頂桿夾持式玉米精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：

針對(duì)玉米精量排種器出現(xiàn)重播、漏播及對(duì)不同形狀尺寸玉米排種適應(yīng)性差等問題，設(shè)計(jì)一種頂桿夾持式玉米精量排種器，通過夾持系統(tǒng)控制取種塊開合，進(jìn)而與鋼帶形成一定夾持空間，實(shí)現(xiàn)玉米種子的取種、清種等過程。進(jìn)一步分析扭簧初始安裝角和扭簧扭轉(zhuǎn)力對(duì)取種及攜種的影響效果，并對(duì)玉米種子取種過程進(jìn)行受力分析。為驗(yàn)證排種器作業(yè)性能，以取種塊深度、扭簧初始安裝角、排種器轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析及優(yōu)化得出最佳理論參數(shù)：當(dāng)取種塊深度為8.7mm、扭簧初始安裝角為51.4°、排種器轉(zhuǎn)速為28.5r/min時(shí)，合格指數(shù)為95.0%、漏播指數(shù)為3.1%、重播指數(shù)為1.9%，滿足玉米種植的農(nóng)藝要求，為玉米機(jī)械式精量排種器設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；排種器；玉米；頂桿夾持式；正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 03-0011-08

收稿日期：2023年3月10日" 修回日期：2023年7月13日*

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)重大科技專項(xiàng)（2022A02003—3）

第一作者：吳海峰，男，1995年生，安徽利辛人，碩士研究生；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備機(jī)械化與電氣化。E-mail： 2382496268@qq.com

通訊作者：張學(xué)軍，男，1966年生，四川渠縣人，博士，教授，博導(dǎo)；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化裝備。E-mail： tuec@163.com

Design and experiment of a top bar clamping-type maize precision seed-metering device

Wu Haifeng1， Zhang Xuejun1， Shi Zenglu1， Cheng Jinpeng1， Yu Yongliang2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China;

2. Xinjiang Tiancheng Agricultural Machinery and Tools Manufacturing Co.， Ltd.， Tiemenguan， 841007， China）

Abstract：

In response to the problems of reseeding， leakage， and poor adaptability to different types of maize seeds， a top bar clamping-type maize precision seed-metering device is designed. By controlling the opening and closing of the seed picking block through a clamping system， a clamping space is formed with the steel strip for seed picking and cleaning. The effects of torsion spring initial installation angle and torsion force on seed picking and carrying are analyzed， and a mechanical model for the seed picking process is established. To verify the operational performance of the seed-metering device， a three-factor， three-level experiment is conducted using the depth of the seed block， the initial installation angle of the torsion spring， and the speed of seed-metering device as experimental factors， and the qualification index， leakage index， and replay index as experimental indicators. The experimental results are analyzed and optimized to obtain the optimal theoretical parameters. When the depth of the seed block is 8.7mm， the torsion spring angle is 51.4°， and the seed-metering speed is 28.5r/min， the qualification index is 95.0%， the leakage index is 3.1%， and the reseeding index is 1.9%， meeting the agronomic requirements for maize planting. The results provide valuable references for designing mechanical precision seed-metering devices for maize.

Keywords：

agricultural machinery; seed-metering device; maize; top bar clamping; orthogonal test

0 引言

隨著種植模式改進(jìn)以及產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的不斷提高，2017—2021年，新疆地區(qū)玉米種植面積由1019.93khm2增至1110.26khm2，已成為新疆第二大經(jīng)濟(jì)作物［1］。排種器作為精量播種機(jī)的核心部件，是實(shí)現(xiàn)精量播種的基礎(chǔ)［2， 3］，目前玉米精量排種器按工作原理可分為氣力式和機(jī)械式兩類［4］，氣力式排種器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、氣密性難以保證等缺點(diǎn)，因此機(jī)械式排種器應(yīng)用廣泛。

機(jī)械式排種器按工作原理不同可分為型孔式、夾持式、指夾式等。伍皖閩等［5］針對(duì)現(xiàn)有玉米夾持式排種器取種性能有待提高等問題，設(shè)計(jì)一種組合型孔式取種模塊，雖然提高作業(yè)質(zhì)量，但沒有解決排種適應(yīng)性問題。王金武等［6， 7］設(shè)計(jì)并優(yōu)化指夾式玉米精量排種器，一定程度提高了作業(yè)質(zhì)量和排種適應(yīng)性。那曉雁［8］通過對(duì)指夾式精量排種器的理論分析和研究，改進(jìn)排種盤和清種毛刷，有效降低傷種率，作業(yè)質(zhì)量顯著提高。李洪剛［9］仿照手指設(shè)計(jì)了仿生指夾排種器，仿生指夾有效提高播種性能，但只可播種小粒玉米種子。耿端陽等［10］設(shè)計(jì)了伸縮指夾式排種器，提高播種機(jī)作業(yè)速度。由此可知，玉米種子形狀不規(guī)則是影響排種器作業(yè)性能的關(guān)鍵因素，通過分析玉米種子三軸尺寸，設(shè)計(jì)一種適應(yīng)不同尺寸玉米種子的排種器是提高播種效率、實(shí)現(xiàn)玉米增產(chǎn)增收的關(guān)鍵。

針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)一種頂桿夾持式玉米精量排種器，通過頂桿夾持機(jī)構(gòu)控制取種塊的開合，進(jìn)而與鋼帶形成一定夾持空間，實(shí)現(xiàn)玉米種子的取種、清種等過程，試制物理樣機(jī)并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，優(yōu)化排種器的結(jié)構(gòu)及作業(yè)參數(shù)，并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證排種器的實(shí)際排種性能。

1 頂桿夾持式玉米排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

頂桿夾持式玉米排種器主要由進(jìn)種口、端蓋、壓盤、清種鋼帶、驅(qū)動(dòng)總成、頂蓋、取種盤總成、投種模塊總成、動(dòng)盤和軸等組成，各部分通過螺栓等相互配合構(gòu)成一個(gè)排種器總成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

動(dòng)盤與端蓋通過螺栓將投種模塊總成軸向固定在中間，進(jìn)種口和清種鋼帶分別固定在端蓋內(nèi)外兩側(cè)，驅(qū)動(dòng)總成龍骨條側(cè)與頂蓋相配合，頂蓋固定在取種盤總成上，取種盤總成固定在投種模塊總成卡上，其中驅(qū)動(dòng)總成、頂蓋和取種盤總成將排種器分成種倉和控制倉兩部分，如圖2所示。頂桿夾持式玉米排種器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 排種器工作原理

頂桿夾持式玉米排種器的工作區(qū)域劃分和工作原理如圖3所示，按工作區(qū)域可分為取種區(qū)、一次清種區(qū)、攜種區(qū)、二次清種區(qū)及投種區(qū)。

排種器工作前，種箱中的玉米種子在重力等作用下經(jīng)進(jìn)種口進(jìn)入種倉的取種區(qū)形成堆積種群。當(dāng)排種器作業(yè)時(shí)，取種盤總成上的曲柄塊與相對(duì)靜止的龍骨條發(fā)生作用；當(dāng)取種塊運(yùn)動(dòng)至取種區(qū)時(shí)，作用在龍骨條上的曲柄塊通過頂桿使取種塊旋轉(zhuǎn)一定角度，將種子填充進(jìn)取種塊與鋼帶形成的半封閉空間內(nèi)；取種完成后，未進(jìn)入取種塊內(nèi)玉米種子因重力掉落，等待下次取種，未掉落玉米種子進(jìn)入一次清種區(qū)，在鋼帶清種階梯、清種毛刷的雙重作用下初次清種，清除多余的種子，減少重播指數(shù)；未在一次清種區(qū)掉落的玉米種子隨著轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入攜種區(qū)，而后進(jìn)入二次清種區(qū)，在清種階梯作用下對(duì)一次清種區(qū)沒有掉落的多余種子二次清種；在進(jìn)入投種區(qū)后，在投種口玉米種子瞬時(shí)力系失衡，玉米種子被彈進(jìn)種盒內(nèi)，進(jìn)而滑落到鴨嘴內(nèi)，待動(dòng)鴨嘴與地面作用使玉米種子掉落到種床上完成投種，從而完成整個(gè)排種過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

不同品種玉米種子在形狀、尺寸等方面存在較大差異性［11］，致使排種器適配性較差。選取新疆地區(qū)較為普遍的慶單11號(hào)（馬齒型）、鄭單958號(hào)（半馬齒型）和天發(fā)912號(hào)（硬粒型）3種玉米種子為研究對(duì)象，每種隨機(jī)選取1000粒測量長l、寬d、厚t，結(jié)果如表2所示。由表2可知，不同品種的玉米種子三軸尺寸存在較大差異，同類型長度、厚度、寬度差異也較大。其中3種類型玉米種子長度l為4.12～13.34mm，寬度d為6.60～11.82mm，厚度t為3.42～10.86mm。

2.1 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)主要包括取種塊、頂桿、扭簧及曲柄塊等，排種器作業(yè)時(shí)，固定在排種盤上的夾持機(jī)構(gòu)隨取種盤做旋轉(zhuǎn)圓周運(yùn)動(dòng)，取種塊和扭簧的設(shè)計(jì)會(huì)影響夾持機(jī)構(gòu)的開合進(jìn)而影響取種、投種等作業(yè)過程，因此，需對(duì)取種塊及扭簧進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析，夾持機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2.1.1 取種塊設(shè)計(jì)

1） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。取種塊是夾持機(jī)構(gòu)的核心部件，其設(shè)計(jì)直接影響取種質(zhì)量。玉米種子的結(jié)構(gòu)尺寸、入種姿態(tài)及其與取種面的相對(duì)位置關(guān)系，是確定取種塊結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)鍵影響因素［12］，從而影響排種器取種、清種及攜種性能，取種塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示。

基于玉米種子結(jié)構(gòu)尺寸、排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)，在馬齒型形狀種子基礎(chǔ)上，兼顧半馬齒型與硬粒型對(duì)取種塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將取種塊劃分成4個(gè)部分：擾種清種部分、夾持部分、限位部分及銜接部分。擾種清種部分可在取種區(qū)取種時(shí)起到擾動(dòng)堆積種群、提高取種效果的作用。夾持部分即雙凹取種面部分，是取種塊的主要工作段，直接決定夾持效果，其形狀尺寸由玉米種子結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。限位部分在螺桿和機(jī)構(gòu)作用下對(duì)取種塊的位置、角度等進(jìn)行限制，銜接部分是取種塊與系統(tǒng)連接的部分。

2） 取種塊參數(shù)設(shè)計(jì)。如圖6所示，取種塊主要參數(shù)包括雙凹取種面深度L、取種塊寬度W、取種面與取種盤平面夾角ε（0°lt;εlt;90°）、取種塊深度H。

為適應(yīng)不同類型及尺寸的種子，雙凹取種面深度應(yīng)小于厚度方向夾持兩粒種子，同時(shí)根據(jù)玉米種子三軸尺寸基本符合正態(tài)分布，設(shè)計(jì)應(yīng)遵循式（1）。

lminlt;0.8lmaxlt;Llt;l

Wmaxlt;Llt;2Wmin

tmaxlt;L

（1）

取種塊寬度應(yīng)小于平均寬度最小值且大于寬度最小值，滿足式（2）。

Hlt;Wlt;L

Wminlt;Wlt;（Wave）min

tminlt;Wlt;tmax

（2）

式中： Wave——取種塊寬度的平均值。

同時(shí)對(duì)于取種塊寬度W與取種塊深度H，應(yīng)滿足式（3）。

Wmintanεlt;Hlt;Wmaxtanε

（3）

將表2中玉米種子三軸尺寸數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2），設(shè)定L、W的取值分別為12mm、7mm。由式（3）可知，H和ε成反比關(guān)系，H的取值將影響取種及攜種過程。H值過大，曲種塊深度與鋼帶所形成的夾持空間越大，易夾持多粒種子；H值過小，夾持空間越小，不能有效夾持種子。為探究適宜的取種塊深度H，H的取值可設(shè)置為8～10mm。

2.1.2 扭簧設(shè)計(jì)

扭簧用于曲柄塊帶動(dòng)頂桿控制取種塊，而扭簧扭轉(zhuǎn)力的大小直接影響排種器取種、投種性能。為研究扭簧扭轉(zhuǎn)力對(duì)取種、投種的影響，對(duì)扭簧進(jìn)行分析，如圖7所示。

參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》［13］可知，扭簧的扭矩計(jì)算如式（4）所示。

M=Eπd4φ11520Dn

（4）

扭矩和力臂的計(jì)算如式（5）和式（6）所示。

M=F×l1

（5）

φ=φ1－φ0

（6）

式中： F——扭簧扭轉(zhuǎn)力，N；

E——

扭簧材料的彈性模量，一般取20000MPa，不銹鋼絲E=19400MPa；

D——扭簧中徑，mm；

l1——扭簧施力側(cè)力臂長度，mm；

l2——扭簧固定側(cè)力臂長度，mm；

d——扭簧中徑，mm；

φ——扭簧扭轉(zhuǎn)角度，（°）；

φ1——扭簧終止角，（°）；

φ0——扭簧初始安裝角，（°）；

n——扭簧有效圈數(shù)；

M——扭簧工作扭矩，N·mm。

由式（4）～式（6）整理得出

F=E×d4×（φ1－φ0）3670×n×D×l1

（7）

在式（7）中，扭簧終止角φ1由龍骨條基圓半徑?jīng)Q定，為定值，因此，當(dāng)彈性模量E、扭簧線徑d、中徑D、有效圈數(shù)n、力臂l1為定值時(shí)，扭簧扭轉(zhuǎn)力F的大小與扭簧初始安裝角φ0呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)F過小時(shí)會(huì)使取種塊不能有效持種，導(dǎo)致種子掉落造成空穴；F過大時(shí)則會(huì)導(dǎo)致取種塊對(duì)種子壓力過大，造成壓損。結(jié)合文獻(xiàn)［14］及排種器各部件安裝角度，設(shè)定扭簧初始安裝角度為40°～60°。

2.2 端蓋清種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在排種器清種過程中，現(xiàn)在機(jī)械式排種器清種多是依靠毛刷形式的刮種器在重力、相互作用力或種間作用力對(duì)種子進(jìn)行強(qiáng)制清種［15］，清種效果不太理想。

為有效降低重播指數(shù)，提高作業(yè)質(zhì)量，在端蓋內(nèi)側(cè)安裝的鋼帶設(shè)計(jì)有兩段清種振動(dòng)區(qū)，與固定在端蓋上的清種排刷相配合形成清種區(qū)域，大大提高排種器清種效果。如圖8所示，清種振動(dòng)區(qū)由兩組尺寸參數(shù)的階梯狀組成。當(dāng)取種塊夾持玉米種子運(yùn)動(dòng)至階梯狀清種振動(dòng)區(qū)時(shí)，因鋼帶表面特殊結(jié)構(gòu)，玉米種子接觸面積、受力大小方向等因素瞬變，種子力系平衡被打破，經(jīng)過兩段反復(fù)作用，配合清種排刷，清除多余種子，完成清種過程。此外，鋼帶可以有效減少種子與端蓋之間的摩擦，增加排種器的使用壽命。

增強(qiáng)排種器清種效果有兩種方式，一是添加清種裝置，二是增大清種區(qū)域角度。為進(jìn)一步提高清種效果，清種區(qū)域角度設(shè)計(jì)遵循式（8）～式（10）。

lAB=θπr180°

（8）

vAB=ωπr60°

（9）

t=lABvAB

（10）

式中： lAB——

清種區(qū)域?qū)?yīng)弧長長度，m；

θ——清種區(qū)域角度大小，（°）；

r——排種盤對(duì)應(yīng)鋼帶半徑，m；

vAB——排種器前進(jìn)速度，m/s；

ω——排種器轉(zhuǎn)速，r/min。

將式（8）～式（10）合并整理簡化可得

t=θ3ω

（11）

由式（11）可知，排種器清種時(shí)間t與角度θ、轉(zhuǎn)速ω有關(guān)，排種盤直徑是經(jīng)過精密計(jì)算得出，一般固定不變［16］，且播種過程有最佳播種速度，可變的是角度θ。當(dāng)減小清種角度時(shí)，清種時(shí)間減少，清種效果相應(yīng)下降；反之增大時(shí)，效果上升，但不能過度增大其角度，否則會(huì)減少投種、攜種的時(shí)間，影響播種質(zhì)量。

2.3 取種運(yùn)動(dòng)過程分析

取種的穩(wěn)定性直接影響排種器精量穴播的好壞，為保證取種過程的穩(wěn)定性，分析夾持系統(tǒng)和種子間保持相對(duì)平衡的臨界條件，對(duì)取種過程中種子瞬間被夾持時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析，以種子為坐標(biāo)原點(diǎn)O，排種器前進(jìn)切線方向?yàn)閤軸正方向，垂直于切線方向指向圓心為y軸正方向，建立直角坐標(biāo)系如圖9所示。

若要夾持種子平穩(wěn)不掉落并進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則在x軸和y軸建立力學(xué)方程如式（12）所示。

N1cosα+f2sinα－f1sinα－N2cosα－

Gcosβ=0

N1sinα+f1cosα+Gsinβ－N2sinα－

f2sinα－FR=0

（12）

f1=μ1N1

f2=μ2N2

FR=mω2r1

G=mg

（13）

式中： N1——取種塊支持力，N；

N2——腰帶對(duì)種子支持力，N；

f1——取種塊夾持摩擦力，N；

f2——腰帶對(duì)種子摩擦力，N；

FR——種子所受向心力，N；

G——種子自身重力，N；

μ1——

種子與端蓋鋼帶之間的摩擦系數(shù)；

μ2——

種子與取種塊之間的摩擦系數(shù)；

m——種子質(zhì)量，kg；

r1——

種子圓周旋轉(zhuǎn)半徑，mm；

g——重力加速度，m/s2；

α——

取種塊夾持支持力與x軸的夾角，（°）；

β——

取種區(qū)重力與y軸的夾角，（°）。

綜合式（12）和式（13），整理簡化可得

N1=（mgsinβ－mω2r1）（μ2sinα－cosα）－mg（sinα－μ2cosα）

（μ1+μ2）sin2α+（μ2－μ1）cos2α－2sinαcosβ

（14）

由式（14）可得，取種塊夾持支持力N1的大小與排種器轉(zhuǎn)速ω有關(guān)，而播種作業(yè)過程中排種器轉(zhuǎn)速主要由拖拉機(jī)前進(jìn)速度控制，拖拉機(jī)常用速度為2km/h，其對(duì)應(yīng)的排種器轉(zhuǎn)速約為25r/min，因此，結(jié)合上述分析及排種器實(shí)際作業(yè)情況，設(shè)定排種器轉(zhuǎn)速為20～30r/min，具體數(shù)值將通過后續(xù)試驗(yàn)獲得。

3 排種器性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

為驗(yàn)證頂桿夾持式玉米精量排種器排種性能，試制排種器物理樣機(jī)，選取半馬齒型玉米鄭單958號(hào)于新疆農(nóng)二師鐵門關(guān)市進(jìn)行臺(tái)架模擬試驗(yàn)，臺(tái)架試驗(yàn)如圖10所示。

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)玉米精量穴播農(nóng)藝要求，參照GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》［17］，以合格指數(shù)Y1、漏播指數(shù)Y2、重播指數(shù)Y3為試驗(yàn)指標(biāo)，其計(jì)算方法如式（15）所示。

Y1=n1N×100%

Y2=n2N×100%

Y3=n3N×100%

（15）

式中： n1——單粒穴數(shù)，穴；

n2——空穴穴數(shù)，穴；

n3——重播穴數(shù)，穴；

N——總共檢測穴數(shù)，穴。

3.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

選取取種塊深度、扭簧初始安裝角、排種器轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，進(jìn)行三因素三水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表3所示。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，其中X1、X2、X3為因素編碼值。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過Design—Expert 8.0.6軟件對(duì)表3的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，剔除對(duì)相應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)不顯著的試驗(yàn)因素，得到3個(gè)因素對(duì)3個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，建立的回歸方程如式（16）～式（18）所示。

Y1=

94.14－1.41A+0.52B－1.65AB－

1.23AC－2.76A2－3.33B2

（16）

Y2=

3.96+1.34A+1.02C+2.35AB+1.48AC+

0.87A2+1.42B2－1.61C2

（17）

Y3=

1.9－0.44B－1.36C－0.7AB+

1.89A2+1.91B2+1.46C2

（18）

回歸模型的顯著性檢驗(yàn)與方差分析結(jié)果如表5所示。依據(jù)顯著性分析結(jié)果與回歸方程，根據(jù)F檢驗(yàn)可知，合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)模型的擬合度極顯著（P＜0.01），轉(zhuǎn)速、取種塊深度、扭簧初始安裝角皆對(duì)3個(gè)指標(biāo)的影響顯著，且部分因素存在兩兩交互作用，3個(gè)指標(biāo)的回歸方程失擬不顯著（P＞0.05），與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好。并且得知回歸系數(shù)對(duì)Y1、Y2、Y3影響的差異性明顯，影響Y1的因素主次順序：轉(zhuǎn)速、取種塊深度、扭簧初始安裝角；影響Y2的因素主次順序：轉(zhuǎn)速、扭簧初始安裝角、取種塊深度；影響Y3的因素主次順序：扭簧初始安裝角、取種塊深度、轉(zhuǎn)速。

通過Design—Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到轉(zhuǎn)速、取種塊深度、扭簧初始安裝角之間交互作用顯著且對(duì)3個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)影響的Box—Behnken響應(yīng)曲面，如圖11所示。

排種器轉(zhuǎn)速為25r/min時(shí)，試驗(yàn)因素深度和扭簧初始安裝角對(duì)合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)的交互影響如圖11所示。在圖11（a）中，當(dāng)扭簧初始安裝角一定時(shí)，隨著曲種塊深度的增大，合格指數(shù)先上升后下降；當(dāng)曲種塊深度一定時(shí)，合格指數(shù)隨著扭簧初始安裝角增大呈現(xiàn)先上升后下降。在圖11（b）中，當(dāng)扭簧初始安裝角一定并小于50°時(shí)，隨著曲種塊深度的增大，漏播指數(shù)下降；當(dāng)扭簧初始安裝角大于50°時(shí)，漏播指數(shù)隨著曲種塊深度的增大而增大。在圖11（c）中，當(dāng)扭簧初始安裝角一定時(shí)，重播指數(shù)隨著排種器轉(zhuǎn)速的增大而先減小后增大；當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速一定時(shí)，重播指數(shù)隨著扭簧初始安裝角增大先減小后增大。

3.5 參數(shù)優(yōu)化

為獲得最佳排種性能，得到該排種器作業(yè)最佳參數(shù)組合，在保證合格指數(shù)最大的條件下，對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，其約束條件為

maxY1（A，B，C）

minY2（A，B，C）

minY3（A，B，C）

s.t.

8 mm≤A≤10 mm

40°≤B≤60°

20 r/min≤C≤30 r/min

（19）

利用Design—Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在軟件中將合格指數(shù)的目標(biāo)調(diào)至最大，得到當(dāng)曲種塊深度為8.7mm、扭簧初始安裝角為51.4°、排種器轉(zhuǎn)速為28.5r/min時(shí)，優(yōu)化結(jié)果合格指數(shù)為95.0%、漏播指數(shù)為3.1%、重播指數(shù)為1.9%。

3.6 排種適應(yīng)性試驗(yàn)

為研究排種器對(duì)不同玉米種子排種情況，進(jìn)行排種器排種適應(yīng)性試驗(yàn)。選取3種種子為研究對(duì)象，在參數(shù)優(yōu)化后的排種器最佳參數(shù)組合的基礎(chǔ)上，重復(fù)試驗(yàn)3次，取平均值如表6所示。

由表6可知，排種器適應(yīng)性試驗(yàn)對(duì)3種玉米種子的合格指數(shù)均大于91%，重播指數(shù)與漏播指數(shù)均小于5%，均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 503—2015《單粒（精密）播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》［18］的要求，可以得出該排種器可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型玉米的精量排種。

3.7 田間試驗(yàn)

為切實(shí)檢驗(yàn)頂桿夾持式玉米精量排種器實(shí)際作業(yè)效果和質(zhì)量，選用玉米種子為登海182（種子大小不一），參照臺(tái)架試驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)組合，于2022年春播期間在新疆農(nóng)二師鐵門關(guān)市進(jìn)行田間試驗(yàn)（田地面積不少于6.67hm2）。

試驗(yàn)忽略其他次要因素，每次隨機(jī)連續(xù)挖取350穴，重復(fù)5次，試驗(yàn)結(jié)果：合格指數(shù)為93.5%、漏播指數(shù)為3.6%、重播指數(shù)為2.9%，此結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。田間試驗(yàn)表明：頂桿夾持式玉米精量排種器滿足玉米播種農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)一種頂桿式玉米精量穴播器，通過對(duì)玉米種子播種工作過程及原理的分析，闡述頂桿式玉米精量排種器的取種、投種等機(jī)理。

2） 基于不同品種玉米種子，對(duì)核心部件取種塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其可以滿足不同形狀尺寸種子的要求，得到長、寬分別為12mm、7mm；并對(duì)扭簧進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)玉米種子取種過程進(jìn)行力學(xué)分析。

3） 通過臺(tái)架試驗(yàn)及軟件得出最佳工作參數(shù)組合，當(dāng)取種塊深度為8.7mm、扭簧初始安裝角為51.4°、排種器轉(zhuǎn)速為28.5r/min時(shí)，合格指數(shù)為95.0%、漏播指數(shù)為3.1%、重播指數(shù)為1.9%；進(jìn)一步進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果：合格指數(shù)為93.5%、漏播指數(shù)為3.6%、重播指數(shù)為2.9%，因此，頂桿夾持式玉米精量排種器的播種性能滿足玉米穴播農(nóng)藝要求。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 王金武， 唐漢， 關(guān)睿， 等. 動(dòng)定指勺夾持式玉米精量排種器優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2017， 48（12）： 48-57.

Wang Jinwu， Tang Han， Guan Rui， et al. Optimization design and experiment on clamping static and dynamic finger-spoon maize precision seed metering device ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2017， 48（12）：48-57.

［2］ 王浩屹， 孫新平， 陳曦， 等. 氣吸式小青菜精密排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2022， 43（6）： 51-57.

Wang Haoyi， Sun Xinping， Chen Xi， et al. Design and test of air suction precision seed metering device for BrassicaChinese ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2022， 43（6）： 51-57.

［3］ 紀(jì)要， 張文毅， 劉宏俊， 等. 氣吸雙層滾筒式精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2021， 42（10）： 22-28.

Ji Yao， Zhang Wenyi， Liu Hongjun， et al. Design and experiment of double-layer roller precision seed sowing device ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2021， 42（10）： 22-28.

［4］ 丁力， 楊麗， 張東興， 等. 氣吸式玉米排種器清種機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2019， 50（9）： 47-56.

Ding Li， Yang Li， Zhang Dongxing， et al. Parametric design and test of seed cleaning mechanism of air-suction maize seed-metering device ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2019， 50（9）： 47-56.

［5］ 伍皖閩， 陳學(xué)庚， 王士國， 等. 組合型孔輪式玉米精量穴播器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2022， 53（3）： 60-70.

Wu Wanmin， Chen Xuegeng， Wang Shiguo， et al. Design and experiment of combined-hole maize precision dibbler ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2022， 53（3）： 60-70.

［6］ 王金武， 唐漢， 王金峰， 等. 指夾式玉米精量排種器導(dǎo)種投送運(yùn)移機(jī)理分析與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2017， 48（1）： 29-37， 46.

Wang Jinwu， Tang Han， Wang Jinfeng， et al. Analysis and experiment of guiding and dropping migratory mechanism on pickup finger precision seed metering device for corn ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2017， 48（1）： 29-37， 46.

［7］ 王金武， 唐漢， 周文琪， 等. 指夾式精量玉米排種器改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2015， 46（9）： 68-76.

Wang Jinwu， Tang Han， Zhou Wenqi， et al. Analysis and experiment of guiding and dropping migratory mechanism on pickup finger precision seed metering device for corn ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2015， 46（9）： 68-76.

［8］ 那曉雁. 指夾式玉米精密排種器試驗(yàn)研究［D］. 昆明： 昆明理工大學(xué)， 2015.

Na Xiaoyan. The experimental study on refers to the clip-on corn precision metering device ［D］. Kunming： Kunming University of Science and Technology， 2015.

［9］ 李洪剛. 仿生指夾式排種器［D］. 長春： 吉林大學(xué)， 2010.

Li Honggang. Bionic pinch of metering device ［D］. Changchun： Jilin University， 2010.

［10］ 耿端陽， 李玉環(huán)， 孟鵬祥， 等. 玉米伸縮指夾式排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2016，47（5）： 38-45.

Geng Duanyang， Li Yuhuan， Meng Pengxiang， et al. Design and experiment of clamping maize precision seed-metering device ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2016， 47（5）： 38-45.

［11］ 唐漢. 波紋曲面指夾式玉米精量排種器設(shè)計(jì)及其機(jī)理研究［D］. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2018.

Tang Han. Designand mechanism analysis of ripple surface pickup finger maize precision seed metering device ［D］. Harbin： Northeast Agricultural University， 2018.

［12］ 李杞超. 取種塊式小粒徑蔬菜種子精量排種器機(jī)理分析與試驗(yàn)研究［D］. 哈爾濱： 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2020.

Li Qichao. Mechanism analysis and experimental study on scoop type precision seed metering device for small size vegetable seeds ［D］. Harbin： Northeast Agricultural University， 2020.

［13］ 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第5版）［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2010.

［14］ 李洪成， 曾榮， 楊天圓， 等. 玉米種子沖擊破碎特性試驗(yàn)研究［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2022，38（7）： 29-37.

Li Hongcheng， Zeng Rong， Yang Tianyuan， et al. Experimental study on the impact breakage characteristics of maize kernels ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2022， 38（7）： 29-37.

［15］ 頓國強(qiáng)， 毛寧， 劉文輝， 等. 四桿平移式大豆小區(qū)育種排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2022，53（4）： 70-78.

Dun Guoqiang， Mao Ning， Liu Wenhui， et al. Design and experiment of four-bar translational seed metering device for soybean plot breeding ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2022， 53（4）： 70-78.

［16］ 張學(xué)軍， 陳勇， 史增錄， 等. 雙倉轉(zhuǎn)盤式棉花豎直圓盤排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2021， 37（19）： 27-36.

Zhang Xuejun， Chen Yong， Shi Zenglu， et al. Design and experiment of double-storage turntable cotton vertical disc hole seeding and metering device ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2021， 37（19）： 27-36.

［17］ GB/T 6973—2005， 單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法［S］.

［18］ NY/T 987—2006， 鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量［S］.