008年經過了河北省農林科學院植物保護研究所抗病性接種鑒定分析；適合河北地區夏玉米區的播種。試驗要求：（參照GB/T 6973-2005單粒（精密）播種機試驗方法—附錄E田間試驗）粒距測定長度應大于規定所播種子的250粒距長度，依據最新國標田間試驗要求機組的行進速度為設計值的中值為6 km/h，隨機選取其中三個播種行，測定其粒距；首次播種測定應在播種開始20 m后進行，最后測定應在播種結束前20 m停止；為方便進行播種后粒距的測量，本次測定粒距均勻性試驗過程中拆除了種溝開溝器及覆土裝置，種子經投種器刮落后直接落入了地面的淺層土壤中；待樣本數量達到測量標準后安裝種溝開溝器及覆土裝置進行下面播種深度、施肥深度等試驗項目的測定。播種試驗后記錄播種后的試驗數據［8］。

圖4　機組作業圖Fig.4 The planter in working

圖5　粒距測定（黑色圈內為種子）Fig.5 The determination of seed distance

3.2播種質量、播種精度指標的計算

漏播和重播定義；理論上應該播一粒種子的地方而實際上沒有種子稱為漏播。統計計算時，凡種子粒距大于1.5倍理論粒距稱為漏播。理論上應該播一粒種子的地方而實際上播下了兩?；蚨嗔７Q為重播。統計計算時，凡種子粒距小于或等于0.5倍理論粒距稱為重播［8］。

由本次設定播種機的理論粒距Xf為240 mm，有重播、漏播定義粒距大于或等于360 mm為漏播；小于或等于120 mm為重播；結合GB/T 6973-2005單粒（精密）播種機試驗方法以及JB/T10293-200單粒（精密）播種機技術條件；算出粒距合格指數、重播指數、漏播指數三項反映播種質量的指標數據。并得出反映單粒精密播種機播種精度的指標數據：粒距平均值、標準差、合格粒距變異系數［9］。

（1）試驗中在試驗田的淺層土壤測量連續的250個粒距樣本，并將樣本以0.1 Xr的間隔分成區段。例如在Xr兩邊有如下區段：［0.9 Xr，Xr］；［Xr，1.1 Xr］；［1.1 Xr，1.2 Xr］等等。其中Xr表示理論粒距或者設計粒距。

繪制頻率直方圖如圖6所示；（依據玉米單粒（精密）播種機試驗方法GB/T6973-2005）以X為橫坐標，相對頻率Fi=ni/N為縱坐標，式中：N為試驗測定的種子數。

（3）將整個粒距樣本劃分為下述區間：Xi∈（0，0.5），Xi∈（0.5，1.5），Xi∈（1.5，2.5），Xi∈（2.5，3.5），Xi∈（3.5，+00）

如果滿足如下條件

（4）則可以確立一下等式

式中Xi取值（0.5，1.5］

（5）由上述反應播種質量指標

反應播種精度指標

式中Xi取值為（0.5，1.5］

樣本區段內各個粒距（播行內相鄰兩粒種子間的距離）與測定位置編號之間的關系；本文用origin軟件進行數據處理與擬合對應位置編號與測定樣本粒距（包含理論粒距）關系圖（圖6）。

圖6　測定位置與粒距關系擬合圖Fig.6 The fitting relation between the position determination and the seed space

圖7　頻率直方圖Fig.7 The frequency histogram

表2　播種質量指標（理論粒距為240 mm）Table 2 The index of sowing quality

表3　播種精度指標Table 3 The index of seeding precision

該型播種機的播種質量與播種精度指標均優于國家標準，是一款性能良好的玉米精密播種機械；且其免耕地塊的作業效果也滿足現階段的播種要求；田間作業性能能夠滿足玉米免耕生產需要。

但由于在田間作業試驗時，會受到人為、環境等因素的影響，同時所得數據也同樣受種子品種、種子的均勻性、土壤特性、操作熟練程度等因素的影響；因此，有一定的差異性［10］。

3.3播種、施肥深度合格率、種子破損率試驗

玉米的播種深度對后期玉米生長有很大影響。如果播種深度合理、一致性好則可以能夠使玉米出苗整齊，幼苗健壯。播種太深，幼苗芽鞘較長，出苗較晚易長成弱苗；播種太淺，在土壤墑情較差的情況下，可能導致種子不發芽而造成缺苗現象。為滿足免耕地塊的播種要求，本機設計播種深度設計為3～8 cm［11］。

玉米單粒（精密）播種機試驗方法GB/T6973-2005，檢測設備包括秒表及卷尺；本次試驗選取出苗后的幼苗進行播深測定，選取播種時任意四行或者沿播種幅寬按照‘S'型選取樣本區段，每行選取25株幼苗進行播深測量；共選取四行則樣本數為100株幼苗，然后計算播深合格率。

免耕施肥播種機GB/T20865-2007對各行排肥量一致性、總排量穩定性進行分析。采用目前廣泛使用的外槽輪式排肥器；經查閱相關資料其排肥性能滿足免耕條件下的排肥要求；免耕播種、施肥后，種子深度及合格率等測試結果如表4所示；結果表明，種子的平均播深為42.76，播深合格率為87%；整機設計合理。

表4　播深合格率、排肥性能Table 4 The percentage of sowing depth and distributing performance

對種子破損率的分析，設計采用的發明專利圓管氣吸排種器的分叉鍥形板刮種裝置（圖8），安裝于排種盒內，其中刮種板的豁口與吸種孔對正。用以取代使用的刮種橡膠條，吸種孔上吸附的種子轉到刮種板的薄位置時，種子兩側先與分叉鍥形板兩側接觸，隨著排種器的轉動，種子被其表面抬離了吸種孔，當高度一定時，種子受到吸附力變小而脫離進而落入種溝；由于刮種過程沒有剪切作用消除了傷種問題，經后期靜態、動態試驗數據分析，在一定轉速條件下，種子破損率可為0。

按照JB/T10293-2001單粒（精密）播種機技術條件，關于單粒（精密）播種機種子破損率要求氣力式的種子破損率應小于等于0.5%。其滿足國家標準，適應精密播種條件下的作業要求。為使該型機滿足精密播種條件下的種子破損率的要求；在進行裝配、調試播種機時，應按照加工裝配精度要求進行操作。后期進行田間作業時，對其投種器豁口與吸種空的相對位置要按照投種及位置進行安裝并緊固。

圖8　分叉鍥形板刮種裝置Fig.8 The device of scraper

4　結論

（1）整機結構簡單實用，滿足吸種要求的最低負壓為3.8 kPa，風機轉速為1962～3800 rpm/min，氣道結構及氣道密封性明顯優于傳統的垂直圓盤氣力式播種機；

（2）對精密播種機要求的粒距均勻性，通過降低排種器高度實現無輸種裝置，避免了種子下落過程中的隨機碰撞而導致的粒距不均勻，經田間試驗測得漏播指數3.75%、重播指數8.33%、粒距合格率87.5%、合格粒距變異系數25.7；其粒距均勻性滿足國家標準要求；

（3）出苗后查苗情況分析數據，播種深度合格率87%，平均播深為42.76 mm，滿足田間作業要求且實際作業安裝限深調節裝置可以根據不同播種要求對播深及施肥深度進行調節；

（4）采用傷種少、對種子尺寸要求低的氣力式排種器，采用分叉鍥形板投種器，一定轉速條件下，種子破損率為0；滿足國標關于氣力式精密播種機種子破損率的要求；

（5）目前安裝于排種盒內的清種刷清種效果不佳，沒有達到現階段單粒清種的預期效果；播種過程中會有兩?；騼闪Ｒ陨戏N子落入種溝；后期清種裝置有待改進。

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Experimental Study on Corn No-till Precision Planter with Upside Down CircularAir Suction Tube

WANGHong-wei1，SHIZhi-xing2*，ZHANGJin-guo1，ZHAOXiao-shun1，ZHOUGuo-long1，LIJian-feng1
1.College of Mechanical and Electrical Engineering/Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China
2.College of Information Science and Technology/Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China

Aiming at the defects in the current circular pneumatic seeder，such as numerous and jumbled air passage，great wind pressure loss，and great power loss，it develops inverted air-suction corn precision seeder based on the circular tube air-suction seeding device.Through the seeding test of the seeder，it turns out that the negative pressure of the seeding is 3.8kPa.leak seed index of 3.75%，repeating seeding rate of 8.33%，qualified rate 87.5%between seeds，variation coefficient 25.7，average depth of 42.76 mm and qualified rate of 87%.Compared with 2BYQFH-4 vertical circular pneumatic seeder，it has simple air passage structure，requires small power，simplifies the structure of the seeder，reduces the air pressure loss，and reduces the fan power.The related technological indexes reach the national standards.Moreover，the breakage rate of the seeds becomes lower；the seeding depth is uniform；the fertilizer is stably ejected；the seeding is even.It can realize the precise seeding of the single grain.

Air suction；no-till planter；performance validation test

S223.2

A

1000-2324（2016）05-0720-06

2015-07-21

2015-12-28

“十二五”國家糧食豐產科技工程（2011BAD16B08）；河北省人力資源和社會保障廳河北省高層次人才資助項目：基于圓管式氣吸排種器的玉米免耕施肥播種機開發研究（201304203）

王洪偉（1988-），男，山東東明縣人，在讀碩士研究生.E-mail：779134485@qq.com

Author for correspondence.E-mail：szx540105@yahoo.com.cn