組合型孔排種器護(hù)種機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張明華，肖 明，歐陽令，蔣恩臣，喬 君，王在滿，劉順財(cái)，許 鵬，羅錫文

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642； 2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510642； 3 上海世達(dá)爾現(xiàn)代農(nóng)機(jī)有限公司，上海 200245)

機(jī)械式排種器是播種機(jī)上使用最多的一種排種器，護(hù)種機(jī)構(gòu)是排種器上的重要部件之一，其作業(yè)效果直接影響播種質(zhì)量[1-3]。機(jī)械式排種器工作流程一般包括充種、清種、護(hù)種和投種4個(gè)過程[4-5]。護(hù)種機(jī)構(gòu)安裝于清種機(jī)構(gòu)后，保護(hù)種子停留在型孔中并從清種區(qū)到達(dá)投種區(qū)完成投種[6-7]。護(hù)種機(jī)構(gòu)在機(jī)械式排種器中被廣泛應(yīng)用，一般有固定板式、固定帶式和隨動(dòng)柔性帶式[8-13]等。羅錫文等[8,14]研究了一種可拆式彈性隨動(dòng)護(hù)種裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明，與固定護(hù)種板相比，顯著降低了水稻種子的傷種率，種子破損率可降至0.2%以下。王沖等[9,15]研究了一種同步柔性皮帶，并分析了同步理論和皮帶對(duì)水稻種子最大支撐力，導(dǎo)出了同步的臨界條件和影響同步效果的因素，與固定板式護(hù)種器相比，水稻種子破碎率可降至0.5%。廖慶喜等[16-17]研究的槽孔輪式排種器采用刷種輪與柔性帶組合，降低了油菜籽粒的破碎率。張順等[18-19]設(shè)計(jì)了一種具有氣流清種與護(hù)種結(jié)構(gòu)的氣力滾筒式水稻精量排種器，提高了播種性能。李兆東等[20-21]設(shè)計(jì)了一種氣流清種與氣壓護(hù)種結(jié)合的油菜精量氣壓式集排器，降低了傳統(tǒng)護(hù)種方式下油菜種子的破損率。朱德泉等[22]設(shè)計(jì)了帶有護(hù)種滑片的型孔輪式水稻精量排種器，播種性能有待進(jìn)一步提高。

組合型孔排種器的隨動(dòng)柔性帶式護(hù)種機(jī)構(gòu)的護(hù)種帶將種子保護(hù)在型孔中，護(hù)種帶和排種輪之間的靜摩擦力帶動(dòng)護(hù)種帶同步轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)投種區(qū)時(shí)釋放型孔中的種子，完成投種。柔性護(hù)種帶與排種輪緊密貼合，防止進(jìn)入型孔的種子在護(hù)種區(qū)由于重力和離心力的作用落出型孔而影響播種質(zhì)量。本文針對(duì)排種器實(shí)際應(yīng)用過程中容易出現(xiàn)護(hù)種帶跑偏、打滑、磨損和斷裂等現(xiàn)象，對(duì)護(hù)種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)護(hù)種帶的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選。柔性護(hù)種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和護(hù)種帶的參數(shù)是保證護(hù)種帶與排種輪之間同步的關(guān)鍵，也是保證護(hù)種機(jī)構(gòu)可靠性和使用壽命的關(guān)鍵。本文在可拆式彈性隨動(dòng)護(hù)種裝置的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)分析護(hù)種工作過程中引起成穴性下降、傷種率提高、護(hù)種帶磨損和老化的原因，進(jìn)一步優(yōu)化護(hù)種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，旨在提高型孔式水稻精量排種器的播種質(zhì)量和可靠性，為機(jī)械式精密排種器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的組合型孔排種器。其隨動(dòng)柔性護(hù)種機(jī)構(gòu)的護(hù)種帶將種子保護(hù)在型孔中，護(hù)種帶和排種輪之間的靜摩擦力帶動(dòng)護(hù)種帶同步轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)投種區(qū)時(shí)釋放型孔中的種子，完成投種。柔性護(hù)種帶與排種輪緊密貼合，防止進(jìn)入型孔的種子在護(hù)種區(qū)由于重力和離心力的作用落出型孔而影響播種質(zhì)量。

圖 1 排種器工作原理圖Fig. 1 Schematic diagram of seed metering device

1.1 護(hù)種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)種機(jī)構(gòu)由護(hù)種帶架子、軸套、軸和護(hù)種帶組成(圖2)。軸套和軸安裝在護(hù)種帶架子上，呈三角形分布。為了防止護(hù)種帶在工作時(shí)跑偏，同時(shí)增加護(hù)種帶的同步性能，在軸套上設(shè)計(jì)了3道防滑槽，護(hù)種帶上設(shè)計(jì)了3道相應(yīng)的防滑凸臺(tái)；安裝時(shí)，將護(hù)種帶上的凸臺(tái)與軸套上的防滑槽配合。

圖 2 護(hù)種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 2 Schematic diagram of seed protecting device

假設(shè)護(hù)種帶和排種輪的接觸面無相對(duì)運(yùn)動(dòng)(靜摩擦力)，同時(shí)護(hù)種帶產(chǎn)生的壓力對(duì)種子沒有損傷，那么在護(hù)種區(qū)內(nèi)傷種率為0，且護(hù)種帶的磨損也最小。然而，在組合型孔排種器的實(shí)際應(yīng)用過程中，護(hù)種帶會(huì)出現(xiàn)不同步甚至停轉(zhuǎn)的情況。進(jìn)一步觀察分析，護(hù)種帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)降低護(hù)種帶的壽命、影響傷種率和穴徑。因此，應(yīng)對(duì)護(hù)種機(jī)構(gòu)的同步原理進(jìn)行分析。

1.2 護(hù)種機(jī)構(gòu)同步原理分析

排種器啟動(dòng)前期，排種輪在排種軸的帶動(dòng)下，線速度從0達(dá)到設(shè)定速度(v)，同時(shí)護(hù)種帶在與排種輪之間的摩擦力(f)的驅(qū)動(dòng)下完成與排種輪的線速度同步，如圖3所示。

圖 3 護(hù)種機(jī)構(gòu)同步力學(xué)分析Fig. 3 Mechanics analysis of synchronization for seed protecting device

當(dāng)護(hù)種帶處于將要打滑的臨界狀態(tài)時(shí)，排種輪與護(hù)種帶之間的最大靜摩擦力(f1)作用在護(hù)種帶上的力矩應(yīng)等于3根轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的力矩之和(M)，如式(1)所示：

式中，R為排種輪的半徑，m；M為3根轉(zhuǎn)軸的總摩擦力矩，N·m；M1、M2和M3分別為3根轉(zhuǎn)軸的摩擦力矩，N·m；F為排種輪作用在護(hù)種帶上壓力的合力，N；μ1為排種輪與護(hù)種帶的摩擦系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]對(duì)護(hù)種帶的受力分析，護(hù)種帶與排種輪同步瞬間，克服3 根轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩相等，M1的大小與軸套和轉(zhuǎn)軸的特性有關(guān)，即和兩者之間的摩擦系數(shù)有關(guān)。

式中，f2為軸套對(duì)轉(zhuǎn)軸的摩擦力，N；F2為軸套對(duì)轉(zhuǎn)軸壓力，N；r為轉(zhuǎn)軸半徑，m；μ2為轉(zhuǎn)軸與軸套之間的摩擦系數(shù)。

由式(1)～(4)可知，當(dāng)護(hù)種帶處于將要打滑的臨界狀態(tài)時(shí)，如式(5)所示：

原軸套采用尼龍加工而成，如圖4a所示，成本低且具有自潤(rùn)滑性，與不銹鋼軸之間的摩擦系數(shù)約為0.4[23]。但是，一般材料在溫度逐漸升高后，會(huì)加快磨損[24]。尼龍?zhí)自谀p之后的磨屑逐漸形成磨粒，在溫度逐漸升高后磨屑或磨粒會(huì)粘在接觸表面[25]，使得軸套與轉(zhuǎn)軸之間摩擦系數(shù)μ2增大，導(dǎo)致護(hù)種帶打滑。

為此，對(duì)軸套進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用同軸套和滾針軸承的結(jié)構(gòu)，如圖4b所示。滾針軸承與不銹鋼軸之間的摩擦系數(shù)約為0.1[23]。滾針軸承更耐高溫更耐磨。因此，采用銅軸套和滾針軸承結(jié)構(gòu)可顯著減小μ2。

圖 4 不同軸套結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Schematic diagram of different axle sleeves

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 材料

試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)選用生產(chǎn)中常用的粳稻品種 ‘秀水134’種子和秈稻品種 ‘培雜泰豐’種子。

試驗(yàn)因素為護(hù)種帶軸套結(jié)構(gòu)(A)和不同硬度的護(hù)種帶(B)。試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

表 1 試驗(yàn)因素和水平Table 1 Factors and levels in experiments

2.2 方法

2.2.1 護(hù)種帶打滑率試驗(yàn) 以排種器工作 0(剛開始工作)、25、50、75 和 100 h 為測(cè)量時(shí)間點(diǎn)，用高速攝像機(jī) (型號(hào)：Photron FASTCAM Viewer)測(cè)定護(hù)種帶的打滑率。在護(hù)種帶和排種軸的邊緣分別做好記號(hào)，高速攝像機(jī)設(shè)置像素為 1 024×1 024，幀數(shù)為200幀，并確保護(hù)種帶在高速攝像的取像范圍內(nèi)；排種器的工作轉(zhuǎn)速固定在60 r/min，對(duì)應(yīng)的水稻精量穴直播機(jī)大田作業(yè)參數(shù)：機(jī)具前進(jìn)速度為1.2 m/s，穴距為 15 cm(圖 5)。

圖 5 護(hù)種帶打滑率試驗(yàn)Fig. 5 Slip rate test of guard belt

通過高速攝像回放分析確定時(shí)間，t1和t2分別為記錄護(hù)種帶和排種軸轉(zhuǎn)過3圈后所用的時(shí)間；利用SolidWorks分析三維模型，分別計(jì)算排種輪周長(zhǎng)(l1)和護(hù)種帶安裝后的長(zhǎng)度(l2)。打滑率(φ)的計(jì)算公式如下：

2.2.2 護(hù)種帶磨損率試驗(yàn) 目前國(guó)際上一般采用三維形貌儀對(duì)橡膠磨損進(jìn)行定量分析[26-31]。試驗(yàn)在華南理工大學(xué)測(cè)試中心進(jìn)行，采用多功能三維形貌儀 (Rtec-instruments UP)分別對(duì)使用前和工作 100 h后的護(hù)種帶表面三維形貌(磨損體積)測(cè)量。三維形貌儀的工作原理是利用三維共聚焦和白光干涉成像，通過原子力顯微鏡進(jìn)行觀察成像。將護(hù)種帶粘貼至方形底座上，并將測(cè)試表面壓平整。將三維形貌儀獲取的圖像導(dǎo)入Gwyddion軟件中進(jìn)行圖像分析，計(jì)算磨損體積。

2.2.3 護(hù)種機(jī)構(gòu)對(duì)播種性能影響試驗(yàn) 考慮直播機(jī)種植一季水稻的工作時(shí)長(zhǎng)約為200 h，因此以直播機(jī)工作中期(即排種器工作100 h)作為參考測(cè)量時(shí)間點(diǎn)，不同處理的護(hù)種機(jī)構(gòu)在多功能播種試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。采用人工清選的方式挑選出試驗(yàn)種子中的雜質(zhì)和已破損種子，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速選擇60 r/min，投種高度為 20 cm，種床帶速為 1.5 m/s，型孔選擇大型孔和小型孔。

傷種率試驗(yàn)參考GB/T6973—2005[32]，記錄傳輸帶上排種器穩(wěn)定工作時(shí)排出300穴種子中的每穴粒數(shù)和破碎種子的粒數(shù)(若有半粒種子情況，2個(gè)半粒算1粒)，重復(fù)3次。

2個(gè)全新的組合型孔排種器分別安裝全新護(hù)種機(jī)構(gòu)1[軸套結(jié)構(gòu)為尼龍軸套(A1)]和護(hù)種機(jī)構(gòu)2[軸套結(jié)構(gòu)為滾針軸承&銅套結(jié)構(gòu)(A2)]，并分別運(yùn)轉(zhuǎn)10 min，在排種口用容器分別接種。測(cè)量每次總播種量，并挑選出每組所排出的破碎種子，記錄其數(shù)量(若有半粒種子情況，2個(gè)半粒算1粒)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。2個(gè)護(hù)種機(jī)構(gòu)工作100 h后，再重復(fù)上述試驗(yàn)過程。傷種率(K)計(jì)算公式如下：

式中：n為破損種子的數(shù)量，粒；m為濕種子的千粒質(zhì)量，g；其中，‘秀水134’濕種子千粒質(zhì)量為34.2 g，‘培雜泰豐’的濕種子千粒質(zhì)量為33.4 g；M為試驗(yàn)10 min排種器的總排種量，g。

每一穴種子之間的最大距離作為穴徑，用游標(biāo)卡尺每組連續(xù)測(cè)量50成穴，重復(fù)3次。

3 結(jié)果與分析

3.1 護(hù)種帶打滑率

由表2的結(jié)果可知，試驗(yàn)剛開始時(shí)，試驗(yàn)組A2B1的打滑率為0.10%，為該時(shí)刻所有試驗(yàn)組中最優(yōu)，且與其他組合有顯著性差異(P<0.05)；25和50 h后，試驗(yàn)組A2B3為同一時(shí)刻所有組別中最優(yōu)，且與其他組別有顯著性差異；75和100 h后，試驗(yàn)組A2B2、A2B3、A2B4和 A2B5的打滑率相對(duì)較低，為同一時(shí)刻所有組別中最優(yōu)，且A2B2、A2B3和A2B4之間沒有顯著性差異，與其他試驗(yàn)組之間均有顯著性差異。雙因素方差分析結(jié)果可知：試驗(yàn)因素 A和B對(duì)打滑率影響都極顯著(P<0.01)，且兩者之間存在顯著交互作用。A1與A2之間差異極顯著，且A2明顯優(yōu)于 A1；B1與 B2、B3、B4、B5之間差異極顯著，而B2～B5之間差異不顯著。

表 2 不同軸套結(jié)構(gòu)不同工作時(shí)間對(duì)護(hù)種帶打滑率的影響1)Table 2 Effects of different structure of axle sleeves on slip rate of guard belt at different working time %

綜合分析，試驗(yàn)組A2B3(軸套結(jié)構(gòu)為滾針軸承&銅套、護(hù)種帶硬度為50 HA)的護(hù)種帶打滑率最小，效果最佳，且這種優(yōu)勢(shì)不隨時(shí)間的延長(zhǎng)而改變。

3.2 表面磨損試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，使用前所有護(hù)種帶的表面形貌沒有明顯的差異，說明使用前所有護(hù)種帶的表面較平整，且粗糙度的一致性較好。工作100 h后，比較同一硬度的護(hù)種帶，采用A2軸套結(jié)構(gòu)的磨損體積小于A1，且A1與A2差異顯著。與軸套結(jié)構(gòu)A1相比，A2與軸的摩擦系數(shù)較大，阻力也較大，而橡膠磨耗性能(磨耗量)隨著溫度和負(fù)荷的增大而增大[26-27]，所以采用A1軸套的護(hù)種帶磨損體積明顯大于A2。

表 3 不同工作時(shí)間護(hù)種帶磨損試驗(yàn)的磨損體積1)Table 3 The wear volume of guard belt in wear test at different working time ×10?3 mm3

比較同一軸套結(jié)構(gòu)的護(hù)種帶，磨損體積均隨著的護(hù)種帶硬度的增大而減小。單因素方差分析可知，試驗(yàn)組A2B3、A2B4、A2B5對(duì)護(hù)種帶磨損體積影響最小，且差異不顯著。

3.3 護(hù)種機(jī)構(gòu)對(duì)播種性能的影響

圖6a和6b的單因素方差分析結(jié)果表明，試驗(yàn)組A2B2、A2B3對(duì)水稻種子傷種率影響最小。由雙因素方差分析可知，A和B對(duì)傷種率的影響均達(dá)極顯著水平(P<0.01)，且A與B之間存在顯著交互作用；A1與A2之間差異極顯著，且A2的傷種率明顯小于A1，說明A2(滾針軸承&銅套結(jié)構(gòu))明顯優(yōu)于A1(尼龍軸套結(jié)構(gòu))；試驗(yàn)組B2與B3之間無顯著性差異，與其他試驗(yàn)組之間有顯著性差異。

試驗(yàn)組A2B2、A2B3、A2B4對(duì)穴徑影響最小(圖6c和6d)。由雙因素方差分析可知，A對(duì)穴徑影響顯著，B對(duì)穴徑無顯著影響；A1、A2之間差異極顯著，且A2明顯優(yōu)于A1。

圖 6 不同孔型護(hù)種機(jī)構(gòu)對(duì)不同水稻品種傷種率和穴徑的影響Fig. 6 Effect of different protecting structure on hill diameter and seed damage rate of different rice variety

綜上所述，護(hù)種帶的同步性對(duì)護(hù)種帶的磨損和播種質(zhì)量有顯著影響。護(hù)種帶的同步性越好(打滑率越小)，護(hù)種帶的磨損越小，傷種率越小，成穴性越好。

4 結(jié)論

相同水稻品種播種時(shí)，小型孔的傷種率均高于大型孔的傷種率；在相同試驗(yàn)因素和水平下，‘培雜泰豐’(長(zhǎng)粒型秈稻)的傷種率均高于‘秀水134’(圓粒形粳稻)的傷種率。原因可能有以下幾個(gè)方面：小型孔總播種量小于大型孔，因此，小型孔的傷種率會(huì)高于大型孔；小型孔的容積相對(duì)大型孔較小，種子充入小型孔中時(shí)，種子(尤其是長(zhǎng)粒型秈稻‘培雜泰豐’)可能會(huì)有部分露在型孔外面，由于護(hù)種帶與排種輪之間的壓力和打滑現(xiàn)象，種子會(huì)與排種輪、護(hù)種帶發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，造成種子破損；種子在排種輪和護(hù)種帶之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，會(huì)造成與型孔中的種子產(chǎn)生落種時(shí)間差，從而影響成穴性。

本研究根據(jù)護(hù)種帶的同步原理，優(yōu)化了軸承結(jié)構(gòu)和護(hù)種帶參數(shù)，提高了排種器的播種性能，延長(zhǎng)了護(hù)種帶使用壽命。在試驗(yàn)組內(nèi)，軸套結(jié)構(gòu)為滾針軸承&銅套、護(hù)種帶硬度為50 HA(A2B3)的護(hù)種帶磨損體積為 72.6×10?3mm?3，比優(yōu)化前 (A1B1)減少了約1/3，大、小型孔的傷種率分別為0.04%和0.15%，比優(yōu)化前分別降低了約4/5和2/3；A2B3成穴性最好，播種性能最優(yōu)。