指夹式玉米精密排种器试验优化研究

2019-05-27赵满全栗霞飞

农机化研究 2019年8期

周鹏，赵满全，刘飞，栗霞飞

(内蒙古农业大学机电学院，呼和浩特 010000)

0 引言

种子特性主要包括形态、生理、生化及物理4个方面。其中，种子物理机械特性对于研究精密排种器有着重要意义[1]，是研究农业播种机械的理论基础，也决定着机械播种设备的参数。因此，在优化农机设备前就必须充分了解种子物理特性，才能更好地发挥农业播种机械的功能，满足农作物的作业要求，减少对种子的破损，提高农业播种机械的播种合格指数，从而达到增产、增收的目的[2]。目前，国内外的诸多学者对种子物理机械特性已经有了比较深入的研究，为农业播种机械的优化设计提供了重要的参考依据。

播种是农业的基本环节，播种质量的好坏将直接影响到以后出苗率的高低[3]。随着现代技术的发展，播种机的技术水平也逐步提高。现在的精密播种机具有不浪费种子、农作物植株分布均匀、省去了间苗环节、符合农作物生长需求、省功、省时及提高产量等优点。其中，排种器的质量是影响播种机播种性能的主要因素[4]。

按照排种原理，精密排种器可以分为机械式和气力式两种。指夹式精密排种器属于机械式，因其具有结构简易、排种均匀及破损率低等优点被广泛应用于>精密播种机械中[5]。

1 指夹式排种器结构及工作原理

指夹式排种器由排种盘、指夹器、颠簸带、卸种口、凸轮、弹簧及指夹盖等组成，如图1所示。指夹式排种器工作过程：种子进入夹种区,随着转盘旋转，在弹簧作用下,指夹器夹持种子,转到清种区；由于颠簸带表面凹凸不平,夹住的种子产生颠簸运动,在清种毛刷的作用下,不稳定的种子落入到种子堆,而夹持得最稳定的1粒种子随指夹器继续转到排种口排出,依靠导种带到达开沟器的上方，经导种管落入到种沟内,最终完成排种和下种过程。

1.排种盘 2.指夹器 3.颠簸带 4.卸种口 5.凸轮 6.弹簧 7.指夹盖

在田间作业过程中,指夹式排种器主要通过夹持充种、振动清种和柔性导种等方式完成播种作业。其中，夹持充种过程是整个排种过程中最重要环节之一，其关键部件指夹器夹持性能的好坏直接影响到播种机播种质量。

2 指夹式排种器各零部件功能分析

2.1 指夹器结构分析

指夹式排种器的核心部件就是指夹器，由指夹、夹杆、弹簧耳、长尾和短尾组成，如图2所示。直接影响排种的性能冲种性能的有指夹器的形状、指夹器张开角度和指夹器对种子的压力。

1.指夹 2.夹杆 3.弹簧耳 4.长尾 5.短尾

2.1.1 指夹器形状

根据指夹夹持玉米种子的情况，指夹与玉米种子直接接触，玉米种子形状为扁。为了更好地夹持种子，指夹器的形状必须满足下面的几点要求：

1)考虑到排种盘的形状，其外边缘是圆形的，而指夹器需要沿着排种盘外边缘转动，因此指夹的上下边缘曲线需要遵循排种盘外边缘的弧线。

2)指夹的宽度与种子的长度应该近似相等，以确保较好的填充效果。

3)指夹的长度要适中，太短会引起漏播率上升，过长会引起重播率上升。

4)指夹的形状应该满足较好的夹持种子的效果。因此，设计波浪弧状的指夹，使其有两边起伏，可使玉米种子被夹持得更加稳定，实现顺利充种。

2.1.2 指夹器张开角度

指夹张开时的形状如漏斗一样，其张开角度越大，玉米种子就很容易落入夹腔内，使得冲种效果大大改善；但也有弊端，会导致重播率在一定程度上提高。所谓精密排种器，就是在一个夹腔内不允许有多粒玉米种子，然而最标准的就是每个夹腔内只有1粒玉米种子，所以指夹的张开角度根据玉米种子的形状而定。

对于扁形玉米种子而言，玉米种子在夹腔内大概有3种夹持状态。如果按照玉米种子长度方向上来夹持的话，种子展现竖立的状态，指夹的张开角度最大；如果按照玉米种子宽度方向上来夹持的话，种子展现侧立的状态；如果按照玉米种子厚度方向上来夹持的话，种子展现平躺的状态，指夹张开的角度最小。

考虑到指夹夹尾约束着指夹器的张开角度，可以调节指夹夹尾与指夹的相对角度，来改变指夹的张开角度。夹与夹尾的关系如图3所示。

图3 指夹张开角度

2.1.3 指夹对种子的压力

指夹夹持玉米种子的压力来自于弹簧。排种盘的外圈一共有12个指夹，每个相邻的指夹由弹簧儿提供连接。每个指夹两边的弹簧对指夹的作用力是相等的，作用点离转动轴心的距离是相同的，而其力臂不相等，如图4所示。其中，L2≻L1，因此两弹簧形成的力矩不等，p2≻p1。两者的力矩差使得指夹器的指夹间产生一定的压力将种子夹持住。

图4 指夹的受力图

指夹对种子的压力的大小关系到玉米种子被夹持的稳定性，同样影响到玉米种子的伤种情况。考虑到指夹对种子压力过大会加快磨损指夹器的夹尾，所以指夹压力的大小应当适中，并且可以调节拉簧的圈数或者钢丝的直径来改变压力大小。如果拉簧的圈数变少或者钢丝的直径变大的话，指夹压力就会变大；反之，指夹压力就会变小。

2.2 颠簸带的分析

在排种盘的卸种口的稍前方有颠簸带，与卸种口相互连接，其形状不光滑也不规则，有凸起和凹下。玉米种子沿着排种盘做匀速圆周运动，当种子旋转到颠簸带时，由于颠簸带表面不规则，种子在高低起伏的作用下运动情况突然发生改变，玉米种子会从指夹种脱落，起到了清种的目的。

为了提高清种效果，颠簸带的形状需要满足以下要求:

1)颠簸带表面凹下的深度要适当，如果深度很大则会使得清种严重过量，从而导致漏播率大幅提高；

2)为了获得最好的清种效果，颠簸带的表面为不规则的曲面；

3)为了不造成玉米种子的破损，颠簸带的凸起和凹下的临界不能太尖锐，最好是光滑的，坡度拐角应当适中。

2.3 排种带的分析

排种带与指夹器一起转动，拥有相对应的12个容纳种子的小室，可以接受从卸种口落下的种子。当指夹夹持种子旋转到卸种口时，指夹就随即张开角度，种子便落入排种叶片内；种子随着排种叶片转动，最后从排种器排出去。因此，排种带的性能参数也在一定程度上影响到农间植株分布的均匀性。

3 优化试验与结果

3.1 试验基本条件

指夹式排种器排种性能与优化试验在内蒙古农业大学工科楼2楼实验室进行。试验器材有指夹式排种器、排种试验台、吸合式电磁振动台、内丹4号玉米种子、薄橡胶垫和薄塑料垫。

3.2 排种盘附加材料对比试验

3.2.1 试验方案

选择橡胶和塑料两种材料作为排种盘面附加材料进行对比试验研究，通过试验数据处理分析，得出两种材料在排种性能上的优缺点，最后确定最佳材料。首先在排种盘上夹指夹种的圆弧区域加上两种材料，然后分别做排种性能试验，记录数据。

3.2.2 数据处理

查找制造厂说明书提供的指夹式排种器播种理论粒距，该排种器一共有6个档位，最小档位的理论粒距为7cm，每个档位相差3cm，试验时的档位为4档，则试验时理论粒距为16cm。

试验时，在种床带稳定状态下进行数据采集。将250个粒距作为1个样本，对每个样本进行5次采集，对采集的数据求平均值，最后进行数据对比。根据《GB/T6973-2005单粒(精密)播种机试验方法》[6],小于等于0.5倍理论粒距视为重播，在0.5～1.5倍理论粒距范围内视为合格，大于1.5倍理论粒距视为漏播。

精密排种器的3个主要性能指标分别是粒距合格指数(合格率)A、重播指数(重播率)D、漏播指数(漏播率)M[7]。试验中各个试验指标的方法如下：

1)试验中以250个粒距为样本进行测量，以0.1Xr的间隔将样本分成区域段，Xr表示理论粒距。

每个区域的变化量为

式中xi—区域段的中位数。

2)频率图分为下面区间，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]}