緊湊型推拉式排種裝置的設計與試驗

張亞新，邢麗華，張立華

(赤峰學院 a.建筑與機械工程學院；b.智能農牧機械研究所，內蒙古 赤峰　024000)

?

緊湊型推拉式排種裝置的設計與試驗

張亞新a,b，邢麗華a，張立華a,b

(赤峰學院 a.建筑與機械工程學院；b.智能農牧機械研究所，內蒙古 赤峰024000)

摘要：針對北方玉米播種壟作區內存在的一些狹小不規則地塊，設計了一種可安裝在手提式或腳踏式播種機上的緊湊型推拉式排鐘裝置,該裝置由凸輪機構、排種嘴和固定支架組成。凸輪機構的輪緣推動排種嘴開合，凸輪凹槽帶動推種裝置，隨著凸輪運動實現連續排種。固定支架將排種裝置安裝在手持式或腳踏式播種機上，實現操作者單人、半自動化播種。田間試驗表明：手持式播種機單穴單粒播種率為90.4%，播種深度合格率為84.5%；腳踏式播種機單穴單粒播種率為93.8%，播種深度合格率為81.3%，單粒率和播種深度均滿足玉米種植的農藝要求。

關鍵詞：玉米；排種裝置；推拉式

0引言

玉米在我國北方干旱地區種植廣泛[1]，是適合精準播種的典型耕作物。目前，歐美等發達國家對玉米精準播種機的研究已經非常成熟，且已得到廣泛應用。我國自20世紀70年代開始進行精密播種機的研制，但到目前為止，精密播種機的推廣和應用仍然不理想，尤其是我國北方的山地丘陵地區[2]。其原因：一方面原因是在這些山地和丘陵地區，耕作地塊狹長且不規則，無法展開大規模的機械化種植[3]；另一方面是能夠適應不規則狹小地塊的便攜式玉米播種機核心部件—排種機構的性能達不到農民的使用要求。

排種裝置是播種機的核心部件。目前，播種機的排種裝置按其排種原理可劃分為機械式排種裝置和氣力式排種裝置[4-5]。氣力式排種裝置排種較機械式準確，但結構復雜、整體可靠性差、價格昂貴，適宜于尺寸變異較大的作物種子[6]。機械式排種裝置排種均勻性較差，但結構簡單、故障率低且價格低廉。就手提式或腳踏式玉米播種機的結構特點及我國北方不規則地塊耕種的具體情況而言，機械式排種裝置較為適宜。

目前，手提式玉米播種機采用的排種裝置，拉桿狹長、布局分散，播種時極易發生故障，且通用性差，

設計了無法安裝在結構緊湊的腳踏式玉米播種機上。因此，一種針對不規則狹小地塊半機械化播種的通用緊湊型推拉式排種裝置。

1玉米種子物理特性分析

1.1　狹小不規則地塊玉米播種要求

玉米的播種質量對豐產豐收有著重大的影響。目前，大多數的玉米播種機都實現了精量播種[7]，種子在穴內均勻分布，不僅節省了種子，而且省掉了出苗后的間苗工序，有利于玉米幼苗的生長[8]。常見的精密排種器是在一種排種盤邊緣帶有型孔的水平圓盤排種器[9],在我國應用最為廣泛。近幾年，國外又提出了垂直圓盤和傾斜圓盤[10]兩種類型的排種器。研究發現：這幾種盤式播種器雖然在相對平坦的耕地上可靠耐用，但由于外形和質量相對較大，人力無法長時間達到其所需要的牽引力，因此不適合安裝在微型的手提式或腳踏式播種機上。

狹小不規則地塊的耕種由于受到環境和光照的影響，無法準確測得廣泛通用的播種農藝技術要求，需要種植者根據種植經驗確定不同地塊的播種量、行距及株距。因此，種植者對手提式或腳踏式播種機上排種器的要求主要側重于播種深度和播種均勻度。

根據中華人民共和國頒布的《單粒(精量)播種機試驗方法》，播種均勻度要求播種單粒率大于90%，播種深度要求4～6cm，沙土地和干旱地應適當深播，播深一致，覆土均勻，播種深度合格率大于75%[11-12]。

1.2　玉米種子物理特性

玉米種子的物理機械特性包括形狀、幾何尺寸、表面特征及摩擦因數等[13]，這些物理特性決定著排種裝置主要參數的選擇。針對適合狹小不規則地塊設計的排種裝置，由于其要求是播種深度和播種均勻度，因此玉米種子的幾何尺寸是影響設計參數的決定性因素。

選取赤峰地區近年大范圍種植的“金山九號”玉米品種進行幾何尺寸研究。“金山九號”是2009年內蒙古審定的品種，適合內蒙古≥10℃、活動積溫2 900℃以上種植區種植，其形狀如圖1所示。

圖1　“金山九號”玉米種子形狀

使用游標卡尺，隨機選取“金山九號”玉米種子50粒進行幾何尺寸的測定，其長度、寬度和高分布如圖2所示。

圖2　“金山九號”玉米種子幾何特征參數

由圖2可知：“金山九號”玉米種子長度、寬度和厚度等幾何尺寸偏差比較大，因此在對緊湊型推拉式排種裝置設計時，要充分考慮玉米種子的幾何尺寸對排種器性能的影響。

2結構及工作原理

2.1　結構

緊湊型推拉式排種裝置由支架、固定孔、活動嘴軸銷、活動嘴推動桿、活動嘴、推種桿、取種勺、下種箱、活動嘴復位彈簧、推種桿滾子、固定嘴、凸輪凹槽、凸輪、凸輪軸、推動軸銷，以及凸輪推動桿組成，如圖3所示。

1.支架　2.固定孔　3.活動嘴軸銷　4.活動嘴推動桿

其主要技術參數如下：

整機質量/kg：2

播種深度/mm：40～60

作業速度/km·h-1：0.4～0.6

2.2　工作原理

緊湊型推拉式排種裝置通過支架上的兩個固定孔與手持式或腳踏式播種機的機架采用螺栓連接，凸輪推動桿連接手持柄或腳踏板。在播種機工作過程中，手持柄或腳踏板與播種機機架產生相對運動，帶動凸輪推動桿通過推動軸銷使凸輪進行回轉運動。凸輪的凹槽和輪緣分別驅動推種桿和活動嘴推桿，推種桿末端設有取種勺，在凸輪凹槽的作用下，做往復直線運動，將玉米種子從下種箱推入排嘴口中。活動排嘴口在活動嘴推桿與復位彈簧的作用下，繞活動嘴軸銷做回轉運動，實現排種嘴的開合。凸輪的凹槽和輪緣進行了相關性設計，使排種嘴閉合時推種裝置將種子從下種箱推入排種嘴中；排種嘴打開，種子撒入種穴，排種裝置回到下種箱取種，循環往復，實現播種機連續播種。

3關鍵部件設計

3.1　動力桿推動凸輪機構設計

緊湊型推拉式排種裝置的動力來源于使用者作用于排種裝置手持(腳踏)部位動力桿上的壓力，在壓力的作用下，排種裝置內部發生相對位移，向下的運動轉化為凸輪的轉動。為增加可靠性、經濟性及制造的工藝性，減小直線運動轉化為圓周運動過程中曲率的影響，動力桿與凸輪的接觸部位采用間隙較大的轉動副鏈接，轉動副至圓心的距離ra=30mm，動力桿相對于圓心的運動距離d=30mm，其運動簡圖如圖4所示。

圖4　動力桿運動簡圖

3.2　凸輪推種機構設計

緊湊型推拉式排種裝置采用凸輪推種機構，推種桿在凸輪的作用下做往復直線運動，從料箱推動玉米種子進入排種嘴中。推種桿與凸輪采用滾子接觸，推動桿與凸輪之間為滾動摩擦，磨損小，可以承受較大的載荷。在推種桿推動玉米種子的過程中，為防止取種勺往復直線運動過程中擦傷種子，以及種子在在慣性作用下被取種勺帶回種箱，推種桿的運動采用等加速、等減速運動，運動軌跡是連續的，不會產生剛性沖擊，運動軌跡如圖5所示。

圖5　推種桿的運動軌跡

根據凸輪從動件常用運動規律[14]，等加速段位移計算公式為

(1)

等減速段位移計算公式為

(2)

式中δ0—推程角；

δt—t時刻凸輪轉角；

h—從動件推程即推種桿行程，充分考慮玉米種子的幾何尺寸及特征、推種勺的大小及推種桿與種箱結合部的結構特點，取h=15mm。

考慮到凸輪基圓半徑對壓力角的影響及排種機構的結構緊湊性，確定凸輪基圓半徑rb=20mm。凸輪軌跡凹槽如圖6所示。

1.推種凸輪凹槽　2.保護凹槽

當動力桿由A位置運動到B位置時，推種桿退回種箱中取種；當動力桿由B位置返回A位置時，推種桿推動取料勺進入排種嘴中，并滯留到下一個播種位，使種料有充足的時間，在重力作用下落入排種嘴。

緊湊型推拉式排種裝置長時間使用時，動力桿與凸輪的接觸部位采用間隙較大的轉動副鏈接，容易增加推程角；為防止推程角增大而破壞推種桿等相連部件，在推種凹槽終端增開保護凹槽。

3.3　排種嘴開合機構設計

排種嘴的開合機構是由凸輪推動和彈簧復位共同完成的，凸輪通過活動嘴推桿作用于活動排種嘴，凸輪傳力的方向始終垂直活動于排種嘴平底，傳力性能好，能夠克服彈簧的彈力和土壤的阻力，使活動排種嘴順利打開。彈簧的彈力使活動排種嘴與凸輪始終保持接觸(即力鎖合)，當凸輪回轉復位時，活動排種嘴在彈力的作用下與固定排種嘴閉合，從而完成一次排種。

活動排種嘴與推種桿在凸輪的作用下交替運動，活動排種嘴打開排種，推種桿回到種箱取種；當活動排種嘴閉合，推種桿推動取種勺進入排種嘴，完成一次取種，循環往復實現連續精密播種。凸輪構件的整體結構如圖7所示。

圖7　排種裝置凸輪構件

4田地試驗

4.1　試驗條件

分別安裝有緊湊型推拉式排種裝置的手持和腳踏式播種機于2015年4月在赤峰學院智能農牧機械研究所所屬的玉米實驗田進行現場測試。試驗田土質為栗鈣土，地塊狹長，地勢相對平坦，屬于典型的北方半干旱耕作區；采用“金山九號”玉米種子。

試驗目的主要是檢驗安裝了緊湊型推拉式排種裝置的手持式和腳踏式播種機在播種深度及播種均勻度方面是否滿足農藝要求。為防止雙壟交替式腳踏式玉米播種機的原理誤差對試驗結果的影響，將單獨使用一側播種機安裝排種裝置進行試驗。

4.2　試驗方法

安裝緊湊型推拉式排種裝置的播種機使用前，根據耕種要求，需對田地犁壟。播種者在不規則狹小地塊通常采用手工犁壟，但犁壟的過程中不可避免地產生偶然誤差。為避免這種偶然誤差對試驗結果的影響，使用農機將試驗田犁出10條長50m的短壟。試驗前，在排種器一側加裝1個為此試驗專門設計的草木灰盒，在播種器每一次播種的位置會留下草木灰痕跡摻雜進土里便于確定播種位置。

播種結束后，統計不同播種機在各土層播種的種子數，兩種播種機不同壟各取200個播種點；從壟谷的上表面開始，每10mm縱向深度取樣1次，記錄覆蓋層內的種子數，直至全部種子出現，1組記錄完成[15]。

4.3　試驗結果及分析

安裝有緊湊型推拉式排種裝置的手持和腳踏式播種機不同單穴播種數的播種次數如表1所示。

表1　不同單穴播種數的播種次數

手持式播種機單穴單粒播種率為90.4%，腳踏式播種機單穴單粒播種率為93.8%，播種均勻度滿足農藝要求的播種單粒90%以上。試驗中，對于單穴雙粒的比率，腳踏式播種機明顯小于手持式播種機；而對于空穴率，腳踏式播種機大于手持式播種。其原因是：腳踏式播種機在播種過程中需要操作者踩踏，受到較大的沖擊震動，使種箱中的種子相互間隙減小，摩擦力增大，取種勺取種時，取種難度增大，造成空穴率高，單穴雙粒比率則比較低。

手持式和腳踏式播種機在不同土層的播種次數如表2所示。

表2　不同土層的播種次數

由試驗結果可知：手持式播種機播種深度在4～6cm的次數占總體次數的84.5%；腳踏式播種機播種深度在4～6cm的次數占總體次數的81.3%，大于播種深度合格率75%。

由于兩種播種機的結構不同，腳踏式播種機采用與壟橫截面近似的“U”型支撐底座，與壟的接觸面積大，所受到壟的反作用力，使用者不宜將播種嘴插入更深的土層。反之，手持式播種機采用支撐腿結構，與壟的接觸面積小，受到的反作用力也小，播種嘴較易插入土壤。因此，腳踏式播種機的播種深度明顯小于手持式播種機的播種深度。

5結論

研制的緊湊型推拉式排種裝置由凸輪機構、排種嘴和固定支架組成。凸輪機構輪緣推動排種嘴開合，凸輪凹槽帶動推種裝置。排種嘴排種時，推種裝置取種；排種嘴閉合時，推種裝置將種子推入排種嘴，循環罔替，實現連續排種。固定支架將排種裝置安裝在手持式或腳踏式播種機上，實現操作者單人、半自動化播種。田間試驗表明：手持式播種機單穴單粒播種率為90.4%，播種深度合格率為84.5%；腳踏式播種機單穴單粒播種率為93.8%，播種深度合格率為81.3%；緊湊型推拉式排種裝置的單粒率和播種深度均滿足玉米種植的農藝要求。

參考文獻：

[1]董樹亭,張吉旺.建立玉米現代產業技術體系,加快玉米產業發展[J].玉米科學,2008,16(4):18-20,25.

[2]廖慶喜,黃海東,吳福通.我國玉米精密播種機械化的現狀與發展趨勢[J].農業裝備技術,2006,32(1)：4-7.

[3]張亞新,曹萬蒼,張立華.腳踏式玉米播種機擺動前推機構的設計與實驗[J].農機化研究,2016,38(2)：100-104.

[4]張波屏,劉格蘭.萬能通用精準播種機的研究與試驗[J].農業機械學報,2001,32(2)：32-35.

[5]馬旭,馬成林.2BS2型玉米精密播種機的研究[J].農業機械學報,1998,29(S1)：35-36.

[6]孫齊磊,趙洪林,張曉輝.排種器的現狀與發展[J].山東農機,2002(2)：8-9.

[7]李昌健，王德平，陳如明,等.精量、半精量機械化播種技術[M].北京：經濟科學出版社,1996:31-32.

[8]周雙杰，劉淑萍.精量播種在玉米生產中的應用[J].現代農業科技，2007(20)：152.

[9]夏連明.玉米精量播種機關鍵部件研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2011.

[10]M．Anantachar,ParsannaG W Kumar,ZGuruswamy．Neural Network Prediction of PerformanceParameters of an Inclined Plate Seed Metering Device and its Reverse Mapping for the Determination of aOptimum Design and Operational Parameters [J].Computer and Electronics in Agriculture,2010,72:87-98.

[11]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/6973-2005單粒(精量)播種機試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2006.

[12]于建新，張炳坤，邢玉萍.玉米精少量播種技術[J].新疆農業科技,2009(3):17.

[13]張波屏.播種機械設計原理[M].北京:機械工業出版社,1982:5-15.

[14]姜學東，劉羽，陳繼濤,等.機械設計基礎[M].成都：西南交通大學出版社,2014:47-49.

[15]王利強,吳崇友,高連興,等.2BSF-4型穴灌坐水播種機的設計與試驗[J].農業工程學報,2005,21(12):71-74.

Design and Experiment of Compact Push Pull Type Seedmeter

Zhang Yaxina,b, Xing Lihuaa, Zhang Lihuaa,b

(a.College of Architecture and Mechanical Engineering; b.Institute of Intelligent Husbandry Machinery,Chifeng University, Chifeng 024000,China)

Abstract：To solve the problems of the North Ridge sowing maize area exists in Narrow or uneven of the special region, a Compact push pull type Seedmeter was designed. The device is composed of a cam mechanism, a discharge nozzle and a fixing device, Growers achieve semi-mechanized planting.The result of field tests showed that in Compact push pull type Seedmeter installed on Portable seeding machine and stampede-style maize seeder, The single hole single seed rate were 90.4% and 93.8%，,sowing depth qualified rate were 84.5% and 81.3%.The design of compact push pull type Seedmeter satisfied the agronomic requirements.

Key words：corn; compane device; push pull type

中圖分類號：S223.2；S220.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0127-05

作者簡介：張亞新(1981-),男，內蒙古赤峰人，講師，碩士，(E-mail)zhangyaxin198106@163.com。

基金項目：內蒙古自治區高等學校科學研究項目(NJZY242)

收稿日期：2015-11-11