坡耕地鴨嘴式玉米排種器間歇同步充補裝置設計與試驗

王金武 王梓名 徐常塑 周文琪 杜木軍 唐 漢

(1.東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.黑龍江省德沃科技開發有限公司， 哈爾濱 150086)

0 引言

坡耕地占全國總耕地面積20%，其機械化水平較低，嚴重影響了我國糧食生產安全與戰略發展[1-2]。鴨嘴式玉米排種器具有適應性強、結構輕簡等特點，被廣泛應用于坡耕地玉米精量播種。但在作業過程中仍存在播種質量低且穩定性差等問題[3-4]，限制了坡耕地環境下玉米精量播種機械化水平。

國外規模化種植對鴨嘴式排種器研究及應用較少。相對而言，國內學者對此類排種器及其關鍵部件研究相對較多[5-8]。陳學庚等[9-10]提出了滾動直插原理精量播種方式，研發了系列鴨嘴式棉花穴播排種器，于新疆等地大面積廣泛應用推廣。李娟娟等[11]采用鴨嘴式排種形式，提出了轉軸型孔式精量排種器改進方案并對其充種性能進行仿真優化。劉宏新等[12-13]研究了一種鴨嘴扎穴的被動式滾筒播種成穴機構，可實現復雜田間環境下的免耕播種。石林榕等[14]利用彈性橡膠對種盤進行了結構改進，提高鴨嘴式排種器充種性能及排種質量。付威等[15]根據強制夾持原理，提出了一種機械強制夾持玉米精量播種方法，提高了此類排種器的排種性能。上述研究多以排種器結構改進為主，在坡耕地復雜環境下對排種器結構優化及性能提升研究較少[16-18]，且無法實現精量排種過程的同步充補功能，一定程度影響其應用推廣。

本文設計一種配套于鴨嘴式玉米排種器的間歇同步充補裝置，優化整體結構與關鍵部件參數。采用多種試驗方法，探索各因素對排種性能影響，獲得排種器較優工作及結構參數組合，對比其與常規排種器性能優越性，以驗證所設計合理性與可行性，以期為坡耕地環境下玉米精量播種機具及其關鍵部件的設計提供理論方法和技術參考。

1 排種器結構與工作原理

1.1 主要結構

配套間歇同步充補裝置的鴨嘴式玉米排種器主要由排種器本體(大撥叉、小撥叉、滯種室、種箱、排種室、直角導種部件、導種環及鴨嘴裝置)和間歇同步充補裝置(補種窩眼輥、內棘輪連接件、外棘輪連接件、排種窩眼輥、回位彈簧、下搖桿、上搖桿、凸輪桿、凸輪、清種輥、內棘輪及外棘輪)等部件組成，如圖1所示。鴨嘴裝置與滯種室通過外盤滑道和螺釘固裝于連接盤，小撥叉鉸接于鴨嘴裝置，導種環固裝于滯種室，連接軸串聯其余主要部件并通過螺栓固定。其中，間歇同步充補裝置和直角導種部件是排種器的核心工作機構；間歇同步充補裝置通過殼體上卡槽裝配于排種室下端，實現同步充種與補種功能；直角導種部件通過螺釘固裝于導種環上，可保證種子在導種區平穩運移，提高排種器整體作業質量。

圖1 配套間歇同步充補裝置的鴨嘴式玉米排種器整體結構圖Fig.1 Overall structure diagrams of duckbill corn metering device with intermittent synchronous seeding and reseeding device1.外盤 2.連接盤 3.連接軸 4.大撥叉 5.小撥叉 6.滯種室 7.補種窩眼輥 8.內棘輪連接件 9.外棘輪連接件 10.排種窩眼輥 11.種箱 12.排種室 13.殼體 14.直角導種部件 15.導種環 16.鴨嘴裝置 17.回位彈簧 18.下搖桿 19.卸種片 20.凸輪桿 21.上搖桿 22.凸輪 23.清種輥 24.內棘輪 25.外棘輪 Ⅰ.充種區 Ⅱ.補種區 Ⅲ.導種區 Ⅳ.投種區

1.2 工作原理

排種器作業過程主要分為重力充種、探種補種、穩定導種和精準投種4個串聯階段，分別對應充種區、補種區、導種區和投種區，如圖1b所示。其中充種區與補種區相對于地面平動，導種區與投種區相對于地面純滾動。

在作業過程中，種子由種箱填充至充種區，通過重力和窩眼支持力將種子充入排種窩眼輥和補種窩眼輥。旋轉窩眼輥(補種窩眼輥及排種窩眼輥)和清種輥保持充種區種子群動態平衡形成均勻種子流。窩眼將種子由充種區運移至補種區，當排種窩眼輥漏充時，下搖桿在回位彈簧作用下，定軸旋轉與排種窩眼輥內徑相接觸，同時固聯在下搖桿上端的上搖桿逆時針旋轉與外棘輪輪齒脫離，此時在摩擦力作用下凸輪與內棘輪自鎖，帶動外棘輪轉動，外棘輪通過外棘輪連接件將動力傳遞至補種窩眼輥上，補種窩眼輥隨排種窩眼輥一同轉動完成補種。當排種窩眼輥未漏充時，種子克服回位彈簧推力頂起下搖桿，上搖桿順時針轉動與外棘輪輪齒嚙合，凸輪與內棘輪滑轉使動力脫離，此時補種窩眼輥相對靜止，僅由排種窩眼輥排出。被排出的種子經過月牙形的卸種片完成清種，落入導種區，隨著在地面上做純滾動的導種環運動，在直角導種部件主端面與水平面相互垂直前，種子在重力和摩擦力作用下沿直角導種部件不斷滑移進入投種區。種子由滯種室落入鴨嘴裝置中，隨著排種器的轉動運移至投種點，大撥叉撥動小撥叉，使固聯在小撥叉上的鴨嘴裝置開合，排入土壤中完成投種過程。

2 關鍵部件結構設計

2.1 間歇同步充補裝置設計

圖2 間歇同步充補裝置與下搖桿相對位置關系Fig.2 Relative position relation of intermittent synchronous seeding and reseeding device and lower rocker1.清種輥 2.上搖桿 3.下搖桿 4.回位彈簧 5.排種窩眼輥 6.補種窩眼輥 7.卸種片 8.凸輪 9外棘輪連接件 10.凸輪桿 11.外棘輪

如圖2所示，間歇同步充補裝置主要由搖桿(上搖桿及下搖桿)、排種窩眼輥、補種窩眼輥、回位彈簧、凸輪、凸輪桿、內棘輪和外棘輪等組成，其結構參數和相對位置關系直接影響補種作業效果。本研究重點對關鍵部件(搖桿、窩眼輥、外棘輪)配合位置關系、搖桿最小轉角、回位彈簧作用力及凸輪與內棘輪自鎖條件進行分析，以提高間歇同步充補裝置的排種性能。

2.1.1下搖桿與窩眼輥相切條件

為保證穩定補種準確性與同步性，需滿足下搖桿與窩眼輥相切條件，即在正常工況下(無漏播情況)，下搖桿長度應滿足1～2倍的窩眼中心弧長，使其輪廓與補種窩眼輥相切，保證上搖桿始終與外棘輪輪齒嚙合，避免連續作業時補種窩眼輥不斷滑轉而造成重播。同時在漏播工況下上搖桿須迅速脫離外棘輪輪齒，結合動力實現同步補種。

在正常工況下，搖桿與窩眼輥幾何關系如圖3所示，下搖桿長度需滿足

(1)

式中lh——下搖桿長度，mm

Rp——排種窩眼輥外徑，mm

n——型孔數，個

圖3 正常工況下搖桿與窩眼輥幾何關系Fig.3 Geometric relationship between lower rocker and socket roll under normal working conditions

為保證排種器結構緊湊性，同時降低種子所受離心力，窩眼輥直徑不宜過大，設定窩眼輥旋轉半徑(即種子旋轉半徑)Rp為50 mm；當作業速度和株距一定時型孔數越多，充種性能越好[19]，故設計窩眼輥型孔個數為12。將參數代入式(1)，可得下搖桿長度lh為26～52 mm。綜合考慮搖桿轉角等因素，下搖桿長度不宜過大，確定下搖桿長度lh為30 mm。

2.1.2上搖桿脫離外棘輪輪齒條件

為實現補種窩眼輥動力快速接合與分離，與其配合的搖桿需定軸旋轉一定角度，在保證上搖桿可脫離外棘輪的輪齒條件下，間歇同步充補裝置響應時間最短。搖桿位移與排種窩眼輥結構關系如圖4所示。搖桿旋轉中心至末端點長度l和搖桿轉角ε關系可表示為

(2)

式中rp——窩眼輥內徑，mm

由式(2)可知，在弧長恒定情況下，搖桿旋轉中心至末端點長度l越大，則搖桿旋轉角ε最大值越小。考慮間歇同步充補裝置緊湊性，設定搖桿旋轉中心至末端點長度l為52 mm。綜合考慮傳動機構空間位置和窩眼輥材料強度，窩眼輥內徑不宜過小，設計窩眼輥內徑rp為35 mm，搖桿旋轉角ε最大值為16.5°。

圖4 搖桿位移、排種窩眼輥與外棘輪結構關系Fig.4 Relationship between rocker displacement, seeding socket roller and outer ratchet structure

為確定搖桿旋轉中心點p的位置，以窩眼輥旋轉中心點O為坐標原點，原點水平線為x軸，坐標原點指向落種點為y軸，建立直角坐標系如圖4所示。根據幾何關系可知，點p既在以O為圓心、lOp為半徑的圓上，又在上搖桿中心線上。上搖桿中心線與x軸夾角為外棘輪輪齒頂角與搖桿旋轉角之和，且中心線恰好與窩眼輥外徑(設計外棘輪外圓半徑近似等于窩眼輥外徑Rp)相切以保證最小轉角，則點p需滿足

(3)

式中η——外棘輪輪齒頂角，取60°

xp——點p橫坐標，mm

yp——點p縱坐標，mm

為確定下搖桿端角，如圖2所示，根據其幾何關系需滿足

(4)

式中λ——下搖桿端角，(°)

將式(3)、(4)合并可得，搖桿旋轉中心點p坐標為(60 mm，40 mm)，下搖桿端角λ為17.2°。

在搖桿轉角ε確定情況下，回位彈簧的作用力越大，搖桿定軸旋轉速度越快，補種效果越好。但過大彈簧力易損傷種子。為確定種子不受損傷的極限彈簧力，對下搖桿進行力學分析，如圖5所示。

圖5 探種過程力學分析Fig.5 Mechanical analysis of seed exploration process

在正常工況下，下搖桿處于靜止狀態，其主要受回位彈簧拉力Fx和種子支持力F1等復合力系。根據力矩平衡原理和壓力關系，回位彈簧作用力滿足

(5)

式中d0——回位彈簧作用點至搖桿中心距離，mm

l0——搖桿旋轉中心與種子中心最短距離，mm

ε0——回位彈簧與下搖桿夾角，(°)

A0——下搖桿與種子接觸面積，mm

M——玉米種子抗壓強度，MPa

回位彈簧作用于種子上壓力應小于種子的抗壓強度4.115 MPa[20]。將參數代入式(5)可得回位彈簧作用力Fx應小于41.8 N。

2.1.3內棘輪設計

根據機械原理與實際作業可知，常規輪齒式棘輪機構在高速作業時產生的沖擊和磨損影響排種器的排種質量和使用壽命[21-22]，設計一種曲線摩擦式棘輪機構可避免沖擊振動造成的影響，提高排種質量同時延長使用壽命。為保證內棘輪鎖止，須確定內棘輪曲線曲率半徑及圓心位置。以內棘輪圓心O為坐標原點，坐標原點指向內棘輪曲線圓心點q方向為y軸，y軸相垂直方向為x軸，建立直角坐標系xOy如圖6所示。

圖6 臨界條件下內棘輪幾何關系Fig.6 Geometric relationship of inner ratchet under critical conditions

當凸輪輪廓與內棘輪輪廓相切于點h，且當點h對凸輪桿力的方向與內棘輪直徑方向垂直時，即內棘輪徑向無分力，此時系統處于臨界狀態。點h坐標關系可表示為

(6)

式中xh——點h橫坐標，mm

yh——點h縱坐標，mm

lOA——內棘輪圓心與凸輪桿鉸接中心距離，mm

lAB——凸輪圓心與凸輪桿鉸接中心距離，mm

r0——凸輪半徑，mm

θ0——OA與y軸夾角，(°)

綜合考慮內棘輪尺寸及工藝要求，確定凸輪圓心與凸輪桿鉸接中心距離lAB為15 mm、內棘輪圓心與凸輪桿鉸接中心距離lOA為23.5 mm、凸輪半徑r0為4 mm、OA與y軸夾角θ0為45°，將上述參數代入式(6)可得點h坐標為(-3.16 mm，30 mm)。

根據系統處于臨界狀態下的幾何關系，內棘輪曲線圓心縱坐標及曲率半徑滿足

(7)

式中yq——內棘輪曲線圓心縱坐標，mm

ρ——內棘輪曲線曲率半徑，mm

在切點h確定的情況下，需保證內棘輪滿足自鎖條件。以凸輪為研究對象，其與內棘輪自鎖時進行靜力學分析，如圖7所示。

圖7 臨界狀態凸輪力學分析Fig.7 Analysis of cam mechanics in critical state

在忽略滾動摩擦力條件下，凸輪桿可簡化成二力桿模型，且凸輪桿與凸輪的受力方向相反，為作用力與反作用力關系。故凸輪所受凸輪桿力Fg的方向沿凸輪桿指向內棘輪，凸輪所受內棘輪的支持力F′n與凸輪與內棘輪摩擦力f0分別垂直和平行于切點h。當力Fg的方向處于F′n與f0所合成的摩擦角φm之間時，凸輪與內棘輪自鎖，凸輪與內棘輪的摩擦角φm滿足

(8)

式中μ0——凸輪與內棘輪摩擦因數，取0.015

當內棘輪作用于凸輪桿力的方向與凸輪桿中線夾角等于摩擦角時，凸輪桿處于自鎖臨界狀態，內棘輪曲線圓心縱坐標及曲率半徑滿足

(9)

結合式(7)～(9)可得，當內棘輪曲線圓心縱坐標yq穩定在33.0～33.16 mm，曲率半徑ρ穩定在4.4～4.5 mm，可滿足系統臨界條件與內棘輪自鎖條件，由于滾動摩擦因數較小，兩極限值較相近，最終確定圓心縱坐標yq為33 mm，曲率半徑ρ為4.5 mm。

2.2 直角導種部件優化設計

漏播與重播不僅在充種過程中出現，在直角導種部件運移種子時亦可能發生，分析其主要原因為：種子隨著導種環運移過程中，部分種子易脫離直角導種部件進入導種環腔體，此時種子無法進入對應的滯種室造成漏播，導致漏播的種子繼續隨導種環運動，最終與下一顆種子共同排入滯種室中造成重播。為避免此類現象，對直角導種部件進行理論分析，優化其結構參數。

種子由窩眼輥落至導種環瞬間，其速度為窩眼輥上窩眼的線速度。種子隨導種環運動時，在重力與摩擦力的作用下，種子的最終速度等于導種環速度。忽略種子滾動摩擦且在直角導種部件主端面水平前種子未下滑，其動能變化關系可表示為

(10)

式中 ΔE——動能增量，J

m——種子質量，kg

ω——導種環旋轉角速度，rad/s

r——導種環內徑，mm

對直角導種部件上的種子進行運動學分析，如圖8所示，種子受重力mg、直角導種部件支持力Fn、直角導種部件摩擦力f及慣性離心力Fe的作用。

圖8 導種過程種子力學分析Fig.8 Analysis of seed mechanics during seed guide

如圖9所示，對其各力進行做功分析，重力為保守力做功，與作用路徑無關僅與位移相關，由于在主端面水平前種子未下滑，重力與導種環支持力做功之和為0，故可忽略此段重力做功。根據種子運動到極限位置，直角導種部件主端面運動至與水平面垂直時，種子做類平拋運動脫離直角導種部件控制。故重力mg僅在直角導種部件主端面從水平運動至豎直過程中做功，可表示為

Wg=mg(R-r)sinθcosqm

(11)

式中θ——直角導種部件與內徑夾角，(°)

g——重力加速度，m/s2

Wg——重力做功，J

qm——作業坡角，(°)

R——導種環外徑，mm

圖9 種子滑移過程力學分析Fig.9 Mechanical analysis of seed slippage process

根據達朗貝爾原理和幾何投影關系可確定種子受沿直角導種部件垂直方向的慣性力Fez為恒力，其值為mω2Rsinθ。排種器豎直時種子受沿直角導種部件垂直方向重力的分力與導種環轉角α關系為mgcosα。

以導種環圓心O為原點，水平方向為x軸，豎直方向為z軸，建立直角坐標系，如圖10所示。坡耕地環境下排種器受作業坡角的影響。

圖10 作業坡角影響運種效果Fig.10 Influence of operating slope angle on transport effect

當作業坡角方向相對于作業前進方向左偏時，種子緊貼直角導種部件，重力相對于直角導種部件垂直方向的分力與排種器豎直時受力相同；當作業坡角方向相對于作業前進方向右偏時，種子與直角導種部件側端面分離，種子受相對于直角導種部件主端面垂直方向重力的分力與作業坡角qm關系為mgcosαcosqm。摩擦力做功可表示為

(12)

(13)

式中Wf1——右偏時摩擦力做功，J

Wf2——左偏時摩擦力做功，J

μ——直角導種部件與種子間摩擦因數

根據動能定理及動力學分析，種子在運移的過程中僅重力與摩擦力做功，并設當作業坡角相對于作業前進方向左偏時取正值，右偏時取負值。由式(10)～(13)可得

(14)

綜合上述分析，當作業前進方向右偏時種子更易排入土壤中，根據常規鴨嘴式排種器設計標準及農藝要求，確定導種環外徑R為170 mm，導種環內徑r為145 mm，直角導種部件與種子間摩擦因數μ取0.45[23]，選取作業角速度ω為3.14 rad/s，作業坡角qm為右偏12°，重力加速度g為9.8 m/s2，代入式(14)，可得直角導種部件與內徑夾角θ為-70°+k180°(k為正整數)，根據實際安裝位置，確定直角導種部件與內徑夾角θ為110°。

3 臺架性能試驗

3.1 試驗材料與條件

試驗地點為東北農業大學排種性能實驗室。試驗材料為東農254玉米種子，通過人工清選處理，保證供試種子形狀均勻、飽滿無損傷及蟲害。試驗裝置主要由配套間歇同步充補裝置的鴨嘴式玉米排種器和JPS-12型排種器性能檢測試驗臺(黑龍江省農業機械工程科學研究院)組成，如圖11所示。

圖11 排種性能試驗臺Fig.11 Test bench of seeding performance experiments1.間歇同步充補裝置 2.配套間歇同步充補裝置鴨嘴式排種器 3.圖像系統 4.傳統鴨嘴式排種器 5.安裝臺架 6.驅動電動機

在試驗過程中，排種器固定安裝于臺架，種床帶相對于排種器反向運動，模擬播種作業實際前進狀態，噴油泵將黏性油液噴于種床帶上，種子從排種器落至涂有油層的種床帶，通過試驗臺圖像系統進行實時檢測并采集數據，以準確測定各項排種性能指標[24-25]。

3.2 試驗因素與指標

根據前期理論分析、預試驗及實際生產經驗可知，影響排種質量的主要因素為作業速度、回位彈簧預緊力和作業坡角。在試驗過程中，將針對這3個因素開展單因素試驗和正交優化試驗，并在工況下與常規鴨嘴式排種器進行性能對比。通過調節排種性能試驗臺變頻器控制排種器作業速度，通過更換彈簧型號改變回位彈簧預緊力，通過調節安裝臺架角度控制作業坡角，以提高試驗可操作性及準確性。

根據玉米播種作業農藝要求，參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》和JB/T 10293—2001《單粒(精密)播種機技術條件》，選取玉米播種合格指數和變異系數為試驗指標，評價排種器作業質量、適播范圍及穩定性。其計算式分別為

(15)

(16)

式中S——合格指數，%

C——變異系數，%

n0——單粒排種數

N——理論排種數

n′——樣本穴距總數，個

u——理論播種穴距，mm

圖12 單因素試驗結果Fig.12 Results of single factor tests

3.3 單因素試驗

為分析各因素對性能評價指標的影響規律，結合實際播種作業要求及各因素可控有效范圍，采用單因素試驗，選取作業速度為0.2～1.4 m/s；作業坡角為向右側傾斜0°～24°；回位彈簧預緊力為0.5～25 N。合理選取回位彈簧預緊力能夠提高排種性能，同時避免種子破損，結合前文理論分析，回位彈簧最大作用力Fx應小于41.8 N，回位彈簧作用力計算式為

(17)

式中G——剪切彈性模量，取7 800 MPa

dm——回位彈簧絲徑，mm

Dm——回位彈簧中徑，mm

lx——回位彈簧連接點間距，取33.5 mm

lx0——回位彈簧原長，mm

根據式(17)對回位彈簧進行選型[26-27]。所選取回位彈簧型號及結構參數如表1所示。

表1 回位彈簧和彈簧力對應關系Tab.1 Return spring and spring force relationship

由表1可知，當搖桿轉角ε為0°時，回位彈簧處于預緊狀態，將其參數代入式(17)，T1～T6型回位彈簧預緊力分別為0.5、5.6、10.6、15.6、20.7、24.8 N，其數值在0.5～25 N之間，滿足試驗要求；當搖桿轉角ε為16.5°時，回位彈簧處于最大張緊狀態，將其參數代入式(17)，T1～T6型回位彈簧最大作用力分別為3.3、8.6、13.6、24.2、26.7、38.4 N，皆小于回位彈簧最大作用力41.8 N，滿足理論分析要求。

分別對作業速度、回位彈簧預緊力和作業坡角進行單因素試驗，每組試驗重復3次，取3次試驗平均值為試驗結果，運用Excel軟件對試驗數據進行處理，如圖12所示。

由圖12a可知，隨作業速度增加，合格指數先升后降，變異系數先降后升。其中作業速度0.8～1.2 m/s是滿足排種作業要求效果最優區間；由圖12b可知，隨回位彈簧預緊力增加，合格指數先升高后穩定不變，變異系數變化不明顯。其中回位彈簧預緊力10～20 N是滿足排種作業要求效果最優區間；由圖12c可知，隨作業速度增加，合格指數先升高后降低，變異系數先降低后升高。其中作業坡角8°～16°為滿足排種作業要求效果的最優區間。

3.4 正交試驗

在試驗過程中，因回位彈簧預緊力需結合回位彈簧型號確定，為滿足回位彈簧通用性要求(以便標準化選型)并得到較優工作及結構參數組合，采用三因素三水平正交試驗方案開展試驗。綜合考慮實際參數范圍和單因素分析結果，試驗因素水平如表2所示。選取正交試驗表L9(34)，共實施9組處理，每組處理重復3次取平均值，試驗方案和結果如表3所示，A、B、C為因素水平值。

表2 試驗因素水平Tab.2 Test factors and levels

表3 試驗方案與結果Tab.3 Test scheme and results

對試驗結果進行方差與極差分析，結果如表4所示。對于合格指數，3個因素均與其存在顯著性關系，較優的合格指數參數為A2B2C2。對于變異系數，作業速度與作業坡角對其存在顯著影響，而回位彈簧預緊力對其并無顯著影響，其較優的參數為A2B1C2。剔除不顯著主因素項對試驗指標的影響，綜合考慮各個指標及相關影響因素的顯著性及交叉項，確定最優的參數組合為A2B2C2，即作業速度為1 m/s，回位彈簧預緊力為15.6 N(型號T4，絲徑為1 mm，中徑為7 mm，原長為25 mm)，作業坡角為12°。

表4 方差分析和極差分析Tab.4 Variance and range analysis

分析各因素對性能指標影響，其原因可能是：作業速度較低時，窩眼輥對充種區種子擾動作用較差，導致充種質量較差，隨作業速度增加性能指標提高，其充種時間逐漸縮短，且離心力增大造成種子脫離直角導種部件，同時導致種子與鴨嘴裝置絕對速度差增大，產生劇烈彈跳，進而導致性能指標下降；隨回位彈簧預緊力增加導致搖桿回位時間縮短，其補種能力提升，性能指標相應增加；隨預緊力繼續升高回位速度遠大于種盤轉速，補種效果不再受搖桿回位速度的制約，性能指標先升高后變化不明顯；在重力作用下，當作業坡角逐漸變大時，直角導種部件導種性能增加，同時種子更早穩定于鴨嘴裝置上的投種點，進而導致性能指標上升；隨作業坡角繼續增加，充種區內種子受到指向窩眼輥重力分力減小充種性能下降，同時種子實際落種位置較理論投種點前移，從而造成性能指標下降。

對所優化后的參數組合進行驗證，試驗條件與前述試驗相同，當作業速度為1 m/s、回位彈簧預緊力為15.6 N(型號T4，絲徑為1 mm，中徑為7 mm，原長為25 mm)、作業坡角為12°時，合格指數為98.7%，變異系數為10.2%。滿足玉米精密播種作業要求。

3.5 對比試驗

在此基礎上，為進一步驗證所改進配套的精量排種器性能優越性，選取傳統鴨嘴式排種器(無配套補種裝置)為參照，開展性能對比試驗。在較優工作參數下，即作業速度為1 m/s、回位彈簧預緊力為15.6 N(型號T4，絲徑為1 mm，中徑為7 mm，原長為25 mm)、作業坡角為12°，重復3次試驗取平均值作為試驗結果。

對比試驗結果表明，在此工況下所設計排種器合格指數為98.7%，變異系數為10.2%；傳統鴨嘴式排種器合格指數為89.2%，變異系數為12.6%。合格指數提高了9.5個百分點。

4 結論

(1)闡述了排種器的整體結構及工作原理，設計了一種間歇同步充補裝置，解決了坡耕地環境下傳統鴨嘴式排種器漏播嚴重和播種質量差的問題。

(2)對間歇同步充補裝置和排種器直角導種部件進行了優化設計，分析補種與導種過程，解析了造成重播和漏播的主要原因，探明了影響排種性能的關鍵工作與結構參數取值范圍。

(3)單因素試驗結果表明，性能指標隨作業速度和作業坡角增加先增加后降低，隨回位彈簧預緊力增加先增加后趨于平穩。正交試驗結果表明，作業速度為1 m/s、回位彈簧預緊力為15.6 N(型號T4，絲徑為1 mm，中徑為7 mm，原長為25 mm)、作業坡角為12°時，其排種性能較優，其合格指數為98.7%，變異系數為10.2%。對比試驗結果表明，配套間歇同步充補裝置的鴨嘴式玉米排種器較傳統鴨嘴式玉米排種器，其合格指數提高了9.5個百分點，滿足坡耕地環境下精量播種作業要求。