鏈式玉米精量播種機的設計與試驗

2019-12-22 05:52:06呂釗欽鹿英哲鄭文秀劉正鐸史文婷程祥勛

農機化研究 2019年2期

鹿瑤，呂釗欽，鹿英哲，鄭文秀，劉正鐸，史文婷，程祥勛

(山東農業大學機械與電子工程學院，山東泰安 271018)

0 引言

玉米精量播種機械化技術是利用精量播種機將玉米種按高產農藝要求的播量、行距、株距、播深精確播入土壤，達到單粒下種、株距均勻、底肥深施及覆土深度一致的一種農機化實用新技術[1]。

目前，我國玉米播種機大多采用外槽輪式排種器或圓盤式排種器，該類排種器結構較簡單，性能可靠，在機器工作速度較低時作業效果好；但是，由于投種高度(從排種口到種溝溝底距離)較大，種子在投種過程中會因為與導種管和開溝器的碰撞導致落地位置隨機[1]，降低株距合格率，影響播種機的播種效果，而通過零速投種技術可以克服上述現象，實現玉米的精量播種。

現有的零速投種技術根據其投種方式可分為兩大類：①二次投種，即排種器投出種子后，通過機械作用對種子沿播種機前進反方向加速，使種子落地時水平分速度接近于零，實現零速投種；②重力投種，即種子受重力下降，途經曲形導種裝置，使種子獲得與播種機前進速度大小相等、方向相反的水平分速度，實現零速投種[2-6]。

為提高播種質量、實現玉米等株距精量穴播，本文研制了一種勺鏈式玉米精量播種機。該播種機利用零度投種原理，創造性地設計了勺鏈式玉米送種裝置，并結合窩眼輪式排種器，有效地解決了由于撞擊造成的種子下落位置隨機及播種均勻性差的問題。

1 播種機結構組成及工作原理

1.1 總體結構

鏈式玉米精量播種機主要由機架、懸掛裝置、排種裝置、鏈式投種裝置、傳動裝置、地輪及鎮壓輪等組成，主要技術參數如表1所示，主要結構如圖1所示。

1.2 工作原理

機具與20kW以上的拖拉機配套使用。機具前進，地輪轉動，通過傳動鏈條帶動排種輥轉動，排種輥上圓周均勻分布有窩眼；隨著輥子順時針轉動，玉米種粒充入窩眼內，與此同時排種輥通過齒輪傳動，帶動毛刷逆時針轉動，將多余的種子刷回種箱，確保1個窩眼只充1粒種子；排種輥帶動種子轉至種箱下方落種口時，種子通過重力作用落入勺鏈輸送裝置，勺鏈輸送裝置通過鏈傳動與排種輥傳遞動力，并確定準確的傳動比，以一定的株距將種子送入開溝器開出的種溝中，確保株距相同；而后由鎮壓輪進行鎮壓，完成玉米精密播種工作。

表1 鏈式玉米精量播種機主要技術參數表

1.種箱 2.大從動鏈輪 3.軸承座 4.軸承 5.毛刷 6.三點懸掛裝置 7.固定板 8.支撐桿 9.彈簧 10.地輪搖桿 11.地輪 12.大主動鏈 13.開溝器 14.鎮壓輪 15.鎮壓仿形彈簧 16.防護板 17.種勺 18.小從動鏈輪 19.小主動鏈輪 20.傳動鏈條 21.輸送鏈

2 關鍵部件設計

2.1 排種裝置

播種機播種質量好壞取決于排種器的排種質量。目前，窩眼輪式精密排種器發展較成熟，應用廣泛，結構簡單，加工成本低，性能可靠，在我國精密播種機上應用廣泛[3]，但缺點是存在種子擠壓破壞現象且對不同粒徑種子通用性差。本文設計的排種裝置通過毛刷柔性清種，既保護種子完整又提高了精密播種的質量[3]，作業效果良好。

該機排種裝置主要由窩眼輪式排種器、排種器外殼、清種毛刷、調節螺栓、傳動齒輪及傳動鏈等部分組成，如圖2所示。

型孔與種子的尺寸是否相匹配很重要，對單粒精密播種更為重要。為彌補窩眼輪排種器粒徑通用性差的缺點，本排種器針對不同粒徑種子配備不同型孔的窩眼輪。

2.2 鏈式投種裝置

鏈式輸送裝置主要由排種勺、方形板、輸送鏈、鏈輪和防護外殼組成。升運鏈是一條中心距500mm的輸送鏈條，具體結構如圖3所示。輸送鏈通過鏈輪呈環形可活動地安裝在防護外殼內壁上，鏈條上等距離固定有12個10mm×10mm完全相同的小方板，排種勺隨升運鏈一起上下運動。

玉米種從種箱投至種溝可分為兩個投種過程。種箱的種子由進種口進入排種腔內開始排種器的清種過程，清種后的每一粒種子會跟著排種輪轉動至落種口位置落入鏈式投種裝置的投種勺上，完成第1次投種；隨后投種勺的玉米籽粒，在鏈輪的帶動下運動至投種器投種口處投出，落入種溝，完成第2次投種。第1次投種為常規排種器排種，此處重點分析第2次投種過程中玉米籽粒的受力及運動情況。

1.毛刷 2.機架 3.落種口 4.排種輪 5.種箱

1.機架 2.主動鏈輪 3.投種勺 4.鏈條 5.從動鏈輪 6.落種口 7.投種器外殼

由于升運鏈傳動速度較低，且鏈式輸送裝置落種口距離地面較近，所以較好地解決了種子與排種器和開溝器碰撞致使種子下落位置隨機、播種均勻性差的問題。

分析播種機的工作過程可知：若沒有種勺的作用，玉米種會在投種輪的底部開口處以拋物線軌跡投出，使得種子與土壤產生碰撞，影響株距均勻性；如若加上該投種勺，該投種勺給種子一斜向上支持力，調整投種角α大小，令種勺支持力與重力、內壁支持力、摩擦力及轉動慣性力水平分力相抵消。根據牛頓第二定律可得，玉米籽粒脫離種勺開始下落時水平速度趨近于0，從而極大地提高了玉米播種株距的均勻性。

以玉米籽粒重心為原點，水平向右為x軸正向，豎直向上為y軸正向，建立輔助坐標系。為便于分析，假設玉米籽粒為理想剛性球體，投種鏈輪轉速恒定不變[2]，對受力進行正交分解，則

∑FX=F1×cosβ+FN1×cosγ+FN2×

cosβ+f1×cosγ

(1)

(2)

對此刻種子進行受力分析如圖4所示。根據牛頓第二定律可得

(3)

F1—轉動慣性力；

FN1—投種勺對玉米籽粒的支持力；

FN2—投種筒內表面對玉米籽粒的支持力；

f1—玉米籽粒與投種筒間摩擦力；

β—F1與x軸正向夾角；

γ—FN1、f1與x軸正向夾角；

μ—種子與內壁的摩擦系數。

圖4 投種過程玉米籽粒受力圖

圖4中：O為投種器轉動圓心；x、y為以玉米籽粒質心為原點輔助坐標系的橫、縱軸；ω為投種鏈輪角速度(rad/s);R為玉米籽粒轉動半徑(m)；α為投種位置與豎直方向的夾角，即投種角(°)；F1為轉動慣性力(N)；FN1為投種勺對玉米籽粒的支持力(N)；FN2為投種筒內表面對玉米籽粒的支持力(N)；f1為玉米籽粒與投種筒間摩擦力(N)；β為F1與x軸正向夾角(°)；γ為FN1、f1與x軸正向夾角(°)；G為玉米籽粒所受重力(N)；VP為播種機前進速度(m/s)。

通過計算得出，當30°≤α≤60°時，VX=0，且得

2.1 試驗條件的優化影響試驗結果的因素包括NaCl濃度和ssDNA濃度，確定兩者最適濃度可以確定檢測方法的最佳結果。在銀納米溶液中加入不同濃度的NaCl溶液，引起銀納米粒子的聚集，使得A608/A418值不同。由圖1可知，當控制NaCl體系濃度在40 mmol/L時，A608/A418值最大，銀納米粒子聚集程度最大。繼續增加濃度，比值幾乎不變。在此基礎上，同理，可測得ssDNA體系濃度為8 nmol/L時，A608/A418值最小，銀納米粒子分散程度最大。由此可知，NaCl和ssDNA最佳濃度分別為40 mmol/L和8 nmol/L。

∑FX=0

(4)

當投種包角小于30°時，種子停滯在投種內壁上不再下滑，形成自鎖，要想順利投種，只能靠下一個種勺將其刮下，導致落種時間的延遲；若投種包角大于60°時，種子缺乏種勺支撐作用，從而導致株距的不均勻性。

2.3 其它部件

動力傳動機構由地輪帶動鏈進行傳動。鎮壓輪為橡膠輪，橡膠輪滑移的均值和方差都較小，其直徑為40cm，外緣寬度10.5cm，作用是鎮壓，達到壓碎土塊、壓緊耕作層及蓄水保墑的目的[9]。

3 田間試驗及驗證

3.1 試驗基本條件

試驗地點為山東農業大學南校實驗基地。試驗地屬于一年兩熟平原區，土壤為壤土或粘土；年平均降水量500mm左右。土壤質地為壤土，堅實度247.5×104Pa；土壤含水率9.3%(0～5cm)、11.7%(5～10cm)[4]。試驗用玉米品種為遼丹16號，千粒質量283g，種子含水率為11.2%，播種量為300kg/hm2[3]。

試驗旨在通過正交試驗驗證播種機的可行性及最優試驗組合，使播種機播種質量及效率達到最優。

3.2 試驗設計

通過前期單因素試驗觀察及理論分析，影響玉米播種質量的主要因素有播種機前進速度vp、投種包角α及投種高度h。為明確上述3個因素對切根作業質量的影響，本試驗以株距合格率H作為衡量投種質量的標準，開展3因素3水平正交試驗，不計交互作用，試驗因素和水平如表2所示，正交試驗方案如表3所示[11]。其中，前進速度為播種機的前進速度，投種包角為投種口位置與水平方向的夾角，投種高度為投種口到種溝底面的垂直距離。