基于四行精密播種的玉米直播機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙會(huì)娟,尹小定, 池成忠

(1.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,河南 濟(jì)源 454650;2.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,南昌 330013;3.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

0 引言

玉米種植一直采用傳統(tǒng)農(nóng)耕模式,具有播種速度慢、尺寸偏差大的特點(diǎn)。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,農(nóng)民開始采用農(nóng)機(jī)收割玉米,大幅度提高了生產(chǎn)力、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,但精度播種仍是一大難題。為此,設(shè)計(jì)了一款基于四行精密播種的玉米直播機(jī),對(duì)玉米種植具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 玉米直播機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

為了滿足玉米的精量播種,采用振動(dòng)原理設(shè)計(jì)玉米直播機(jī),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 玉米直播機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of corn direct seeding machine

精密播種裝置是玉米直播機(jī)的核心,在此主要分析研究此裝置,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 玉米直播機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of corn direct seeding machine

1.1 玉米直播機(jī)結(jié)構(gòu)

玉米直播機(jī)的零部件較多,其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能如下:

1)調(diào)節(jié)門。調(diào)節(jié)門一般安裝在外槽輪的正上方D處,在玉米測(cè)試試驗(yàn)中,D的取值范圍為6～6.5mm(玉米種植一般長(zhǎng)8～12mm,寬7～10mm,厚3～7mm,可防止種子嚴(yán)重外槽輪外表面帶出);另外,調(diào)節(jié)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(nèi)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(zhuǎn)動(dòng)下發(fā)生振動(dòng),將種子填充到外槽輪的槽穴中。橡膠彈性板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3)外槽輪。玉米直播機(jī)精密播種裝置采用外槽輪進(jìn)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(zhuǎn)向會(huì)利于種子一粒一粒排入到勺形的種槽內(nèi)部,且順勢(shì)堆積在勺內(nèi),如圖4中的陰影部分所示。通過(guò)反復(fù)測(cè)試試驗(yàn),在外槽輪正向旋轉(zhuǎn)過(guò)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(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 The internal structure of rubber elastic plate

圖4 外槽輪結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structural drawing of outer sheave

1.2 玉米直播機(jī)的排種盤設(shè)計(jì)

玉米直播機(jī)的排種盤由振動(dòng)器、篩分板、調(diào)節(jié)板組成,如圖5所示。振動(dòng)器將排種盤懸吊在排種盤支架的內(nèi)側(cè),通過(guò)調(diào)節(jié)支架的角度,可以保證V型排種盤水平夾角α1在4°～10°內(nèi)調(diào)節(jié);振動(dòng)器安裝在排種盤橫梁的中間位置,其振動(dòng)角度δ1振動(dòng)引起振動(dòng)板發(fā)生有規(guī)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(diào)節(jié)板組合起來(lái),形成了一種連續(xù)的排種盤面,二者的連接角度可以進(jìn)行調(diào)整,夾角α2在-5°～10°內(nèi)調(diào)節(jié)。其主要功能是將種子篩分除雜,也能保證播種盤的連續(xù)性,確保在播種過(guò)程中形成連續(xù)的種子流。

2 玉米直播機(jī)四行精密播種總體參數(shù)

2.1 玉米直播機(jī)作業(yè)速度

玉米直播機(jī)作業(yè)速度與排種器、開溝器和行走裝置對(duì)速度的需求,作業(yè)速度需要保證播種質(zhì)量。若作業(yè)速度太快,玉米直播機(jī)四行精密播種裝置精度會(huì)發(fā)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(jī)作業(yè)速度為6～7km/h。

玉米直播機(jī)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(jié)構(gòu)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(jī)作業(yè)速度的確定。玉米直播機(jī)安裝在農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)上,其前行動(dòng)力由拖拉機(jī)提供,排種器線速度vg和播種機(jī)的速度vm要能夠?qū)?yīng)上,則

(2)

其中,S為植株距離;Z為排種器上篩選孔數(shù)量;dp為排種器直徑;η為玉米直播機(jī)地輪漂移系數(shù),取η=0.05。最后,根據(jù)設(shè)計(jì)的玉米直播機(jī)的參數(shù),確定其最佳的作業(yè)速度為6.4km/h。

2.2 玉米直播機(jī)工作幅寬

玉米直播機(jī)的幅寬和配套的拖拉機(jī)牽引能力和玉米播種機(jī)的作業(yè)阻力有關(guān)。因此,設(shè)計(jì)的懸掛式玉米播種機(jī),需要考慮拖拉機(jī)系統(tǒng)的懸掛能力、機(jī)組穩(wěn)定力和后輪承載能力。

正常情況下,玉米直播機(jī)的工作幅度為2～4m之間,如需要更大的作業(yè)幅寬時(shí),可以采用多臺(tái)聯(lián)合作業(yè)或折疊機(jī)架。玉米直播機(jī)的工作幅寬可以利用公式計(jì)算,即

B=nb

(3)

其中,n表示玉米直播機(jī)的播種行數(shù);b表示玉米直播機(jī)的播種行距。

玉米播種行距一般為(50±10)cm,根據(jù)農(nóng)田特點(diǎn),本文采用行距50cm進(jìn)行設(shè)計(jì)。玉米直播機(jī)的播種行數(shù)由式(4)可以計(jì)算出來(lái),即

(4)

其中,T表示玉米直播機(jī)在工作速度下拖拉機(jī)的牽引力(N);η表示農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)牽引力系數(shù),一般設(shè)定為0.75～0.90;pm表示玉米直播機(jī)的作業(yè)阻力(N)。

在此選擇拖拉機(jī)工作速度為6.4km/h,牽引力為3.68kN,牽引力系數(shù)為0.75,作業(yè)阻力為512N。經(jīng)過(guò)計(jì)算后可以得到,可得n=5.39,最后計(jì)算出玉米直播機(jī)的工作幅寬為B=2.695m。

2.3 玉米直播機(jī)總體配置

根據(jù)前文對(duì)玉米直播機(jī)四行精密播種裝置的設(shè)計(jì),參考相關(guān)研究資料,對(duì)其各個(gè)零部件進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì),包括玉米直播機(jī)的行走輪、開溝器、鎮(zhèn)壓器、傳動(dòng)部件和四行精密播種裝置等。玉米直播機(jī)采用懸掛式,機(jī)架采用單梁設(shè)計(jì),方便更換不同的工作部件和調(diào)節(jié)行距,也便于搭載多種農(nóng)業(yè)收割機(jī)。連接和安裝各個(gè)零部件的機(jī)架需要有足夠的強(qiáng)度和剛度,不能影響開溝器和種箱的安裝。玉米播種機(jī)的地輪安裝在機(jī)架主梁后側(cè),并在對(duì)稱的位置安裝兩組開溝器。玉米直播機(jī)掛載在拖拉機(jī)上,下懸掛拉桿牽引線和水平線成0°～10°,便于牽引線點(diǎn)保持在懸掛軸前方。

玉米直播機(jī)在作業(yè)過(guò)程中,需要保持上下懸掛點(diǎn)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(jìn)行加種操作,且能保證V型排種器的傾斜度。玉米直播機(jī)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(jī)正面圖Fig.7 The front view of corn direct seeding machine

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

3 性能測(cè)試試驗(yàn)

基于四行精密播種的玉米直播機(jī)研制成功后,在某玉米種植基地進(jìn)行了實(shí)際的播種作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)中,選取的玉米試驗(yàn)地塊經(jīng)過(guò)實(shí)際規(guī)劃,分為兩個(gè)獨(dú)立的地塊,均為8m×10m,一塊采用玉米直播機(jī)進(jìn)行播種,另外一塊則進(jìn)行人工播種。播種結(jié)束后,隨機(jī)選擇20個(gè)播種槽穴進(jìn)行比較,比較包括播種速度、種植深度、每個(gè)槽穴的種子數(shù)量和封土情況。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)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(fā)芽。玉米種植深度范圍為4～6cm,每穴種子數(shù)量為2粒。

由表1可以看出:玉米直播機(jī)由于移動(dòng)性能好,播種速度比人工作業(yè)提高111s/穴,種植深度和每穴種子數(shù)量也更加準(zhǔn)確,封土情況很好,證實(shí)了玉米直播機(jī)符合設(shè)計(jì)需求,具有較高的可靠性和可行性。

4 結(jié)論

針對(duì)玉米種植播種的需求,設(shè)計(jì)了一款基于四行精密播種的玉米直播機(jī),能夠快速完成玉米的播種。該設(shè)備移動(dòng)性能好,播種速度比人工作業(yè)提高111s/穴,種植深度和每穴種子數(shù)量也更加準(zhǔn)確,封土情況也好太多,證實(shí)了玉米播種機(jī)的可靠性和可行性。