大豆玉米帶狀復合種植精量播種機的設(shè)計研究

薛 榮

（山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西太原 030000）

0 引言

大豆玉米帶狀復合種植技術(shù)是從傳統(tǒng)套間作模式創(chuàng)新而來。主要基于大豆玉米耐蔭耐密遺傳特性和生物學特性的差異，充分利用高位作物玉米邊行的優(yōu)勢特點，擴大低位作物空間，構(gòu)建科學的復合空間布局，在最大化地利用土地資源的基礎(chǔ)上，有效解決玉米、大豆爭地問題，實現(xiàn)玉米不減產(chǎn)、多收一季豆的作物協(xié)同共生的目的。2021年，我國開始大面積推廣大豆玉米帶狀復合種植技術(shù)。這是一項農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新興技術(shù)，目前大豆玉米帶狀復合種植專用播種機較為匱乏。

為提高大豆玉米間作新農(nóng)藝關(guān)鍵技術(shù)到位率，發(fā)揮大豆玉米帶狀復合種植技術(shù)的增產(chǎn)增收優(yōu)勢，國內(nèi)各省份將該播種機產(chǎn)品納入農(nóng)機購置補貼，各省農(nóng)機企業(yè)、科研人員也加大投入力度，研發(fā)了部分專用播種機。如，湖南成功研制適宜南方黏性土壤特性的大豆玉米專用復合種植播種機。該機具采用圓盤開溝犁并單獨設(shè)置棘輪式驅(qū)動地輪，能有效解決開溝犁擁堵和地輪粘連打滑的難題。

大豆玉米帶狀復合種植技術(shù)通過調(diào)整玉米的行距和株距，使玉米的產(chǎn)量不比單作少，同時能多收一季大豆，達到提高土地利用率、增加農(nóng)民收益的目的。針對播種技術(shù)現(xiàn)狀和3+2兼作模式，本文研發(fā)了一種氣吹式大豆玉米帶狀復合種植精量播種機，設(shè)計了集成排種器，一器多行，簡化了播種機結(jié)構(gòu)，提高了大豆玉米行距調(diào)整的范圍。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

大豆玉米帶狀復合種植播種機主要由機架、行走輪、傳動機構(gòu)、集成排種器、種箱、輸種系統(tǒng)、開溝器、覆土鎮(zhèn)壓機構(gòu)等組成（圖1）。

圖1 氣吹式大豆玉米帶狀復合種植精量播種機結(jié)構(gòu)

該播種機設(shè)計為3+2模式，即3行大豆加2行玉米。作業(yè)時，行走輪通過驅(qū)動鏈條傳動排種器進行播種，由高速風機產(chǎn)生正壓，供給集成排種器的風嘴和輸種管的空氣放大器接氣口。排種器上的型孔排種盤在旋轉(zhuǎn)的過程中將單粒（玉米）、雙粒大豆種子均勻排出，經(jīng)空氣放大器加速后，通過輸種管播到種溝內(nèi)，進行覆土鎮(zhèn)壓。種植模式和機械參數(shù)（圖2、表1）。

表1 播種機參數(shù)

圖2 氣吹式大豆玉米帶狀復合種植精量播種機種植模式

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 傳動設(shè)計

與其他傳動相比，設(shè)計有傳動選用鏈傳動，鏈傳動無彈性打滑和整體打滑現(xiàn)象，傳動效率高，作用在軸上的徑向力小，結(jié)構(gòu)緊湊，性價比高，對環(huán)境的適應性好。因動力要從地輪傳遞到位于最高處的集成排種器，需經(jīng)過衡量，由于空間限制，二級傳動鏈輪不可過大。傳動布局（圖3）。

圖3 播種機傳動布局

播種機的傳動比：

式中，Zy為玉米排種器型孔數(shù)（28）；Ay為玉米株距（12～15 mm）；

D為地輪直徑（500 mm）；

δ為滑移率，取0.05。

由（1）式可得：

設(shè)計選用普通滾子鏈10 A，鏈節(jié)距p為15.875 mm，地輪軸上鏈輪齒數(shù)為Z1，選擇22齒。根據(jù)計算，Z4為42齒，輪軸上的鏈輪分度圓半徑：

根據(jù)種植要求，大豆的株距為10 cm。由（1）式倒推：

式中，Zd、Ad為大豆的株距和排種盤上大豆型孔數(shù)，可得Zd為31孔。

2.2 排種器設(shè)計

排種器是播種機的重要工作部件，本機的排種器設(shè)計為3行大豆兩行玉米的集成滾筒氣力式排種器，主要由殼體、型孔滾、壓力風嘴組成。工作時，滾筒勻速轉(zhuǎn)動，型孔進入充種區(qū)，種子靠自重充填到型孔內(nèi)，當型孔轉(zhuǎn)至壓力風嘴下方，氣流從型孔上方進入，從底部流出，上下形成壓力差，將下面的一粒種子壓覆在型孔底部，其余種子被氣流清走，完成清種。型孔經(jīng)過護種區(qū)到達排種口后，種子靠自重和推種刀的作用落入空氣放大器內(nèi)（圖4）。

圖4 氣吹式集成排種器結(jié)構(gòu)

該排種滾筒設(shè)計為5列排種，具體機構(gòu)（圖5）。排種滾筒與垂直窩眼輪相似，型孔為圓錐形，玉米型孔頂部直徑20 mm，底孔直徑3.5 mm，圓周28孔，兩列相鄰。大豆型孔為兩個頂部直徑15 mm，底孔直徑3 mm。圓錐疊合組成，重疊部分4 mm，圓周31孔，3列相鄰，錐孔底部內(nèi)壁開2 mm的環(huán)形槽作為退種槽。玉米型孔與大豆型孔中間有分割槽，用插板分開。

圖5 排種滾筒三維圖

2.3 輸種管的設(shè)計

設(shè)計的集中排種器到開溝器的距離較遠，為提高播種的精確性，減少種子在輸種管內(nèi)滯留時間。設(shè)計中將空氣放大器配置在輸種管上，通過氣流加快種子在輸種管內(nèi)的輸送速度，種子從空氣放大器中以一定的速度流出。種子在輸種管內(nèi)始終貼著管壁隨氣流向前運動，除受本身的重力外，還承受氣流的作用力。氣流對種子壓力的大小，又取決于種子和雜物與氣流方向成垂直平面上的投影面積、氣流速度、空氣密度以及它們的大小、形狀和表面狀況（表2）。在水平或傾斜管道中，物料懸浮來自紊流分速度、靜壓差等多種因素，懸浮速度與輸送風速垂直。為保證種子處于懸浮流而正常輸送，需要有比懸浮速度大得多的輸送風速，才能使物料顆料完全懸浮。

表2 種子相關(guān)參數(shù)

本研究假設(shè)在理想狀況下，種子在輸種管內(nèi)懸浮跟隨氣流運動，不與管壁產(chǎn)生摩擦和碰撞，所以只計算額定流速和管徑。種子在輸種管內(nèi)運動時，近似等效球形，研究中取最大粒度。

等效球體直徑：

式中，ds是種子的等效球體直徑；

L為種子的長度；

W為種子的寬度；

T為種子的厚度。

當氣流速度大于物料懸浮速度時，種子即可被氣流帶走進行氣力輸送。實際計算中，種子懸浮速度與種子的顆粒直徑、密度、阻力系數(shù)及空氣密度等相關(guān)：

式中，V0為懸浮速度；

dS為球體等效直徑；

ρS為種子密度；

C是阻力系數(shù)，取0.44；

ρ為氣流密度為1.205 kg/m3。

玉米懸浮速度為15 m/s，大豆懸浮速度為13.6 m/s，輸種管入口風速：

式中，KL為物料顆粒系數(shù)；

ρS為顆粒密度；

Kd為物料特性系數(shù)；

L為管道長度。

顆粒粒徑在1～10 mm，顆粒系數(shù)取值16～20，玉米、大豆的等效球體粒徑為7.6 mm和5 mm，這里取顆粒系數(shù)均為19和18。因輸種管長度較短，不足2 m，特性系數(shù)較小，計算中忽略物料特性對速度的影響。玉米種輸種管進口風速為20.81 m/s，大豆輸種管進口風速為22 m/s，計算流速遠大于種子懸浮速度，符合使用要求。因各輸種管共用一個氣流分配器，分配的氣流速度相同，綜合考慮，修正氣流進口速度為25 m/s。

料氣輸送比：

GS為單位時間顆粒輸送質(zhì)量；

Gg為單位時間氣流輸送質(zhì)量；

ρ為空氣密度（1.205 kg/m3）；

D為輸種管直徑。

研究取最小種植株距，根據(jù)播種量的要求，設(shè)定前進速度為5 km/h，單位時間內(nèi)玉米的播種量為3.25 g/s，大豆的播種量為6.72 g/s。種子在輸種管道內(nèi)輸送屬于稀相流，采用的離心風機料氣比一般為0.5～3，本研究中取其平均數(shù)1，計算輸種管最大直徑為19.8 mm，結(jié)合管道實際尺寸，修正輸種管尺寸為25 mm。

研究選用內(nèi)壁光滑、內(nèi)徑25 mm、長度2 m的軟管作為輸種管，安裝的最大彎度不超過。為解決種子從輸種管流出速度過快的問題，在距輸種管末端5 cm彎曲處打泄壓孔，快速釋放氣流，降低輸種管出口的氣流速度，依靠種子與管壁的摩擦力減小種子流速。在輸種管的泄壓孔外壁安裝褶皺套管，調(diào)節(jié)泄壓強度，避免種子受氣流影響而不能很好地著入種床帶（圖6）。

圖6 泄壓管

3 空氣放大器研究配置

空氣放大器是根據(jù)流體力學的附壁效應，壓縮空氣由供氣孔進入環(huán)形腔內(nèi)，在環(huán)形縫隙處節(jié)流，形成高速空氣層沿側(cè)壁產(chǎn)生90°轉(zhuǎn)向，通過中心空腔，在空腔中心產(chǎn)生低壓，進而將進料口種子吸入空腔，與供給的空氣一同穿過內(nèi)部空腔進入輸種管（圖7）。本文選擇接口外徑32 mm，通過直徑21.6 mm的鋁合金材質(zhì)空氣放大器。根據(jù)使用說明，輸入最大壓力0.7 Mpa，最大出口氣流流量相當于壓縮空氣的4倍。

圖7 空氣放大器結(jié)構(gòu)

流量：

式中，V為氣流速度；

s為管內(nèi)截面積。

當噴出口流速V為25 m/s時，噴出流量QC為735.9 L/min。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，對應的空氣消耗量約180 L/min，進氣口供給壓力約0.2 Mpa（圖8）。

圖8 進入口流量與壓力關(guān)系

4 結(jié)論

根據(jù)大豆玉米帶狀符合種植要求，采用氣吹式排種滾筒結(jié)合空氣放大器進行氣流輸種，設(shè)計了一種播種速度可達5 km/h以上的氣吹氣送式大豆玉米播種機。分別對播種機關(guān)鍵部件如傳動、排種滾筒、輸種管、空氣放大器等進行了計算分析，確定排種滾筒型孔28個，大豆型孔31個，單行空氣放大器需要提供動壓0.2 Mpa。本研究對大豆玉米帶狀復合種植機械設(shè)計具有一定的參考意義。