高速玉米精密排種器的研究

李 鑫，籍俊杰，馮曉靜

（1.河北農業大學機電工程學院，河北保定071001；2.河北省農林科學院糧油作物研究所，河北石家莊050035）

目前，我國玉米種植面積和總產量僅次于美國，居世界第2位。玉米是我國主要的糧食作物之一，種植面積僅次于小麥、水稻，居第3位，在飼料業、制藥業、食品加工業以及新能源領域都有著無可替代的作用，對我國糧食安全起著舉足輕重的作用。在玉米種植中，播種機的性能很大程度上決定出苗的好壞，排種器的性能決定了播種質量的好壞。按照工作原理不同，精密排種器可分為兩大類：機械式和氣力式［1－3］。氣力式排種器對種子的幾何形狀要求不嚴、不傷種子、不磕籽，確保播種準確，出苗率高。但是氣力式排種器需要風機和氣力系統，結構復雜，技術要求高，動力消耗大，要求高度的氣密性，須要大功率拖拉機配套。我國農村拖拉機以小型為主，難以滿足大動力的要求，且氣力式排種器的使用調整復雜，我國農民機手的素質較低，使用操作困難，致使播種效果較差，因而其生產批量依然較?。?］。

歐美等國家對精密排種器的研究從20世紀40年代開始，初期研究主要集中在機械式排種器，目前在玉米、甜菜等中耕作物以及麥類等條播或半精量播種作物中仍有使用，其結構形式主要有窩眼輪式、垂直圓盤式、水平圓盤式、傾斜圓盤式，為了克服作業速度低的缺點，又相繼發展了結構較為新穎的機械式排種器，如Jhon－Deere 7000指夾式精密播種機，但其通用性較差。我國從20世紀80年代末開始研制精密播種機械。由于種子質量、整地條件、機械制造水平及機器價格等因素制約，我國20世紀80年代主要推廣半精量播種機［5－6］。為適應農村生產責任制的要求，大量推廣了小型單體播種機。20世紀90年代以來，我國逐步推廣精密播種機，有十幾個企業生產了20多種型號的精密播種機。

河北省大部分地區是1年2茬輪作地區，排種器大多采用勺輪式玉米排種器。現有的勺輪式玉米排種器存在下列不足：排種勺輪直徑的限制，均布于圓周上舀勺的個數不能進一步增加；排種器的轉速與機組前進速度配合無法保證確定的玉米播種株距；勺輪的旋轉速度極大地影響了播種質量，速度過高使充種性能和清種性能變差，限制了采用單排玉米排種器的播種機田間作業速度的進一步提高［7］。為了提高勞動生產率，設計一種高速玉米精密排種器顯得尤為重要。

1 組成結構和工作過程

1.1 雙排勺輪式排種器的結構

勺輪式排種器是玉米精密播種機的核心部件，其結構參數直接影響玉米精密播種的質量。為了提高作業速度，實現高速精密播種，采用雙勺輪式排種器進行作業。該排種器由排種器殼體、遞種輪、隔板、勺輪、軸、軸承、透明蓋等零部件組成（圖1）。

雙排勺輪式排種器的勺輪直徑設計為240 mm，單面圓周斜向均布18個種勺（雙面共36個），種勺間距為20°，遞種輪的直徑為237 mm，遞種輪凹槽數單面為18個（雙面共36個），排種勺輪與遞種輪同步轉動，種勺與遞種輪孔槽位置一一對應且均勻分布。

1.2 雙排勺輪式排種器的工作過程

雙排勺輪式排種器可以實現2次投種，在裝置的主軸上有3個圓盤，為同步轉動設計，即1個遞種輪和2個勺輪。種子由勺輪上的舀勺將種子傳送到隔板開口處，種子在重力、離心力、摩擦力等力的綜合作用下，進入遞種輪的孔槽內，此過程為第1次投種。種子繼續由遞種輪帶動，到投種口處落下為第2次投種。通過這2次投種過程，可以保證種子在土壤中分布均勻，大大地減少了由于高度產生的排列不均勻的問題。該雙勺輪式排種器的整個工作過程分為舀種、清種、遞種、護種、投種第5個過程（圖2）。

1.2.1 舀種 種子由排種器透明蓋上的種子通道進入勺輪室。當軸轉動時，帶動遞種輪及勺輪轉動，護種隔板通過隔板調節器上銷軸與殼體上的調節孔控制其相對殼體的位置，使隔板固定。勺輪下部在種子內轉動，隨著勺輪的旋轉，當舀勺進入種子群，舀勺及種子產生相對運動，種子在重力、離心力和種子間推擠作用下進入勺內，即舀種過程。當種勺繼續旋轉，脫離種子群后，舀種結束，進入清種區。

1.2.2 清種 勺輪舀勺轉出種子面時，種勺上充附多個種子，當軸帶動勺輪繼續轉動，附著的多余的種子由于不完全穩定在種勺內，在重力作用下掉落回種子群。只有穩定于舀勺內的種子被帶動繼續運動。

1.2.3 遞種 種勺內只留下1粒種子繼續轉動，當攜帶種子的種勺轉到隔板上調節孔槽開口處時，種子在重力、離心力作用下滑入遞種輪上與之相對應的排種孔槽內，完成遞種過程。

1.2.4 投種 遞種輪帶動種子與勺輪同步轉動，種子進入護種區，回轉到排種殼體下后方投種口處時，種子在重力、離心力作用下脫離排種器投種。

2 勺輪式排種器的參數優化

2.1 殼體

本研究的排種器殼體采用2個原有的左右式排種器殼體進行加工、組裝。通過機加工，把原來的殼體打通，去除其軸承支撐部位，待2個殼體加工完成以后，把2個殼體組裝到一起，形成一個整體，如圖3所示。

2.2 遞種口展角確定

在排種器中，隔板既能起到隔開勺輪和遞種輪的作用，同時也能調節遞種口的位置，對于勺輪式排種器，遞種口的大小直接影響到遞種效果。當勺輪中的種子剛剛到達遞種口時，遞種過程就開始了，種子的受力情況決定其進入到遞種輪的穩定性，勺形參數如圖4所示。遞種輪過渡的受力情況簡化模型，如圖5所示。

將種子所受的重力G進行分解，得到種子的下滑力G1和對勺面的正壓力G22個力，則：

把種子所受的離心力F沿著G1和G22個力的反方向進行分解，得到2個分力F1、F2，其大小分別為：

種子在合力（G1－F1－f）的綜合作用下，沿著下滑角（α＋θ）進行下滑，最終下滑至遞種輪中，其在運動過程中所受的下滑加速度為

帶入各個參數，歸納整理得

設定種子的長度為l，則種子從進入遞種輪到完全脫離勺輪所需要的時間為

設長度 l＝0.012 m，勺輪的最大半徑 R＝0.105 m，種子的運動線速度 V＝0.81 m／s，舀勺勺面角 α＝25°，舀勺下滑傾角 θ＝30°，種子與金屬的摩擦系數 μ＝0.6，可以計算出t＝0.156 s。

由此可以計算出遞種口的展角的大小為

考慮到種子長度的波動性，把展角進行擴大，擴大到75°，這樣就保證了正常情況下不會出現卡種現象。

2.3 遞種起始位置

隔板由薄鋼板沖壓成的外圓開口式圓環，其開口角度為75°，即遞種角α2＝75°。隔板位于導種輪和勺輪之間，將兩者隔開，隔板與排種輪型孔、殼體一起構成一個完整的承種型孔。

由于種子品種不同，因此種子尺寸不同，遞種的起始位置要求根據種子的大小確定，隔板調整定位孔與殼體上的最上方第1個調整孔重合，如圖6所示，起始位置與水平面夾角α1為遞種起始位置，終止位置角為α1＋75°，此為隔板最高位置，清種區域最大。當播小粒種子時，順時針轉動隔板，擴大清種區間，延長清種時間；播大粒種子時，逆時針轉動隔板，提前遞種，即減小遞種起始角，減小清種區間，以減小漏播率。隔板調整孔最高到最低位置對應圓心角為35°，每個位置間隔5°，適應不同大小的種子。最低位置遞種角為5°，最高為35°。

選用舀勺開角為180°－2α的勺輪，α為舀勺每個面的傾斜角。通過簡化模型分析，把舀勺中的玉米種子M進行投影，其在X軸上的投影點為A。采用以排種器的軸心為坐標原點O，其Y軸的坐標為 R sinφ，錐體母線長OM（圖7）［8－11］。

種子在運動過程中，沿勺面的下滑角為β，則

將種子所受的重力G進行分解，得到G1、G22個力，則

把種子所受的離心力F沿著G1、G22個力的反方向進行分解，得到2個分力F1、F2，其大小分別為

如果把播后的玉米粒距合格率達85%的作業速度與其臨界速度的比值稱為臨界線速度利用系數，并用K來表示，則最大實用線速度為

式中：g為重力加速度；R為勺輪的最大半徑；α為舀勺勺面角；φ為遞種角；μ為種子與金屬的摩擦系數。

K＝0.86，勺輪的最大半徑R＝0.105 m，舀勺勺面角 α＝25°，種子與金屬的摩擦系數 μ＝0.6，可以計算出 V＝11.9 km／h，在不改變舀勺直徑的情況下，舀勺個數越多，其工作效率越高，36個舀勺相對于18個舀勺的作業速度可以提高一倍。由于田間作業環境錯綜復雜，此作業速度沒有考慮到田間作業環境對排種器的影響，若考慮田間振動、種子尺寸不一等因素的影響，其實際作業速度降低30%左右，單排舀勺的實際作業速度為6～8 km／h，雙排舀勺實際作業速度可以提高至12～16 km／h，大幅提高了作業效率。

3 試驗分析

3.1 臺架試驗

本試驗依托JPS－12排種器性能檢測試驗臺（圖8），依據精密排種器的單粒（精密）播種機試驗方法（GB／T 6973—2005）［12］，在室內臺架上進行不同結構不同運動參數的試驗，通過軟件SeederTest得出穴距、穴粒數、實際穴距分布值，判定穴距合格率、穴粒數合格率等指標，獲取精確的種子粒距［粒距為（測量平均誤差±2）mm］合格指數、重播指數、漏播指數、變異系數等檢測指標。本試驗主要探索不同的機組速度和不同的勺輪個數，對排種器播種性能的影響。

3.2 試驗分析

臺架試驗中，單排排種器是市面上直接購買的，雙排排種器是筆者制作的，目前未在其出種口加行直線度調節裝置，因此種子在傳送帶上成交替式分布（圖9）。

由表1可知，無論是單勺輪式排種器還是雙勺輪式排種器，隨著作業速度的提高其播種性能均有明顯的降低，尤其是變異系數，變化較大。通過不同速度的對比，可以發現雙勺的4、8 km／h速度下的播種效果分別和單勺的2、4 km／h速度下播種效果相接近，這符合理論分析結果。

由此得出，18個舀勺的勺輪式玉米排種器改進成36個舀勺的雙排勺輪式玉米排種器，可以使其在轉速一定的情況下，作業速度提高一倍，大大地提高了排種器的作業效率。

表1 玉米排種器試驗性能結果

4 結論

在精密播種當中，排種器是播種機的核心部件，其播種性能的好壞直接影響最終的出苗率，進而影響玉米的產量。目前，勺輪式的玉米排種器應用范圍較廣，使用量較大。通過理論分析，最終確定隔板展角為75°，采用雙排勺輪背置的方式。通過本研究設計可以保證在作業效果不變差的情況下，作業速度提高一倍，這樣大大地提高了作業效率。通過試驗可以看出，雙排勺輪式排種器的合格率較高，在2～8 km／h的速度下運行，其粒距合格率均在86%以上，由此可以看出，本研究的結果對以后高速精密排種器的研究具有重要的參考意義。

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