气吸式大豆-玉米带状间作播种机的设计与试验

Design and experiment of an integrated air-suction soybean-corn strip intercropping planter

摘要

目的 针对大豆-玉米带状间作种植模式下播种机具少、播种单粒性差、株距不均匀、作业效率和智能化水平偏低等问题，设计研制了大豆-玉米带状间作免耕精量播种机。 方法 该播种机采用分调分控系统设计，其中，玉米、大豆播种单体由独立地轮分别驱动，实现间作模式下玉米、大豆不同株距、播深、镇压力度等的可调可控；采用电驱式排肥系统，由不同电机分别驱动玉米大豆排肥轴转动，实现间作模式下玉米、大豆不同施肥类型和施肥量的需求；为满足小株距密植条件下的播种要求，采用气吸式排种器。 结果 台架试验结果表明，排种器对玉米和大豆的最佳工作速度和工作压力范围均为3~6 km/h和7~8 kPa，此时，玉米合格率为94.6%~96.33%，重播率为0.97%~1.83%，漏播率为1.83%~4.43%；大豆合格率为96.43%~97.47%，重播率为1.27%~1.67%，漏播率为0.87%~2.3%；田间试验结果表明，当播种机工作速度为3~6 km/h时，玉米、大豆出苗后的株距合格率分别为82.89%~85.55%、81.3%~83.8%，保苗率分别为89.59%~93.54%、84.17%~88.73%。 结论 播种机各项性能指标均符合相关标准和实际生产要求。

Abstract

Objective A no-till precision planter for corn-soybean strip-intercropping was designed and developed in response to the problems of fewer seeders，poor single-crop seeding performance of tillers，uneven plant spacing，low operating efficiency and low intelligence level in soybean-corn strip-intercropping. Method The planter adopts the design of distributed regulation and control system，in which corn and soybean sowing units are driven by independent ground wheels，respectively，to meet the requirement of adjustable and controllable plant spacing，sowing depth，compacting intensity under corn and soybean intercropping mode.The electrically driven fertilizer system is adopted，where different motors are used as the power to apply fertilizer to soybean and maize respectively，to meet the requirements of different types of fertilizer and the amount of fertilizer applied in intercropping mode.In order to meet the requirements of sowing under the conditions of small plant spacing and dense planting，the seeder adopts an air-suction seed metering device. Result The results of the bench test show that the best range for the working speed and working pressure of the air-suction seeder for maize and soybean is 3~6 km/h and 7~8 kPa.The qualified rate of maize was 94.6%~96.33%，the over-sowing rate was 0.97%~1.83%，and the missed seeding rate was 1.83%~4.43%.Meanwhile，the qualified rate of soybean was 96.43%~97.47%，the over-sowing rate was 1.27%~1.67%，and the missed-seeding rate was 0.87%~2.3% in the above range.The field test results showed that when the working speed is 3~6 km/h，the qualified planting spacing rates after germination of maize and soybean are 82.89%~85.55% and 81.3%~83.8%，and the survival rate in spring is 89.59%~93.54% and 84.17%~88.73%，respectively. Conclusion All of the seed drill's test indices comply with relevant standards and actual production requirements.

Graphical abstract

关键词

玉米 / 大豆 / 玉豆间作 / 气吸式排种器 / 分调分控系统 / 播种机

Key words

corn / soybean / corn-soybean intercropping mode / air-suction seed-metering device / distributed regulating and controlling system / seeder

玉米、大豆均是重要的饲料原料，2020年我国玉米播种面积约4 126.4万hm²，总产量约2.61亿t，进口量约1 130万t，同比2019年增长135.7%^［1-2］；大豆播种面积约987万hm²，比上年增长5.9%，总产量约1 960万t，进口量首次超1亿t，约1.003 3亿t，同比2019年增长13.3%^［3］。我国玉米基本能够实现供需平衡，但大豆进口量约占消费总量的85%以上。为保证大豆产量，玉米、大豆轮作种植模式在有限耕地条件下会产生一定的争地矛盾，而大豆-玉米带状复合种植技术通过采用宽窄行田间布置方式，充分利用边行优势，年际间交替轮作，可以增加土地复种指数和粮食产量^［4-8］。

目前，间作播种主要是一台机器播种两种作物，但不能简单的用净作播种机拼装成间作播种机，因为两种作物的特性不同，所需的种植密度、施肥量、开沟深度、镇压力度也不同。而针对大豆-玉米带状间作种植模式研发的播种机具还很少。屈哲等^［9］研制了2BJYM-4型玉米-大豆间作精量播种机，采用转仓式大豆排种器和勺轮式玉米排种器，且玉豆排种器调控采用一体式结构，无法满足高密度排种、高质量播种等作业要求，试验结果表明，玉米大豆播种合格指数大于93%，漏播指数小于4%，重播指数小于3%^［9］。李杞超等^［10］研制了大型气吸式窄行密植平作高速精密播种机，攻克单元组机构整体仿形与防堵、高速精密播种、精量分层侧深施肥等关键技术，但该机具难以调节播种精度，不适应高密度播种。试验结果表明，理论株距为8 cm时，粒距合格指数为76.7%；理论株距为6 cm时，粒距合格指数为77.4%，其他指标均满足国家标准。楚杰等^［11］针对农艺措施与农机不配套的问题，研制了玉米宽窄行条带深旋免耕精量播种机，提高了播种施肥性能，但机具预留宽行不能满足大豆种植需求。

任领及其团队结合整机驱动和可调式仿形单体的优点，设计了2BF-5型玉米-大豆带状间作精量播种机，采用勺轮式排种器和分调分控技术，当播种机前进速度为4 km/h时，播种粒距合格率为75.8%~83.57%，其他各项性能指标均符合相关标准和实际生产要求^［12-13］，但该机对保证播种单粒性和均匀性以及大施肥量方面有待于进一步提高。

上述研究成果虽然在一定程度上能运用到玉米大豆带状复合种植模式中，但是存在作业机具播种单粒性差、株距不均匀、作业效率和智能化水平偏低等问题。国外研究播种机均针对玉米、大豆单作，且机具体积较大，无法适应我国玉米大豆带状复合种植技术。本研究以农机与农艺高度融合为基础，机具高效、优质为目标，研制开发出大豆-玉米带状间作免耕精量播种机，并进行田间试验，为后续推广应用大豆-玉米间作种植模式提供技术装备支撑。

1 大豆-玉米带状间作播种机的设计

1.1 播种机结构与工作原理

大豆-玉米带状复合种植模式分为套作和间作，其中，当大豆-玉米行比为4∶2的间作模式时，产值增加、经济效益提高显著^［14-16］，如图1所示。该农艺模式要求玉米株距为9~14 cm、大豆株距为8~10 cm，玉米行距为40 cm，大豆行距为20 cm，玉米带与大豆带间距为60 cm ^［17-18］。吴维雄等^［19］指出为满足带状复合种植模式下的机械化播种需求，所用机具应根据农艺要求进行规范，即满足相应种植模式的行比、行距和穴距等。

本研究设计的大豆-玉米带状间作免耕精量播种机可同时播2行玉米和4行大豆，整机结构如图2所示。该播种机主要由机架、播种单体、驱动地轮、排肥地轮、传动系统、人机交互显示器等部件组成，能够同时进行玉米和大豆的播种、施肥作业。播种机工作时，玉米和大豆播种单体由不同的地轮驱动，分别位于玉米播种单体与大豆播种单体之间，对称安装于机架后方；为避免秸秆堵塞，大豆播种单体前后错位安装；播种机通过玉豆株距调节装置分别调节玉米和大豆的株距，调整限深轮高度控制双圆盘开沟器的开沟深度，调节镇压轮弹簧预紧力控制播种单体的镇压力度；播种机工作时，施肥开沟器和播种开沟器分别开出肥沟和种沟；由风机提供负压给排种器，使排种器实现吸种、排种过程，种子再经导种管落入种沟，随后在V型镇压轮的作用下完成覆土和镇压，从而实现整个播种过程。

通过对玉米、大豆播种单体各结构分调分控系统的设计，最终满足玉米、大豆播种株距、播种深度和镇压力度的不同要求。

1.2 播种机的性能指标

气吸式大豆-玉米带状间作播种机的主要性能指标见表1。

2 播种传动与排肥系统设计

2.1 播种传动系统的设计

大豆-玉米带状间作播种机的传动系统可实现动力源的分向传递，玉米、大豆驱动地轮通过链传动将动力分别传递给各自的播种单体，玉米播种单体之间通过传动轴直接由玉米驱动地轮驱动；大豆播种单体对称位于播种机的两侧，通过主传动轴将左侧大豆驱动地轮的动力传递给右侧的大豆播种单体，其中，2个大豆播种单体之间前后错位安装。玉米、大豆驱动地轮前端设株距调节箱，通过调节传动比，实现玉米和大豆株距的分调分控，如图3所示。

2.2 排肥系统的设计

根据大豆-玉米带状间作种植模式的农艺要求，玉米施肥量为750~1 500 kg/hm²，大豆施肥量为300~600 kg/hm²。为满足间作播种机对玉豆施肥量和肥料类型的不同要求，对播种机排肥系统进行以下设计：（1）将肥箱用挡板隔开，其中大豆施肥空间约占肥箱总容积的1/3；（2）用2个排肥器同时为一个玉米播种单体供肥，用一个排肥器同时为2行大豆播种单体供肥，大豆施肥开沟器位于2行大豆播种单体之间，玉米施肥开沟器位于玉米播种单体一侧10 cm处；（3）玉米和大豆排肥系统具有各自的排肥轴，由不同的电机驱动，以实现排肥器的不同转速和排肥量。

该播种机具有独立的排肥地轮，编码器与排肥地轮同轴转动，采集排肥地轮随播种机前进的转动信号，并将信号传递给主控箱；在人机交互显示界面调节玉米、大豆施肥量等参数，主控箱通过分析接收到的速度信号和玉豆施肥量信号，进而控制不同电机的转速并驱动排肥轴转动。播种机排肥系统工作过程简图如图4所示。

3 关键部件结构设计

3.1 气吸式排种器的设计与工作原理

排种器作为播种机的核心部件，其工作性能决定了播种机的播种质量^［20］。气吸式排种器因其排种精度高、不伤种、适宜高速作业，已广泛应用于玉米、大豆等作物的精量播种^［21-23］。为满足玉米、大豆小株距密植的播种需求，本研究所设计的玉米大豆带状间作播种机也采用气吸式排种器，该排种器主要由排种盘、内外清种刀、前壳、后壳等关键部件组成，如图5所示。排种器工作时，排种盘逆时针转动，位于充种区的种群在相互间挤压力与扰种凸台的双重作用下被吸附在排种盘上，排种盘上的凸台可以起到扰动种群提高充种效果的作用；通过调节外部清种刀的伸出长度和内部清种刀的上下位置，调整内外清种刀与排种盘型孔的相对位置，在内外清种刀的双重作用下清除排种盘型孔上的多余种子，并调整单粒种子的位置使其能被更好地吸附在型孔上；种子到达落种区时，挡种板隔绝负压气流，种子在自身重力作用下经导种管落入种沟。

3.2 播种单体的设计

播种单体是播种机的重要组成部分，本研究所设计的播种单体主要由种箱、排种器、仿形机构、预开沟器、挡泥板、双圆盘开沟器、导种管、限深轮、刮泥板和镇压轮等部件组成，该播种单体集开沟、排种、限深、覆土、镇压功能于一体，如图6所示。通过调节玉米、大豆株距调节箱内齿轮的传动比，可改变玉米、大豆播种株距；玉米播种深度为40~50 mm，大豆播种深度为30~40 mm，通过转动限深调节摇杆，可使播种单体根据地况达到播种深度要求；由于玉米、大豆所需镇压力度不同，通过改变镇压力度调节杆的位置，达到玉米、大豆不同的镇压力度需求。

播种单体采用平行四连杆仿形机构，在仿形机构上安装镇压力度调节装置，提高播种机对不同地面的适应性；预开沟器可先开出种沟，使双圆盘开沟器具有更好的开沟性能；限深轮后上方设有刮泥板，可减少泥土在限深轮上的堆积；调整双圆盘开沟器与限深轮的相对位置可以控制播深，以满足玉米、大豆不同的播种深度要求；调整镇压力度调节杆的位置可以控制拉伸弹簧的预紧力，以满足玉米、大豆对不同镇压力度的需求。该平行四杆机构安装在播种机主梁上，由上下连杆、前后连杆、调压弹簧和初始牵引角β等组成，对平行四杆机构进行受力分析，如图7所示：

由受力分析图可知：

\left\{\begin{array}{l}{F}_{\mathrm{1}x}=f_{\mathrm{1}}{F}_{\mathrm{1}y}\\ F_{\mathrm{2}x}=f_{\mathrm{2}}{F}_{\mathrm{2}y}\end{array}\right.（1）

式中：f₁为开沟器与土壤间的摩擦系数；f₂为限深轮与土壤的摩擦系数。

由平衡条件可知平行四杆机构的受力为：\left\{\begin{array}{l}{F}_A\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta +F_B\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta -f_{\mathrm{1}}{F}_{\mathrm{1}y}-f_{\mathrm{2}}{F}_{\mathrm{2}y}-F_{\mathrm{3}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}a=\mathrm{0}\\ F_A\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta +F_B\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta +F_{\mathrm{1}y}+F_{\mathrm{2}y}-F_{\mathrm{3}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}a-G=\mathrm{0}\end{array}\right.（2）

化简，可得：

F_{\mathrm{2}\mathrm{y}}=\frac{G+F_{\mathrm{3}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}a-F_{\mathrm{1}y}(\mathrm{1}+f_{\mathrm{1}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\beta )}{\mathrm{1}+f_{\mathrm{2}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\beta }（3）

式中：F_A 、F_B 分别为平行四杆机构上下端受力，N；F_1x 、F_1y 分别为开沟器的受力分解，N；F_2x 、F_2y 分别为限深轮的受力分解，N；G为播种单体的质量，kg；F₃为仿形弹簧的拉力，N；β为上下仿形杆与水平面的牵引夹角，°；α为仿形弹簧与铅垂面的夹角°。

4 台架试验

4.1 试验材料和装置

台架试验所用玉米品种为郑单958，大豆品种为中黄39，试验在PZQCSY-2排种器性能检测仪上进行。

4.2 评价指标

根据大豆-玉米带状间作种植模式的农艺要求，设置玉米理论株距为10 cm、大豆理论株距为9 cm。以工作速度和工作压力为试验因素，以合格率、重播率、漏播率为评价指标，在排种器和排种器性能检测仪稳定工作状态下，排种器连续排出251粒左右种子，按照GB/T 6973-2005《单粒（精播）播种机试验方法进行》^［24］进行结果统计。播种合格率Q、重播率M、漏播率L计算公式如下：

Q(\mathrm{\%})=\frac{n_{\mathrm{1}}}{N}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（4）

M(\mathrm{\%})=\frac{n_{\mathrm{2}}}{N}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（5）

L(\mathrm{\%})=\frac{n_{\mathrm{3}}}{N}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（6）

式中：Q、M、L分别为合格率、重播率、漏播率，%；n₁、n₂、n₃、N分别为粒距合格数、重播数、漏播数和总数。

4.3 台架试验结果与分析

针对排种器的工作速度和工作压力进行全因素试验，玉米、大豆的台架试验结果分别如图8、9所示，当工作速度为3~7 km/h、工作压力为6~8 kPa时，玉米、大豆的粒距合格率均随着工作速度的增大逐渐降低、随着工作压力的增大逐渐增大；重播率随着前进速度的增大逐渐减小、随着工作压力的增大逐渐增大；漏播率随着工作速度的增大逐渐增大、随着工作压力的增大逐渐减小。考虑到播种机田间作业时的工作效率和风机能耗，在进行玉米大豆间作播种时，该播种机的最佳工作速度和工作压力范围均为4~6 km/h和7~7.5 kPa，此时，玉米的株距合格率为93.6%~96.33%，重播率为0.97%~1.83%，漏播率为1.83%~4.43%；大豆的株距合格率为96.43%~97.47%，重播率为1.27%~1.67%，漏播率为0.87%~2.3%。

5 田间试验

5.1 试验条件

试验所用玉米品种为郑单958，大豆品种为中黄39；玉米肥料为带状间作玉米专用肥，大豆肥料为豆类专用肥；设置玉米理论株距为10 cm，大豆理论株距为9 cm。田间试验于2021年5月10日~5月16日在河南省漯河市临颍县进行，前茬作物为小麦，留茬高度不超过15 cm；配套机具为瑞泽富沃RZ1804-s，动力为112.54 kW；7月12日前后玉米出齐苗、高度为50 cm左右时，随机选取播种地块，连续测量50 m内玉米苗和大豆苗的株距并记录结果，每组数据重复测量5次，统计出苗后玉米、大豆的株距合格率、重播率、漏播率、保苗率等，其中，保苗率的统计方法如下：

N=\frac{S}{W}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（7）

5.2 试验结果与分析

田间作业时，为保证播种质量，拖拉机配套风机的工作压力为6 kPa以上，试验结果如图11所示。在田间播种时，玉米、大豆出苗后的株距合格率、重播率均随着播种机工作速度的增大而降低；漏播率均随着工作速度的增大逐渐增大。经统计，田间播种效果低于台架试验，这是由于田间作业时，秸秆与杂草易堆积于播种单体之前，导致开沟器的开沟效果不佳，种子无法正常均匀落入种沟，影响种子的出苗率；此外，玉米、大豆种子本身的发芽率，也是影响种子出苗后株距合格率的关键因素之一。

当田间工作速度为3~6 km/h时，玉米的株距合格率为82.89%~85.55%，重播率为7.93%~9.26%，漏播率为5.19%~9.69%，保苗率为89.59%~93.54%；大豆的株距合格率为81.3%~83.8%，重播率为6.98%~8.87%，漏播率为7.33%~11.72%，保苗率为84.17%~88.73%。所有评价指标均符合JB/T 10293-2013《单粒（精密）播种机技术条件》^［25］。此外，考虑到播种机田间作业时的工作率和风机能耗，该间作播种机田间作业的最佳工作速度为5 km/h，最佳工作压力为7.5 kPa。

6 结论

本研究针对大豆-玉米带状间作种植模式的农艺要求，设计一种带状间作气吸式免耕精量播种机，对播种机的关键部件进行设计并进行试验，主要结论如下。

1） 播种机采用分调分控系统和电驱式排肥系统，能够分别实现玉米大豆株距、播深、镇压力度、施肥类型和施肥量的可调可控。

2） 台架试验结果表明：玉米和大豆最佳的播种机工作速度和工作压力范围均为3~6 km/h、7~8 kPa，玉米、大豆的粒距合格率为93.6.6%~97.47%，重播率为0.97%~1.83%，漏播率为0.87%~4.43%。

3） 田间试验结果表明：玉米和大豆出苗后的株距合格率分别为82.89%~85.55%、81.3%~83.8%，保苗率分别为89.59%~93.54%、84.17%~88.73%，播种机的其他各项性能指标均符合相关标准和实际生产要求。

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基金资助

四川省科技厅重点研发项目(2021YFG0063)

国家玉米产业体系专项(CARS-02-29)