許鵬曉，楊然兵，尚書旗，楊紅光，崔功佩，劉立輝

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引言

播種質(zhì)量的好壞直接影響到試驗(yàn)方案能否正確實(shí)施，目前我國的育種試驗(yàn)主要采用人力手工播種，而歐美等發(fā)達(dá)國家，針對小區(qū)播種機(jī)的研究可追溯到20世紀(jì)30年代，且早已實(shí)現(xiàn)育種全程機(jī)械化[1]。與機(jī)械化作業(yè)相比，人力手工育種不僅勞動(dòng)非常繁重，播種效率低下，易混種，對于小區(qū)育種試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也有嚴(yán)重影響。播種作業(yè)是整個(gè)田間育種試驗(yàn)中最費(fèi)工，也是最重要的環(huán)節(jié)[2-3]。隨著制種產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對于田間育種試驗(yàn)機(jī)具作業(yè)的混種率、種子破損率、播種均勻性提出了更高的要求。

針對上述問題，通過查閱國內(nèi)外小區(qū)播種機(jī)的相關(guān)資料，并對播種機(jī)各關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析，設(shè)計(jì)了一臺(tái)調(diào)整方便、操作容易、通用性好的錐體帆布帶式小區(qū)播種機(jī)，對于提高我國育種試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，促進(jìn)我國良種工程健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義[4-7]。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

該播種機(jī)主要由機(jī)架、地輪、四連桿防形機(jī)構(gòu)、變速箱、提升器、種架、排種裝置及開溝器組合等部分組成，如圖1所示。其可一次性完成開溝、播種、覆土等育種作業(yè)環(huán)節(jié)，大大提高了田間育種試驗(yàn)的作業(yè)效率以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.地輪 2.機(jī)架 3.四連桿防形機(jī)構(gòu) 4.變速箱 5.提升器 6.排種裝置 7.座椅 8.種架 9.開溝器組合 圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of seeder

該小區(qū)播種機(jī)選用錐體帆布帶式排種器，與拖拉機(jī)配套使用，通過后懸掛與拖拉機(jī)連接。播種機(jī)進(jìn)行育種試驗(yàn)時(shí)，在拖拉機(jī)的牽引作用下前進(jìn)，帶動(dòng)地輪滾動(dòng)。同時(shí)，通過左側(cè)地輪的傳動(dòng)經(jīng)過鏈傳動(dòng)、變速箱、鏈傳動(dòng)和錐齒輪，將動(dòng)力傳給排種裝置，實(shí)現(xiàn)排種裝置的均勻排種；通過調(diào)節(jié)變速箱傳動(dòng)比，滿足不同小區(qū)長度均勻播種的作業(yè)要求。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technology parameters of seeder

續(xù)表1

2 小區(qū)播種機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 排種器的設(shè)計(jì)及作業(yè)原理

排種器作業(yè)性能的好壞，直接影響育種試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[8-9]。在進(jìn)行育種試驗(yàn)前，先將種子倒入存種漏斗中，種子經(jīng)存種漏斗滑落到存種套筒內(nèi)，并均勻落在存種套筒與錐體形成的存種空間內(nèi)。小區(qū)開始播種時(shí)，下壓泄種手柄，帶動(dòng)提升環(huán)和存種套筒迅速提升，種子沿光滑錐面滑落，并均勻連續(xù)地散布在錐體與帆布帶形成的環(huán)狀楔形空間內(nèi)。通過錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)排種器軸上的錐體底座、錐體、皮帶及其楔形空間內(nèi)的種子同步轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)種子隨排種裝置轉(zhuǎn)動(dòng)到排種口時(shí)，種子經(jīng)接種漏斗、排種管，落到地面。錐體皮帶式排種裝置如圖2所示。

1.存種裝置 2.存種套筒 3.泄種手柄 4.支座 5.滾動(dòng)銷軸 6.張緊銷軸 7.皮帶 8.張緊調(diào)節(jié) 9.排種底板 10.接種漏斗 11.傳動(dòng)錐齒輪 12.錐體 圖2 錐體皮帶式排種裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 The structure sketch picture of cone-belt metering device

2.1.1 排種器分種錐體設(shè)計(jì)力學(xué)分析

根據(jù)株行播種機(jī)實(shí)際工作狀況，播種機(jī)械一直處于前進(jìn)行走狀態(tài)，即排種裝置一直處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。因此，在提升存種套筒后，種子在錐體上滑落完成分種的過程，錐體并非靜止不動(dòng)，而是以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。對分種過程中任意時(shí)刻種子的受力情況進(jìn)行分析，取位于錐體斜面上的任意種子為研究對象，其質(zhì)量為m。種子沿錐面滑落時(shí)的受力分析如圖3所示。種子自身重力G=mg，方向豎直向下；錐體表面對種子的支撐力FN，方向垂直錐面指向外側(cè)；種子沿錐面下滑受到的滑動(dòng)摩擦阻力Ff，方向與種子在錐面上的運(yùn)動(dòng)方向相反；種子隨錐體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心慣性力FB，方向垂直于錐體中心軸水平向外；種子運(yùn)動(dòng)過程中受到的空氣摩擦阻力FW，與速度平方成正比；種子顆粒間的相互作用P。

圖3 分種過程種子受力分析Fig.3 Seed force analysis on the cone

錐體沿錐體滑落過程中，種子顆粒間作用力p大小和方向時(shí)刻變化，沒有一定規(guī)律；錐體表面為光滑表面，種子與錐體圓周方向相對滑動(dòng)較小，主要運(yùn)動(dòng)為沿錐面母線下滑。在此條件下，為了便于種子受力分析，特作幾點(diǎn)假設(shè)與簡化：忽略種子相互間作用p；忽略種子與錐體摩擦力在水平面內(nèi)的分力，即空氣摩擦阻力與滑動(dòng)摩擦阻力方向?yàn)檠劐F體母線方向指向錐尖。為便于分析種子受力，在M點(diǎn)建立坐標(biāo)系XOY，種子沿錐體母線運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閅軸，垂直于母線方向指向錐體內(nèi)側(cè)的為X軸，則種子在XOY的面內(nèi)的受力情況為

(1)

式中α—錐體母線與錐體底面夾角；

FN—錐體表面對種子的作用力；

Ff—種子與錐體表面滑動(dòng)摩擦阻力；

FB—種子隨錐體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心慣性力；

Fw—種子下滑過程中受到空氣阻力。

摩擦力與離心力計(jì)算公式為

(2)

式中μ—種子與錐體表面滑動(dòng)摩擦因數(shù)，μ=0.2；

k—空氣摩擦因數(shù)；

ω—種子與錐體做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；

v—種子沿錐體下滑速度；

r—M點(diǎn)距錐體中心軸的水平半徑。

2.1.2 錐體分種均勻條件

1)種子在重力作用下，沿錐體表面加速下滑，即∑Y>0，∑X=0，則

(3)

化簡式(3)得排種裝置轉(zhuǎn)速最低限制，即

(4)

2)保證種子緊貼錐面下滑，不會(huì)因離心力作用而脫離錐體表面，即FN>0，則

mgcosα-mω2rsinα>0

(5)

根據(jù)自凈要求需要的排種裝置轉(zhuǎn)速條件，可得排種裝置最高轉(zhuǎn)速限制，即

(6)

由上述分析可知：排種裝置轉(zhuǎn)速對分種均勻性具有較大影響。小麥種子在錐體上順利完成分種的最低轉(zhuǎn)速主要與錐體底面半徑r、錐體傾角α及錐體滑動(dòng)摩擦因數(shù)有關(guān)，不脫離錐面的最高轉(zhuǎn)速與錐體底面半徑和傾角有關(guān)。結(jié)合分種轉(zhuǎn)速條件，需合理設(shè)計(jì)排種錐體結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證種子分種過程中分種均勻。

2.1.3 分種錐體參數(shù)設(shè)計(jì)

為保證排種裝置的排種均勻性，結(jié)合錐體均勻分種條件，對分種錐體進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，主要包括錐體高度H與錐體底徑R與傾角α的參數(shù)設(shè)計(jì)。

根據(jù)分種條件式(4)、式(6)，推導(dǎo)出錐體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)條件為

(7)

式中μ—小麥種子與錐體的最大靜摩擦因數(shù)。

由上述設(shè)計(jì)條件，綜合考慮排種裝置轉(zhuǎn)速與排種裝置空間限制，設(shè)計(jì)錐體底面半徑為65mm，高度為54mm，錐體的傾角為arctan54/65=40°，經(jīng)驗(yàn)證錐體結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足排種裝置正常工作轉(zhuǎn)速下的錐體均勻分種條件。

2.2 變速箱的設(shè)計(jì)

播種機(jī)的變速箱由鏈輪組、鏈輪組合長軸、軸、行星鏈輪、滑動(dòng)鏈輪、軸承和滑動(dòng)長軸等組成，如圖4所示?；瑒?dòng)鏈軸在鏈輪圓周力的作用下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)滑動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過行星輪帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪組旋轉(zhuǎn)；通過左右調(diào)節(jié)滑動(dòng)鏈輪，可實(shí)現(xiàn)不同傳動(dòng)比的傳動(dòng)。

1.鏈輪組 2.鏈輪組合長軸 3.軸 4.行星鏈輪 5.滑動(dòng)鏈輪 6.軸承 7.滑動(dòng)長軸 圖4 變速箱結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of gearbox

由于第1級鏈傳動(dòng)分別實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)為i=2的傳動(dòng)第2級鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比為i=1，所以變速箱的傳動(dòng)比設(shè)置如表2所示。

表2 部分變速箱傳動(dòng)比Table 2 Part transmission ratio of gear box

由于本變速箱采用鏈輪組與滑動(dòng)鏈輪嚙合實(shí)現(xiàn)變速，所以鏈輪的設(shè)計(jì)方法和第一級鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法相同，同樣采用p=15.875的行星輪，如表3所示。

表3 變速箱鏈輪參數(shù)Table 3 Sprocket parameter of gear box

2.3 開溝器的設(shè)計(jì)

根據(jù)育種試驗(yàn)要求，需保證深度一致、掘穴整齊，并且保證種子均勻分布在行內(nèi)。該播種機(jī)采用雙圓盤開溝器及橡膠鎮(zhèn)壓輪，播深均勻、鎮(zhèn)壓效果良好，配合播深調(diào)節(jié)旋鈕，可在1～5cm范圍內(nèi)選擇合適播種深度。根據(jù)農(nóng)藝要求，通過調(diào)節(jié)底端的可滑動(dòng)裝置，調(diào)節(jié)開溝器之間的距離；采用的四桿仿形機(jī)構(gòu)，保證開溝深度在農(nóng)藝要求之內(nèi)。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)地點(diǎn)選在青島平度試驗(yàn)基地，播種氣候溫度27℃，試驗(yàn)田土壤平均濕度37%，土壤類型為壤土，地表較為平整。每次試驗(yàn)播種小區(qū)長度為8m，重復(fù)8次，分別記錄其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出其播種深度合格率、傷種率、播種均勻性變異系數(shù)。其中，播種均勻性變異系數(shù)計(jì)算公式為

(8)

(9)

(10)

式中n—測試小區(qū)區(qū)段總數(shù)；

Xi—區(qū)段內(nèi)種子(苗)數(shù)；

X—區(qū)段平均種子(苗)數(shù)；

S—標(biāo)準(zhǔn)差；

V—變異系數(shù)(%)。

1.機(jī)架 2.四連桿仿形機(jī)構(gòu) 3.圓盤開溝器 4.鎮(zhèn)壓輪 圖5 開溝器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Structure diagram rrowing opener

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算,其結(jié)果如表4所示。

表4 田間作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test result of field work %

由表4可得：播種深度合格率87.5%、傷種率0.37%、播種均勻性變異系數(shù)27.7%，均滿足育種試驗(yàn)的農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

1)通過對錐體內(nèi)種子的受力、錐體均勻分種的所需條件的理論分析，在保證排種裝的排種均勻性的前提下，確定了該小區(qū)播種機(jī)排種裝置的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2)通過調(diào)節(jié)變速箱的傳動(dòng)比可針對不同行長的小區(qū)進(jìn)行播種，并保證在給定區(qū)長內(nèi)播下定量的種子且保證不混種、不傷種。

4)播種機(jī)播種均勻性及一致性較好，可實(shí)現(xiàn)相同試驗(yàn)小區(qū)，不同播量、不同品種的連續(xù)田間試驗(yàn)。

4)圓盤開溝器有良好的保墑性能，阻力小，減小了功耗，與圓盤開溝器配合使用的四桿仿形機(jī)構(gòu)，利用一個(gè)能隨地面起伏仿形的平行四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對開溝深度的控制。

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