锥体帆布带式小区播种机的设计与试验

许鹏晓，杨然兵，尚书旗，杨红光，崔功佩，刘立辉

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

0 引言

播种质量的好坏直接影响到试验方案能否正确实施，目前我国的育种试验主要采用人力手工播种，而欧美等发达国家，针对小区播种机的研究可追溯到20世纪30年代，且早已实现育种全程机械化[1]。与机械化作业相比，人力手工育种不仅劳动非常繁重，播种效率低下，易混种，对于小区育种试验数据的准确性也有严重影响。播种作业是整个田间育种试验中最费工，也是最重要的环节[2-3]。随着制种产业的快速发展，对于田间育种试验机具作业的混种率、种子破损率、播种均匀性提出了更高的要求。

针对上述问题，通过查阅国内外小区播种机的相关资料，并对播种机各关键部件进行结构设计及受力分析，设计了一台调整方便、操作容易、通用性好的锥体帆布带式小区播种机，对于提高我国育种试验的准确性，促进我国良种工程健康稳定发展具有重要意义[4-7]。

1 总体结构及工作原理

该播种机主要由机架、地轮、四连杆防形机构、变速箱、提升器、种架、排种装置及开沟器组合等部分组成，如图1所示。其可一次性完成开沟、播种、覆土等育种作业环节，大大提高了田间育种试验的作业效率以及试验数据的准确性。

1.地轮 2.机架 3.四连杆防形机构 4.变速箱 5.提升器 6.排种装置 7.座椅 8.种架 9.开沟器组合 图1 整机结构简图Fig.1 Structure diagram of seeder

该小区播种机选用锥体帆布带式排种器，与拖拉机配套使用，通过后悬挂与拖拉机连接。播种机进行育种试验时，在拖拉机的牵引作用下前进，带动地轮滚动。同时，通过左侧地轮的传动经过链传动、变速箱、链传动和锥齿轮，将动力传给排种装置，实现排种装置的均匀排种；通过调节变速箱传动比，满足不同小区长度均匀播种的作业要求。其主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数Table 1 Technology parameters of seeder

续表1

2 小区播种机关键部件设计

2.1 排种器的设计及作业原理

排种器作业性能的好坏，直接影响育种试验数据的准确性[8-9]。在进行育种试验前，先将种子倒入存种漏斗中，种子经存种漏斗滑落到存种套筒内，并均匀落在存种套筒与锥体形成的存种空间内。小区开始播种时，下压泄种手柄，带动提升环和存种套筒迅速提升，种子沿光滑锥面滑落，并均匀连续地散布在锥体与帆布带形成的环状楔形空间内。通过锥齿轮传动带动排种器轴上的锥体底座、锥体、皮带及其楔形空间内的种子同步转动；当种子随排种装置转动到排种口时，种子经接种漏斗、排种管，落到地面。锥体皮带式排种装置如图2所示。

1.存种装置 2.存种套筒 3.泄种手柄 4.支座 5.滚动销轴 6.张紧销轴 7.皮带 8.张紧调节 9.排种底板 10.接种漏斗 11.传动锥齿轮 12.锥体 图2 锥体皮带式排种装置结构简图Fig.2 The structure sketch picture of cone-belt metering device

2.1.1 排种器分种锥体设计力学分析

根据株行播种机实际工作状况，播种机械一直处于前进行走状态，即排种装置一直处于转动状态。因此，在提升存种套筒后，种子在锥体上滑落完成分种的过程，锥体并非静止不动，而是以一定的速度转动。对分种过程中任意时刻种子的受力情况进行分析，取位于锥体斜面上的任意种子为研究对象，其质量为m。种子沿锥面滑落时的受力分析如图3所示。种子自身重力G=mg，方向竖直向下；锥体表面对种子的支撑力FN，方向垂直锥面指向外侧；种子沿锥面下滑受到的滑动摩擦阻力Ff，方向与种子在锥面上的运动方向相反；种子随锥体转动时产生的离心惯性力FB，方向垂直于锥体中心轴水平向外；种子运动过程中受到的空气摩擦阻力FW，与速度平方成正比；种子颗粒间的相互作用P。

图3 分种过程种子受力分析Fig.3 Seed force analysis on the cone

锥体沿锥体滑落过程中，种子颗粒间作用力p大小和方向时刻变化，没有一定规律；锥体表面为光滑表面，种子与锥体圆周方向相对滑动较小，主要运动为沿锥面母线下滑。在此条件下，为了便于种子受力分析，特作几点假设与简化：忽略种子相互间作用p；忽略种子与锥体摩擦力在水平面内的分力，即空气摩擦阻力与滑动摩擦阻力方向为沿锥体母线方向指向锥尖。为便于分析种子受力，在M点建立坐标系XOY，种子沿锥体母线运动方向为Y轴，垂直于母线方向指向锥体内侧的为X轴，则种子在XOY的面内的受力情况为

(1)

式中α—锥体母线与锥体底面夹角；

FN—锥体表面对种子的作用力；

Ff—种子与锥体表面滑动摩擦阻力；

FB—种子随锥体转动时产生的离心惯性力；

Fw—种子下滑过程中受到空气阻力。

摩擦力与离心力计算公式为

(2)

式中μ—种子与锥体表面滑动摩擦因数，μ=0.2；

k—空气摩擦因数；

ω—种子与锥体做圆周转动角速度；

v—种子沿锥体下滑速度；

r—M点距锥体中心轴的水平半径。

2.1.2 锥体分种均匀条件

1)种子在重力作用下，沿锥体表面加速下滑，即∑Y>0，∑X=0，则

(3)

化简式(3)得排种装置转速最低限制，即

(4)

2)保证种子紧贴锥面下滑，不会因离心力作用而脱离锥体表面，即FN>0，则

mgcosα-mω2rsinα>0

(5)

根据自净要求需要的排种装置转速条件，可得排种装置最高转速限制，即

(6)

由上述分析可知：排种装置转速对分种均匀性具有较大影响。小麦种子在锥体上顺利完成分种的最低转速主要与锥体底面半径r、锥体倾角α及锥体滑动摩擦因数有关，不脱离锥面的最高转速与锥体底面半径和倾角有关。结合分种转速条件，需合理设计排种锥体结构参数，保证种子分种过程中分种均匀。

2.1.3 分种锥体参数设计

为保证排种装置的排种均匀性，结合锥体均匀分种条件，对分种锥体进行参数化设计，主要包括锥体高度H与锥体底径R与倾角α的参数设计。

根据分种条件式(4)、式(6)，推导出锥体结构参数设计条件为

(7)

式中μ—小麦种子与锥体的最大静摩擦因数。

由上述设计条件，综合考虑排种装置转速与排种装置空间限制，设计锥体底面半径为65mm，高度为54mm，锥体的倾角为arctan54/65=40°，经验证锥体结构参数满足排种装置正常工作转速下的锥体均匀分种条件。

2.2 变速箱的设计

播种机的变速箱由链轮组、链轮组合长轴、轴、行星链轮、滑动链轮、轴承和滑动长轴等组成，如图4所示。滑动链轴在链轮圆周力的作用下旋转，带动滑动链轮旋转，经过行星轮带动从动链轮组旋转；通过左右调节滑动链轮，可实现不同传动比的传动。

1.链轮组 2.链轮组合长轴 3.轴 4.行星链轮 5.滑动链轮 6.轴承 7.滑动长轴 图4 变速箱结构简图Fig.4 Structure diagram of gearbox

由于第1级链传动分别实现传动为i=2的传动第2级链传动的传动比为i=1，所以变速箱的传动比设置如表2所示。

表2 部分变速箱传动比Table 2 Part transmission ratio of gear box

由于本变速箱采用链轮组与滑动链轮啮合实现变速，所以链轮的设计方法和第一级链传动的设计方法相同，同样采用p=15.875的行星轮，如表3所示。

表3 变速箱链轮参数Table 3 Sprocket parameter of gear box

2.3 开沟器的设计

根据育种试验要求，需保证深度一致、掘穴整齐，并且保证种子均匀分布在行内。该播种机采用双圆盘开沟器及橡胶镇压轮，播深均匀、镇压效果良好，配合播深调节旋钮，可在1～5cm范围内选择合适播种深度。根据农艺要求，通过调节底端的可滑动装置，调节开沟器之间的距离；采用的四杆仿形机构，保证开沟深度在农艺要求之内。其结构简图如图5所示。

3 田间试验

3.1 试验条件及方法

试验地点选在青岛平度试验基地，播种气候温度27℃，试验田土壤平均湿度37%，土壤类型为壤土，地表较为平整。每次试验播种小区长度为8m，重复8次，分别记录其实验数据，计算出其播种深度合格率、伤种率、播种均匀性变异系数。其中，播种均匀性变异系数计算公式为

(8)

(9)

(10)

式中n—测试小区区段总数；

Xi—区段内种子(苗)数；

X—区段平均种子(苗)数；

S—标准差；

V—变异系数(%)。

1.机架 2.四连杆仿形机构 3.圆盘开沟器 4.镇压轮 图5 开沟器结构简图Fig.5 Structure diagram rrowing opener

3.2 试验结果及分析

根据所得试验数据计算,其结果如表4所示。

表4 田间作业试验结果Table 4 Test result of field work %

由表4可得：播种深度合格率87.5%、伤种率0.37%、播种均匀性变异系数27.7%，均满足育种试验的农艺要求。

4 结论

1)通过对锥体内种子的受力、锥体均匀分种的所需条件的理论分析，在保证排种装的排种均匀性的前提下，确定了该小区播种机排种装置的最佳结构参数。

2)通过调节变速箱的传动比可针对不同行长的小区进行播种，并保证在给定区长内播下定量的种子且保证不混种、不伤种。

4)播种机播种均匀性及一致性较好，可实现相同试验小区，不同播量、不同品种的连续田间试验。

4)圆盘开沟器有良好的保墒性能，阻力小，减小了功耗，与圆盘开沟器配合使用的四杆仿形机构，利用一个能随地面起伏仿形的平行四杆机构实现了对开沟深度的控制。

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