夾持式玉米精密排種器設計與試驗

王業成 高云鵬 臺文碩 李寶權 張 偉 韓 星

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

玉米精密播種是根據農藝要求、利用精密播種機械將玉米種子精準定量地播入土壤預定位置的先進技術[1-2]，其關鍵是在保證播種密度的前提下，實現粒距均勻和播深一致。精密排種器作為實現精密播種技術的核心工作部件，是保證播種質量的重要手段[3-5]。

近年來國內外學者針對機械式玉米排種器進行了大量研究[6-13]，王金武等[6]對動定指勺夾持式玉米精量排種器結構參數進行了優化，提高了排種器對種子的適應性；耿端陽等[11]設計了一種玉米伸縮指夾式排種器，提高了排種器高速排種性能；李洪剛[12]設計了仿生指夾排種器，降低了種子破損率。目前機械式玉米排種器已能滿足播種要求[6]，但仍存在著結構復雜、運動部件易磨損等問題。

針對上述問題，為簡化排種器結構，提高工作性能，本文設計一種夾持式玉米精密排種器，通過壓種環在各工作區域的不同結構，配合夾種塊控制種子的位置及其運動狀態，在夾種塊、壓種環之間的空間實現充種、夾種、清種、投種過程，以提高播種質量。

1 排種器結構與工作原理

1.1 主要結構

如圖1所示，夾持式玉米精密排種器主要由護罩、壓種環、排種盤、殼體、主軸等部件組成，其中壓種環固裝在護罩上，護罩固裝在殼體上，排種盤通過主軸可轉動地安裝在殼體上。壓種環按照排種功能分為充種、夾種、清種、投種4個區域；排種盤由排種盤座、18個夾種塊及板簧構成，排種盤座外側開有18個投種室，每個夾種塊分別通過板簧安裝在排種盤座上，位置分別與排種盤座上的18個投種室依次對應，工作時夾種塊可對種子提供沿排種盤軸向的壓力來實現種子夾持，夾種塊上裝有推種凸臺，可推動種子沿壓種環工作表面滑動；在壓種環充種區上方裝有隔板，隔板與排種盤座上的環形凹槽構成管狀的充種空間。

圖1 夾持式玉米精密排種器結構圖Fig.1 Structural drawings of clamping maize precision seed-metering device1.進種口 2.護罩 3.壓種環 4.排種盤座 5.板簧 6.主軸 7.殼體 8.夾種塊 9.投種室 10.隔板 11.推種凸臺

1.2 工作原理

如圖2所示，排種器工作過程分為充種、夾種、清種、投種4個過程，其中投種過程分為一次投種和二次投種兩部分。

圖2 工作原理圖Fig.2 Working principle diagramsa.充種區 b.夾種區 c.清種區 d.一次投種區 e.二次投種區1.主軸 2、11.排種盤座 3.隔板 4.壓種環 5.玉米種子 6.板簧 7.推種凸臺 8.夾種塊 9.投種室 10.殼體

作業時，種子通過護罩上的進種口進入護罩內，在自身重力作用下流入隔板與排種盤之間的管狀空間里，在排種盤摩擦力的作用下，種子隨排種盤運動，從管狀空間另一側的出口流出。如圖2c所示，管狀空間內的種子在重力及種子之間作用力的作用下進入到夾種塊與壓種環之間，完成充種過程。如圖2b～2d所示，在夾種區，壓種環的高度逐漸升高，使其與夾種塊之間的距離逐漸減小，當距離小于種子幾何尺寸時，壓種環推動種子及夾種塊做軸向運動，使板簧變形，通過板簧的形變控制對種子的夾持力，將種子夾緊，完成夾種過程。被夾持的種子在夾種塊和推種凸臺推力的作用下，沿著壓種環工作表面滑動。在清種區，壓種環工作表面為多個波浪型起伏結構，種子、夾種塊隨著壓種環的波浪型表面起伏運動。當夾種塊與壓種環之間夾持2粒種子時，2粒種子將依次交替通過波浪型起伏結構的波峰和波谷，當一粒種子位于波峰時另一粒種子可能位于波谷，位于波峰的種子將被夾緊，而位于波谷的種子將喪失夾持力，在自身重力的作用下與夾種塊分離，實現清種過程。如圖2e所示，在投種區隨著壓種環繼續升高，推動種子及夾種塊作軸向運動，使被夾持的種子所在的空間與投種室連通，同時壓種環向外側傾斜，夾種塊與壓種環對種子的夾持力將提供一個沿排種盤徑向向外的推力分量，推動種子向外滑動進入投種室，失去種子的支撐后，夾種塊在板簧彈力的作用下回彈，與壓種環接觸，封閉投種室，完成一次投種過程。進入投種室的種子隨排種盤一同轉動，當投種室轉到殼體下方投種口位置時，種子在重力作用下掉出投種室，完成二次投種過程。

2 關鍵部件設計與分析

2.1 玉米種子幾何參數

玉米種子的幾何參數為排種器的設計與分析提供了基礎參數和設計依據[14-15]，本文選取黑龍江地區種植的3種玉米：天農九(大粒)、紅旗688 (中粒)、黃金糯(小粒)，其幾何尺寸如表1所示。

表1 玉米種子幾何參數Tab.1 Geometric dimension parameters of maize seeds mm

不同品種之間幾何尺寸存在較大差異，各品種內部長度差異較大，寬度、高度差異較小。為方便研究，將玉米種子按幾何形狀分為扁形和圓形[14-15]，如圖3所示。

圖3 玉米種子外形分類Fig.3 Shape grading of maize seeds

2.2 充種過程分析

充種時，護罩內的種子在重力作用下流入到隔板與排種盤之間的管狀空間里，在排種盤摩擦力的作用下，種子隨排種盤運動，從管狀空間另一側的出口流出。管狀空間內的種子在重力及種子之間作用力的作用下進入夾種塊和壓種環之間，實現充種過程。

圖4 種子散體受力分析Fig.4 Mechanics analyses of granular seeds

取圖2a中圓弧充種區域內的種子群為研究對象，忽略重力，由于種子相對較小，為簡化分析過程，把其看成截面為矩形的連續體進行分析[16]，取種子群微段ds為研究對象，設沿種子流向為正向，如圖4a所示。對微段ds進行受力分析，如圖4b所示。充種區域內的種子三面受到排種盤向左的摩擦力，一面受到隔板向右的摩擦力，左、右端受到其他種子的作用力。

對微段水平方向列靜力學方程

(p+dp-p)A0=
f1FN2+f1FN2+f1FN1-fFN1

(1)

其中

A0=abFN1=μpbdsFN2=μpads

式中p——截面受到的壓力，MPa

A0——截面面積，mm2

a——排種盤座上環形凹槽底部到隔板的距離，mm

b——排種盤座上環形凹槽寬度，mm

FN1——排種盤座上環形凹槽底部與隔板對種子群微段前、后表面的法向力，N

FN2——排種盤座上環形凹槽兩側對種子群微段上、下表面的法向力，N

f——種子與隔板間的動摩擦因數

f1——種子與排種盤座間的動摩擦因數

μ——微段其他方向壓力與左右端面的壓力比值

由式(1)得

(2)

設在弧形種子群端面s=0處作用有均勻分布的初始壓力p0，其大小由排種器內種子的高度、密度、內摩擦角、外摩擦角等因素確定，可按散體理論深倉模型進行估算[17]，由式(2)得充種區內種子群各橫截面的壓力為

(3)

式中l0——弧形空間種子散體長度，mm

s——弧形空間的截面位置，mm

由式(3)可以看出，充種區內種子群各截面的壓力p與各截面位置s呈指數關系增大，這使種子可以獲得大于自身重力的填充力，快速進入夾種塊與壓種環之間，完成充種過程[18]。同時種子隨著排種盤一同運動，減小了種子與排種盤間的相對速度，降低了種子慣性力對充種性能的影響。

2.3 夾種部件設計

2.3.1壓種環夾種區

壓種環夾種區由3個斜面和2個水平面構成，各斜面的傾角、長度均相等，如圖2b所示。

夾種過程中，種子沿著壓種環的斜面向上滑動，其受力如圖5所示，斜面上升傾角θ應滿足種子在壓種環表面滑動時不發生自鎖現象，避免種子自鎖后相對夾種塊、壓種環翻轉，要求

φ>φf

(4)

式中φ——壓種環對種子全約束力FR與接觸面法線的夾角，(°)

φf——玉米種子與壓種環間的摩擦角，(°)

l——玉米種子沿滑動方向的長度，mm

t——玉米種子高度，mm

h——推種凸臺高度，mm

r——玉米種子棱邊圓角半徑，mm

圖5 夾種過程受力分析Fig.5 Mechanics analysis of seed clamping

由式(4)可知，在一定摩擦角φf條件下，增大推種凸臺高度h可以降低結構對斜面傾角θ的要求，長高比大、棱邊圓角半徑小的種子不易發生自鎖、翻轉現象。

玉米種子與壓種環間的摩擦角為24.6°～35.0°，結合表1、式(4)，取斜面上升傾角θ=7°，可滿足玉米種子不發生自鎖的要求。

2.3.2夾種塊

夾種塊是夾持種子的關鍵部件，其長度、寬度決定了夾種塊與種子接觸面的幾何參數，應滿足排種器各工作過程的作業要求。在充種過程中要求夾種塊與壓種環形成較大的充填空間，便于種子填充，滿足充種要求；在夾種過程中要求夾種塊對種子的穩定夾持；在清種過程中要求夾種塊便于清除多余的種子，實現較高的單粒夾持率[19]。為了滿足各工作過程的要求，取夾種塊的長度大于寬度，在長度方向實現可靠充種，在寬度方向避免夾持2粒玉米種子，結合表1玉米種子的幾何參數，取其與種子接觸的工作表面的長度為15 mm，寬度為9 mm。

推種凸臺在排種器的充種、夾種、清種及一次投種過程中，推動種子沿壓種環工作表面滑動。如圖5所示，推種凸臺高度h應小于單粒種子高度t，才能實現夾種塊與壓種環對種子的夾持，反之較大的推種凸臺高度可以使種子沿壓種環平穩地滑動。取推種凸臺高度h=3 mm。

2.4 清種過程分析

在清種區，受夾種塊與壓種環寬度的限制，夾種塊難以橫向夾持2粒種子。為了提高充種性能，選取較大的夾種塊長度，使夾種塊與壓種環縱向存在夾持2粒種子的可能。

對夾種塊縱向夾持2粒種子的情況進行分析。由于夾種塊相對于排種盤做軸向平行移動，當2粒種子尺寸相差較大時，尺寸較小的種子將不能被夾持，當2粒種子尺寸相近時，可同時被夾種塊夾持。如圖6所示，在清種區，2粒種子依次交替地通過波浪型起伏結構的波峰、波谷，當一粒種子位于波峰時另一粒種子可能位于波谷，位于波峰的種子將被夾緊，而位于波谷的種子將喪失夾持力，喪失夾持力的種子在自身重力的作用下與夾種塊分離。在清種過程中，波浪形結構多次出現，使夾持2粒種子的夾種塊多次喪失對其中某一粒種子的夾持，以提高清種性能。

圖6 清種過程示意圖Fig.6 Schematics of seed clearing

波浪型結構的長度應大于單粒種子的幾何尺寸，實現一粒種子位于波峰時另一粒種子可以位于波谷；波浪型結構的深度應小于種子的最小尺寸，不影響單粒種子的夾持，在夾持2粒種子時，其深度應能實現使位于波谷的種子喪失夾持力；波浪型結構的斜面上升傾角應避免種子發生自鎖現象。取波浪型結構的長度為16.5 mm，深度為1.5 mm，斜面上升傾角為5.2°。

2.5 投種過程分析

投種過程分為一次投種和二次投種兩部分。如圖7所示，一次投種階段壓種環工作平面與夾種塊由平行轉為向外側傾斜α，使夾種塊與壓種環對種子提供的支持力FN3、FN4產生一個沿排種盤徑向向外的推力分量，此時夾種塊、壓種環與種子間的摩擦力Fs1、Fs2沿排種盤徑向向內的分量與之平衡。壓種環在投種區的工作表面為起伏較小的波浪形結構，當種子與夾種塊間的靜摩擦力變為動摩擦力時，由于動摩擦力與相對速度方向相反，使種子有向外滑動的運動分量vn，種子將向外滑動進入投種室，完成一次投種過程。

圖7 投種過程受力分析圖Fig.7 Mechanics analysis diagram of seed dropping

一次投種過程完成后，夾種塊在板簧彈力的作用下回彈，與壓種環接觸，將投種室封閉，避免種子掉出投種室，落入護罩內，造成漏播，同時進入投種室的種子隨排種盤一同轉動，當投種室轉到殼體下方投種口位置時，種子在重力作用下掉出投種室，完成二次投種過程。

3 試驗

3.1 試驗材料與設備

試驗材料選用天農九(大粒)、紅旗688(中粒)、黃金糯(小粒)玉米種子。試驗在東北農業大學排種器實驗室實施。

如圖8所示，試驗裝置主要由夾持式玉米精密排種器、JPS-12型排種器性能試驗臺、高速攝像機等組成。

圖8 排種性能試驗臺Fig.8 Test bed of seeding performance experiments1.高速攝像機 2.JPS-12型排種器性能試驗臺 3.夾持式玉米精密排種器

3.2 試驗方法

選取播種機工作速度為試驗因素。根據農藝要求，選取天農九玉米種子播種株距為33 mm，紅旗688、黃金糯玉米種子播種株距為25 mm。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、重播指數和漏播指數為試驗指標，進行單因素試驗，以評價排種器作業質量、適播范圍。在試驗過程中，每組試驗重復3次，每次連續記錄當排種器穩定工作時起種床帶上排出的250顆種子，取3次試驗的平均值作為試驗結果[20]。

3.3 試驗結果與分析

試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果Tab.2 Experiment results

如圖9所示，各品種的重播指數隨播種機工作速度的增加而增高，隨玉米種子幾何尺寸的減小而增高。當播種機工作速度增加時，夾種塊通過清種區時的速度增加、多余種子喪失夾持力的時間減少，使部分多余種子沒有充足的時間依靠重力脫離夾種塊與壓種環之間的區域，同時離心力增大，降低了種子脫離夾種塊與壓種環之間區域的速度，造成重播指數增高；夾種塊在設計過程中主要參考了天農九(大粒)種子的幾何尺寸，在針對紅旗688(中粒)、黃金糯(小粒)種子進行試驗時，出現了重播指數較高的問題，可通過設計不同規格的壓種環以改善排種器對中、小型玉米種子的播種性能。

圖9 重播指數隨播種機工作速度變化曲線Fig.9 Changing curves of multiple index with planter operating speed

如圖10所示，各品種的漏播指數受播種機工作速度與玉米種子幾何尺寸變化影響較小，當播種機工作速度為3～13 km/h時，該排種器針對3種不同品種的玉米種子，漏播指數均不大于0.8%，該排種器利用排種盤的摩擦力驅動種子流動、增大種子充填力、減小種子與排種盤的相對速度的充種方案可行。

圖10 漏播指數隨播種機工作速度變化曲線Fig.10 Changing curves of missing index with planter operating speed

如圖11所示，各品種的合格指數隨著播種機工作速度的增加而降低，隨種子尺寸的減小而降低。合格指數降低主要由重播指數的增加引起。

圖11 合格指數隨播種機工作速度變化曲線Fig.11 Changing curves of qualified index with planter operating speed

夾持式玉米精密排種器播種質量受玉米種子幾何尺寸影響較大，其中針對天農九(大粒)玉米種子的排種效果較佳，在工作速度為11 km/h時，其合格指數為90.1%，重播指數為9.1%，漏播指數為0.8%，滿足排種作業要求。

4 結論

(1)設計了一種夾持式玉米精密排種器，闡述了排種器總體結構及工作原理，對充種過程進行理論分析，獲得種子填充力變化規律，分析了清種、投種工作過程，確定了關鍵部件結構參數。

(2)通過天農九(大粒)、紅旗688(中粒)、黃金糯(小粒)3個玉米品種的對比試驗發現，天農九的排種效果較佳，在工作速度為11 km/h時，其合格指數為90.1%，重播指數為9.1%，漏播指數為0.8%，滿足播種作業要求。