指夾式玉米精密排種器試驗優(yōu)化研究

周 鵬，趙滿全，劉 飛，栗霞飛

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院，呼和浩特 010000)

0 引言

種子特性主要包括形態(tài)、生理、生化及物理4個方面。其中，種子物理機械特性對于研究精密排種器有著重要意義[1]，是研究農(nóng)業(yè)播種機械的理論基礎(chǔ)，也決定著機械播種設(shè)備的參數(shù)。因此，在優(yōu)化農(nóng)機設(shè)備前就必須充分了解種子物理特性，才能更好地發(fā)揮農(nóng)業(yè)播種機械的功能，滿足農(nóng)作物的作業(yè)要求，減少對種子的破損，提高農(nóng)業(yè)播種機械的播種合格指數(shù)，從而達到增產(chǎn)、增收的目的[2]。目前，國內(nèi)外的諸多學(xué)者對種子物理機械特性已經(jīng)有了比較深入的研究，為農(nóng)業(yè)播種機械的優(yōu)化設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。

播種是農(nóng)業(yè)的基本環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量的好壞將直接影響到以后出苗率的高低[3]。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，播種機的技術(shù)水平也逐步提高?，F(xiàn)在的精密播種機具有不浪費種子、農(nóng)作物植株分布均勻、省去了間苗環(huán)節(jié)、符合農(nóng)作物生長需求、省功、省時及提高產(chǎn)量等優(yōu)點。其中，排種器的質(zhì)量是影響播種機播種性能的主要因素[4]。

按照排種原理，精密排種器可以分為機械式和氣力式兩種。指夾式精密排種器屬于機械式，因其具有結(jié)構(gòu)簡易、排種均勻及破損率低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于>精密播種機械中[5]。

1 指夾式排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

指夾式排種器由排種盤、指夾器、顛簸帶、卸種口、凸輪、彈簧及指夾蓋等組成，如圖1所示。指夾式排種器工作過程：種子進入夾種區(qū),隨著轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，在彈簧作用下,指夾器夾持種子,轉(zhuǎn)到清種區(qū)；由于顛簸帶表面凹凸不平,夾住的種子產(chǎn)生顛簸運動,在清種毛刷的作用下,不穩(wěn)定的種子落入到種子堆,而夾持得最穩(wěn)定的1粒種子隨指夾器繼續(xù)轉(zhuǎn)到排種口排出,依靠導(dǎo)種帶到達開溝器的上方，經(jīng)導(dǎo)種管落入到種溝內(nèi),最終完成排種和下種過程。

1.排種盤 2.指夾器 3.顛簸帶 4.卸種口 5.凸輪 6.彈簧 7.指夾蓋

在田間作業(yè)過程中,指夾式排種器主要通過夾持充種、振動清種和柔性導(dǎo)種等方式完成播種作業(yè)。其中，夾持充種過程是整個排種過程中最重要環(huán)節(jié)之一，其關(guān)鍵部件指夾器夾持性能的好壞直接影響到播種機播種質(zhì)量。

2 指夾式排種器各零部件功能分析

2.1 指夾器結(jié)構(gòu)分析

指夾式排種器的核心部件就是指夾器，由指夾、夾桿、彈簧耳、長尾和短尾組成，如圖2所示。直接影響排種的性能沖種性能的有指夾器的形狀、指夾器張開角度和指夾器對種子的壓力。

1.指夾 2.夾桿 3.彈簧耳 4.長尾 5.短尾

2.1.1 指夾器形狀

根據(jù)指夾夾持玉米種子的情況，指夾與玉米種子直接接觸，玉米種子形狀為扁。為了更好地夾持種子，指夾器的形狀必須滿足下面的幾點要求：

1)考慮到排種盤的形狀，其外邊緣是圓形的，而指夾器需要沿著排種盤外邊緣轉(zhuǎn)動，因此指夾的上下邊緣曲線需要遵循排種盤外邊緣的弧線。

2)指夾的寬度與種子的長度應(yīng)該近似相等，以確保較好的填充效果。

3)指夾的長度要適中，太短會引起漏播率上升，過長會引起重播率上升。

4)指夾的形狀應(yīng)該滿足較好的夾持種子的效果。因此，設(shè)計波浪弧狀的指夾，使其有兩邊起伏，可使玉米種子被夾持得更加穩(wěn)定，實現(xiàn)順利充種。

2.1.2 指夾器張開角度

指夾張開時的形狀如漏斗一樣，其張開角度越大，玉米種子就很容易落入夾腔內(nèi)，使得沖種效果大大改善；但也有弊端，會導(dǎo)致重播率在一定程度上提高。所謂精密排種器，就是在一個夾腔內(nèi)不允許有多粒玉米種子，然而最標(biāo)準(zhǔn)的就是每個夾腔內(nèi)只有1粒玉米種子，所以指夾的張開角度根據(jù)玉米種子的形狀而定。

對于扁形玉米種子而言，玉米種子在夾腔內(nèi)大概有3種夾持狀態(tài)。如果按照玉米種子長度方向上來夾持的話，種子展現(xiàn)豎立的狀態(tài)，指夾的張開角度最大；如果按照玉米種子寬度方向上來夾持的話，種子展現(xiàn)側(cè)立的狀態(tài)；如果按照玉米種子厚度方向上來夾持的話，種子展現(xiàn)平躺的狀態(tài)，指夾張開的角度最小。

考慮到指夾夾尾約束著指夾器的張開角度，可以調(diào)節(jié)指夾夾尾與指夾的相對角度，來改變指夾的張開角度。夾與夾尾的關(guān)系如圖3所示。

圖3 指夾張開角度

2.1.3 指夾對種子的壓力

指夾夾持玉米種子的壓力來自于彈簧。排種盤的外圈一共有12個指夾，每個相鄰的指夾由彈簧兒提供連接。每個指夾兩邊的彈簧對指夾的作用力是相等的，作用點離轉(zhuǎn)動軸心的距離是相同的，而其力臂不相等，如圖4所示。其中，L2?L1，因此兩彈簧形成的力矩不等，p2?p1。兩者的力矩差使得指夾器的指夾間產(chǎn)生一定的壓力將種子夾持住。

圖4 指夾的受力圖

指夾對種子的壓力的大小關(guān)系到玉米種子被夾持的穩(wěn)定性，同樣影響到玉米種子的傷種情況?？紤]到指夾對種子壓力過大會加快磨損指夾器的夾尾，所以指夾壓力的大小應(yīng)當(dāng)適中，并且可以調(diào)節(jié)拉簧的圈數(shù)或者鋼絲的直徑來改變壓力大小。如果拉簧的圈數(shù)變少或者鋼絲的直徑變大的話，指夾壓力就會變大；反之，指夾壓力就會變小。

2.2 顛簸帶的分析

在排種盤的卸種口的稍前方有顛簸帶，與卸種口相互連接，其形狀不光滑也不規(guī)則，有凸起和凹下。玉米種子沿著排種盤做勻速圓周運動，當(dāng)種子旋轉(zhuǎn)到顛簸帶時，由于顛簸帶表面不規(guī)則，種子在高低起伏的作用下運動情況突然發(fā)生改變，玉米種子會從指夾種脫落，起到了清種的目的。

為了提高清種效果，顛簸帶的形狀需要滿足以下要求:

1)顛簸帶表面凹下的深度要適當(dāng)，如果深度很大則會使得清種嚴重過量，從而導(dǎo)致漏播率大幅提高；

2)為了獲得最好的清種效果，顛簸帶的表面為不規(guī)則的曲面；

3)為了不造成玉米種子的破損，顛簸帶的凸起和凹下的臨界不能太尖銳，最好是光滑的，坡度拐角應(yīng)當(dāng)適中。

2.3 排種帶的分析

排種帶與指夾器一起轉(zhuǎn)動，擁有相對應(yīng)的12個容納種子的小室，可以接受從卸種口落下的種子。當(dāng)指夾夾持種子旋轉(zhuǎn)到卸種口時，指夾就隨即張開角度，種子便落入排種葉片內(nèi)；種子隨著排種葉片轉(zhuǎn)動，最后從排種器排出去。因此，排種帶的性能參數(shù)也在一定程度上影響到農(nóng)間植株分布的均勻性。

3 優(yōu)化試驗與結(jié)果

3.1 試驗基本條件

指夾式排種器排種性能與優(yōu)化試驗在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)工科樓2樓實驗室進行。試驗器材有指夾式排種器、排種試驗臺、吸合式電磁振動臺、內(nèi)丹4號玉米種子、薄橡膠墊和薄塑料墊。

3.2 排種盤附加材料對比試驗

3.2.1 試驗方案

選擇橡膠和塑料兩種材料作為排種盤面附加材料進行對比試驗研究，通過試驗數(shù)據(jù)處理分析，得出兩種材料在排種性能上的優(yōu)缺點，最后確定最佳材料。首先在排種盤上夾指夾種的圓弧區(qū)域加上兩種材料，然后分別做排種性能試驗，記錄數(shù)據(jù)。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

查找制造廠說明書提供的指夾式排種器播種理論粒距，該排種器一共有6個檔位，最小檔位的理論粒距為7cm，每個檔位相差3cm，試驗時的檔位為4檔，則試驗時理論粒距為16cm。

試驗時，在種床帶穩(wěn)定狀態(tài)下進行數(shù)據(jù)采集。將250個粒距作為1個樣本，對每個樣本進行5次采集，對采集的數(shù)據(jù)求平均值，最后進行數(shù)據(jù)對比。根據(jù)《GB/T6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法》[6],小于等于0.5倍理論粒距視為重播，在0.5～1.5倍理論粒距范圍內(nèi)視為合格，大于1.5倍理論粒距視為漏播。

精密排種器的3個主要性能指標(biāo)分別是粒距合格指數(shù)(合格率)A、重播指數(shù)(重播率)D、漏播指數(shù)(漏播率)M[7]。試驗中各個試驗指標(biāo)的方法如下：

1)試驗中以250個粒距為樣本進行測量，以0.1Xr的間隔將樣本分成區(qū)域段，Xr表示理論粒距。

每個區(qū)域的變化量為

式中xi—區(qū)域段的中位數(shù)。

2)頻率圖分為下面區(qū)間，即

{Xi∈[0至≤0.5]}

{Xi∈[?0.5至≤1.5]}

{Xi∈[?1.5至≤2.5]}

{Xi∈[?2.5至≤3.5]}

{Xi∈[?3.5至+∞]}

如果

n,=∑ni{Xi∈[0至≤0.5]}

n,=∑ni{Xi∈[?0.5至≤1.5]}

n,=∑ni{Xi∈[?1.5至≤2.5]}

n,=∑ni{Xi∈[?2.5至≤3.5]}

n,=∑ni{Xi∈[?3.5至+∞]}

3)確立以下等式，即

合格數(shù)n1=N-2n2

4)排種性能指標(biāo)為

經(jīng)計算，改進前排種器的合格指數(shù)為85.61%，重播指數(shù)為10.18%，漏播指數(shù)為 5.88%。添加橡膠薄墊的排種器合格指數(shù)為87.91%，重播指數(shù)為 8.23%，漏播指數(shù)為3.92%。添加塑料薄墊的排種器合格指數(shù)為83.24%，重播指數(shù)為11.31%，漏播指數(shù)為5.57%。

3.2.3 結(jié)果分析

通過兩種材料試驗數(shù)據(jù)對比，添加橡膠薄墊的排種器在排種合格指數(shù)上有所提高，添加塑料薄墊的該排種器在排種合格指數(shù)上有所下降，最終選擇橡膠薄墊作為排種盤附加材料。

3.3 排種器振動頻率試驗

3.3.1 試驗方案

根據(jù)前人的試驗研究結(jié)果，此時選擇種床帶速度為4km/h，轉(zhuǎn)換后的排種盤轉(zhuǎn)速為15.63r/min。為了方便分析，振動頻率選擇代表性的6、8、10、12、14、16Hz，并進行單因素的試驗研究。對每組試驗數(shù)據(jù)3次測量后，求其平均值，從而分析不同頻率下的排種性能的變化情況[8]。

3.3.2 數(shù)據(jù)圖像分析

頻率數(shù)據(jù)擬合曲線圖如圖5所示。由圖5可以看出：在不同的頻率下，排種合格率基本趨于穩(wěn)定，頻率對合格率影響并不大，重播率和漏播率幾乎沒有什么變化。當(dāng)頻率為14Hz時，排種的合格指數(shù)最高，排種效果比較好，因此在該頻率下有助于改善播種不合理問題。

圖5 頻率數(shù)據(jù)擬合曲線圖

3.4 排種盤轉(zhuǎn)速試驗

3.4.1 試驗方案

振動頻率選取14Hz，傳送帶速度選擇3、3.5、4、4.5、5、6km/h，進行單因素試驗，對每組試驗數(shù)據(jù)進行3次測量后，求其平均值，從而分析在不同傳送帶速度下的排種性能的變化情況[9]。

3.4.2 數(shù)據(jù)圖像分析

種床速度數(shù)據(jù)擬合曲線圖如圖6所示。由圖6可以看出：隨著排種盤轉(zhuǎn)速的不斷增加，排種的合格指數(shù)呈由高到低的趨勢；當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速為4km/h時，排種合格指數(shù)達到最大值，排種效果最佳。因此，在實際田間作業(yè)時，保持該速度可以有效地提高田間作業(yè)水平。

圖6 種床速度數(shù)據(jù)擬合曲線圖

4 結(jié)論

1)添加橡膠薄墊的排種器在排種合格指數(shù)上有所提高，且符合農(nóng)業(yè)作業(yè)要求，故選擇橡膠材料作為排種盤附加材料。

2)該指夾式排種器在頻率為14Hz時，排種的合格指數(shù)最高，排種效果比較好，有助于改善播種不合理問題。

3)指夾式排種器速度為4km/h左右時，排種合格指數(shù)達到最大值，排種效果最佳。