錐體帆布帶式小區播種機的設計與試驗

許鵬曉，楊然兵，尚書旗，楊紅光，崔功佩，劉立輝

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

播種質量的好壞直接影響到試驗方案能否正確實施，目前我國的育種試驗主要采用人力手工播種，而歐美等發達國家，針對小區播種機的研究可追溯到20世紀30年代，且早已實現育種全程機械化[1]。與機械化作業相比，人力手工育種不僅勞動非常繁重，播種效率低下，易混種，對于小區育種試驗數據的準確性也有嚴重影響。播種作業是整個田間育種試驗中最費工，也是最重要的環節[2-3]。隨著制種產業的快速發展，對于田間育種試驗機具作業的混種率、種子破損率、播種均勻性提出了更高的要求。

針對上述問題，通過查閱國內外小區播種機的相關資料，并對播種機各關鍵部件進行結構設計及受力分析，設計了一臺調整方便、操作容易、通用性好的錐體帆布帶式小區播種機，對于提高我國育種試驗的準確性，促進我國良種工程健康穩定發展具有重要意義[4-7]。

1 總體結構及工作原理

該播種機主要由機架、地輪、四連桿防形機構、變速箱、提升器、種架、排種裝置及開溝器組合等部分組成，如圖1所示。其可一次性完成開溝、播種、覆土等育種作業環節，大大提高了田間育種試驗的作業效率以及試驗數據的準確性。

1.地輪 2.機架 3.四連桿防形機構 4.變速箱 5.提升器 6.排種裝置 7.座椅 8.種架 9.開溝器組合 圖1 整機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of seeder

該小區播種機選用錐體帆布帶式排種器，與拖拉機配套使用，通過后懸掛與拖拉機連接。播種機進行育種試驗時，在拖拉機的牽引作用下前進，帶動地輪滾動。同時，通過左側地輪的傳動經過鏈傳動、變速箱、鏈傳動和錐齒輪，將動力傳給排種裝置，實現排種裝置的均勻排種；通過調節變速箱傳動比，滿足不同小區長度均勻播種的作業要求。其主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數Table 1 Technology parameters of seeder

續表1

2 小區播種機關鍵部件設計

2.1 排種器的設計及作業原理

排種器作業性能的好壞，直接影響育種試驗數據的準確性[8-9]。在進行育種試驗前，先將種子倒入存種漏斗中，種子經存種漏斗滑落到存種套筒內，并均勻落在存種套筒與錐體形成的存種空間內。小區開始播種時，下壓泄種手柄，帶動提升環和存種套筒迅速提升，種子沿光滑錐面滑落，并均勻連續地散布在錐體與帆布帶形成的環狀楔形空間內。通過錐齒輪傳動帶動排種器軸上的錐體底座、錐體、皮帶及其楔形空間內的種子同步轉動；當種子隨排種裝置轉動到排種口時，種子經接種漏斗、排種管，落到地面。錐體皮帶式排種裝置如圖2所示。

1.存種裝置 2.存種套筒 3.泄種手柄 4.支座 5.滾動銷軸 6.張緊銷軸 7.皮帶 8.張緊調節 9.排種底板 10.接種漏斗 11.傳動錐齒輪 12.錐體 圖2 錐體皮帶式排種裝置結構簡圖Fig.2 The structure sketch picture of cone-belt metering device

2.1.1 排種器分種錐體設計力學分析

根據株行播種機實際工作狀況，播種機械一直處于前進行走狀態，即排種裝置一直處于轉動狀態。因此，在提升存種套筒后，種子在錐體上滑落完成分種的過程，錐體并非靜止不動，而是以一定的速度轉動。對分種過程中任意時刻種子的受力情況進行分析，取位于錐體斜面上的任意種子為研究對象，其質量為m。種子沿錐面滑落時的受力分析如圖3所示。種子自身重力G=mg，方向豎直向下；錐體表面對種子的支撐力FN，方向垂直錐面指向外側；種子沿錐面下滑受到的滑動摩擦阻力Ff，方向與種子在錐面上的運動方向相反；種子隨錐體轉動時產生的離心慣性力FB，方向垂直于錐體中心軸水平向外；種子運動過程中受到的空氣摩擦阻力FW，與速度平方成正比；種子顆粒間的相互作用P。

圖3 分種過程種子受力分析Fig.3 Seed force analysis on the cone

錐體沿錐體滑落過程中，種子顆粒間作用力p大小和方向時刻變化，沒有一定規律；錐體表面為光滑表面，種子與錐體圓周方向相對滑動較小，主要運動為沿錐面母線下滑。在此條件下，為了便于種子受力分析，特作幾點假設與簡化：忽略種子相互間作用p；忽略種子與錐體摩擦力在水平面內的分力，即空氣摩擦阻力與滑動摩擦阻力方向為沿錐體母線方向指向錐尖。為便于分析種子受力，在M點建立坐標系XOY，種子沿錐體母線運動方向為Y軸，垂直于母線方向指向錐體內側的為X軸，則種子在XOY的面內的受力情況為

(1)

式中α—錐體母線與錐體底面夾角；

FN—錐體表面對種子的作用力；

Ff—種子與錐體表面滑動摩擦阻力；

FB—種子隨錐體轉動時產生的離心慣性力；

Fw—種子下滑過程中受到空氣阻力。

摩擦力與離心力計算公式為

(2)

式中μ—種子與錐體表面滑動摩擦因數，μ=0.2；

k—空氣摩擦因數；

ω—種子與錐體做圓周轉動角速度；

v—種子沿錐體下滑速度；

r—M點距錐體中心軸的水平半徑。

2.1.2 錐體分種均勻條件

1)種子在重力作用下，沿錐體表面加速下滑，即∑Y>0，∑X=0，則

(3)

化簡式(3)得排種裝置轉速最低限制，即

(4)

2)保證種子緊貼錐面下滑，不會因離心力作用而脫離錐體表面，即FN>0，則

mgcosα-mω2rsinα>0

(5)

根據自凈要求需要的排種裝置轉速條件，可得排種裝置最高轉速限制，即

(6)

由上述分析可知：排種裝置轉速對分種均勻性具有較大影響。小麥種子在錐體上順利完成分種的最低轉速主要與錐體底面半徑r、錐體傾角α及錐體滑動摩擦因數有關，不脫離錐面的最高轉速與錐體底面半徑和傾角有關。結合分種轉速條件，需合理設計排種錐體結構參數，保證種子分種過程中分種均勻。

2.1.3 分種錐體參數設計

為保證排種裝置的排種均勻性，結合錐體均勻分種條件，對分種錐體進行參數化設計，主要包括錐體高度H與錐體底徑R與傾角α的參數設計。

根據分種條件式(4)、式(6)，推導出錐體結構參數設計條件為

(7)

式中μ—小麥種子與錐體的最大靜摩擦因數。

由上述設計條件，綜合考慮排種裝置轉速與排種裝置空間限制，設計錐體底面半徑為65mm，高度為54mm，錐體的傾角為arctan54/65=40°，經驗證錐體結構參數滿足排種裝置正常工作轉速下的錐體均勻分種條件。

2.2 變速箱的設計

播種機的變速箱由鏈輪組、鏈輪組合長軸、軸、行星鏈輪、滑動鏈輪、軸承和滑動長軸等組成，如圖4所示。滑動鏈軸在鏈輪圓周力的作用下旋轉，帶動滑動鏈輪旋轉，經過行星輪帶動從動鏈輪組旋轉；通過左右調節滑動鏈輪，可實現不同傳動比的傳動。

1.鏈輪組 2.鏈輪組合長軸 3.軸 4.行星鏈輪 5.滑動鏈輪 6.軸承 7.滑動長軸 圖4 變速箱結構簡圖Fig.4 Structure diagram of gearbox

由于第1級鏈傳動分別實現傳動為i=2的傳動第2級鏈傳動的傳動比為i=1，所以變速箱的傳動比設置如表2所示。

表2 部分變速箱傳動比Table 2 Part transmission ratio of gear box

由于本變速箱采用鏈輪組與滑動鏈輪嚙合實現變速，所以鏈輪的設計方法和第一級鏈傳動的設計方法相同，同樣采用p=15.875的行星輪，如表3所示。

表3 變速箱鏈輪參數Table 3 Sprocket parameter of gear box

2.3 開溝器的設計

根據育種試驗要求，需保證深度一致、掘穴整齊，并且保證種子均勻分布在行內。該播種機采用雙圓盤開溝器及橡膠鎮壓輪，播深均勻、鎮壓效果良好，配合播深調節旋鈕，可在1～5cm范圍內選擇合適播種深度。根據農藝要求，通過調節底端的可滑動裝置，調節開溝器之間的距離；采用的四桿仿形機構，保證開溝深度在農藝要求之內。其結構簡圖如圖5所示。

3 田間試驗

3.1 試驗條件及方法

試驗地點選在青島平度試驗基地，播種氣候溫度27℃，試驗田土壤平均濕度37%，土壤類型為壤土，地表較為平整。每次試驗播種小區長度為8m，重復8次，分別記錄其實驗數據，計算出其播種深度合格率、傷種率、播種均勻性變異系數。其中，播種均勻性變異系數計算公式為

(8)

(9)

(10)

式中n—測試小區區段總數；

Xi—區段內種子(苗)數；

X—區段平均種子(苗)數；

S—標準差；

V—變異系數(%)。

1.機架 2.四連桿仿形機構 3.圓盤開溝器 4.鎮壓輪 圖5 開溝器結構簡圖Fig.5 Structure diagram rrowing opener

3.2 試驗結果及分析

根據所得試驗數據計算,其結果如表4所示。

表4 田間作業試驗結果Table 4 Test result of field work %

由表4可得：播種深度合格率87.5%、傷種率0.37%、播種均勻性變異系數27.7%，均滿足育種試驗的農藝要求。

4 結論

1)通過對錐體內種子的受力、錐體均勻分種的所需條件的理論分析，在保證排種裝的排種均勻性的前提下，確定了該小區播種機排種裝置的最佳結構參數。

2)通過調節變速箱的傳動比可針對不同行長的小區進行播種，并保證在給定區長內播下定量的種子且保證不混種、不傷種。

4)播種機播種均勻性及一致性較好，可實現相同試驗小區，不同播量、不同品種的連續田間試驗。

4)圓盤開溝器有良好的保墑性能，阻力小，減小了功耗，與圓盤開溝器配合使用的四桿仿形機構，利用一個能隨地面起伏仿形的平行四桿機構實現了對開溝深度的控制。

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