丘陵山地精少量播种机的设计应用

田 娟

（山西省农业机械发展中心，山西太原 030002）

0 引言

我国综合农机化率在72%左右，比农业发达国家的99%还有较大的差距，这主要是由于丘陵山地的农机化率低所致。实际上我国黑龙江核心农业区的农机化率已经接近100%，丘陵山地农机使用率低主要原因是地形限制造成的。我国山区占国土面积的2/3以上，面积超过663.6万km2，人口众多，资源丰富，开发潜力巨大。其中，山地丘陵占国土面积的43%以上，即使优质连片耕地面积最大的东北地区，丘陵面积也占比37.2%。丘陵山地耕地零碎，农田分散，地块狭小，坡地多，连片作业区少，传统大型农机无法作业，很多地区作业仍然以人力和畜力为主，只配有少量的微小型农机进行辅助作业。数据显示，我国有266.67万hm2坡耕地，在西南丘陵山区机耕率不足30%，远低于全国平均水平，犁、耙等工具仍然在使用。当前广泛使用的播种机尽管体积小、重量轻、成本低，但往往需要人力辅助，而且播种质量不高，作业效率较低。为解决这些问题，本文设计了一种多功能精少量播种机，能够适应多种作物种子的播种需求，可根据不同作业环境的要求搭配多种类型的开沟器和镇压轮，并且实现一体化集成作业，满足小麦、谷子、大豆、高粱、玉米等作物的高速、紧密、匀速播种需求。

1 丘陵山地精少量播种机面临的困境

1.1 标准化程度较低

丘陵山地和大平原农业机械化有不同的特点，不仅地块分散零碎，转弯半径小，不适合丘陵地形，大型平原播种机作业困难，而且受到光照、降水、自然条件等多方面的影响，每层每块耕地土壤墒情不同，比如一些区域土壤坚实度大，一些区域土壤潮湿松软。丘陵山地种植制度多样、农田区域分散、作物品种繁多、田块高低不平、生产模式不一，这对于标准化生产提出了较大的挑战，比如在行走方式选择上，充气轮胎适应性更强，实心轮胎一般应用于旱田，金属轮一般应用于水田，履带轮常用于土壤松软地带，这就大大地加大了标准化的难度。镇压作业时，由于土壤条件不同和地势起伏，也存在土壤粘附严重、镇压不均匀、镇压轮脱离地面和强度不足等问题。

1.2 生产效率较低

大型播种机马力大、横梁多、幅宽长、生产效率高，比如约翰迪尔9520T牵引的36 m幅宽超大型播种机，24 h内可完成905.27 hm2的播种量。但在丘陵山地环境中，小型播种机每1 h播种量为0.67 hm2左右，作业效率远低于大型农机。在西南山区丘陵地带，很多区域只能使用简单机械进行播种，多采用小型手扶自走式播种机，比如脚踏式玉米播种机利用踩踏力播种，在复杂环境中性能优势明显，鸭嘴轮式播种机利用重力和摩擦力原理播种，在潮湿土壤中有良好的通过性。但是这些机械人工劳动强度大，生产效率相对较低，对操作人员要求较高。

1.3 技术创新不足

目前，农业发达国家研发了电动辅助式播种机，比如针对日本山地环境设计的SYV-M系列电动播种机，体积轻小，绿色环保，但是仍需要人工辅助，而且播种速度远低于大型播种机。韩国丘陵环境研发的JAS系列动力自走式播种机无需手推即可以实现灵活转向，还能够对排种器进行调整。为适应颠簸不平的地面，JDT系列播种机采用牵引模式，并且装配了弹簧装置。但是农机卓越性能和价格低廉存在一定的矛盾，其造价较高而且性能仍有待优化。总体来说，目前山地播种机智能化水平低，关键部件和核心技术自主研发能力有待加强，以自动化程度为例，山地自动驾驶比平原耕地更加困难，地块面积小，地势高低不平，边界不规则，传统平原播种机的自动驾驶系统不能够直接套用。

2 丘陵山地精少量播种机的设计

2.1 整机设计方案

要提升小型农机的集成性，采用模块化设计，确保关键部件互换性好，能够通过安装各种开沟器和排种器满足不同作物种子的播种需求。整机结构如图1所示，其中1为仿形机构，对地形和播深进行控制。2为连接架，可以安装施肥箱等装置，为简化研究，设计中暂不增加肥箱。3为排种装置，排种器和排种盘可以根据实际需求更好。4为主梁，可以通过不同长度调整作业幅宽。5为双圆盘开沟器，根据土壤和作业条件不同可以更换为单圆盘开沟器和滑刀式开沟器等。6为覆土器，也可根据实际需求调整为拖环式、拖杆式、板式和轮式。7为镇压轮，可根据实际作业条件使用橡胶轮、钢铁轮、宽轮和窄轮。牵引方式可以根据实际情况采用履带式、轮式和小型拖拉机牵引，本文采用小型拖拉机后三点悬挂方式，通过改变孔位调节开沟深度，运输时通过液压拉杆将播种机脱离地面。使用电磁振动系统实现无级调节，改变振幅来调整排种速度。

图1 整机结构图

2.2 整机主要技术参数

工作幅宽在1.8～2.6 m之间，播种行距20～40 cm，作业速度1～3 m/s，动力大于10 kW，整机质量50～100 kg。配套动力计算如下：单个双圆盘开沟器的阻力150 N，5个开沟器即为750 N，设定前进速度为3 m/s，开沟器功率即P1=Fg*V=2250 W，地轮阻力Fg=f*G，取整机质量为70 kg，则G为 500 N，行走功耗P2=Fg*V=85 W，那么P=P1+P2=2335 W。上下悬挂杆高度和长度分为别27 cm、64 cm，44 cm、55 cm，水平距离10 cm，最低高度为13 cm，动力提升范围为38 cm。为保证离地高度大于20 cm，下悬挂点距离地面应大于30 cm。

2.3 排种装置和机架设计

1）排种装置采用电磁振动方式，将种箱与种子缓存槽间隙 r 设置为 1 mm，避免种子竖直跳动等问题。种子填满种箱后，由于重力挤压作用，种子暂存槽的种子会部分滚动到运输槽上。电磁振动发生器形成简谐振动，推动种子向右运动，将其排出至连接管与输种管。高速排种时均匀一致性受到的干扰较大，现有精量播种机试验显示，当作业速度高于10 km/h时，株距合格率就会明显下降。因此需要将其控制在一定速度之下。

2）机架采用钢结构，使用螺栓、螺母、销、弹簧等方式连接，对关键部件的固定可以进行模块化调整。

3）仿形机构的设计，为更好地适应丘陵地形，采用单组仿形方式，设定上下仿形量为 8 cm，上下拉杆和前后拉杆长度分别为150 mm和80 mm，横宽为70 mm，仿形角分别为-5°与 30°。将镇压轮作为仿形轮，使用平行四杆机构连接，为增加压力，可加入拉力弹簧，减少仿形滞后性。

2.4 开沟器设计

开沟器应该可以根据实际需求进行更换，为提升通用性和播种精密性，本设计采用双圆盘开沟器，更加适应半干旱和坚硬土壤环境。经过优化设计，将圆盘直径设计为380 mm，夹角Φ设计为13°，聚点m在圆盘的前下方，高于开沟深度，取β为与圆盘竖直线夹角，播深在3 cm～5 cm左右，其聚点位置图如图2所示。根据不同作物的开沟深度进行调整，其宽度计算可采用公式1，比如谷子开沟宽度经过计算最终选择为50 cm。

图2 双圆盘开沟器聚点示意图

2.5 覆土器设计

可采用圆形刮板式覆土器，提升覆土能力，采用倾斜放置方式，与播种机的夹角设置为60°，使细湿土壤轻轻覆盖种子。直径设计在16 cm左右，宽度2 cm，入土距离为1 cm左右。在耕宽和行距较大时，还可采用圆筒型覆土装置，其覆土更加严实，并且能够实现垂直调节。

2.6 镇压轮设计

丘陵地区镇压轮的设计极为重要，考虑到丘陵一些区域土地坚硬，使用金属轮进行镇压。在金属轮周围增加倒刺结构，减少滑移率，增加其直径为160 mm～180 mm，与拖拉机保持同一平面。采用固定连接在不平整地面的运行图如图3所示，由于开沟深度所致，此时无法完成镇压工作。因此需要采用柔性连接方式，确保镇压轮时刻与地面接触。

图3 固定连接镇压轮作业示意图

2.7 排种装置和导种管的设计

采用低位排种，提高稳定性，导种管、排种盘等装置应该根据不同作物进行调整。如果采用传统机械排种盘设计，应采用圆锥形设计方案，比如玉米、大豆和高粱等作物的型孔直径分别为8 mm～24 mm，9 mm～11 mm，6 mm～9 mm，深度为6 mm～12 mm，6 mm～8 mm，4 mm～8 mm，每孔粒数分别为3个、1个和5到9个左右。采用导种管设计方式能提高播种的均匀性，本设计以谷子为例，将排种器的高度设定为250 mm，导种管的高度设定为450 mm，直线部分190 mm，抛物线部分为 240 mm，厚度设计为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离，y表示垂直距离，表示入口速度，μ为摩擦系数，从公式2能够看到重力加速度g恒定，当初速度达到一定时，会随着摩擦力等影响逐渐降低，最终实现零速投种。

3 丘陵山地精少量播种机的应用和推广

3.1 推动丘陵农机的标准化作业

坚持人性化设计原则，尤其是在丘陵山地的作业环境下，更应该以人为中心，实现人、机、技术和环境的协调。加大宜机化改造、农田重整力度，实现农田的规格化和标准化，可采用激光整地机进行平整，比如可设定为长100 m，宽36 m，水平坡度＜2.5%。还可以减少沟渠渗漏，提高灌溉均匀度。在难以进行宜机化改造的地块推广多功能微型农机，最大程度上降低劳动强度，比如精少量播种机除了实现播种、浇水、施肥、镇压、覆土的一体化，还可以同时进行覆膜作业。

3.2 提升丘陵农机的智能化水平

丘陵山区地带农户年龄普遍在50岁以上，文化程度较低，机械操作能力较差，因此必须简化设计，提高智能化水平。比如充分利用虚拟仿真软件和经验数据库，利用农业数据化的优势，在作业过程中持续进行农业生产数据的采集，推动农机的数字化转型。使用地图快速拼接、北斗导航、AI 识别农田边界及障碍物等技术，用自动驾驶代替人工辅助。通过农机智能管理系统，精准测量土壤和环境条件，为多功能仿地形智能化农机提供技术支持。机械辅助和智能控制相结合，安装传感器和监控设备检测故障，自动进行报警，能够调整排种量并且在屏幕上实时显示。

3.3 加大技术创新

为减轻播种机重量，可以采用高强度塑料材料代替金属材料，比如排种盘、输种管和排肥盘等。使用铝合金材料代替钢铁材料，比如排种轮和排种器壳体，使用薄钢板冷压断面代替角钢等。使用液压系统调节行走机构、刀具和折叠机架，驱动风机等装置，应用单片机旋转编码器控制步进电机转速，调整排种速度。

4 结语

机械化程度低大大地制约了丘陵山地农业现代化的发展。在未来的研发中，因此根据实地调研的状况，加大技术创新，不断突破作业环境条件的限制，设计出精耕细作，传动平稳、转向灵活、结构紧凑、运输方便、排种可靠的精少量播种机。