丘陵山地精少量播種機的設計應用

田 娟

（山西省農業機械發展中心，山西太原 030002）

0 引言

我國綜合農機化率在72%左右，比農業發達國家的99%還有較大的差距，這主要是由于丘陵山地的農機化率低所致。實際上我國黑龍江核心農業區的農機化率已經接近100%，丘陵山地農機使用率低主要原因是地形限制造成的。我國山區占國土面積的2/3以上，面積超過663.6萬km2，人口眾多，資源豐富，開發潛力巨大。其中，山地丘陵占國土面積的43%以上，即使優質連片耕地面積最大的東北地區，丘陵面積也占比37.2%。丘陵山地耕地零碎，農田分散，地塊狹小，坡地多，連片作業區少，傳統大型農機無法作業，很多地區作業仍然以人力和畜力為主，只配有少量的微小型農機進行輔助作業。數據顯示，我國有266.67萬hm2坡耕地，在西南丘陵山區機耕率不足30%，遠低于全國平均水平，犁、耙等工具仍然在使用。當前廣泛使用的播種機盡管體積小、重量輕、成本低，但往往需要人力輔助，而且播種質量不高，作業效率較低。為解決這些問題，本文設計了一種多功能精少量播種機，能夠適應多種作物種子的播種需求，可根據不同作業環境的要求搭配多種類型的開溝器和鎮壓輪，并且實現一體化集成作業，滿足小麥、谷子、大豆、高粱、玉米等作物的高速、緊密、勻速播種需求。

1 丘陵山地精少量播種機面臨的困境

1.1 標準化程度較低

丘陵山地和大平原農業機械化有不同的特點，不僅地塊分散零碎，轉彎半徑小，不適合丘陵地形，大型平原播種機作業困難，而且受到光照、降水、自然條件等多方面的影響，每層每塊耕地土壤墑情不同，比如一些區域土壤堅實度大，一些區域土壤潮濕松軟。丘陵山地種植制度多樣、農田區域分散、作物品種繁多、田塊高低不平、生產模式不一，這對于標準化生產提出了較大的挑戰，比如在行走方式選擇上，充氣輪胎適應性更強，實心輪胎一般應用于旱田，金屬輪一般應用于水田，履帶輪常用于土壤松軟地帶，這就大大地加大了標準化的難度。鎮壓作業時，由于土壤條件不同和地勢起伏，也存在土壤粘附嚴重、鎮壓不均勻、鎮壓輪脫離地面和強度不足等問題。

1.2 生產效率較低

大型播種機馬力大、橫梁多、幅寬長、生產效率高，比如約翰迪爾9520T牽引的36 m幅寬超大型播種機，24 h內可完成905.27 hm2的播種量。但在丘陵山地環境中，小型播種機每1 h播種量為0.67 hm2左右，作業效率遠低于大型農機。在西南山區丘陵地帶，很多區域只能使用簡單機械進行播種，多采用小型手扶自走式播種機，比如腳踏式玉米播種機利用踩踏力播種，在復雜環境中性能優勢明顯，鴨嘴輪式播種機利用重力和摩擦力原理播種，在潮濕土壤中有良好的通過性。但是這些機械人工勞動強度大，生產效率相對較低，對操作人員要求較高。

1.3 技術創新不足

目前，農業發達國家研發了電動輔助式播種機，比如針對日本山地環境設計的SYV-M系列電動播種機，體積輕小，綠色環保，但是仍需要人工輔助，而且播種速度遠低于大型播種機。韓國丘陵環境研發的JAS系列動力自走式播種機無需手推即可以實現靈活轉向，還能夠對排種器進行調整。為適應顛簸不平的地面，JDT系列播種機采用牽引模式，并且裝配了彈簧裝置。但是農機卓越性能和價格低廉存在一定的矛盾，其造價較高而且性能仍有待優化?？傮w來說，目前山地播種機智能化水平低，關鍵部件和核心技術自主研發能力有待加強，以自動化程度為例，山地自動駕駛比平原耕地更加困難，地塊面積小，地勢高低不平，邊界不規則，傳統平原播種機的自動駕駛系統不能夠直接套用。

2 丘陵山地精少量播種機的設計

2.1 整機設計方案

要提升小型農機的集成性，采用模塊化設計，確保關鍵部件互換性好，能夠通過安裝各種開溝器和排種器滿足不同作物種子的播種需求。整機結構如圖1所示，其中1為仿形機構，對地形和播深進行控制。2為連接架，可以安裝施肥箱等裝置，為簡化研究，設計中暫不增加肥箱。3為排種裝置，排種器和排種盤可以根據實際需求更好。4為主梁，可以通過不同長度調整作業幅寬。5為雙圓盤開溝器，根據土壤和作業條件不同可以更換為單圓盤開溝器和滑刀式開溝器等。6為覆土器，也可根據實際需求調整為拖環式、拖桿式、板式和輪式。7為鎮壓輪，可根據實際作業條件使用橡膠輪、鋼鐵輪、寬輪和窄輪。牽引方式可以根據實際情況采用履帶式、輪式和小型拖拉機牽引，本文采用小型拖拉機后三點懸掛方式，通過改變孔位調節開溝深度，運輸時通過液壓拉桿將播種機脫離地面。使用電磁振動系統實現無級調節，改變振幅來調整排種速度。

圖1 整機結構圖

2.2 整機主要技術參數

工作幅寬在1.8～2.6 m之間，播種行距20～40 cm，作業速度1～3 m/s，動力大于10 kW，整機質量50～100 kg。配套動力計算如下：單個雙圓盤開溝器的阻力150 N，5個開溝器即為750 N，設定前進速度為3 m/s，開溝器功率即P1=Fg*V=2250 W，地輪阻力Fg=f*G，取整機質量為70 kg，則G為 500 N，行走功耗P2=Fg*V=85 W，那么P=P1+P2=2335 W。上下懸掛桿高度和長度分為別27 cm、64 cm，44 cm、55 cm，水平距離10 cm，最低高度為13 cm，動力提升范圍為38 cm。為保證離地高度大于20 cm，下懸掛點距離地面應大于30 cm。

2.3 排種裝置和機架設計

1）排種裝置采用電磁振動方式，將種箱與種子緩存槽間隙 r 設置為 1 mm，避免種子豎直跳動等問題。種子填滿種箱后，由于重力擠壓作用，種子暫存槽的種子會部分滾動到運輸槽上。電磁振動發生器形成簡諧振動，推動種子向右運動，將其排出至連接管與輸種管。高速排種時均勻一致性受到的干擾較大，現有精量播種機試驗顯示，當作業速度高于10 km/h時，株距合格率就會明顯下降。因此需要將其控制在一定速度之下。

2）機架采用鋼結構，使用螺栓、螺母、銷、彈簧等方式連接，對關鍵部件的固定可以進行模塊化調整。

3）仿形機構的設計，為更好地適應丘陵地形，采用單組仿形方式，設定上下仿形量為 8 cm，上下拉桿和前后拉桿長度分別為150 mm和80 mm，橫寬為70 mm，仿形角分別為-5°與 30°。將鎮壓輪作為仿形輪，使用平行四桿機構連接，為增加壓力，可加入拉力彈簧，減少仿形滯后性。

2.4 開溝器設計

開溝器應該可以根據實際需求進行更換，為提升通用性和播種精密性，本設計采用雙圓盤開溝器，更加適應半干旱和堅硬土壤環境。經過優化設計，將圓盤直徑設計為380 mm，夾角Φ設計為13°，聚點m在圓盤的前下方，高于開溝深度，取β為與圓盤豎直線夾角，播深在3 cm～5 cm左右，其聚點位置圖如圖2所示。根據不同作物的開溝深度進行調整，其寬度計算可采用公式1，比如谷子開溝寬度經過計算最終選擇為50 cm。

圖2 雙圓盤開溝器聚點示意圖

2.5 覆土器設計

可采用圓形刮板式覆土器，提升覆土能力，采用傾斜放置方式，與播種機的夾角設置為60°，使細濕土壤輕輕覆蓋種子。直徑設計在16 cm左右，寬度2 cm，入土距離為1 cm左右。在耕寬和行距較大時，還可采用圓筒型覆土裝置，其覆土更加嚴實，并且能夠實現垂直調節。

2.6 鎮壓輪設計

丘陵地區鎮壓輪的設計極為重要，考慮到丘陵一些區域土地堅硬，使用金屬輪進行鎮壓。在金屬輪周圍增加倒刺結構，減少滑移率，增加其直徑為160 mm～180 mm，與拖拉機保持同一平面。采用固定連接在不平整地面的運行圖如圖3所示，由于開溝深度所致，此時無法完成鎮壓工作。因此需要采用柔性連接方式，確保鎮壓輪時刻與地面接觸。

圖3 固定連接鎮壓輪作業示意圖

2.7 排種裝置和導種管的設計

采用低位排種，提高穩定性，導種管、排種盤等裝置應該根據不同作物進行調整。如果采用傳統機械排種盤設計，應采用圓錐形設計方案，比如玉米、大豆和高粱等作物的型孔直徑分別為8 mm～24 mm，9 mm～11 mm，6 mm～9 mm，深度為6 mm～12 mm，6 mm～8 mm，4 mm～8 mm，每孔粒數分別為3個、1個和5到9個左右。采用導種管設計方式能提高播種的均勻性，本設計以谷子為例，將排種器的高度設定為250 mm，導種管的高度設定為450 mm，直線部分190 mm，拋物線部分為 240 mm，厚度設計為5 mm。其出口速度如公式2，其中x表示出口到入口的水平距離，y表示垂直距離，表示入口速度，μ為摩擦系數，從公式2能夠看到重力加速度g恒定，當初速度達到一定時，會隨著摩擦力等影響逐漸降低，最終實現零速投種。

3 丘陵山地精少量播種機的應用和推廣

3.1 推動丘陵農機的標準化作業

堅持人性化設計原則，尤其是在丘陵山地的作業環境下，更應該以人為中心，實現人、機、技術和環境的協調。加大宜機化改造、農田重整力度，實現農田的規格化和標準化，可采用激光整地機進行平整，比如可設定為長100 m，寬36 m，水平坡度＜2.5%。還可以減少溝渠滲漏，提高灌溉均勻度。在難以進行宜機化改造的地塊推廣多功能微型農機，最大程度上降低勞動強度，比如精少量播種機除了實現播種、澆水、施肥、鎮壓、覆土的一體化，還可以同時進行覆膜作業。

3.2 提升丘陵農機的智能化水平

丘陵山區地帶農戶年齡普遍在50歲以上，文化程度較低，機械操作能力較差，因此必須簡化設計，提高智能化水平。比如充分利用虛擬仿真軟件和經驗數據庫，利用農業數據化的優勢，在作業過程中持續進行農業生產數據的采集，推動農機的數字化轉型。使用地圖快速拼接、北斗導航、AI 識別農田邊界及障礙物等技術，用自動駕駛代替人工輔助。通過農機智能管理系統，精準測量土壤和環境條件，為多功能仿地形智能化農機提供技術支持。機械輔助和智能控制相結合，安裝傳感器和監控設備檢測故障，自動進行報警，能夠調整排種量并且在屏幕上實時顯示。

3.3 加大技術創新

為減輕播種機重量，可以采用高強度塑料材料代替金屬材料，比如排種盤、輸種管和排肥盤等。使用鋁合金材料代替鋼鐵材料，比如排種輪和排種器殼體，使用薄鋼板冷壓斷面代替角鋼等。使用液壓系統調節行走機構、刀具和折疊機架，驅動風機等裝置，應用單片機旋轉編碼器控制步進電機轉速，調整排種速度。

4 結語

機械化程度低大大地制約了丘陵山地農業現代化的發展。在未來的研發中，因此根據實地調研的狀況，加大技術創新，不斷突破作業環境條件的限制，設計出精耕細作，傳動平穩、轉向靈活、結構緊湊、運輸方便、排種可靠的精少量播種機。