斗提式茎秆类均匀供种箱的研究

刘文亮 姜彩宇 王新阳 张亮 李健 胡浩

摘要：针对目前国内外茎秆类农作物播种机的种箱内缺少分离装置的设计，种箱内种茎杂乱无章、均匀度不一的问题，开展播种速度与供种同步技术的研究，采用目标效率确定取种、供种时序，设计一种斗提式茎秆类均匀供种箱，主要对整体结构、关键零部件和主要技术参数进行设计计算，并在实验室内对斗提式茎秆类均匀供种箱进行台架性能试验。结果表明，在此装置中，甘蔗种茎被持续不断地搅动，使种茎之间相对分散，避免了大量的种茎淤积在一起;斗提式茎秆类均匀供种箱可以将种茎有序、均匀地输送到连接的排种器内，保证了单位时间内的供种数量与排种器的需种数量一致。同时，供种速度可以根据需要进行调节，可以适应现有各种排种器的工作节奏，保障了机具各部件工作的一致性，不会出现供种过量或不足的情况，改善了播种过程中存在的重播、漏供的问题，有利于减少故障情况的发生，提高播种质量和播种效率。

关键词：斗提式;茎秆类;精量播种;分离装置;供种箱

中图分类号： S223.2  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2021）14-0183-05

以甘蔗为茎秆类作物代表进行研究。甘蔗播种机中，国外先进产品有美国M.J.Naquinic公司生产的整杆式自动甘蔗种植机，运用遥感技术采用无人作业，自动完成甘蔗种植过程中的开沟、蔗种喂入、蔗种铺放、覆土和镇压[1-2];澳大利亚CNH公司的BP2500型预切式联合种植机，作业能力达到2.7～3.3 hm2/d[3-4];巴西DMB公司研制的PC14000型预切式甘蔗联合种植机，由拖拉机液压马达驱动，双行种植，需要3～4名操作工人辅助[5-6]。国内中国热带农业科学院农业机械研究所、广东雷州桂珠农械厂、广西农业机械研究院等单位设计出了 HXW-2 甘蔗种植机、8210型牵引式甘蔗种植机、2CZY-2甘蔗种植机等产品，但是这些机具普遍缺少配套供种装置，部分采用人工摆放的方式，费时、费力[7-12]。主要原因是蔗种两端直径相差较大，蔗芽处的直径差距更大;部分种茎还有较大的弯曲度，表面有不规则突起、裂纹和残留的苞叶，形态差异大;大量种茎积存在种箱时，种茎之间极易产生相互阻碍、卡滞、崩弹故障，影响播种作业时间和播种精度。現有播种机所使用的各类排种器，无论是窝眼式、外槽轮式、指夹式还是气吸式、气吹式都很难在种箱内大量种茎中准确地分离出单一的种茎[13-16]。

1 总体设计及工作原理

长期以来，甘蔗种植一直采用整根蔗种顺沟摆放的种植方式，严重浪费蔗种资源，并增加了后续间苗环节的劳动强度。甘蔗播种时以中部带有蔗芽的节茎为种茎，总长度在60 mm左右，平均直径为20～30 mm。长久以来，由于缺少具有分离功能的供种箱，甘蔗播种时靠蔗种自身重力滑入排种器或者进行人工辅助喂种，如图1所示。靠蔗种自身重力滑入排种器，极易造成卡滞停播或漏播的现象;人工辅助喂种也不可避免漏播，并且劳动强度大。本研究的目的是设计一款斗提式茎秆类均匀供种箱，具有连续、均匀供种功能，使种茎能够有序、均匀地到达排种器中，为实现甘蔗精量播种提供前提。

1.1 整机结构

斗提式茎秆类均匀供种箱的总体结构如图2所示。

1.2 工作原理

斗提式茎秆类均匀供种箱由电机驱动，通过电动机输出动力经由链传动装置输出到主动轴上，主动轴再将动力输出到被动轴和拨齿轴。主动轴和被动轴之间采用带有上料斗的链条连接，链轮带动链条以一定速率做回转运动，升运过程中上料斗会在种箱中携种，种茎随链条向上运动，主动轴和被动轴上的链轮处在同一个平面内，实现垂直距离上的甘蔗种茎提升，到达主动轴的顶端进行翻转，把种茎导入立桶中实现从种箱到落种装置的输送，拨齿轴带动轴上的拨齿推动甘蔗种茎沿着料斗内壁下滑，保证斗式提升装置中的料斗始终充满甘蔗种茎。

2 关键部件设计与分析

2.1 布料器装置

在斗提式茎秆类均匀供种箱的种箱中安装有1个布料器装置，通过轴承座安装在料箱2个对应侧面圆形通孔两端（图3）。

在布料器中轴线上安装拨齿的分布及空间距离，按对称交叉的方式分布，2个拨齿之间的距离为100 mm，拨齿直径为10 mm，共安装5个，拨齿与布料器轴通过螺纹连接。布料器从动链轮通过平键及紧定螺钉与布料器轴连接，防止出现打滑的情况，布料器轴会随着从动链轮的旋转进行旋转，将箱体内的种茎翻动起来，防止出现堆积阻塞现象。根据箱体折弯面的倾斜情况将拨齿的长度选为120 mm。

2.2 提升装置

提升装置是将甘蔗从种箱携种输送到从动轴的顶端，包括携种、提升、卸料等过程[17-18]。斗提式提升机有顺向进料、逆向进料、双向进料等3种模式，甘蔗提升机采用逆向进料，摩擦力小，可以避免堵塞。提升装置包括输送链条、种勺、主动轴组及从动轴组等，作用是将甘蔗从种箱运送到甘蔗播种机中，工作时包括携种、提升、卸料等过程，在提升过程中为保证甘蔗在运送过程中不洒落，就要保证链条稳定上升、振动小、不发生扭转[19-20]。提升装置见图4。

3 功率计算及电机选择

3.1 功率计算

设计参数包括配套动力（P′=1.5 kW）、提升链速度（v=0.1 m/s）、供种量（S=4个/s）、甘蔗种块长度（L=6 cm）。

3.2 电动机的选用

查阅《机械设计手册》中常用交直流电动机的技术参数[22]，选用YS系列三相异步电动机，型号为YS90L-4，主要工作参数包括额定功率为1.5 kW，同步转速为1 500 r/min，额定转速为1 400 r/min，额定转矩（T）为2.4 N·m。电动机工作时使用齿轮减速器调速，调速比为15 ∶ 1。则调速后的额定转速n′=1 500/15=100 r/min，工作转速n=1 400/15=93.33 r/min。电动机工作时，输出功率Pn=T×n/9 550=2.4×1009 550=0.25 kW。

3.3 传动比分配

查阅《机械设计手册》[22]，按照推薦值选取传动比，由电动机轴到主动轴的传动比i1=1.41;由主动轴到被动轴的传动比i2=1.00;由主动轴到拨齿轴的传动比i3=1.71。

3.4 传动装置的运动和动力参数计算

在传动过程中链条型号全部选用GB/08B，电机轴和主动轴之间的链传动选用17齿和24齿的链轮，传动比i1=1.41;主动轴和被动轴选用18齿的链轮，传动比i2=1.00;主动轴和拨齿轴之间的链传动选用14齿和24齿的链轮，传动比i3=1.71。根据选定的电动机转速（93.33 r/min）及传动比，在确定电动机的各项参数以及分配传动比之后，就可以据此计算出各轴的转速、传递的功率和转矩（表1）。

4 性能试验

2019年11月19日，笔者所在课题组在吉林省农业机械研究院收获机械技术研究所实验室对斗提式茎秆类均匀供种箱进行了台架技术性能试验。试验以青皮1号甘蔗为对象，预先去除毛根、茎秆上的枯叶，将整支蔗茎切割成长度为55～65 mm的带节蔗种，并人工挑选健康种苗，作为本次试验用蔗种。试验过程共使用蔗种1 021芽，测试作业20次，累计作业时间为90 min，故障时间为1.8 min，采集数据结果见表2。

根据以下公式计算生产效率、漏供率、可靠性，计算结果见表3。

生产效率=∑201供种数∑201供种时间;

漏供率=∑201漏供数∑201蔗种总数×100%;

可靠性=∑201供种时间-∑201故障时间∑201供种时间×100%。

5 结论

本研究结合茎秆类种子的特性及配套播种机，设计一种斗提式茎秆类均匀供种箱，采用回转方式为甘蔗排种器供种，填补了相关设备的欠缺。根据斗提式升运装置和旋转式推料装置的配合，以及对甘蔗受力情况的分析，确定提升机所需功率，确定各传动轴之间的传动比，最终确定及验证提升机的输送能力。试验结果表明，斗提式茎秆类均匀供种箱各项技术性能指标达到了设计要求，生产效率达到220芽/min，漏供率为5.2%，可靠性达到98%;性能试验20次，发生1次故障，原因是电源故障。对比人工供种方式，本装置具有显著地提高效率、节约人工、减轻劳动强度、降低作业成本的作用，1套斗提式茎秆类均匀供种箱相当于5个人工劳力。

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