凸輪驅(qū)動式玉米排種器的設(shè)計與試驗

張亞新，李相娟，杜志遠(yuǎn)，邢麗華

(1.赤峰學(xué)院 建筑與機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰　024000；2.寧城縣農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣站，內(nèi)蒙古 赤峰　024000)

0　引言

玉米種植面積廣泛，是我國第一大糧食作物，隨著農(nóng)業(yè)科技水平的提高，近幾年玉米精量播種技術(shù)在我國得到大力推廣，尤其是在北方的干旱種植區(qū)[1-3]。精密播種技術(shù)不僅省時、省種、省工，而且增加玉米作物的產(chǎn)量,是玉米播種技術(shù)的重要發(fā)展方向。精量排種器是保證播種機實現(xiàn)精量播種的核心部件，其排種性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到播種質(zhì)量[4-6]。

玉米精密排種器按其工作原理分為機械式和氣力式兩大類。氣力式又分為氣吸式、氣吹式、氣壓式和中央氣送式4種不同原理的排種器。氣力式精密排種器對種子的大小、形狀適應(yīng)性好，主要應(yīng)用在中大型或超大型玉米精密播種機械中。機械式排種器主要有圓盤式、勺輪式、窩眼輪式3種，其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，目前在我國大量使用，主要應(yīng)用在中小微型播種機或半機械半人工玉米播種機上[7-9]。

目前,市面上常見的半機械半人工玉米播種機主要是腳踏式玉米播種機和手持式玉米播種機[10]兩種。其主要采用吸種和排種分別驅(qū)動的方式，即圓柱形吸種勺在棘輪的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)工作，排種嘴的開合在拉桿的拉動下完成。這種分別驅(qū)動的播種方式使播種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同步性差，可靠性低而且易產(chǎn)生故障。為此，本文設(shè)計了一種新型的凸輪驅(qū)動式玉米排種器，將吸種、持種裝置和播種嘴撐開裝置設(shè)計在同一個凸輪上，隨著凸輪機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，周期性地吸種、持種及打開排種口排種,實現(xiàn)播種機精密排種功能。

1　總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　總體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

凸輪驅(qū)動式玉米排種器是手持式播種機和腳踏式播種機的主要組成部分，由棘輪推動桿、活動排種嘴、棘輪、固定排種嘴、凸輪機構(gòu)及復(fù)位彈簧組成，如圖1所示。

1.棘輪推動桿　2.連接銷　3.活動排種嘴　4.棘輪　5.棘輪擋板 6.固定排種嘴　7.凸輪機構(gòu)　8.種勺　9.復(fù)位彈簧　10.種箱連接器

其主要技術(shù)參數(shù)如下：

整機質(zhì)量 kg：0.7

作業(yè)頻率/次·min-1：60～70

1.2　工作原理

凸輪驅(qū)動式玉米排種器通過種箱連接器固定在手持式或腳踏式播種機種箱下側(cè)，種箱安裝在播種機的主機架上，在播種過程中是相對靜止的。棘輪推動桿連接在播種機的活動構(gòu)件上，在播種機工作的過程中伴隨活動構(gòu)件與主機架發(fā)生相對運動；播種嘴隨播種機插入土壤后，棘輪推動桿向下運動推動棘輪轉(zhuǎn)動72°，凸輪在棘輪的驅(qū)動下沿相同方向旋轉(zhuǎn)1/5周；由于凸輪的輪廓線類似五邊形，在旋轉(zhuǎn)過程中使活動排種嘴遠(yuǎn)離固定排種嘴，打開排種嘴。凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類似五邊形拉伸體，如圖2所示。

1.凸輪　2.連接軸孔　3.種勺

凸輪機構(gòu)由凸輪、連接軸孔及種勺組成，在凸輪的5個側(cè)面各有1個類圓柱形種勺。5個種勺兩個面向種箱，其余的3個分別面向固定排種嘴、活動排種嘴及排種口。當(dāng)種勺面向種箱時，種子落入種勺中，隨凸輪旋轉(zhuǎn)后面向活動排種嘴，活動排種嘴在復(fù)位彈簧的作用下緊貼凸輪側(cè)面與種勺形成密閉空間，使種子包裹在內(nèi)部。當(dāng)凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)使種勺面對排種口時，種子脫落進入到排種嘴底部；當(dāng)凸輪再次旋轉(zhuǎn)時，在凸輪外廓的作用下,固定排種嘴與活動排種嘴分離，排種口打開,種子在重力的作用下落入土壤中，實現(xiàn)播種。

2　關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1　凸輪尺寸參數(shù)

凸輪機構(gòu)是凸輪驅(qū)動式玉米排種器的重要組成部件，其從動件為活動排種嘴，以平面與凸輪接觸，凸輪傳力方向始終垂直于平底，傳力性能好，可用于高速傳動。凸輪的外輪廓參數(shù)主要有正五邊形凸輪外輪廓邊長(不含圓角)a和正五邊形凸輪外輪廓圓弧半徑r?？紤]整體排種器結(jié)構(gòu)的緊湊、制造方便及工作過程中的性能需要，選取a=30mm，r=4mm。

凸輪機構(gòu)上的種勺尺寸既要保證所選用的大尺寸種子能進入種勺中，且在凸輪與活動播種嘴相對運動中不傷種。同時又要考慮精密播種，兩粒種子不能同時進入排種口。因此，種勺尺寸應(yīng)滿足的條件為

(3)

式中dmin-種子的最小厚度(mm);

dz—種勺開口直徑(mm);

hz—種勺深度(mm)。

種子在進入種勺后位置隨機性很大，為適應(yīng)種子的各種位置，種勺開口直徑和種勺深度應(yīng)保持一致，即

dz=hz

(4)

將式(4)帶入式(3)可得

(5)

在我國北方干旱地區(qū)，尤其是赤峰周邊地區(qū)，現(xiàn)階段種植較廣的為“豐墾117”號玉米種子，其幾何尺寸如表1所示。

表1“豐墾117”號玉米種子的三維尺寸

Table 1 3D measurement of corn seeds mm

項目長度寬度厚度最大值10.79.98.0最小值7.66.85.5平均值10.18.66.1

根據(jù)表1所測得的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算并考慮加工精度選取dz=hz=8mm。

2.2　排種嘴結(jié)構(gòu)及參數(shù)

凸輪驅(qū)動式玉米排種器中排種嘴的形狀如圖3所示。排種嘴由種箱連接器、固定排種嘴、凸輪機構(gòu)、連接銷及活動排種嘴組成。其主要參數(shù)有凸輪中心距活動排種嘴尖頂?shù)目v向距離、凸輪中心距連接銷的橫向距離及活動嘴下顎長度。這些參數(shù)主要由排種嘴的開口尺寸及凸輪的形狀決定。

由于種箱連接器、固定排種嘴與凸輪機構(gòu)固定在一起，因此它們之間無法實現(xiàn)相對運動。在凸輪機構(gòu)做回轉(zhuǎn)運動時，為避免產(chǎn)生干涉，與凸輪徑向平行的固定排種嘴內(nèi)表面距凸輪中心距離的最小值lmin為

(1)

將a=30mm、r=4mm代入式(1)可知：lmin≥24.6mm，選取lmin=25mm。

凸輪機構(gòu)通過軸安裝在固定排種嘴上，為使活動排種嘴在開合的過程中不與連接軸發(fā)生干涉，并預(yù)留安全余量，選取凸輪中心距連接銷的橫向距離L=6mm。凸輪機構(gòu)在旋轉(zhuǎn)1周的過程中，5次使固定排種嘴與活動排種嘴分離，如圖4所示。

1.連接銷　2.活動排種嘴　3.凸輪機構(gòu) 4.固定排種嘴　5.種箱連接器

圖4　播種嘴開口結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)玉米種子的順利播種，凸輪機構(gòu)每次打開排種口的最大寬度dk為

dk>dmax

(2)

式中dmax—種子的最大長度(mm)。

由表1可知：“豐墾117”號玉米種子的長度最大值為10.7mm，留出合理的余量，且考慮實際工況的影響，選擇dk=12mm。

當(dāng)凸輪中心與正五邊形凸輪外輪廓圓弧中點的連線垂直于活動播種嘴與凸輪機構(gòu)接觸面時，排種口的開口寬度最大。為了便于幾何分析，忽略次要因素，對模型進行簡化，如圖5所示。

圖5　播種嘴幾何尺寸

經(jīng)計算可知，活動嘴下顎長度b為

(3)

經(jīng)計算，活動嘴下顎長度b=49mm。根據(jù)幾何原理，凸輪中心距活動嘴下顎尖端的垂直距離D滿足以下方程，即

D2+(L+dk)2=(b-stan36°)2+s2

(4)

式中s—凸輪中心至凸輪外輪廓最遠(yuǎn)點距離。

(5)

將式(3)和式(5)代入式(4)可知，凸輪中心距活動嘴下顎尖端的垂直距離D=36mm。

3　排種試驗

3.1　試驗設(shè)備與方法

為檢驗凸輪驅(qū)動式玉米排種器的排種性能,將排種器分別安裝在手持式播種機和腳踏式播種機上,并將播種機安裝在針對本試驗設(shè)計的一套可調(diào)節(jié)運動頻率的往復(fù)直線運動系統(tǒng)中，模擬凸輪驅(qū)動式玉米排種器在實際生產(chǎn)中的運動情況。

試驗采用未分級的“豐墾117”號玉米種子，隨機從10kg種子中選取1 000粒進行試驗。將種子分別加入到手持式播種機和腳踏式播種機的種箱內(nèi)，采用50、60、70、80、90次/min的播種頻率進行排種試驗，每組測試3次，取平均值，記錄合格率、復(fù)播率、漏播率和種子破損率4組數(shù)據(jù)。

3.2　試驗結(jié)果及分析

通過實驗室試驗測得安裝凸輪驅(qū)動式玉米排種器的手持式播種機和腳踏式播種機在不同播種頻率下的排種指標(biāo)如表2、表3所示。

表2　手持式播種機在不同播種頻率下的排種性能參數(shù)

表3　腳踏式播種機在不同播種頻率下的排種性能參數(shù)

從表2和表3的測試數(shù)據(jù)可看出：凸輪驅(qū)動式玉米排種器無論安裝在手持式播種機或者腳踏式播種機上，對播種效果的影響都不大，即凸輪動式玉米排種器對載具有很強的適應(yīng)性；同時，在整個試驗過程中極少出現(xiàn)復(fù)播現(xiàn)象，排種器的種勺針對特定玉米種子的設(shè)計達(dá)到了設(shè)計要求。

從表2和表3的測試數(shù)據(jù)還可以看出：播種頻率為50、60、70次/min時，播種合格率隨著播種頻率的提高而增加；播種頻率80次/min時的合格率與70次/min時相差不大，此時合格率達(dá)到峰值；當(dāng)播種頻率為90次/min時，合格率顯著開始下降。其原因是：速度過慢時，種子在種勺中緩慢與活動排種嘴接觸過程中，稍大一些的種子被擠出種勺造成種子漏播；當(dāng)播種頻率過快時，種子容易被過快的離心率甩出種勺而造成種子漏播。

種子的破損率隨播種速度的增加而增加，特別是當(dāng)播種頻率在80次/min以上時，破損率已不符合農(nóng)藝要求。綜合試驗數(shù)據(jù)可知：60～70次/min是凸輪驅(qū)動式玉米排種器安裝到手持式播種機和腳踏式播種機上的最佳播種頻率。

4　結(jié)論

1)為解決微型播種機中的排種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、同步性差、可靠性低而且易產(chǎn)生故障等問題，研制了凸輪驅(qū)動式玉米排種器, 主要由棘輪推動桿、活動排種嘴、棘輪、固定排種嘴、凸輪機構(gòu)及復(fù)位彈簧組成,實現(xiàn)了微型播種機具的可靠精密排種。

2)設(shè)計針對性的試驗系統(tǒng)對凸輪驅(qū)動式玉米排種器進行試驗，結(jié)果表明：踩踏氣吸式微型玉米排種器在播種頻率為60～70次/min時，播種合格率為93.9%～94.77%，重播率幾乎為0，漏播率在5.27%～6.03%之間，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中對精密播種機播種合格率大于等于80%、漏播率小于等于8%的玉米種植的農(nóng)藝要求[11]。

3)在實際玉米播種過程中，影響播種機播種性能的因素很多，凸輪驅(qū)動式玉米排種器處于研究的初步階段，各項參數(shù)均未達(dá)到最佳。同時，隨著播種速率增加而增加的廢種率問題，也需要進一步研究解決。