基于四行精密播種的玉米直播機設計與試驗

趙會娟,尹小定, 池成忠

(1.濟源職業(yè)技術學院 機電工程系,河南 濟源 454650;2.江西機電職業(yè)技術學院 機械工程學院,南昌 330013;3.太原理工大學 材料科學與工程學院,太原 030024)

0 引言

玉米種植一直采用傳統(tǒng)農(nóng)耕模式,具有播種速度慢、尺寸偏差大的特點。隨著社會的不斷發(fā)展和科學技術的不斷進步,農(nóng)民開始采用農(nóng)機收割玉米,大幅度提高了生產(chǎn)力、降低了勞動強度,但精度播種仍是一大難題。為此,設計了一款基于四行精密播種的玉米直播機,對玉米種植具有一定的現(xiàn)實意義。

1 玉米直播機結構及工作原理

為了滿足玉米的精量播種,采用振動原理設計玉米直播機,其結構如圖1所示。

圖1 玉米直播機整體結構Fig.1 The overall structure of corn direct seeding machine

精密播種裝置是玉米直播機的核心,在此主要分析研究此裝置,其結構如圖2所示。

圖2 玉米直播機結構圖Fig.2 The structure diagram of corn direct seeding machine

1.1 玉米直播機結構

玉米直播機的零部件較多,其主要結構特點和功能如下:

1)調(diào)節(jié)門。調(diào)節(jié)門一般安裝在外槽輪的正上方D處,在玉米測試試驗中,D的取值范圍為6～6.5mm(玉米種植一般長8～12mm,寬7～10mm,厚3～7mm,可防止種子嚴重外槽輪外表面帶出);另外,調(diào)節(jié)門下方安裝橡膠彈性板,可以起到清刷種子的作用。

2)橡膠彈性板。橡膠彈性板安裝在種箱內(nèi)部,附在外槽輪上方,其開口在外槽輪上方,寬度和外槽輪槽的大小一致,用于控制外槽輪的充種;另外,彈性板和外槽輪接觸摩擦,使其在外槽輪的轉動下發(fā)生振動,將種子填充到外槽輪的槽穴中。橡膠彈性板的內(nèi)部結構如圖3所示。

3)外槽輪。玉米直播機精密播種裝置采用外槽輪進行排種,外槽輪周邊是勺形的種槽,其截面由直線段和圓弧線組成,如圖4所示。在橡膠彈性板清種的作用下,外槽輪的轉向會利于種子一粒一粒排入到勺形的種槽內(nèi)部,且順勢堆積在勺內(nèi),如圖4中的陰影部分所示。通過反復測試試驗,在外槽輪正向旋轉過程中,在橡膠彈性板、勺形流線積種的作用下,外槽輪充種非常飽滿。

圖3 橡膠彈性板的內(nèi)部結構Fig.3 The internal structure of rubber elastic plate

圖4 外槽輪結構圖Fig.4 The structural drawing of outer sheave

1.2 玉米直播機的排種盤設計

玉米直播機的排種盤由振動器、篩分板、調(diào)節(jié)板組成,如圖5所示。振動器將排種盤懸吊在排種盤支架的內(nèi)側,通過調(diào)節(jié)支架的角度,可以保證V型排種盤水平夾角α1在4°～10°內(nèi)調(diào)節(jié);振動器安裝在排種盤橫梁的中間位置,其振動角度δ1振動引起振動板發(fā)生有規(guī)律的變化,讓種子有序向下滑行,從而完成播種和充種。

圖5中,篩分板和槽板之間由調(diào)節(jié)板組合起來,形成了一種連續(xù)的排種盤面,二者的連接角度可以進行調(diào)整,夾角α2在-5°～10°內(nèi)調(diào)節(jié)。其主要功能是將種子篩分除雜,也能保證播種盤的連續(xù)性,確保在播種過程中形成連續(xù)的種子流。

2 玉米直播機四行精密播種總體參數(shù)

2.1 玉米直播機作業(yè)速度

玉米直播機作業(yè)速度與排種器、開溝器和行走裝置對速度的需求,作業(yè)速度需要保證播種質(zhì)量。若作業(yè)速度太快,玉米直播機四行精密播種裝置精度會發(fā)生顯著下降,造成玉米種粒排種失敗。本文研究的玉米直播機作業(yè)速度為6～7km/h。

玉米直播機排種器采用水平V型裝置,其播種速度由以下步驟確定。

1)確定排種器篩選孔直徑尺寸為6mm,其孔盤型如圖6所示。

圖6 排種器篩選孔結構圖Fig.6 The structure diagram of seed metering device screening hole

2)排種器線速度的確定。V型排種器的線速度vg(m/s)為

(1)

其中,L表示排種器篩選孔直徑;bmax表示玉米種最大寬度;g表示種粒角速度(m/s2)。

3)玉米直播機作業(yè)速度的確定。玉米直播機安裝在農(nóng)業(yè)拖拉機上,其前行動力由拖拉機提供,排種器線速度vg和播種機的速度vm要能夠?qū)?則

(2)

其中,S為植株距離;Z為排種器上篩選孔數(shù)量;dp為排種器直徑;η為玉米直播機地輪漂移系數(shù),取η=0.05。最后,根據(jù)設計的玉米直播機的參數(shù),確定其最佳的作業(yè)速度為6.4km/h。

2.2 玉米直播機工作幅寬

玉米直播機的幅寬和配套的拖拉機牽引能力和玉米播種機的作業(yè)阻力有關。因此,設計的懸掛式玉米播種機,需要考慮拖拉機系統(tǒng)的懸掛能力、機組穩(wěn)定力和后輪承載能力。

正常情況下,玉米直播機的工作幅度為2～4m之間,如需要更大的作業(yè)幅寬時,可以采用多臺聯(lián)合作業(yè)或折疊機架。玉米直播機的工作幅寬可以利用公式計算,即

B=nb

(3)

其中,n表示玉米直播機的播種行數(shù);b表示玉米直播機的播種行距。

玉米播種行距一般為(50±10)cm,根據(jù)農(nóng)田特點,本文采用行距50cm進行設計。玉米直播機的播種行數(shù)由式(4)可以計算出來,即

(4)

其中,T表示玉米直播機在工作速度下拖拉機的牽引力(N);η表示農(nóng)業(yè)拖拉機牽引力系數(shù),一般設定為0.75～0.90;pm表示玉米直播機的作業(yè)阻力(N)。

在此選擇拖拉機工作速度為6.4km/h,牽引力為3.68kN,牽引力系數(shù)為0.75,作業(yè)阻力為512N。經(jīng)過計算后可以得到,可得n=5.39,最后計算出玉米直播機的工作幅寬為B=2.695m。

2.3 玉米直播機總體配置

根據(jù)前文對玉米直播機四行精密播種裝置的設計,參考相關研究資料,對其各個零部件進行了研究和設計,包括玉米直播機的行走輪、開溝器、鎮(zhèn)壓器、傳動部件和四行精密播種裝置等。玉米直播機采用懸掛式,機架采用單梁設計,方便更換不同的工作部件和調(diào)節(jié)行距,也便于搭載多種農(nóng)業(yè)收割機。連接和安裝各個零部件的機架需要有足夠的強度和剛度,不能影響開溝器和種箱的安裝。玉米播種機的地輪安裝在機架主梁后側,并在對稱的位置安裝兩組開溝器。玉米直播機掛載在拖拉機上,下懸掛拉桿牽引線和水平線成0°～10°,便于牽引線點保持在懸掛軸前方。

玉米直播機在作業(yè)過程中,需要保持上下懸掛點在同一垂直面上,種箱配置在開溝器上方50cm的位置,方便操作人員進行加種操作,且能保證V型排種器的傾斜度。玉米直播機正面圖和總體配置分別如圖7和圖8所示。

圖7 玉米直播機正面圖Fig.7 The front view of corn direct seeding machine

圖8 玉米直播機總體配置圖Fig.8 The overall configuration diagram of corn direct seeding machine

3 性能測試試驗

基于四行精密播種的玉米直播機研制成功后,在某玉米種植基地進行了實際的播種作業(yè)試驗。試驗中,選取的玉米試驗地塊經(jīng)過實際規(guī)劃,分為兩個獨立的地塊,均為8m×10m,一塊采用玉米直播機進行播種,另外一塊則進行人工播種。播種結束后,隨機選擇20個播種槽穴進行比較,比較包括播種速度、種植深度、每個槽穴的種子數(shù)量和封土情況。對比試驗結果如表1所示。

表1 對比試驗結果Table 1 The comparison test results

其中,封土程度表示種子入土后,在其上面覆蓋的土壤多少,中度表示好,多或少則不利于玉米種子的發(fā)芽。玉米種植深度范圍為4～6cm,每穴種子數(shù)量為2粒。

由表1可以看出:玉米直播機由于移動性能好,播種速度比人工作業(yè)提高111s/穴,種植深度和每穴種子數(shù)量也更加準確,封土情況很好,證實了玉米直播機符合設計需求,具有較高的可靠性和可行性。

4 結論

針對玉米種植播種的需求,設計了一款基于四行精密播種的玉米直播機,能夠快速完成玉米的播種。該設備移動性能好,播種速度比人工作業(yè)提高111s/穴,種植深度和每穴種子數(shù)量也更加準確,封土情況也好太多,證實了玉米播種機的可靠性和可行性。