耿端陽(yáng) 張明源 何 珂 李玉環(huán) 解春季 金誠(chéng)謙

(1.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 淄博 255000； 2.雷沃重工股份有限公司， 濰坊 261206)

0 引言

目前，常用的玉米排種器主要有機(jī)械式、氣吸式和氣吹式3大類[1]。其中氣吸式和氣吹式排種器對(duì)種子適應(yīng)性強(qiáng)、損傷輕，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，且排種質(zhì)量受氣流速度和壓力影響較大,嚴(yán)重制約了氣力式排種器的推廣應(yīng)用[2-4]。而機(jī)械式排種器雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但是由于受到結(jié)構(gòu)和工作原理的限制，在播種機(jī)高速作業(yè)時(shí)，排種質(zhì)量明顯下降[5-6]。因此在土地集約化經(jīng)營(yíng)和中大功率拖拉機(jī)帶動(dòng)播種機(jī)高速高效播種的影響下[7]，研究適用于高速播種的機(jī)械式排種器顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)許多專家學(xué)者在該方面進(jìn)行了研究[8-15]。這些研究雖然對(duì)機(jī)械式玉米排種器的某一特性進(jìn)行了有益的探索，但是基本都未達(dá)到成熟、可靠的實(shí)用階段。為此，借鑒相關(guān)研究成果[16-19]，本文設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、充種效果好、清種便捷且滿足高速作業(yè)要求的傾斜雙圓環(huán)型孔圓盤式玉米精量排種器。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

傾斜圓盤式排種器主要由型孔盤、清種器、投種器、定盤、護(hù)種板、罩殼、窺視孔蓋和驅(qū)動(dòng)齒輪等部件組成。定盤與水平面呈一傾角固定，且在投種位置設(shè)有投種口，型孔盤緊靠在定盤上；罩殼與型孔盤共同組成排種器容腔，罩殼外部設(shè)有窺視孔蓋，型孔盤上方設(shè)有與型孔配合的清種器和投種器，罩殼內(nèi)部下側(cè)設(shè)置有護(hù)種板，護(hù)種板與型孔盤共同確定了容種腔種子的充盈高度，構(gòu)成了容種腔。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of seeder1.窺視孔蓋 2.罩殼 3.清種器 4.型孔盤 5.投種器 6.護(hù)種板 7.定盤 8.驅(qū)動(dòng)齒輪

圖3 種子尺寸分布頻率圖Fig.3 Probability of seed’s dimension

排種器工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)型孔盤轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)型孔轉(zhuǎn)動(dòng)至容種腔時(shí)，種子在自身重力和其上層種子壓力的共同作用下充入雙圓環(huán)型孔內(nèi)，由于型孔盤面上采用了雙圓環(huán)型孔分布結(jié)構(gòu)，可以有效降低型孔盤工作時(shí)的轉(zhuǎn)速，延長(zhǎng)了型孔的充種時(shí)間，降低了種子因?yàn)殡x心力作用飛離型孔的概率，較好地解決了當(dāng)前機(jī)械式排種器高速播種充種性能差的問題。隨著型孔盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)型孔轉(zhuǎn)離容種腔后，在清種區(qū)內(nèi)位于型孔中多余的種子便在重力作用下自主滑落，對(duì)于型孔中未能滑落的多余種子，則由位于排種盤最上部的清種器完成清種過程；當(dāng)充有單粒種子的型孔經(jīng)過攜種區(qū)到達(dá)投種區(qū)時(shí)，該種子便由嚙合式投種器強(qiáng)制投出型孔，完成排種器的投種過程，如圖2所示。

圖2 排種器工作過程示意圖Fig.2 Process diagram of seeder1.容種腔 2.充入型孔的種子 3.自清的種子 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.攜種區(qū) Ⅳ.投種區(qū)

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 玉米種子物料學(xué)特性

為保證玉米種子對(duì)型孔的充填效果，實(shí)現(xiàn)型孔中多余種子的順利清種和后續(xù)投種工作，并減少投、清種過程的種子損傷，對(duì)當(dāng)前黃淮海地區(qū)應(yīng)用較多的3種主要玉米品種進(jìn)行了外形尺寸統(tǒng)計(jì)測(cè)量,每種取樣1 000粒，分別對(duì)其長(zhǎng)度l、寬度b、厚度n三維尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3a可知，90%以上的種子長(zhǎng)度l范圍在11～13 mm； 由圖3b可知，超過90%的種子寬度b范圍在9～11 mm；由圖3c可知，90%以上的種子厚度n范圍在4.5～6.0 mm。

2.2 型孔盤傾角的確定

型孔盤的傾角對(duì)該排種器性能有很大影響。為保證容種腔內(nèi)種子能夠滑向充種位置以及充種后多余種子在清種區(qū)Ⅱ能自流清種,必須保證種子能在重力作用下沿型孔盤自動(dòng)下滑。設(shè)種子的摩擦角為φ，型孔盤傾角為α，為了保證種子能夠穩(wěn)定向下滑落，則型孔盤的傾角α要大于等于種子的摩擦角φ，即

α≥φ

(1)

通過測(cè)量玉米種子的摩擦角約為28°，則排種盤的角度α≥28°。

容種腔內(nèi)種子首先滑落到型孔位置處，對(duì)即將充入型孔的種子進(jìn)行受力分析，如圖4所示。該過程種子受力主要包括重力Fg，上層種子對(duì)其的垂直壓力Fv，以及種腔種子對(duì)型孔上方種子產(chǎn)生的水平側(cè)壓力Fh，在上述3個(gè)力作用下，種子產(chǎn)生沿型孔軸線方向的充填力Ft。顯然，充填力Ft越大，則越有利于種子充入型孔。

圖4 種子充填型孔過程的受力分析圖Fig.4 Stress analysis of seed filling cell process

由圖4可知，此時(shí)種子受到的充填力Ft為

Ft=(Fg+Fv)cosα+Fhsinα

(2)

由于護(hù)種板限制了種子的充盈高度，且排種器的容種腔高度較小，故可視該容種腔為淺倉(cāng)[20]。

在容種腔內(nèi)，有

(3)

式中γs——物料重度，玉米種子為9.96～10 kN/m3

y——充種高度，本排種器充種高度將受到護(hù)種板限制

K——壓力比

由于玉米種子的粘聚力為零，故有

(4)

式中φi——種子內(nèi)摩擦角，玉米種子為18°～20°

Fg=mg/(lb)

(5)

試驗(yàn)用3種玉米種子平均百粒質(zhì)量26～30 g，種子長(zhǎng)度l取11～13 mm,種子寬度b取9～11 mm。將式(3)～(5)代入式(2)，則有

(6)

由式(6)可知，充填力與充種高度y、傾角α相關(guān)。應(yīng)用Matlab繪制填充力與傾角、充種高度的關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 充填力曲面Fig.5 Stress filling cell function surface

由圖5可知，排種器的充填應(yīng)力隨傾斜角度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，且在16°～44°角度范圍內(nèi)變化較小，結(jié)合上文種子沿型孔盤的自流角必須大于28°，傾斜角度的最佳范圍是[28°,44°]，而排種器的充填應(yīng)力隨充種高度增加而緩慢增大，考慮到容種腔與清種位置影響，充種高度范圍為[0.09 m, 0.11 m]，故設(shè)計(jì)時(shí)選取充種高度與型孔盤中心至水平面垂直距離基本相等，即0.11 m。

2.3 型孔分布與結(jié)構(gòu)

2.3.1 型孔尺寸確定

型孔尺寸對(duì)種子的充孔姿態(tài)有很大影響。為盡量提高型孔充種的單粒率，型孔直徑并未大于種子的最大長(zhǎng)度，因而種子在充填力作用下充入型孔較少為平躺姿態(tài)?？紤]極端情況，即一端先充入，另一端后充入，如圖6所示，對(duì)其進(jìn)行受力分析，則種子受力包括重力mg，A、B接觸點(diǎn)的支反力NA、NB以及摩擦力FA、FB。

圖6 種子在型孔不被卡住的條件Fig.6 Condition that seed cannot be stuck in cell

設(shè)型孔直徑為d，種子與型孔的接觸點(diǎn)為A、B，AB連線與型孔盤底面的夾角為σ，型孔盤與水平面的夾角為α，則當(dāng)種子卡在型孔時(shí)，由∑MA(F)=0近似有

(7)

(8)

式中 f——種子與型孔內(nèi)壁摩擦因數(shù)，一般為0.53～0.85[21-22]

忽略種子接觸點(diǎn)的圓弧誤差，則

(9)

對(duì)式(9)化簡(jiǎn)，有

tanσ≤f2tanα

(10)

α由上文可知取[28°,44°]，所以要保證種子不卡在型孔中，有

σ≤3.94°

(11)

型孔直徑d的下限至少大于等于種子的寬度，由上文知玉米種子長(zhǎng)度l范圍11～13mm，寬度b范圍9～11mm，所以d的選擇應(yīng)滿足

b

即11mm

為保證充種的可靠性，型孔直徑不應(yīng)過小。最終選擇型孔直徑12mm。

2.3.2 型孔分布方式和內(nèi)外型孔環(huán)直徑的確定

為了降低型孔盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，本排種器采用雙圓環(huán)型孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)外環(huán)型孔采用錯(cuò)位布置方式。這樣充有種子的型孔轉(zhuǎn)至投種區(qū)域時(shí)，型孔內(nèi)種子將以內(nèi)、外環(huán)型孔交替方式依次被投種器投出，這樣實(shí)現(xiàn)了在型孔盤低速轉(zhuǎn)動(dòng)滿足高速播種的要求。

本排種器設(shè)計(jì)需要滿足播種機(jī)高速和低速作業(yè)的要求，設(shè)機(jī)器作業(yè)速度為v，排種器轉(zhuǎn)速為n，排種器每轉(zhuǎn)內(nèi)外環(huán)型孔數(shù)為N，玉米播種株距為s,取0.25m，則t時(shí)間后排種器排出的種子數(shù)為

N1=2Nnt

(12)

t時(shí)間機(jī)器實(shí)際需要播種的株數(shù)

(13)

由N1=N2，解得

n=v/(2sN)

(14)

由式(14)可知，對(duì)于不同作業(yè)速度,型孔盤應(yīng)該有不同的轉(zhuǎn)速。例如當(dāng)播種機(jī)的作業(yè)速度為12km/h，型孔數(shù)為26、28、30、32、34時(shí)，型孔盤轉(zhuǎn)速為15.3、14.2、13.3、12.4、11.7r/min。

隨著型孔盤每周型孔數(shù)越多，型孔盤轉(zhuǎn)速越低，則充種時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于保證型孔的充種性能。

由于充種容腔內(nèi)種子受到型孔盤轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，多數(shù)種子會(huì)沿著與型孔盤平行的姿態(tài)分布[23]，所以為了保持種子以該姿態(tài)在復(fù)合填充力作用下穩(wěn)定落入型孔，須保證同一環(huán)型孔間距能至少駐存一粒種子，內(nèi)外環(huán)型孔環(huán)之間能夠駐留一粒種子。

故內(nèi)環(huán)最小直徑

(15)

外環(huán)最小圓周直徑

dl2=dl1+2d

(16)

最小內(nèi)外環(huán)直徑如表1所示。

表1 最小型孔環(huán)直徑Tab.1 Minimum cell ring diameter mm

由式(15)、(16)可知，在型孔直徑確定的情況下，型孔數(shù)目影響型孔環(huán)直徑，型孔越多，型孔盤轉(zhuǎn)速越低，有利于提高充種率、降低破碎率，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致排種盤結(jié)構(gòu)的增大；反之，型孔越少，在保證播種株距前提下，型孔盤轉(zhuǎn)速會(huì)有所提升。

考慮到排種器需安裝在播種機(jī)上，結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，型孔盤直徑選擇290 mm，故型孔數(shù)目范圍需小于等于34。

2.3.3 清種器與投種器

為了進(jìn)一步提高充種的單粒率，種子除了在清種區(qū)Ⅱ內(nèi)采用自流清種外，還在型孔盤頂部(自流清種末端)設(shè)有可防止種子破碎的彈性清種器，如圖7所示。

圖7 彈性清種器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of elastic seed cleaner1.罩殼 2.連接板 3.清種盤片 4.開口銷 5.彈簧 6.螺栓7.銷

該彈性清種器主要對(duì)不能通過自流清種的多余種子進(jìn)行強(qiáng)制清種。即通過彈簧使清種盤片緊靠在型孔盤面型孔位置，當(dāng)出現(xiàn)未能通過自流清種的多余種子滯留于型孔內(nèi)時(shí)， 清種盤片就會(huì)將多余的種子強(qiáng)制清出，從而保證排種器的單粒播種率要求。

考慮種子以傾斜姿態(tài)充入型孔，可能出現(xiàn)種子因?yàn)榭荒茼槙硰男涂茁淙胪斗N口，所以在投種口位置設(shè)有嚙合式投種器，該嚙合式投種器采用與雙圓環(huán)型孔嚙合的雙排行星輪式結(jié)構(gòu)，如圖8所示，在型孔轉(zhuǎn)到投種口位置時(shí)，通過行星輪與型孔的嚙合作用實(shí)現(xiàn)型孔內(nèi)種子的強(qiáng)制排出，從而保證投種過程的穩(wěn)定性和可靠性。

圖8 嚙合式投種器結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of apparatus1.罩殼 2.連接板 3.投種輪 4.開口銷 5.彈簧 6.螺栓 7.銷

3 性能臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料：先玉355玉米種子，千粒質(zhì)量280.2 g，含水率12.9%。

試驗(yàn)設(shè)備：JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)及方法

試驗(yàn)指標(biāo)：由GB/T 6937—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，性能指數(shù)包括：

合格指數(shù)

A=n1/N′×100%

(17)

重播指數(shù)

D=n2/N′×100%

(18)

漏播指數(shù)

M=n3/N′×100%

(19)

式中n1——單粒排種數(shù)n2——2粒以上排種數(shù)n3——漏排種數(shù)N′——理論排種數(shù)

采用三因素五水平的二次旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，選擇傾角、型孔數(shù)、型孔盤轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素。通過調(diào)節(jié)排種器固定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)傾角變化，自制多種型孔數(shù)的型孔盤，通過更換型孔盤調(diào)節(jié)型孔數(shù)，型孔盤轉(zhuǎn)速由調(diào)速電動(dòng)機(jī)提供，通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)型孔盤轉(zhuǎn)速的改變。試驗(yàn)因素編碼表如表2所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。X1、X2、X3為因素編碼值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 回歸分析

試驗(yàn)結(jié)果采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行回歸分析，以確定各試驗(yàn)指標(biāo)在不同試驗(yàn)因素水平組合下的變化規(guī)律。具體數(shù)據(jù)分析如表4～6所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Codes of factors and levels

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Experimental project and results

表4方差分析表明試驗(yàn)指標(biāo)回歸方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好，可得合格指數(shù)與各因素編碼值的回歸方程為

(20)

同理可得重播指數(shù)與各因素編碼值的回歸方程為

(21)

表4 合格指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.4 Variance analysis of test results for qualified rate

注：F0.05(5,8)=3.69，F(xiàn)0.01(9,13)=4.19，F(xiàn)0.1(1,13)=3.14，下同。

表5 重播指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.5 Variance analysis of test results for replanting rate

圖9 各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響Fig.9 Effects of varying levels of each factor on test index

同理可得漏播指數(shù)與各因素編碼值的回歸方程為

(22)

表6 漏播指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.6 Variance analysis of test results for leakage rate

3.3.2 排種性能分析

由回歸方程可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)三因素對(duì)合格指數(shù)顯著性影響大小順序依次是：傾角、型孔盤轉(zhuǎn)速和型孔數(shù)目；在試驗(yàn)范圍內(nèi)三因素對(duì)重播指數(shù)與漏播指數(shù)的顯著性影響大小順序是：傾角、型孔數(shù)目和型孔盤轉(zhuǎn)速。

采用降維法將任意兩個(gè)因素固定在零水平，分析另一單因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，三因素對(duì)合格指數(shù)影響結(jié)果如圖9a所示。隨著傾角增加，合格指數(shù)呈先上升后下降的趨勢(shì)，增大型孔盤轉(zhuǎn)速與型孔數(shù)目合格指數(shù)則呈逐漸下降趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。

三因素對(duì)重播指數(shù)影響結(jié)果如圖9b所示，隨著傾角與型孔數(shù)增加，重播指數(shù)呈先下降后上升趨勢(shì)，隨著型孔盤轉(zhuǎn)速增加，重播指數(shù)逐漸增加。

三因素對(duì)漏播指數(shù)影響結(jié)果如圖9c所示，漏播指數(shù)隨著傾角增大與型孔數(shù)增加呈上升趨勢(shì)，隨著型孔盤轉(zhuǎn)速增加，漏播指數(shù)逐漸增大。

通過回歸方程可知X1X2影響顯著，利用Matlab繪制三維等值線圖如圖10所示。

圖10 X1與X2交互作用的影響Fig.10 Interaction effects analysis of X1 and X2

由圖10a可知在傾斜角度置于零水平之下時(shí)，隨著傾斜角度的增加，合格指數(shù)隨著型孔數(shù)目增多而上升；在傾斜角度置于零水平之上時(shí)，隨著傾斜角度增加，合格指數(shù)隨著型孔數(shù)目增多而下降。隨著型孔數(shù)目增多，合格指數(shù)隨著傾斜角度增加而呈一定下降趨勢(shì)。

由圖10b可知隨著傾斜角度增加，重播指數(shù)隨著型孔數(shù)目增多呈下降趨勢(shì)；隨著型孔數(shù)目增多，重播指數(shù)隨著傾斜角度增加呈下降趨勢(shì)。

由圖10c可知隨著傾斜角度增加，漏播指數(shù)隨著型孔數(shù)目增多而上升，隨著型孔數(shù)目增多，漏播指數(shù)隨著傾斜角度增加而上升。

3.3.3 排種器性能優(yōu)化

依玉米排種器田間作業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求可知，排種器合格指數(shù)大于80%，重播指數(shù)小于15%，漏播指數(shù)小于8%。據(jù)此創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)，將回歸方程代目標(biāo)函數(shù)中，規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)及約束條件為

Fmax=A-D-M

(23)

依據(jù)拉格朗日乘數(shù)法求解，圓整優(yōu)化結(jié)果為：傾斜角度39°，型孔數(shù)目30個(gè),型孔盤轉(zhuǎn)速11 r/min。

在此條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)表明本排種器合格指數(shù)大于等于97%，重播指數(shù)小于等于1.5%，漏播指數(shù)小于等于0.5%。

4 田間試驗(yàn)

根據(jù)上述優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，選擇傾斜角度為39°，型孔數(shù)目30個(gè)進(jìn)行排種器大田試驗(yàn)。試驗(yàn)于2017年6月5—8日在山東省淄博市淄川區(qū)趙瓦村試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)型為山東常林2BMTF-5型玉米免耕精量播種機(jī)，配套動(dòng)力為雷沃歐豹M1304-G型拖拉機(jī)，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min。圖11為排種器田間試驗(yàn)情況。

圖11 排種器田間試驗(yàn)Fig.11 Field test of seed-metering device

試驗(yàn)田地塊土質(zhì)疏松，小麥留茬高度15 cm，試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)度選定為70 m，每個(gè)小區(qū)內(nèi)各含有10 m的啟動(dòng)區(qū)與停車區(qū)，通過秒表計(jì)時(shí)的方法測(cè)定工作速度，計(jì)時(shí)誤差±1 s。

試驗(yàn)設(shè)定播種株距250 mm，考察排種器在8.2、9.1、9.9、11.2、11.9 km/h 5種機(jī)器前進(jìn)速度下的工作性能(對(duì)應(yīng)型孔盤轉(zhuǎn)速分別為9.1、10.1、11、12.4、13.2 r/min)。每次試驗(yàn)測(cè)定不低于250粒種子，每個(gè)速度水平進(jìn)行3次重復(fù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均依照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理。田間統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果為：在各速度水平下，排種器合格指數(shù)均大于90%，隨著前進(jìn)速度提高，漏播指數(shù)與重播指數(shù)均有所上升，但漏播指數(shù)仍小于8%，重播指數(shù)仍小于3%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。所以本排種器具有良好的適應(yīng)性。

5 結(jié)論

(1)從理論上探索了傾斜雙圓環(huán)型孔式排種器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法，并通過試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

(2)通過二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)建立了3個(gè)考察指標(biāo)的回歸方程，確定了影響合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)的主次因素。

(3)確定了該型排種器的較優(yōu)組合參數(shù)，在傾角39°、型孔數(shù)目30個(gè)、型孔盤轉(zhuǎn)速11 r/min時(shí)，排種器合格指數(shù)大于等于97%，重播指數(shù)小于等于1.5%，漏播指數(shù)小于等于0.5%。

(4)田間試驗(yàn)表明，在8.2～11.9 km/h前進(jìn)速度作業(yè)條件下，合格指數(shù)可達(dá)到90%以上，重播指數(shù)與漏播指數(shù)均符合國(guó)標(biāo)要求。

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