摘要：为满足玉米高速精量播种作业装备的发展需求，结合玉米窄行密植品字形播种农艺要求和排种器差时投种技术，设计生产一款集破茬、开沟、播种、覆土、镇压等作业工序于一体的高速精量播种机。对播种机破茬开沟装置、四杆仿形机构和双腔双盘气压式排种器等进行设计与分析并确定了关键参数。经过田间试验测试，该播种机在高速作业时玉米粒距合格指数为90.79%，重播指数为2.42%，漏播指数为5.80%，作业适应性强、可靠性高、作业速度快，各项性能指标满足玉米垄上品字形种植模式的农艺需求。

　　关键词：玉米；窄行密植；高速精量播种；仿形机构；田间试验

　　1.引言

　　根据自然资源部发布的全国国土调查主要数据公报，截止2022年我国的耕地面积为19.14亿亩，较上年末净增加约130万亩[1,2]。虽然耕地面积有所增长，但整体耕种面积依旧紧张，如何在现有耕地面积不变的情况下继续提高农作物产量，是农业相关工作者面临的重大挑战[3]。当前玉米种植多采用单宽行垄作或者平作，这种模式在调节单位面积玉米株数上具有局限性，在农艺以及土地利用率上存在一定的不足。窄行密植是根据玉米农艺要求在有限的地块单元中科学、合理地提高作物种植密度，充分利用光能和土壤营养，进而提高作物产量[4]。

　　窄行密植的一种播种方式是垄上双行交错种植技术，又称为“品字形”播种[5]。由于品字形种植模式播种时株距和行距小、种子交错排列对播种均匀性要求高，且高速作业条件下要求排种器稳定供种，对相应配套播种机械的播种性能有更高的要求。目前现有双行播种机械发展起步晚，配套机械较少，已无法满足窄行密植作业的精密需求[6]。

　　针对上述存在的问题，按照玉米密植增产要求，将机械设计、试验研究、农作物种植工艺及技术等运用于一体，研制出玉米窄行密植品字形高速精量播种机，实现按农艺要求完成玉米品字形播种。为我国玉米种植增产量、增效益、提水平提供适宜的播种机械。

　　2.播种机结构与工作原理

　　2.1设计要求

　　当前东北玉米垄作区的农业可持续发展面临着旱情加重、土壤退化、经济效益差等问题[7]。窄行密植技术可在一定程度上有效解决上述问题，实现农业可持续发展。同时按照玉米窄行密植增产要求，基于品字形双行玉米高产种植技术，采用宽窄行田间布置方式，充分利用边行优势，能够提高光照、水分、化肥和土壤养分的利用率，使玉米产量增产15%以上，提高经济效益。根据上述问题所设计的播种机应满足以下要求：

　　2.1.1为减少地块中可能残留玉米秸秆对播种作业质量的影响，设备应具有破茬功能；为减少农机具进入田地次数，提高播种效率，机具应同时具有破茬、开沟、播种、覆土、镇压等作业工序。

　　2.1.2为保证作业机具在速度为12—16km/h的高速作业情况下实现玉米品字形高产种植技术，播种机具应同时满足高速精量排种和高效稳定导种两个需求。

　　2.1.3应考虑地块不平整对玉米播种深度的影响，播种机具应具备仿形功能以及限深装置，以避免因为播深不合理导致后期出苗不齐和烧苗缺苗现象。

　　2.2播种机结构

　　如图1所示，播种机单体主要由风机、供种装置、排种器、导种管、灭茬轮、开沟器、限位轮、覆土轮、镇压轮及机架等部分组成，集破茬、开沟、播种、覆土、镇压等作业工序于一体，用于玉米窄行密植品字形播种。

　　2.3工作原理

　　将播种机和拖拉机挂接好之后，装上一定量的种子，播种之前根据地块实际条件和玉米种植农艺播种深度要求调整镇压轮与机架连接处螺栓，达到合适播种深度。同时根据播种深度和土壤压实度不同要求，调整覆土轮支架位置来改变覆土轮角度，完成作业前准备工作，并进行试播与调整。机具开始作业时，拖拉机牵引动力带动播种机前进，灭茬轮利用自身重力破茬，实现对种床带的疏松和茎秆杂草的清除；后方开沟圆盘在机具两侧完成开沟作业。品字形双盘气压式排种器高速作业适应性强，玉米种子在供种装置中受到由电机驱动的绞龙和风机作用随气流进入排种器，在排种器中完成充种、清种、排种作业后因失去压附力开始沿切线方向双侧错位落入导种装置中，在正压气流的作用下加速射入开好的种沟，减少了玉米在导种装置内部的碰撞。玉米在田间形成品字形双行种床带，随后镇压轮和覆土轮对玉米种子进行镇压覆种，保证玉米的播深和土壤压实度。

　　2.4主要工作参数

　　设计的播种机主要技术参数如表1所示。

　　3.关键部件设计及选型

　　3.1灭茬开沟及覆土镇压装置

　　在东北玉米垦作区进行玉米播种时，地里的残留茎秆一般是上一季的玉米或大豆留下的。但传统播种机在播种时易受残茬堵塞、播种深度不均和土壤接触不良等问题影响，导致出苗不齐、扎根不稳、生长不良等问题[8]。根据上述问题，本文对玉米灭茬开沟及镇压覆土进行了如下设计。

　　播种单元采用耐磨耐腐蚀的高强度合金钢制造的重型灭茬轮，通过机械灭茬作业，有效将田间剩余的秸秆和植株残体破碎并覆盖在土壤表面，促进秸秆的快速分解。为了减少地表残留物的堵塞，确保均匀开沟，并降低土壤的扰动，选择能有效减少土壤压实、具备较强适应性的双圆盘开沟器。为了保证玉米的良好出苗强度，选用了质量较重的实心橡胶镇压轮和覆土轮。具体配置如图2所示。

　　双圆盘开沟器为了保证更好的开沟效果，需要设计解决两圆盘聚点m的位置以及两圆盘夹角φ和开沟宽度K之间的关系，计算公式为：

　　K=D1(1-COS B)sim号(1)

　　式中：D1—圆盘直径，mmφ—两圆盘夹角，(°)

　　β—聚点m和圆盘中心连线与垂直方向夹角，(°)

　　开沟圆盘直径太小，会因为阻力太大发生转动不灵等问题，本文设计为D 1=400mm。聚点位置的β越大，开出的沟越宽；β越小，聚点m越低，土壤会从聚点上进入双圆盘之间，造成夹土和堵塞，一般β取55°—75°之间[9]。考虑到田间实际开沟需求，本文取β=70°。双圆盘开沟器的夹角是一个关键参数，直接影响开沟的质量和播种效果。夹角过小容易造成沟底不平，影响种子下落和覆土效果。夹角过大可能会导致土壤被过度翻起，造成播种深度不一致以及种子与土壤接触不良[10]。农艺要求下常见的开沟圆盘夹角范围是20°—30°,本文选用25°。根据公式（1）计算的开沟宽度为5.68cm，符合开沟宽度4—8厘米之间的农艺要求。

　　3.2仿形机构

　　为确保在不同地块环境下开沟、播种、镇压等工作的稳定性，本文将平行四杆仿形机构与主体机架连接在一起，仿形单体可随地面波动上下竖直仿形，保持播种机工作时单体上的开沟器入土角不变，从而能够较好保证在地势不平的地块作业时玉米播种深度的一致性。结合土地情况和农艺要求，通常上下为80—120mm，横向宽度选定为300mm[11]。平行四杆仿形机构具体参数如图3所示。

　　上下仿形机构的总仿形量h、连架杆长度L和上仿形量h1分别为：

　　式中：h—总仿形量，mm

　　h1—上仿形量，mm

　　h2—下仿形量，mm

　　L—四杆机构的连架杆长度，mm

　　α1—上仿形角，(°)

　　α2—下仿形角，(°)

　　α—牵引角，(°)

　　根据公式（2）可见，若上下仿形量相同时，上下连架杆越短，则牵引角变化范围越大；反之牵引角变化范围则越小。理论上牵引角变化范围越小机构越稳定，因此平行机构上下拉杆长度越大越好，但拉杆长度过长会导致播种单体尺寸过大和重心靠后，不利于播种的稳定性[12]。播种机牵引角α的取值范围为0°—10°,最大播深时下仿形角取值范围为6°—22°[13]。设计选型上取牵引角α=0°,上仿形角α1=14°,下仿形角α2=14°。根据公式（3），取下仿形量为90mm，经计算，算得四杆机构连架杆L长度为372.02mm，取L为370mm。将已知代入式（4），得到上仿形量h1为89.51mm，满足上下仿形量80—120mm的要求。

　　3.3双腔双盘气压式排种器

　　排种器*播8机的关键部件，目前在玉米宽窄行品字形播种模式下，高速作业的精量排种器存在均匀性差和漏播率较高的问题。因此，本文设计了一种双腔双盘气压式排种器。该排种器的排种盘型孔周围设计有均匀分布的凹槽，以增强种子群的扰动，如图4所示。同时，输送种子进入排种器的正压气流作用于玉米种群，进一步扰动种群，从而打破玉米种群的堆积状态，提高排种器的充种效率。

　　为了确保玉米品字形的实现，当玉米从排种器进入导种管时，双侧种子需要有一定的差速。为了实现差时投种，排种器两侧的排种盘交错安装，双侧型孔形成一定的夹角。在设计中，我们结合田间实际情况和排种器结构要求，在保证排种效率的前提下，确定排盘型孔数为25，相邻型孔对应的中心角β为14.4°。在排种盘安装时，以一侧排种盘为基准进行固定，另一侧排种盘以β/2的交错角度7.2°进行安装，如图5所示。

　　3.4气送式导种装置

　　导种和投种环节作为播种过程中使种子保持均匀有序状态入土的末端环节，对种子最终田间分布的均匀性具有重要作用。为减少玉米籽粒在导种管内部的碰撞及与种床土壤弹跳滑移，实现高速精量排种，本文选用分配气送式导种装置[14]。分配气送式导种技术主要采用“机械定量供种+气流分配成行+气力输送”形式，可实现“一器多行”，具有作业幅宽大、作业速度快、适用范围广等优点。

　　为了削弱种子在导种装置中的碰撞，使种子的运动轨迹可控，采用小口径圆形导种管约束种子在水平方向上的运动，利用正压气流裹挟保护玉米籽粒减少碰撞次数[15,16]。同时为保证一定的尺寸稳定性、冲击强度和耐磨性，选用ABS材料作为导种管加工材料。

　　4.田间试验

　　为验证播种机性能指标，于2024年4月在黑龙江省双鸭山市友谊县友谊农场试验田进行田间播种试验。播种环境气温为21.3°,土壤含水率24.1%，环境湿度36%，田间试验作业行数六行，播种深度30mm，为垄上作业。配套动力为约翰迪尔1204型拖拉机，作业速度12—16km/h。

　　参照GB/T6973-2005《精密播种机试验方法》进行了试验前相关准备工作和相关性能试验测试，并与GB/T20865-2017《免（少）耕施肥播种机》给定的各项性能标准进行了对比分析，性能试验结果如表2所示。

　　通过试验验证，该播种机可以一次完成破茬、开沟、播种、覆土、镇压等作业工序于一体。高速作业时开沟均匀、四杆仿形机构精确仿形，播种深度稳定；采用的双腔双盘气压式排种器和气送式导种装置充种和排种性能好，品字形双行错位效果明显。同时性能试验指标远高于国家相关标准，可用于玉米窄行密植品字形播种。

　　5.结论

　　5.1按照玉米窄行密植品字形种植农艺要求，设计了一款可以一次完成灭茬、开沟、播种、覆土、镇压等作业的玉米播种机，关键部件设计包括灭茬开沟装置、平行四杆仿形机构、双腔双盘气压式排种器和气送式导种装置。

　　5.2对双圆盘开沟器、四杆仿形机构和排种盘双盘交错角进行关键参数设计。确定开沟圆盘直径为400mm，双圆盘夹角为25°;四杆仿形机构设计确定牵引角α为0°,上仿形角α1为14°,下仿形角α2为14°;排种盘单盘型孔数为25个，双盘交错角为7.2°。

　　5.3通过田间试验，结果表明在高速作业条件下，玉米粒距合格指数为90.79%，重播指数为2.42%，漏播指数为5.80%，机具各项指标均超过国家相关标准，能满足玉米窄行密植播种。

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