自走式排種器試驗車的設計與試驗

王旭東 陳欣 周艷軍 羅琴芳 劉博

摘要：針對現有帶式排種器試驗臺整機移動不便和不能模擬播種機田間作業的實際工作狀態等問題，擬設計由直流電動機驅動的自走式排種器試驗車。對試驗車的整體結構、動力配置、傳動機構、操控裝置、行走機構、排種器連接裝置等部件進行合理的參數匹配。對研制的樣機進行單因素排種試驗和制動性能試驗。結果表明，當試驗車的前進速度為1.5、2.5、3.8 m/s時，對排種器的漏播率、單穴單粒率和重播率等試驗指標的影響不顯著;當試驗車的前進速度為3.8 m/s時，平均制動距離為1.6 m，平均減速度為4.51 m/s2，制動性能符合相關國家標準。試驗車對垂直圓盤排種器具有普遍適應性，在室內外環境條件允許的場地都能進行試驗，為排種器性能試驗提供了更大的靈活性和便利性。

關鍵詞：自走式;排種器;試驗車;設計;性能試驗;制動性能;靈活性;便利性

中圖分類號： S237?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）20-00251-04

排種器是決定播種機性能指標的核心部件，用排種器試驗臺在實驗室內檢測排種器的各項性能指標，可以避免田間試驗中氣候條件的影響，對于縮短排種器的研發周期、降低研發成本極為有利。目前，國內外應用較廣的是帶式排種器試驗臺，分移動帶式和固定帶式2種。移動帶式排種器試驗臺又可分為在承種帶上涂（噴、抹）油[1-7]和鋪沙（土）[8-13]2種型式，它們的工作原理相似，排種器在電動機驅動下定軸轉動并排種，被涂油或鋪沙的承種平帶在另1套動力驅動下于排種器下面平移，種子落在移動的平帶上。涂（噴、抹）油帶式的試驗臺需要1套涂、噴或抹油及清理油的裝置，在試驗過程中需要不斷涂油和清理油，整機龐大，結構復雜，且對試驗環境有一定的污染;鋪沙帶式的試驗臺則需要1套鋪沙和清理沙的裝置，并不斷地重復鋪沙和清理沙的工作，結構較復雜。固定帶式的排種器試驗臺也有2種型式，一種是將排種器連接在小車上，小車在承種平帶兩邊的導軌上行走，承種平帶固定不動，排種器在涂油或鋪沙的承種平帶上面走過并排種，試驗過程中同樣需要反復清理油或沙;另一種是試驗機在預設的行進軌道上由電動機驅動行走，排種器在鋪有絨面布的固定不動的布種槽里排種[14]，試驗機在沒有電源的室外無法工作。

上述幾種試驗臺的共同特點如下：（1）整機結構復雜，體積較大，裝配完畢后無法遠距離整體移動;（2）試驗場所必須有電源;（3）將排種器一邊隨播種機前進一邊旋轉排種的動作分解成排種器旋轉排種、平帶移動2個動作，這與田間播種作業的真實情況完全不同，也就不能準確反映田間播種作業時種子的運動軌跡、種子落地觸土后的彈跳和移動等行為，因此對排種器性能指標的檢測有一定局限性。

針對以上問題，本研究擬設計可以在試驗場地駕駛行走的自走式排種器試驗車，排種器連接在試驗車上，就像連接在播種機上一樣。試驗車在任何可通過的路面上都能進行行駛試驗，不再僅僅局限在實驗室內使用，可以最大限度地模擬播種機在田間的作業狀態，能更真實地反映播種機在田間作業中的移動、振動和加速度變化等對排種器取種、清種和投種等性能的影響。

1?試驗車結構及工作原理

試驗車主要由機架、操控裝置、驅動裝置、行走裝置、測速裝置、制動機構、傳動裝置、排種器連接裝置、座椅、顯示屏等組成，結構如圖1所示。

試驗車動力由電池組提供，在駕駛人員的操控下，由直流電動機通過鏈傳動（圖1-13）驅動地輪軸，實現試驗車的自驅動行走。由測速裝置測得試驗車的行走速度并在顯示屏上顯示。鏈傳動（圖1-21）的主動鏈輪與地輪軸同軸并可沿其軸向滑動，鏈輪組由5個鏈輪用螺栓剛性連接而成，從地輪軸到排種器，能實現5級變速傳動，以適應不同作物播種的農藝要求。鏈輪組與鏈傳動（圖1-24）的主動鏈輪之間設置了棘輪機構，倒車時排種器不工作，防止夾傷和浪費種子。在試驗場地鋪設一定厚度的細沙作為試驗承種帶，可以有效地防止種子彈跳和移動，也便于試驗結束后收集種子。排種器連接板可調可換，方便更換適用于不同作物的排種器。試驗車可以在預設的軌道上行走，也可以在沒有軌道的堅實平地上行走。行走輪用螺釘連接緊固在輪軸兩端，可以根據試驗場地的需要，方便地更換行走輪。試驗車的主要性能和結構參數如表1所示。

2?試驗車關鍵部件的設計

2.1?試驗車的動力選擇

電動自行車的最高車速、整車質量等性能參數與試驗車接近，故參照GB 17761—2018《電動自行車安全技術規范》[15]的規定，選擇額定功率為0.5 kW的直流電動機與 48 V 電池組。試驗車的行走輪和導軌是剛性接觸，前輪、后輪的滾動摩擦系數分別是0.028～0.037、0.05～0.07[16-17]。因此可見，試驗車行走輪的滾動阻力很小，試驗車行走路面的環境好于一般情況下的電動自行車，動力完全能滿足試驗要求。

2.2?試驗車機架

機架是試驗車的搭建平臺，試驗車所需的所有零部件都直接或間接地通過焊接或螺栓連接在機架上。機架用矩形鋼管焊接而成，包括5根橫梁和3根縱梁。座椅和操控裝置箱都被焊接在機架上;電池組和電動機用螺栓連接在機架上。

2.3?排種器連接板的設計

排種器既不是標準件，也不是通用件，各種作物的排種器的結構型式和參數差異很大。在試驗車上進行排種器性能試驗時，為了對各種排種器具有更普遍的適應性，排種器與連接板之間、連接板與支架之間都是用螺紋連接的，可拆卸，可調整，如圖2所示。

2.4?傳動機構的設計

根據各傳動件的速度和傳動比，確定滾子鏈的傳動特性可以滿足傳動要求，選擇08B型滾子鏈傳動。試驗車由電動機驅動，經地輪軸并聯驅動地輪和排種器，保證地輪行走和排種器排種同步，防止由于地輪滑移而導致漏播。鏈輪組由5個齒數不同的鏈輪用螺栓連接而成，可以改變鏈傳動的傳動比，每個電動機轉速可以對應5個排種器轉速，假設電動機轉速為n?則地輪軸轉速為0.5n，排種器對應的有0.36n、0.31n、0.29n、0.28n、0.24n等5個轉速。在鏈輪組與排種器之間設置了單向棘輪機構，使得倒車時排種器軸不轉動，以免浪費和夾傷種子。傳動機構如圖3所示。

3?試驗車工作參數的確定

按照GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機?試驗方法》[18]和GB/T 9478—2005《谷物條播機試驗方法》[19]的試驗要求，單粒（精密）播種機試驗方法的前進速度在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s中選出3個進行試驗，以條播機作業速度為1.5、2.5 m/s和最大允許速度進行試驗。試驗車的最大計算速度為3.89 m/s（13.99 km/h），試驗時的最大速度確定為 3.8 m/s（13.68 km/h），能滿足試驗要求。在本樣機試驗中，選擇試驗車的前進速度為1.5、2.5、3.8 m/s。

4?樣機試驗

4.1?單因素試驗

排種器用自制的內側充種式垂直圓盤花生排種器，根據GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[18]規定的試驗條件和要求，在實驗室內對試驗車選取 1.5、2.5、3.8 m/s 3個前進速度進行樣機的單因素試驗。為了充分發揮機械化播種高效率的優勢，排種器轉速選取試驗車前進速度為1.5、2.5、3.8 m/s時的最高轉速，分別是 62.04、103.40、157.14 r/min。筆者所在實驗室用40 mm×40 mm的角鋼焊接長度為50 m的導軌，中間鋪設承種沙槽;試驗車行走輪是外緣有“V”形槽、直徑（φ）為330 mm的鑄鐵輪。去除起步加速和制動減速階段，試驗車勻速前進約40 m，每個速度試驗3次，參照GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[18]統計漏播率、單穴單粒率和重播率。樣機試驗裝置和試驗結果如圖4所示，試驗方案與結果如表2所示，試驗結果的方差分析見表3。

試驗結果的方差分析表明，試驗車的前進速度對排種器的漏播率、單穴單粒率和重播率的影響都不顯著。但是隨著試驗車前進速度在1.5、2.5、3.8 m/s范圍內依次提高，漏播率和單穴單粒率的平均值都在提高，重播率的平均值在降低。試驗車在導軌上行走得比較平穩，沒有明顯的振動，說明取種和清種階段受到排種器轉速提高的擾動更明顯。

4.2?試驗車制動性能試驗

制動距離與制動減速度是制動性能最基本的評價指標，參照GB 18447.1—2008《拖拉機?安全要求?第1部分：輪式拖拉機》[20]，輪式拖拉機冷態試驗的制動平均減速度應不小于2.5 m/s2;參照GB 3565—2005《自行車安全要求》[21]，在 25 km/h 的車速下，單用后閘干態制動，制動距離不大于 15 m。在筆者實驗室研究發現，乘坐1人時，在40 mm×40 mm 角鋼導軌上連續前進后退15次，加速至3.8 m/s時制動，平均制動距離為1.6 m，平均減速度4.51 m/s2，試驗車的制動性能滿足GB/T 3871.6—2006《農業拖拉機?試驗規程第6部分：農林車輛制動性能的確定》[22]、GB18447.1—2008《拖拉機?安全要求?第1部分：輪式拖拉機》[20]和GB 3565—2005《自行車安全要求》[21]的要求。

5?結論

自走式試驗車既可以在實驗室內進行試驗，也可以在環境允許的室外試驗，使排種器性能試驗更加便捷和靈活，有利于縮短排種器的研發周期。本試驗表明，試驗車的前進速度對排種器漏播率、單粒率和重播率等性能指標的影響不顯著，說明試驗車對排種器的性能試驗沒有附加干擾。

參考文獻：

[1]蔡曉華，吳澤全，劉俊杰，等. 計算機視覺排種器試驗臺：CN 2777527Y[P]. 2006-05-03.

[2]陳景盛，陳芳良. 蔬菜排種器試驗臺：CN85201873U[P]. 1986-03-19.

[3]李?帆，鄭?炫，張魯云，等. JPS-12計算機視覺排種器試驗臺的結構原理及使用[J]. 新疆農機化，2012（5）：15-16.

[4]周淑賢，宋建農，王繼承，等. STB-700型排種器試驗臺的設計與試驗研究[J]. 中國農業大學學報，2009，14（5）：116-120.

[5]劉立晶，劉忠軍，賈振華. 多功能排種器性能試驗臺的設計與試驗[J]. 農機化研究，2012（4）：123-126.

[6]邵瑞娜. 基于MATLAB的排種器試驗臺的建模仿真[D]. 鄭州：河南農業大學，2013.

[7]蔡曉華，劉俊杰，孔繁亮. 排種器試驗臺結構參數的設計[J]. 農機化研究，2005（3）：128-129.

[8]李?濤，吳建民，孫?偉，等. 玉米排種器性能試驗臺：CN203136498U[P]. 2013-08-21.

[9]孫?偉，吳建民，王?蒂，等. 馬鈴薯排種器性能試驗臺：CN203226018 U[P]. 2013-10-09.

[10]楊?欣，劉俊峰，錢東平，等. SD-175型排種器試驗臺PLC控制系統設計[J]. 中國農機化，2005（2）：48-50.

[11]劉成銘. 基于ARM9的移動式排種器試驗系統設計[D]. 長春：吉林大學，2013.

[12]鄭婧玲，吳宏武. 基于雙輸送帶鋪沙承種排種器試驗臺的研制[J]. 農機化研究，2011（1）：153-156.

[13]向?陽，謝方平，湯楚宙，等. 輸送帶鋪砂型排種器試驗臺的研制[J]. 農業工程學報，2009，25（6）：136-140.

[14]溫浩軍，陳學庚，李亞雄，等. 播種機排種器試驗臺：CN 201069905 Y[P]. 2008-06-11.

[15]國家市場監督管理總局，中國國家標準化管理委員會. 電動自行車安全技術規范：GB 17761—2018[S]. 北京：中國標準出版社，2018.

[16]李振學，李俊捷. 周動力滾動摩擦系數的計算方法[J]. 潤滑與密封，2002（2）：7-8.

[17]李振學，李俊捷. 中心動力滾動摩擦系數的計算方法[J]. 潤滑與密封，2001（1）：9-10.

[18]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 單粒（精密）播種機試驗方法：GB/T 6973—2005[S]. 北京：中國標準出版社，2005.

[19]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 谷物條播機?試驗方法：GB/T 9478—2005[S]. 北京：中國標準出版社，2005.

[20]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 拖拉機?安全要求?第1部分：輪式拖拉機：GB 18447.1—2008[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[21]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 自行車安全要求：GB 3565—2005[S]. 北京：中國標準出版社，2005.

[22]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 農業拖拉機?試驗規程?第6部分：農林車輛制動性能的確定：GB/T 3871.6—2006[S]. 北京：中國標準出版社，2006.