大豆玉米带状复合种植精量播种机的设计研究

薛 荣

（山西省农业机械发展中心，山西太原 030000）

0 引言

大豆玉米带状复合种植技术是从传统套间作模式创新而来。主要基于大豆玉米耐荫耐密遗传特性和生物学特性的差异，充分利用高位作物玉米边行的优势特点，扩大低位作物空间，构建科学的复合空间布局，在最大化地利用土地资源的基础上，有效解决玉米、大豆争地问题，实现玉米不减产、多收一季豆的作物协同共生的目的。2021年，我国开始大面积推广大豆玉米带状复合种植技术。这是一项农业生产的新兴技术，目前大豆玉米带状复合种植专用播种机较为匮乏。

为提高大豆玉米间作新农艺关键技术到位率，发挥大豆玉米带状复合种植技术的增产增收优势，国内各省份将该播种机产品纳入农机购置补贴，各省农机企业、科研人员也加大投入力度，研发了部分专用播种机。如，湖南成功研制适宜南方黏性土壤特性的大豆玉米专用复合种植播种机。该机具采用圆盘开沟犁并单独设置棘轮式驱动地轮，能有效解决开沟犁拥堵和地轮粘连打滑的难题。

大豆玉米带状复合种植技术通过调整玉米的行距和株距，使玉米的产量不比单作少，同时能多收一季大豆，达到提高土地利用率、增加农民收益的目的。针对播种技术现状和3+2兼作模式，本文研发了一种气吹式大豆玉米带状复合种植精量播种机，设计了集成排种器，一器多行，简化了播种机结构，提高了大豆玉米行距调整的范围。

1 总体结构及工作原理

大豆玉米带状复合种植播种机主要由机架、行走轮、传动机构、集成排种器、种箱、输种系统、开沟器、覆土镇压机构等组成（图1）。

图1 气吹式大豆玉米带状复合种植精量播种机结构

该播种机设计为3+2模式，即3行大豆加2行玉米。作业时，行走轮通过驱动链条传动排种器进行播种，由高速风机产生正压，供给集成排种器的风嘴和输种管的空气放大器接气口。排种器上的型孔排种盘在旋转的过程中将单粒（玉米）、双粒大豆种子均匀排出，经空气放大器加速后，通过输种管播到种沟内，进行覆土镇压。种植模式和机械参数（图2、表1）。

表1 播种机参数

图2 气吹式大豆玉米带状复合种植精量播种机种植模式

2 关键部件设计

2.1 传动设计

与其他传动相比，设计有传动选用链传动，链传动无弹性打滑和整体打滑现象，传动效率高，作用在轴上的径向力小，结构紧凑，性价比高，对环境的适应性好。因动力要从地轮传递到位于最高处的集成排种器，需经过衡量，由于空间限制，二级传动链轮不可过大。传动布局（图3）。

图3 播种机传动布局

播种机的传动比：

式中，Zy为玉米排种器型孔数（28）；Ay为玉米株距（12～15 mm）；

D为地轮直径（500 mm）；

δ为滑移率，取0.05。

由（1）式可得：

设计选用普通滚子链10 A，链节距p为15.875 mm，地轮轴上链轮齿数为Z1，选择22齿。根据计算，Z4为42齿，轮轴上的链轮分度圆半径：

根据种植要求，大豆的株距为10 cm。由（1）式倒推：

式中，Zd、Ad为大豆的株距和排种盘上大豆型孔数，可得Zd为31孔。

2.2 排种器设计

排种器是播种机的重要工作部件，本机的排种器设计为3行大豆两行玉米的集成滚筒气力式排种器，主要由壳体、型孔滚、压力风嘴组成。工作时，滚筒匀速转动，型孔进入充种区，种子靠自重充填到型孔内，当型孔转至压力风嘴下方，气流从型孔上方进入，从底部流出，上下形成压力差，将下面的一粒种子压覆在型孔底部，其余种子被气流清走，完成清种。型孔经过护种区到达排种口后，种子靠自重和推种刀的作用落入空气放大器内（图4）。

图4 气吹式集成排种器结构

该排种滚筒设计为5列排种，具体机构（图5）。排种滚筒与垂直窝眼轮相似，型孔为圆锥形，玉米型孔顶部直径20 mm，底孔直径3.5 mm，圆周28孔，两列相邻。大豆型孔为两个顶部直径15 mm，底孔直径3 mm。圆锥叠合组成，重叠部分4 mm，圆周31孔，3列相邻，锥孔底部内壁开2 mm的环形槽作为退种槽。玉米型孔与大豆型孔中间有分割槽，用插板分开。

图5 排种滚筒三维图

2.3 输种管的设计

设计的集中排种器到开沟器的距离较远，为提高播种的精确性，减少种子在输种管内滞留时间。设计中将空气放大器配置在输种管上，通过气流加快种子在输种管内的输送速度，种子从空气放大器中以一定的速度流出。种子在输种管内始终贴着管壁随气流向前运动，除受本身的重力外，还承受气流的作用力。气流对种子压力的大小，又取决于种子和杂物与气流方向成垂直平面上的投影面积、气流速度、空气密度以及它们的大小、形状和表面状况（表2）。在水平或倾斜管道中，物料悬浮来自紊流分速度、静压差等多种因素，悬浮速度与输送风速垂直。为保证种子处于悬浮流而正常输送，需要有比悬浮速度大得多的输送风速，才能使物料颗料完全悬浮。

表2 种子相关参数

本研究假设在理想状况下，种子在输种管内悬浮跟随气流运动，不与管壁产生摩擦和碰撞，所以只计算额定流速和管径。种子在输种管内运动时，近似等效球形，研究中取最大粒度。

等效球体直径：

式中，ds是种子的等效球体直径；

L为种子的长度；

W为种子的宽度；

T为种子的厚度。

当气流速度大于物料悬浮速度时，种子即可被气流带走进行气力输送。实际计算中，种子悬浮速度与种子的颗粒直径、密度、阻力系数及空气密度等相关：

式中，V0为悬浮速度；

dS为球体等效直径；

ρS为种子密度；

C是阻力系数，取0.44；

ρ为气流密度为1.205 kg/m3。

玉米悬浮速度为15 m/s，大豆悬浮速度为13.6 m/s，输种管入口风速：

式中，KL为物料颗粒系数；

ρS为颗粒密度；

Kd为物料特性系数；

L为管道长度。

颗粒粒径在1～10 mm，颗粒系数取值16～20，玉米、大豆的等效球体粒径为7.6 mm和5 mm，这里取颗粒系数均为19和18。因输种管长度较短，不足2 m，特性系数较小，计算中忽略物料特性对速度的影响。玉米种输种管进口风速为20.81 m/s，大豆输种管进口风速为22 m/s，计算流速远大于种子悬浮速度，符合使用要求。因各输种管共用一个气流分配器，分配的气流速度相同，综合考虑，修正气流进口速度为25 m/s。

料气输送比：

GS为单位时间颗粒输送质量；

Gg为单位时间气流输送质量；

ρ为空气密度（1.205 kg/m3）；

D为输种管直径。

研究取最小种植株距，根据播种量的要求，设定前进速度为5 km/h，单位时间内玉米的播种量为3.25 g/s，大豆的播种量为6.72 g/s。种子在输种管道内输送属于稀相流，采用的离心风机料气比一般为0.5～3，本研究中取其平均数1，计算输种管最大直径为19.8 mm，结合管道实际尺寸，修正输种管尺寸为25 mm。

研究选用内壁光滑、内径25 mm、长度2 m的软管作为输种管，安装的最大弯度不超过。为解决种子从输种管流出速度过快的问题，在距输种管末端5 cm弯曲处打泄压孔，快速释放气流，降低输种管出口的气流速度，依靠种子与管壁的摩擦力减小种子流速。在输种管的泄压孔外壁安装褶皱套管，调节泄压强度，避免种子受气流影响而不能很好地着入种床带（图6）。

图6 泄压管

3 空气放大器研究配置

空气放大器是根据流体力学的附壁效应，压缩空气由供气孔进入环形腔内，在环形缝隙处节流，形成高速空气层沿侧壁产生90°转向，通过中心空腔，在空腔中心产生低压，进而将进料口种子吸入空腔，与供给的空气一同穿过内部空腔进入输种管（图7）。本文选择接口外径32 mm，通过直径21.6 mm的铝合金材质空气放大器。根据使用说明，输入最大压力0.7 Mpa，最大出口气流流量相当于压缩空气的4倍。

图7 空气放大器结构

流量：

式中，V为气流速度；

s为管内截面积。

当喷出口流速V为25 m/s时，喷出流量QC为735.9 L/min。根据上述数据，对应的空气消耗量约180 L/min，进气口供给压力约0.2 Mpa（图8）。

图8 进入口流量与压力关系

4 结论

根据大豆玉米带状符合种植要求，采用气吹式排种滚筒结合空气放大器进行气流输种，设计了一种播种速度可达5 km/h以上的气吹气送式大豆玉米播种机。分别对播种机关键部件如传动、排种滚筒、输种管、空气放大器等进行了计算分析，确定排种滚筒型孔28个，大豆型孔31个，单行空气放大器需要提供动压0.2 Mpa。本研究对大豆玉米带状复合种植机械设计具有一定的参考意义。