鏈?zhǔn)接衩拙坎シN機(jī)的設(shè)計與試驗(yàn)

鹿 瑤，呂釗欽，鹿英哲，鄭文秀，劉正鐸，史文婷，程祥勛

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

0 引言

玉米精量播種機(jī)械化技術(shù)是利用精量播種機(jī)將玉米種按高產(chǎn)農(nóng)藝要求的播量、行距、株距、播深精確播入土壤，達(dá)到單粒下種、株距均勻、底肥深施及覆土深度一致的一種農(nóng)機(jī)化實(shí)用新技術(shù)[1]。

目前，我國玉米播種機(jī)大多采用外槽輪式排種器或圓盤式排種器，該類排種器結(jié)構(gòu)較簡單，性能可靠，在機(jī)器工作速度較低時作業(yè)效果好；但是，由于投種高度(從排種口到種溝溝底距離)較大，種子在投種過程中會因?yàn)榕c導(dǎo)種管和開溝器的碰撞導(dǎo)致落地位置隨機(jī)[1]，降低株距合格率，影響播種機(jī)的播種效果，而通過零速投種技術(shù)可以克服上述現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)玉米的精量播種。

現(xiàn)有的零速投種技術(shù)根據(jù)其投種方式可分為兩大類：①二次投種，即排種器投出種子后，通過機(jī)械作用對種子沿播種機(jī)前進(jìn)反方向加速，使種子落地時水平分速度接近于零，實(shí)現(xiàn)零速投種；②重力投種，即種子受重力下降，途經(jīng)曲形導(dǎo)種裝置，使種子獲得與播種機(jī)前進(jìn)速度大小相等、方向相反的水平分速度，實(shí)現(xiàn)零速投種[2-6]。

為提高播種質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)玉米等株距精量穴播，本文研制了一種勺鏈?zhǔn)接衩拙坎シN機(jī)。該播種機(jī)利用零度投種原理，創(chuàng)造性地設(shè)計了勺鏈?zhǔn)接衩姿头N裝置，并結(jié)合窩眼輪式排種器，有效地解決了由于撞擊造成的種子下落位置隨機(jī)及播種均勻性差的問題。

1 播種機(jī)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

鏈?zhǔn)接衩拙坎シN機(jī)主要由機(jī)架、懸掛裝置、排種裝置、鏈?zhǔn)酵斗N裝置、傳動裝置、地輪及鎮(zhèn)壓輪等組成，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

機(jī)具與20kW以上的拖拉機(jī)配套使用。機(jī)具前進(jìn)，地輪轉(zhuǎn)動，通過傳動鏈條帶動排種輥轉(zhuǎn)動，排種輥上圓周均勻分布有窩眼；隨著輥?zhàn)禹槙r針轉(zhuǎn)動，玉米種粒充入窩眼內(nèi)，與此同時排種輥通過齒輪傳動，帶動毛刷逆時針轉(zhuǎn)動，將多余的種子刷回種箱，確保1個窩眼只充1粒種子；排種輥帶動種子轉(zhuǎn)至種箱下方落種口時，種子通過重力作用落入勺鏈輸送裝置，勺鏈輸送裝置通過鏈傳動與排種輥傳遞動力，并確定準(zhǔn)確的傳動比，以一定的株距將種子送入開溝器開出的種溝中，確保株距相同；而后由鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行鎮(zhèn)壓，完成玉米精密播種工作。

表1 鏈?zhǔn)接衩拙坎シN機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

1.種箱 2.大從動鏈輪 3.軸承座 4.軸承 5.毛刷 6.三點(diǎn)懸掛裝置 7.固定板 8.支撐桿 9.彈簧 10.地輪搖桿 11.地輪 12.大主動鏈 13.開溝器 14.鎮(zhèn)壓輪 15.鎮(zhèn)壓仿形彈簧 16.防護(hù)板 17.種勺 18.小從動鏈輪 19.小主動鏈輪 20.傳動鏈條 21.輸送鏈

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 排種裝置

播種機(jī)播種質(zhì)量好壞取決于排種器的排種質(zhì)量。目前，窩眼輪式精密排種器發(fā)展較成熟，應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低，性能可靠，在我國精密播種機(jī)上應(yīng)用廣泛[3]，但缺點(diǎn)是存在種子擠壓破壞現(xiàn)象且對不同粒徑種子通用性差。本文設(shè)計的排種裝置通過毛刷柔性清種，既保護(hù)種子完整又提高了精密播種的質(zhì)量[3]，作業(yè)效果良好。

該機(jī)排種裝置主要由窩眼輪式排種器、排種器外殼、清種毛刷、調(diào)節(jié)螺栓、傳動齒輪及傳動鏈等部分組成，如圖2所示。

型孔與種子的尺寸是否相匹配很重要，對單粒精密播種更為重要。為彌補(bǔ)窩眼輪排種器粒徑通用性差的缺點(diǎn)，本排種器針對不同粒徑種子配備不同型孔的窩眼輪。

2.2 鏈?zhǔn)酵斗N裝置

鏈?zhǔn)捷斔脱b置主要由排種勺、方形板、輸送鏈、鏈輪和防護(hù)外殼組成。升運(yùn)鏈?zhǔn)且粭l中心距500mm的輸送鏈條，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸送鏈通過鏈輪呈環(huán)形可活動地安裝在防護(hù)外殼內(nèi)壁上，鏈條上等距離固定有12個10mm×10mm完全相同的小方板，排種勺隨升運(yùn)鏈一起上下運(yùn)動。

玉米種從種箱投至種溝可分為兩個投種過程。種箱的種子由進(jìn)種口進(jìn)入排種腔內(nèi)開始排種器的清種過程，清種后的每一粒種子會跟著排種輪轉(zhuǎn)動至落種口位置落入鏈?zhǔn)酵斗N裝置的投種勺上，完成第1次投種；隨后投種勺的玉米籽粒，在鏈輪的帶動下運(yùn)動至投種器投種口處投出，落入種溝，完成第2次投種。第1次投種為常規(guī)排種器排種，此處重點(diǎn)分析第2次投種過程中玉米籽粒的受力及運(yùn)動情況。

1.毛刷 2.機(jī)架 3.落種口 4.排種輪 5.種箱

1.機(jī)架 2.主動鏈輪 3.投種勺 4.鏈條 5.從動鏈輪 6.落種口 7.投種器外殼

由于升運(yùn)鏈傳動速度較低，且鏈?zhǔn)捷斔脱b置落種口距離地面較近，所以較好地解決了種子與排種器和開溝器碰撞致使種子下落位置隨機(jī)、播種均勻性差的問題。

分析播種機(jī)的工作過程可知：若沒有種勺的作用，玉米種會在投種輪的底部開口處以拋物線軌跡投出，使得種子與土壤產(chǎn)生碰撞，影響株距均勻性；如若加上該投種勺，該投種勺給種子一斜向上支持力，調(diào)整投種角α大小，令種勺支持力與重力、內(nèi)壁支持力、摩擦力及轉(zhuǎn)動慣性力水平分力相抵消。根據(jù)牛頓第二定律可得，玉米籽粒脫離種勺開始下落時水平速度趨近于0，從而極大地提高了玉米播種株距的均勻性。

以玉米籽粒重心為原點(diǎn)，水平向右為x軸正向，豎直向上為y軸正向，建立輔助坐標(biāo)系。為便于分析，假設(shè)玉米籽粒為理想剛性球體，投種鏈輪轉(zhuǎn)速恒定不變[2]，對受力進(jìn)行正交分解，則

∑FX=F1×cosβ+FN1×cosγ+FN2×

cosβ+f1×cosγ

(1)

(2)

對此刻種子進(jìn)行受力分析如圖4所示。根據(jù)牛頓第二定律可得

(3)

F1—轉(zhuǎn)動慣性力；

FN1—投種勺對玉米籽粒的支持力；

FN2—投種筒內(nèi)表面對玉米籽粒的支持力；

f1—玉米籽粒與投種筒間摩擦力；

β—F1與x軸正向夾角；

γ—FN1、f1與x軸正向夾角；

μ—種子與內(nèi)壁的摩擦系數(shù)。

圖4 投種過程玉米籽粒受力圖

圖4中：O為投種器轉(zhuǎn)動圓心；x、y為以玉米籽粒質(zhì)心為原點(diǎn)輔助坐標(biāo)系的橫、縱軸；ω為投種鏈輪角速度(rad/s);R為玉米籽粒轉(zhuǎn)動半徑(m)；α為投種位置與豎直方向的夾角，即投種角(°)；F1為轉(zhuǎn)動慣性力(N)；FN1為投種勺對玉米籽粒的支持力(N)；FN2為投種筒內(nèi)表面對玉米籽粒的支持力(N)；f1為玉米籽粒與投種筒間摩擦力(N)；β為F1與x軸正向夾角(°)；γ為FN1、f1與x軸正向夾角(°)；G為玉米籽粒所受重力(N)；VP為播種機(jī)前進(jìn)速度(m/s)。

通過計算得出，當(dāng)30°≤α≤60°時，VX=0，且得

2.1 試驗(yàn)條件的優(yōu)化 影響試驗(yàn)結(jié)果的因素包括NaCl濃度和ssDNA濃度，確定兩者最適濃度可以確定檢測方法的最佳結(jié)果。在銀納米溶液中加入不同濃度的NaCl溶液，引起銀納米粒子的聚集，使得A608/A418值不同。由圖1可知，當(dāng)控制NaCl體系濃度在40 mmol/L時，A608/A418值最大，銀納米粒子聚集程度最大。繼續(xù)增加濃度，比值幾乎不變。在此基礎(chǔ)上，同理，可測得ssDNA體系濃度為8 nmol/L時，A608/A418值最小，銀納米粒子分散程度最大。由此可知，NaCl和ssDNA最佳濃度分別為40 mmol/L和8 nmol/L。

∑FX=0

(4)

當(dāng)投種包角小于30°時，種子停滯在投種內(nèi)壁上不再下滑，形成自鎖，要想順利投種，只能靠下一個種勺將其刮下，導(dǎo)致落種時間的延遲；若投種包角大于60°時，種子缺乏種勺支撐作用，從而導(dǎo)致株距的不均勻性。

2.3 其它部件

動力傳動機(jī)構(gòu)由地輪帶動鏈進(jìn)行傳動。鎮(zhèn)壓輪為橡膠輪，橡膠輪滑移的均值和方差都較小，其直徑為40cm，外緣寬度10.5cm，作用是鎮(zhèn)壓，達(dá)到壓碎土塊、壓緊耕作層及蓄水保墑的目的[9]。

3 田間試驗(yàn)及驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)基本條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校實(shí)驗(yàn)基地。試驗(yàn)地屬于一年兩熟平原區(qū)，土壤為壤土或粘土；年平均降水量500mm左右。土壤質(zhì)地為壤土，堅(jiān)實(shí)度247.5×104Pa；土壤含水率9.3%(0～5cm)、11.7%(5～10cm)[4]。試驗(yàn)用玉米品種為遼丹16號，千粒質(zhì)量283g，種子含水率為11.2%，播種量為300kg/hm2[3]。

試驗(yàn)旨在通過正交試驗(yàn)驗(yàn)證播種機(jī)的可行性及最優(yōu)試驗(yàn)組合，使播種機(jī)播種質(zhì)量及效率達(dá)到最優(yōu)。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計

通過前期單因素試驗(yàn)觀察及理論分析，影響玉米播種質(zhì)量的主要因素有播種機(jī)前進(jìn)速度vp、投種包角α及投種高度h。為明確上述3個因素對切根作業(yè)質(zhì)量的影響，本試驗(yàn)以株距合格率H作為衡量投種質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，開展3因素3水平正交試驗(yàn)，不計交互作用，試驗(yàn)因素和水平如表2所示，正交試驗(yàn)方案如表3所示[11]。其中，前進(jìn)速度為播種機(jī)的前進(jìn)速度，投種包角為投種口位置與水平方向的夾角，投種高度為投種口到種溝底面的垂直距離。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平表Table 2 Orthogonal test factors and levels

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

播種株距合格率是播種株距合格粒數(shù)占總播種玉米粒數(shù)的百分比，播種株距合格定義為播種機(jī)正常工作時播種相鄰兩粒玉米種粒距處于30～40cm之間，則

其中，H為株距合格率(%)；N1為播種玉米株距合格數(shù)(粒)；N0為播種玉米總數(shù)(粒)。

每個因素組合方案進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，每播種100粒玉米種作為1次試驗(yàn)，分別測每次試驗(yàn)的株距合格率H，取平均值。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

運(yùn)用DPS3.01軟件對株距合格率結(jié)果進(jìn)行極差分析，設(shè)定顯著性水平0.01，結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

Ki為各因素第i水平株距合格率之和，ki為各因素第i水平株距合格率均值，R為k的極差值。

通過對田間試驗(yàn)的正交結(jié)果分析，得出了較優(yōu)參數(shù)組合：播種機(jī)前進(jìn)速度2m/s，投種包角45°，投種高度35mm。

3.5 最優(yōu)化參數(shù)田間試驗(yàn)

當(dāng)玉米精量播種機(jī)設(shè)定為最優(yōu)3個參數(shù)時，進(jìn)行田間試驗(yàn)得出其最優(yōu)試驗(yàn)性能參數(shù)，如表4所示。

表4 玉米精量播種機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果

4 結(jié)論

1)研制了一種鏈?zhǔn)接衩拙坎シN機(jī)，設(shè)計了排種裝置及投種裝置等關(guān)鍵部件，通過受力分析設(shè)計投種裝置投種包角范圍，為優(yōu)化該播種機(jī)提供試驗(yàn)依據(jù)。

2)進(jìn)行了以播種機(jī)前進(jìn)速度、投種包角及投種高度為影響因素的正交試驗(yàn),通過極差分析得出:各因素影響株距合格率的主次順序?yàn)橥斗N高度、播種機(jī)前進(jìn)速度、投種包角。其中，投種高度對株距合格率的影響顯著，播種機(jī)前進(jìn)速度對株距合格率有一定影響，投種包角對株距合格率的影響不顯著。

3)通過對田間試驗(yàn)的正交結(jié)果分析，得出了較優(yōu)參數(shù)組合：播種機(jī)前進(jìn)速度2m/s，投種包角45°，投種高度35mm。田間試驗(yàn)表明：此時的播種株距合格率96.1%。該玉米精量播種機(jī)的單粒率95.8%，空穴率小于5，符合玉米精量播種的農(nóng)藝要求。