夾持式玉米精密排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王業(yè)成 高云鵬 臺(tái)文碩 李寶權(quán) 張 偉 韓 星

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

玉米精密播種是根據(jù)農(nóng)藝要求、利用精密播種機(jī)械將玉米種子精準(zhǔn)定量地播入土壤預(yù)定位置的先進(jìn)技術(shù)[1-2]，其關(guān)鍵是在保證播種密度的前提下，實(shí)現(xiàn)粒距均勻和播深一致。精密排種器作為實(shí)現(xiàn)精密播種技術(shù)的核心工作部件，是保證播種質(zhì)量的重要手段[3-5]。

近年來國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)機(jī)械式玉米排種器進(jìn)行了大量研究[6-13]，王金武等[6]對(duì)動(dòng)定指勺夾持式玉米精量排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了排種器對(duì)種子的適應(yīng)性；耿端陽等[11]設(shè)計(jì)了一種玉米伸縮指夾式排種器，提高了排種器高速排種性能；李洪剛[12]設(shè)計(jì)了仿生指夾排種器，降低了種子破損率。目前機(jī)械式玉米排種器已能滿足播種要求[6]，但仍存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)部件易磨損等問題。

針對(duì)上述問題，為簡化排種器結(jié)構(gòu)，提高工作性能，本文設(shè)計(jì)一種夾持式玉米精密排種器，通過壓種環(huán)在各工作區(qū)域的不同結(jié)構(gòu)，配合夾種塊控制種子的位置及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在夾種塊、壓種環(huán)之間的空間實(shí)現(xiàn)充種、夾種、清種、投種過程，以提高播種質(zhì)量。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

如圖1所示，夾持式玉米精密排種器主要由護(hù)罩、壓種環(huán)、排種盤、殼體、主軸等部件組成，其中壓種環(huán)固裝在護(hù)罩上，護(hù)罩固裝在殼體上，排種盤通過主軸可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在殼體上。壓種環(huán)按照排種功能分為充種、夾種、清種、投種4個(gè)區(qū)域；排種盤由排種盤座、18個(gè)夾種塊及板簧構(gòu)成，排種盤座外側(cè)開有18個(gè)投種室，每個(gè)夾種塊分別通過板簧安裝在排種盤座上，位置分別與排種盤座上的18個(gè)投種室依次對(duì)應(yīng)，工作時(shí)夾種塊可對(duì)種子提供沿排種盤軸向的壓力來實(shí)現(xiàn)種子夾持，夾種塊上裝有推種凸臺(tái)，可推動(dòng)種子沿壓種環(huán)工作表面滑動(dòng)；在壓種環(huán)充種區(qū)上方裝有隔板，隔板與排種盤座上的環(huán)形凹槽構(gòu)成管狀的充種空間。

圖1 夾持式玉米精密排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawings of clamping maize precision seed-metering device1.進(jìn)種口 2.護(hù)罩 3.壓種環(huán) 4.排種盤座 5.板簧 6.主軸 7.殼體 8.夾種塊 9.投種室 10.隔板 11.推種凸臺(tái)

1.2 工作原理

如圖2所示，排種器工作過程分為充種、夾種、清種、投種4個(gè)過程，其中投種過程分為一次投種和二次投種兩部分。

圖2 工作原理圖Fig.2 Working principle diagramsa.充種區(qū) b.夾種區(qū) c.清種區(qū) d.一次投種區(qū) e.二次投種區(qū)1.主軸 2、11.排種盤座 3.隔板 4.壓種環(huán) 5.玉米種子 6.板簧 7.推種凸臺(tái) 8.夾種塊 9.投種室 10.殼體

作業(yè)時(shí)，種子通過護(hù)罩上的進(jìn)種口進(jìn)入護(hù)罩內(nèi)，在自身重力作用下流入隔板與排種盤之間的管狀空間里，在排種盤摩擦力的作用下，種子隨排種盤運(yùn)動(dòng)，從管狀空間另一側(cè)的出口流出。如圖2c所示，管狀空間內(nèi)的種子在重力及種子之間作用力的作用下進(jìn)入到夾種塊與壓種環(huán)之間，完成充種過程。如圖2b～2d所示，在夾種區(qū)，壓種環(huán)的高度逐漸升高，使其與夾種塊之間的距離逐漸減小，當(dāng)距離小于種子幾何尺寸時(shí)，壓種環(huán)推動(dòng)種子及夾種塊做軸向運(yùn)動(dòng)，使板簧變形，通過板簧的形變控制對(duì)種子的夾持力，將種子夾緊，完成夾種過程。被夾持的種子在夾種塊和推種凸臺(tái)推力的作用下，沿著壓種環(huán)工作表面滑動(dòng)。在清種區(qū)，壓種環(huán)工作表面為多個(gè)波浪型起伏結(jié)構(gòu)，種子、夾種塊隨著壓種環(huán)的波浪型表面起伏運(yùn)動(dòng)。當(dāng)夾種塊與壓種環(huán)之間夾持2粒種子時(shí)，2粒種子將依次交替通過波浪型起伏結(jié)構(gòu)的波峰和波谷，當(dāng)一粒種子位于波峰時(shí)另一粒種子可能位于波谷，位于波峰的種子將被夾緊，而位于波谷的種子將喪失夾持力，在自身重力的作用下與夾種塊分離，實(shí)現(xiàn)清種過程。如圖2e所示，在投種區(qū)隨著壓種環(huán)繼續(xù)升高，推動(dòng)種子及夾種塊作軸向運(yùn)動(dòng)，使被夾持的種子所在的空間與投種室連通，同時(shí)壓種環(huán)向外側(cè)傾斜，夾種塊與壓種環(huán)對(duì)種子的夾持力將提供一個(gè)沿排種盤徑向向外的推力分量，推動(dòng)種子向外滑動(dòng)進(jìn)入投種室，失去種子的支撐后，夾種塊在板簧彈力的作用下回彈，與壓種環(huán)接觸，封閉投種室，完成一次投種過程。進(jìn)入投種室的種子隨排種盤一同轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)投種室轉(zhuǎn)到殼體下方投種口位置時(shí)，種子在重力作用下掉出投種室，完成二次投種過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 玉米種子幾何參數(shù)

玉米種子的幾何參數(shù)為排種器的設(shè)計(jì)與分析提供了基礎(chǔ)參數(shù)和設(shè)計(jì)依據(jù)[14-15]，本文選取黑龍江地區(qū)種植的3種玉米：天農(nóng)九(大粒)、紅旗688 (中粒)、黃金糯(小粒)，其幾何尺寸如表1所示。

表1 玉米種子幾何參數(shù)Tab.1 Geometric dimension parameters of maize seeds mm

不同品種之間幾何尺寸存在較大差異，各品種內(nèi)部長度差異較大，寬度、高度差異較小。為方便研究，將玉米種子按幾何形狀分為扁形和圓形[14-15]，如圖3所示。

圖3 玉米種子外形分類Fig.3 Shape grading of maize seeds

2.2 充種過程分析

充種時(shí)，護(hù)罩內(nèi)的種子在重力作用下流入到隔板與排種盤之間的管狀空間里，在排種盤摩擦力的作用下，種子隨排種盤運(yùn)動(dòng)，從管狀空間另一側(cè)的出口流出。管狀空間內(nèi)的種子在重力及種子之間作用力的作用下進(jìn)入夾種塊和壓種環(huán)之間，實(shí)現(xiàn)充種過程。

圖4 種子散體受力分析Fig.4 Mechanics analyses of granular seeds

取圖2a中圓弧充種區(qū)域內(nèi)的種子群為研究對(duì)象，忽略重力，由于種子相對(duì)較小，為簡化分析過程，把其看成截面為矩形的連續(xù)體進(jìn)行分析[16]，取種子群微段ds為研究對(duì)象，設(shè)沿種子流向?yàn)檎颍鐖D4a所示。對(duì)微段ds進(jìn)行受力分析，如圖4b所示。充種區(qū)域內(nèi)的種子三面受到排種盤向左的摩擦力，一面受到隔板向右的摩擦力，左、右端受到其他種子的作用力。

對(duì)微段水平方向列靜力學(xué)方程

(p+dp-p)A0=
f1FN2+f1FN2+f1FN1-fFN1

(1)

其中

A0=abFN1=μpbdsFN2=μpads

式中p——截面受到的壓力，MPa

A0——截面面積，mm2

a——排種盤座上環(huán)形凹槽底部到隔板的距離，mm

b——排種盤座上環(huán)形凹槽寬度，mm

FN1——排種盤座上環(huán)形凹槽底部與隔板對(duì)種子群微段前、后表面的法向力，N

FN2——排種盤座上環(huán)形凹槽兩側(cè)對(duì)種子群微段上、下表面的法向力，N

f——種子與隔板間的動(dòng)摩擦因數(shù)

f1——種子與排種盤座間的動(dòng)摩擦因數(shù)

μ——微段其他方向壓力與左右端面的壓力比值

由式(1)得

(2)

設(shè)在弧形種子群端面s=0處作用有均勻分布的初始?jí)毫0，其大小由排種器內(nèi)種子的高度、密度、內(nèi)摩擦角、外摩擦角等因素確定，可按散體理論深倉模型進(jìn)行估算[17]，由式(2)得充種區(qū)內(nèi)種子群各橫截面的壓力為

(3)

式中l(wèi)0——弧形空間種子散體長度，mm

s——弧形空間的截面位置，mm

由式(3)可以看出，充種區(qū)內(nèi)種子群各截面的壓力p與各截面位置s呈指數(shù)關(guān)系增大，這使種子可以獲得大于自身重力的填充力，快速進(jìn)入夾種塊與壓種環(huán)之間，完成充種過程[18]。同時(shí)種子隨著排種盤一同運(yùn)動(dòng)，減小了種子與排種盤間的相對(duì)速度，降低了種子慣性力對(duì)充種性能的影響。

2.3 夾種部件設(shè)計(jì)

2.3.1壓種環(huán)夾種區(qū)

壓種環(huán)夾種區(qū)由3個(gè)斜面和2個(gè)水平面構(gòu)成，各斜面的傾角、長度均相等，如圖2b所示。

夾種過程中，種子沿著壓種環(huán)的斜面向上滑動(dòng)，其受力如圖5所示，斜面上升傾角θ應(yīng)滿足種子在壓種環(huán)表面滑動(dòng)時(shí)不發(fā)生自鎖現(xiàn)象，避免種子自鎖后相對(duì)夾種塊、壓種環(huán)翻轉(zhuǎn)，要求

φ>φf

(4)

式中φ——壓種環(huán)對(duì)種子全約束力FR與接觸面法線的夾角，(°)

φf——玉米種子與壓種環(huán)間的摩擦角，(°)

l——玉米種子沿滑動(dòng)方向的長度，mm

t——玉米種子高度，mm

h——推種凸臺(tái)高度，mm

r——玉米種子棱邊圓角半徑，mm

圖5 夾種過程受力分析Fig.5 Mechanics analysis of seed clamping

由式(4)可知，在一定摩擦角φf條件下，增大推種凸臺(tái)高度h可以降低結(jié)構(gòu)對(duì)斜面傾角θ的要求，長高比大、棱邊圓角半徑小的種子不易發(fā)生自鎖、翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

玉米種子與壓種環(huán)間的摩擦角為24.6°～35.0°，結(jié)合表1、式(4)，取斜面上升傾角θ=7°，可滿足玉米種子不發(fā)生自鎖的要求。

2.3.2夾種塊

夾種塊是夾持種子的關(guān)鍵部件，其長度、寬度決定了夾種塊與種子接觸面的幾何參數(shù)，應(yīng)滿足排種器各工作過程的作業(yè)要求。在充種過程中要求夾種塊與壓種環(huán)形成較大的充填空間，便于種子填充，滿足充種要求；在夾種過程中要求夾種塊對(duì)種子的穩(wěn)定夾持；在清種過程中要求夾種塊便于清除多余的種子，實(shí)現(xiàn)較高的單粒夾持率[19]。為了滿足各工作過程的要求，取夾種塊的長度大于寬度，在長度方向?qū)崿F(xiàn)可靠充種，在寬度方向避免夾持2粒玉米種子，結(jié)合表1玉米種子的幾何參數(shù)，取其與種子接觸的工作表面的長度為15 mm，寬度為9 mm。

推種凸臺(tái)在排種器的充種、夾種、清種及一次投種過程中，推動(dòng)種子沿壓種環(huán)工作表面滑動(dòng)。如圖5所示，推種凸臺(tái)高度h應(yīng)小于單粒種子高度t，才能實(shí)現(xiàn)夾種塊與壓種環(huán)對(duì)種子的夾持，反之較大的推種凸臺(tái)高度可以使種子沿壓種環(huán)平穩(wěn)地滑動(dòng)。取推種凸臺(tái)高度h=3 mm。

2.4 清種過程分析

在清種區(qū)，受夾種塊與壓種環(huán)寬度的限制，夾種塊難以橫向夾持2粒種子。為了提高充種性能，選取較大的夾種塊長度，使夾種塊與壓種環(huán)縱向存在夾持2粒種子的可能。

對(duì)夾種塊縱向夾持2粒種子的情況進(jìn)行分析。由于夾種塊相對(duì)于排種盤做軸向平行移動(dòng)，當(dāng)2粒種子尺寸相差較大時(shí)，尺寸較小的種子將不能被夾持，當(dāng)2粒種子尺寸相近時(shí)，可同時(shí)被夾種塊夾持。如圖6所示，在清種區(qū)，2粒種子依次交替地通過波浪型起伏結(jié)構(gòu)的波峰、波谷，當(dāng)一粒種子位于波峰時(shí)另一粒種子可能位于波谷，位于波峰的種子將被夾緊，而位于波谷的種子將喪失夾持力，喪失夾持力的種子在自身重力的作用下與夾種塊分離。在清種過程中，波浪形結(jié)構(gòu)多次出現(xiàn)，使夾持2粒種子的夾種塊多次喪失對(duì)其中某一粒種子的夾持，以提高清種性能。

圖6 清種過程示意圖Fig.6 Schematics of seed clearing

波浪型結(jié)構(gòu)的長度應(yīng)大于單粒種子的幾何尺寸，實(shí)現(xiàn)一粒種子位于波峰時(shí)另一粒種子可以位于波谷；波浪型結(jié)構(gòu)的深度應(yīng)小于種子的最小尺寸，不影響單粒種子的夾持，在夾持2粒種子時(shí)，其深度應(yīng)能實(shí)現(xiàn)使位于波谷的種子喪失夾持力；波浪型結(jié)構(gòu)的斜面上升傾角應(yīng)避免種子發(fā)生自鎖現(xiàn)象。取波浪型結(jié)構(gòu)的長度為16.5 mm，深度為1.5 mm，斜面上升傾角為5.2°。

2.5 投種過程分析

投種過程分為一次投種和二次投種兩部分。如圖7所示，一次投種階段壓種環(huán)工作平面與夾種塊由平行轉(zhuǎn)為向外側(cè)傾斜α，使夾種塊與壓種環(huán)對(duì)種子提供的支持力FN3、FN4產(chǎn)生一個(gè)沿排種盤徑向向外的推力分量，此時(shí)夾種塊、壓種環(huán)與種子間的摩擦力Fs1、Fs2沿排種盤徑向向內(nèi)的分量與之平衡。壓種環(huán)在投種區(qū)的工作表面為起伏較小的波浪形結(jié)構(gòu)，當(dāng)種子與夾種塊間的靜摩擦力變?yōu)閯?dòng)摩擦力時(shí)，由于動(dòng)摩擦力與相對(duì)速度方向相反，使種子有向外滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)分量vn，種子將向外滑動(dòng)進(jìn)入投種室，完成一次投種過程。

圖7 投種過程受力分析圖Fig.7 Mechanics analysis diagram of seed dropping

一次投種過程完成后，夾種塊在板簧彈力的作用下回彈，與壓種環(huán)接觸，將投種室封閉，避免種子掉出投種室，落入護(hù)罩內(nèi)，造成漏播，同時(shí)進(jìn)入投種室的種子隨排種盤一同轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)投種室轉(zhuǎn)到殼體下方投種口位置時(shí)，種子在重力作用下掉出投種室，完成二次投種過程。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料選用天農(nóng)九(大粒)、紅旗688(中粒)、黃金糯(小粒)玉米種子。試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種器實(shí)驗(yàn)室實(shí)施。

如圖8所示，試驗(yàn)裝置主要由夾持式玉米精密排種器、JPS-12型排種器性能試驗(yàn)臺(tái)、高速攝像機(jī)等組成。

圖8 排種性能試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 Test bed of seeding performance experiments1.高速攝像機(jī) 2.JPS-12型排種器性能試驗(yàn)臺(tái) 3.夾持式玉米精密排種器

3.2 試驗(yàn)方法

選取播種機(jī)工作速度為試驗(yàn)因素。根據(jù)農(nóng)藝要求，選取天農(nóng)九玉米種子播種株距為33 mm，紅旗688、黃金糯玉米種子播種株距為25 mm。參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》和JB/T 10293—2001《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》，選取玉米播種合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)排種器作業(yè)質(zhì)量、適播范圍。在試驗(yàn)過程中，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每次連續(xù)記錄當(dāng)排種器穩(wěn)定工作時(shí)起種床帶上排出的250顆種子，取3次試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果[20]。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experiment results

如圖9所示，各品種的重播指數(shù)隨播種機(jī)工作速度的增加而增高，隨玉米種子幾何尺寸的減小而增高。當(dāng)播種機(jī)工作速度增加時(shí)，夾種塊通過清種區(qū)時(shí)的速度增加、多余種子喪失夾持力的時(shí)間減少，使部分多余種子沒有充足的時(shí)間依靠重力脫離夾種塊與壓種環(huán)之間的區(qū)域，同時(shí)離心力增大，降低了種子脫離夾種塊與壓種環(huán)之間區(qū)域的速度，造成重播指數(shù)增高；夾種塊在設(shè)計(jì)過程中主要參考了天農(nóng)九(大粒)種子的幾何尺寸，在針對(duì)紅旗688(中粒)、黃金糯(小粒)種子進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)了重播指數(shù)較高的問題，可通過設(shè)計(jì)不同規(guī)格的壓種環(huán)以改善排種器對(duì)中、小型玉米種子的播種性能。

圖9 重播指數(shù)隨播種機(jī)工作速度變化曲線Fig.9 Changing curves of multiple index with planter operating speed

如圖10所示，各品種的漏播指數(shù)受播種機(jī)工作速度與玉米種子幾何尺寸變化影響較小，當(dāng)播種機(jī)工作速度為3～13 km/h時(shí)，該排種器針對(duì)3種不同品種的玉米種子，漏播指數(shù)均不大于0.8%，該排種器利用排種盤的摩擦力驅(qū)動(dòng)種子流動(dòng)、增大種子充填力、減小種子與排種盤的相對(duì)速度的充種方案可行。

圖10 漏播指數(shù)隨播種機(jī)工作速度變化曲線Fig.10 Changing curves of missing index with planter operating speed

如圖11所示，各品種的合格指數(shù)隨著播種機(jī)工作速度的增加而降低，隨種子尺寸的減小而降低。合格指數(shù)降低主要由重播指數(shù)的增加引起。

圖11 合格指數(shù)隨播種機(jī)工作速度變化曲線Fig.11 Changing curves of qualified index with planter operating speed

夾持式玉米精密排種器播種質(zhì)量受玉米種子幾何尺寸影響較大，其中針對(duì)天農(nóng)九(大粒)玉米種子的排種效果較佳，在工作速度為11 km/h時(shí)，其合格指數(shù)為90.1%，重播指數(shù)為9.1%，漏播指數(shù)為0.8%，滿足排種作業(yè)要求。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種夾持式玉米精密排種器，闡述了排種器總體結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)充種過程進(jìn)行理論分析，獲得種子填充力變化規(guī)律，分析了清種、投種工作過程，確定了關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)通過天農(nóng)九(大粒)、紅旗688(中粒)、黃金糯(小粒)3個(gè)玉米品種的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天農(nóng)九的排種效果較佳，在工作速度為11 km/h時(shí)，其合格指數(shù)為90.1%，重播指數(shù)為9.1%，漏播指數(shù)為0.8%，滿足播種作業(yè)要求。