自走式排種器試驗(yàn)車的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王旭東 陳欣 周艷軍 羅琴芳 劉博

摘要：針對(duì)現(xiàn)有帶式排種器試驗(yàn)臺(tái)整機(jī)移動(dòng)不便和不能模擬播種機(jī)田間作業(yè)的實(shí)際工作狀態(tài)等問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的自走式排種器試驗(yàn)車。對(duì)試驗(yàn)車的整體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力配置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、操控裝置、行走機(jī)構(gòu)、排種器連接裝置等部件進(jìn)行合理的參數(shù)匹配。對(duì)研制的樣機(jī)進(jìn)行單因素排種試驗(yàn)和制動(dòng)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)試驗(yàn)車的前進(jìn)速度為1.5、2.5、3.8 m/s時(shí)，對(duì)排種器的漏播率、單穴單粒率和重播率等試驗(yàn)指標(biāo)的影響不顯著;當(dāng)試驗(yàn)車的前進(jìn)速度為3.8 m/s時(shí)，平均制動(dòng)距離為1.6 m，平均減速度為4.51 m/s2，制動(dòng)性能符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)車對(duì)垂直圓盤排種器具有普遍適應(yīng)性，在室內(nèi)外環(huán)境條件允許的場(chǎng)地都能進(jìn)行試驗(yàn)，為排種器性能試驗(yàn)提供了更大的靈活性和便利性。

關(guān)鍵詞：自走式;排種器;試驗(yàn)車;設(shè)計(jì);性能試驗(yàn);制動(dòng)性能;靈活性;便利性

中圖分類號(hào)： S237?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）20-00251-04

排種器是決定播種機(jī)性能指標(biāo)的核心部件，用排種器試驗(yàn)臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)檢測(cè)排種器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，可以避免田間試驗(yàn)中氣候條件的影響，對(duì)于縮短排種器的研發(fā)周期、降低研發(fā)成本極為有利。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣的是帶式排種器試驗(yàn)臺(tái)，分移動(dòng)帶式和固定帶式2種。移動(dòng)帶式排種器試驗(yàn)臺(tái)又可分為在承種帶上涂（噴、抹）油[1-7]和鋪沙（土）[8-13]2種型式，它們的工作原理相似，排種器在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下定軸轉(zhuǎn)動(dòng)并排種，被涂油或鋪沙的承種平帶在另1套動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下于排種器下面平移，種子落在移動(dòng)的平帶上。涂（噴、抹）油帶式的試驗(yàn)臺(tái)需要1套涂、噴或抹油及清理油的裝置，在試驗(yàn)過(guò)程中需要不斷涂油和清理油，整機(jī)龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對(duì)試驗(yàn)環(huán)境有一定的污染;鋪沙帶式的試驗(yàn)臺(tái)則需要1套鋪沙和清理沙的裝置，并不斷地重復(fù)鋪沙和清理沙的工作，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。固定帶式的排種器試驗(yàn)臺(tái)也有2種型式，一種是將排種器連接在小車上，小車在承種平帶兩邊的導(dǎo)軌上行走，承種平帶固定不動(dòng)，排種器在涂油或鋪沙的承種平帶上面走過(guò)并排種，試驗(yàn)過(guò)程中同樣需要反復(fù)清理油或沙;另一種是試驗(yàn)機(jī)在預(yù)設(shè)的行進(jìn)軌道上由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行走，排種器在鋪有絨面布的固定不動(dòng)的布種槽里排種[14]，試驗(yàn)機(jī)在沒(méi)有電源的室外無(wú)法工作。

上述幾種試驗(yàn)臺(tái)的共同特點(diǎn)如下：（1）整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，裝配完畢后無(wú)法遠(yuǎn)距離整體移動(dòng);（2）試驗(yàn)場(chǎng)所必須有電源;（3）將排種器一邊隨播種機(jī)前進(jìn)一邊旋轉(zhuǎn)排種的動(dòng)作分解成排種器旋轉(zhuǎn)排種、平帶移動(dòng)2個(gè)動(dòng)作，這與田間播種作業(yè)的真實(shí)情況完全不同，也就不能準(zhǔn)確反映田間播種作業(yè)時(shí)種子的運(yùn)動(dòng)軌跡、種子落地觸土后的彈跳和移動(dòng)等行為，因此對(duì)排種器性能指標(biāo)的檢測(cè)有一定局限性。

針對(duì)以上問(wèn)題，本研究擬設(shè)計(jì)可以在試驗(yàn)場(chǎng)地駕駛行走的自走式排種器試驗(yàn)車，排種器連接在試驗(yàn)車上，就像連接在播種機(jī)上一樣。試驗(yàn)車在任何可通過(guò)的路面上都能進(jìn)行行駛試驗(yàn)，不再僅僅局限在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，可以最大限度地模擬播種機(jī)在田間的作業(yè)狀態(tài)，能更真實(shí)地反映播種機(jī)在田間作業(yè)中的移動(dòng)、振動(dòng)和加速度變化等對(duì)排種器取種、清種和投種等性能的影響。

1?試驗(yàn)車結(jié)構(gòu)及工作原理

試驗(yàn)車主要由機(jī)架、操控裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、行走裝置、測(cè)速裝置、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置、排種器連接裝置、座椅、顯示屏等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

試驗(yàn)車動(dòng)力由電池組提供，在駕駛?cè)藛T的操控下，由直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)（圖1-13）驅(qū)動(dòng)地輪軸，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)車的自驅(qū)動(dòng)行走。由測(cè)速裝置測(cè)得試驗(yàn)車的行走速度并在顯示屏上顯示。鏈傳動(dòng)（圖1-21）的主動(dòng)鏈輪與地輪軸同軸并可沿其軸向滑動(dòng)，鏈輪組由5個(gè)鏈輪用螺栓剛性連接而成，從地輪軸到排種器，能實(shí)現(xiàn)5級(jí)變速傳動(dòng)，以適應(yīng)不同作物播種的農(nóng)藝要求。鏈輪組與鏈傳動(dòng)（圖1-24）的主動(dòng)鏈輪之間設(shè)置了棘輪機(jī)構(gòu)，倒車時(shí)排種器不工作，防止夾傷和浪費(fèi)種子。在試驗(yàn)場(chǎng)地鋪設(shè)一定厚度的細(xì)沙作為試驗(yàn)承種帶，可以有效地防止種子彈跳和移動(dòng)，也便于試驗(yàn)結(jié)束后收集種子。排種器連接板可調(diào)可換，方便更換適用于不同作物的排種器。試驗(yàn)車可以在預(yù)設(shè)的軌道上行走，也可以在沒(méi)有軌道的堅(jiān)實(shí)平地上行走。行走輪用螺釘連接緊固在輪軸兩端，可以根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地的需要，方便地更換行走輪。試驗(yàn)車的主要性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2?試驗(yàn)車關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1?試驗(yàn)車的動(dòng)力選擇

電動(dòng)自行車的最高車速、整車質(zhì)量等性能參數(shù)與試驗(yàn)車接近，故參照GB 17761—2018《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》[15]的規(guī)定，選擇額定功率為0.5 kW的直流電動(dòng)機(jī)與 48 V 電池組。試驗(yàn)車的行走輪和導(dǎo)軌是剛性接觸，前輪、后輪的滾動(dòng)摩擦系數(shù)分別是0.028～0.037、0.05～0.07[16-17]。因此可見(jiàn)，試驗(yàn)車行走輪的滾動(dòng)阻力很小，試驗(yàn)車行走路面的環(huán)境好于一般情況下的電動(dòng)自行車，動(dòng)力完全能滿足試驗(yàn)要求。

2.2?試驗(yàn)車機(jī)架

機(jī)架是試驗(yàn)車的搭建平臺(tái)，試驗(yàn)車所需的所有零部件都直接或間接地通過(guò)焊接或螺栓連接在機(jī)架上。機(jī)架用矩形鋼管焊接而成，包括5根橫梁和3根縱梁。座椅和操控裝置箱都被焊接在機(jī)架上;電池組和電動(dòng)機(jī)用螺栓連接在機(jī)架上。

2.3?排種器連接板的設(shè)計(jì)

排種器既不是標(biāo)準(zhǔn)件，也不是通用件，各種作物的排種器的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)差異很大。在試驗(yàn)車上進(jìn)行排種器性能試驗(yàn)時(shí)，為了對(duì)各種排種器具有更普遍的適應(yīng)性，排種器與連接板之間、連接板與支架之間都是用螺紋連接的，可拆卸，可調(diào)整，如圖2所示。

2.4?傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)各傳動(dòng)件的速度和傳動(dòng)比，確定滾子鏈的傳動(dòng)特性可以滿足傳動(dòng)要求，選擇08B型滾子鏈傳動(dòng)。試驗(yàn)車由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)地輪軸并聯(lián)驅(qū)動(dòng)地輪和排種器，保證地輪行走和排種器排種同步，防止由于地輪滑移而導(dǎo)致漏播。鏈輪組由5個(gè)齒數(shù)不同的鏈輪用螺栓連接而成，可以改變鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比，每個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以對(duì)應(yīng)5個(gè)排種器轉(zhuǎn)速，假設(shè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n?則地輪軸轉(zhuǎn)速為0.5n，排種器對(duì)應(yīng)的有0.36n、0.31n、0.29n、0.28n、0.24n等5個(gè)轉(zhuǎn)速。在鏈輪組與排種器之間設(shè)置了單向棘輪機(jī)構(gòu)，使得倒車時(shí)排種器軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，以免浪費(fèi)和夾傷種子。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

3?試驗(yàn)車工作參數(shù)的確定

按照GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機(jī)?試驗(yàn)方法》[18]和GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法》[19]的試驗(yàn)要求，單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法的前進(jìn)速度在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s中選出3個(gè)進(jìn)行試驗(yàn)，以條播機(jī)作業(yè)速度為1.5、2.5 m/s和最大允許速度進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)車的最大計(jì)算速度為3.89 m/s（13.99 km/h），試驗(yàn)時(shí)的最大速度確定為 3.8 m/s（13.68 km/h），能滿足試驗(yàn)要求。在本樣機(jī)試驗(yàn)中，選擇試驗(yàn)車的前進(jìn)速度為1.5、2.5、3.8 m/s。

4?樣機(jī)試驗(yàn)

4.1?單因素試驗(yàn)

排種器用自制的內(nèi)側(cè)充種式垂直圓盤花生排種器，根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》[18]規(guī)定的試驗(yàn)條件和要求，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)試驗(yàn)車選取 1.5、2.5、3.8 m/s 3個(gè)前進(jìn)速度進(jìn)行樣機(jī)的單因素試驗(yàn)。為了充分發(fā)揮機(jī)械化播種高效率的優(yōu)勢(shì)，排種器轉(zhuǎn)速選取試驗(yàn)車前進(jìn)速度為1.5、2.5、3.8 m/s時(shí)的最高轉(zhuǎn)速，分別是 62.04、103.40、157.14 r/min。筆者所在實(shí)驗(yàn)室用40 mm×40 mm的角鋼焊接長(zhǎng)度為50 m的導(dǎo)軌，中間鋪設(shè)承種沙槽;試驗(yàn)車行走輪是外緣有“V”形槽、直徑（φ）為330 mm的鑄鐵輪。去除起步加速和制動(dòng)減速階段，試驗(yàn)車勻速前進(jìn)約40 m，每個(gè)速度試驗(yàn)3次，參照GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》[18]統(tǒng)計(jì)漏播率、單穴單粒率和重播率。樣機(jī)試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果的方差分析見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果的方差分析表明，試驗(yàn)車的前進(jìn)速度對(duì)排種器的漏播率、單穴單粒率和重播率的影響都不顯著。但是隨著試驗(yàn)車前進(jìn)速度在1.5、2.5、3.8 m/s范圍內(nèi)依次提高，漏播率和單穴單粒率的平均值都在提高，重播率的平均值在降低。試驗(yàn)車在導(dǎo)軌上行走得比較平穩(wěn)，沒(méi)有明顯的振動(dòng)，說(shuō)明取種和清種階段受到排種器轉(zhuǎn)速提高的擾動(dòng)更明顯。

4.2?試驗(yàn)車制動(dòng)性能試驗(yàn)

制動(dòng)距離與制動(dòng)減速度是制動(dòng)性能最基本的評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照GB 18447.1—2008《拖拉機(jī)?安全要求?第1部分：輪式拖拉機(jī)》[20]，輪式拖拉機(jī)冷態(tài)試驗(yàn)的制動(dòng)平均減速度應(yīng)不小于2.5 m/s2;參照GB 3565—2005《自行車安全要求》[21]，在 25 km/h 的車速下，單用后閘干態(tài)制動(dòng)，制動(dòng)距離不大于 15 m。在筆者實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，乘坐1人時(shí)，在40 mm×40 mm 角鋼導(dǎo)軌上連續(xù)前進(jìn)后退15次，加速至3.8 m/s時(shí)制動(dòng)，平均制動(dòng)距離為1.6 m，平均減速度4.51 m/s2，試驗(yàn)車的制動(dòng)性能滿足GB/T 3871.6—2006《農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)?試驗(yàn)規(guī)程第6部分：農(nóng)林車輛制動(dòng)性能的確定》[22]、GB18447.1—2008《拖拉機(jī)?安全要求?第1部分：輪式拖拉機(jī)》[20]和GB 3565—2005《自行車安全要求》[21]的要求。

5?結(jié)論

自走式試驗(yàn)車既可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，也可以在環(huán)境允許的室外試驗(yàn)，使排種器性能試驗(yàn)更加便捷和靈活，有利于縮短排種器的研發(fā)周期。本試驗(yàn)表明，試驗(yàn)車的前進(jìn)速度對(duì)排種器漏播率、單粒率和重播率等性能指標(biāo)的影響不顯著，說(shuō)明試驗(yàn)車對(duì)排種器的性能試驗(yàn)沒(méi)有附加干擾。

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