基于四行精密播種的玉米直播機設計與試驗

趙會娟,尹小定, 池成忠

(1.濟源職業技術學院 機電工程系,河南 濟源 454650;2.江西機電職業技術學院 機械工程學院,南昌 330013;3.太原理工大學 材料科學與工程學院,太原 030024)

0 引言

玉米種植一直采用傳統農耕模式,具有播種速度慢、尺寸偏差大的特點。隨著社會的不斷發展和科學技術的不斷進步,農民開始采用農機收割玉米,大幅度提高了生產力、降低了勞動強度,但精度播種仍是一大難題。為此,設計了一款基于四行精密播種的玉米直播機,對玉米種植具有一定的現實意義。

1 玉米直播機結構及工作原理

為了滿足玉米的精量播種,采用振動原理設計玉米直播機,其結構如圖1所示。

圖1 玉米直播機整體結構Fig.1 The overall structure of corn direct seeding machine

精密播種裝置是玉米直播機的核心,在此主要分析研究此裝置,其結構如圖2所示。

圖2 玉米直播機結構圖Fig.2 The structure diagram of corn direct seeding machine

1.1 玉米直播機結構

玉米直播機的零部件較多,其主要結構特點和功能如下:

1)調節門。調節門一般安裝在外槽輪的正上方D處,在玉米測試試驗中,D的取值范圍為6～6.5mm(玉米種植一般長8～12mm,寬7～10mm,厚3～7mm,可防止種子嚴重外槽輪外表面帶出);另外,調節門下方安裝橡膠彈性板,可以起到清刷種子的作用。

2)橡膠彈性板。橡膠彈性板安裝在種箱內部,附在外槽輪上方,其開口在外槽輪上方,寬度和外槽輪槽的大小一致,用于控制外槽輪的充種;另外,彈性板和外槽輪接觸摩擦,使其在外槽輪的轉動下發生振動,將種子填充到外槽輪的槽穴中。橡膠彈性板的內部結構如圖3所示。

3)外槽輪。玉米直播機精密播種裝置采用外槽輪進行排種,外槽輪周邊是勺形的種槽,其截面由直線段和圓弧線組成,如圖4所示。在橡膠彈性板清種的作用下,外槽輪的轉向會利于種子一粒一粒排入到勺形的種槽內部,且順勢堆積在勺內,如圖4中的陰影部分所示。通過反復測試試驗,在外槽輪正向旋轉過程中,在橡膠彈性板、勺形流線積種的作用下,外槽輪充種非常飽滿。

圖3 橡膠彈性板的內部結構Fig.3 The internal structure of rubber elastic plate

圖4 外槽輪結構圖Fig.4 The structural drawing of outer sheave

1.2 玉米直播機的排種盤設計

玉米直播機的排種盤由振動器、篩分板、調節板組成,如圖5所示。振動器將排種盤懸吊在排種盤支架的內側,通過調節支架的角度,可以保證V型排種盤水平夾角α1在4°～10°內調節;振動器安裝在排種盤橫梁的中間位置,其振動角度δ1振動引起振動板發生有規律的變化,讓種子有序向下滑行,從而完成播種和充種。

圖5中,篩分板和槽板之間由調節板組合起來,形成了一種連續的排種盤面,二者的連接角度可以進行調整,夾角α2在-5°～10°內調節。其主要功能是將種子篩分除雜,也能保證播種盤的連續性,確保在播種過程中形成連續的種子流。

2 玉米直播機四行精密播種總體參數

2.1 玉米直播機作業速度

玉米直播機作業速度與排種器、開溝器和行走裝置對速度的需求,作業速度需要保證播種質量。若作業速度太快,玉米直播機四行精密播種裝置精度會發生顯著下降,造成玉米種粒排種失敗。本文研究的玉米直播機作業速度為6～7km/h。

玉米直播機排種器采用水平V型裝置,其播種速度由以下步驟確定。

1)確定排種器篩選孔直徑尺寸為6mm,其孔盤型如圖6所示。

圖6 排種器篩選孔結構圖Fig.6 The structure diagram of seed metering device screening hole

2)排種器線速度的確定。V型排種器的線速度vg(m/s)為

(1)

其中,L表示排種器篩選孔直徑;bmax表示玉米種最大寬度;g表示種粒角速度(m/s2)。

3)玉米直播機作業速度的確定。玉米直播機安裝在農業拖拉機上,其前行動力由拖拉機提供,排種器線速度vg和播種機的速度vm要能夠對應上,則

(2)

其中,S為植株距離;Z為排種器上篩選孔數量;dp為排種器直徑;η為玉米直播機地輪漂移系數,取η=0.05。最后,根據設計的玉米直播機的參數,確定其最佳的作業速度為6.4km/h。

2.2 玉米直播機工作幅寬

玉米直播機的幅寬和配套的拖拉機牽引能力和玉米播種機的作業阻力有關。因此,設計的懸掛式玉米播種機,需要考慮拖拉機系統的懸掛能力、機組穩定力和后輪承載能力。

正常情況下,玉米直播機的工作幅度為2～4m之間,如需要更大的作業幅寬時,可以采用多臺聯合作業或折疊機架。玉米直播機的工作幅寬可以利用公式計算,即

B=nb

(3)

其中,n表示玉米直播機的播種行數;b表示玉米直播機的播種行距。

玉米播種行距一般為(50±10)cm,根據農田特點,本文采用行距50cm進行設計。玉米直播機的播種行數由式(4)可以計算出來,即

(4)

其中,T表示玉米直播機在工作速度下拖拉機的牽引力(N);η表示農業拖拉機牽引力系數,一般設定為0.75～0.90;pm表示玉米直播機的作業阻力(N)。

在此選擇拖拉機工作速度為6.4km/h,牽引力為3.68kN,牽引力系數為0.75,作業阻力為512N。經過計算后可以得到,可得n=5.39,最后計算出玉米直播機的工作幅寬為B=2.695m。

2.3 玉米直播機總體配置

根據前文對玉米直播機四行精密播種裝置的設計,參考相關研究資料,對其各個零部件進行了研究和設計,包括玉米直播機的行走輪、開溝器、鎮壓器、傳動部件和四行精密播種裝置等。玉米直播機采用懸掛式,機架采用單梁設計,方便更換不同的工作部件和調節行距,也便于搭載多種農業收割機。連接和安裝各個零部件的機架需要有足夠的強度和剛度,不能影響開溝器和種箱的安裝。玉米播種機的地輪安裝在機架主梁后側,并在對稱的位置安裝兩組開溝器。玉米直播機掛載在拖拉機上,下懸掛拉桿牽引線和水平線成0°～10°,便于牽引線點保持在懸掛軸前方。

玉米直播機在作業過程中,需要保持上下懸掛點在同一垂直面上,種箱配置在開溝器上方50cm的位置,方便操作人員進行加種操作,且能保證V型排種器的傾斜度。玉米直播機正面圖和總體配置分別如圖7和圖8所示。

圖7 玉米直播機正面圖Fig.7 The front view of corn direct seeding machine

圖8 玉米直播機總體配置圖Fig.8 The overall configuration diagram of corn direct seeding machine

3 性能測試試驗

基于四行精密播種的玉米直播機研制成功后,在某玉米種植基地進行了實際的播種作業試驗。試驗中,選取的玉米試驗地塊經過實際規劃,分為兩個獨立的地塊,均為8m×10m,一塊采用玉米直播機進行播種,另外一塊則進行人工播種。播種結束后,隨機選擇20個播種槽穴進行比較,比較包括播種速度、種植深度、每個槽穴的種子數量和封土情況。對比試驗結果如表1所示。

表1 對比試驗結果Table 1 The comparison test results

其中,封土程度表示種子入土后,在其上面覆蓋的土壤多少,中度表示好,多或少則不利于玉米種子的發芽。玉米種植深度范圍為4～6cm,每穴種子數量為2粒。

由表1可以看出:玉米直播機由于移動性能好,播種速度比人工作業提高111s/穴,種植深度和每穴種子數量也更加準確,封土情況很好,證實了玉米直播機符合設計需求,具有較高的可靠性和可行性。

4 結論

針對玉米種植播種的需求,設計了一款基于四行精密播種的玉米直播機,能夠快速完成玉米的播種。該設備移動性能好,播種速度比人工作業提高111s/穴,種植深度和每穴種子數量也更加準確,封土情況也好太多,證實了玉米播種機的可靠性和可行性。