張亞新，邢麗華，張玉梅，季 偉，李 航

(赤峰學(xué)院 建筑與機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

0 引言

我國(guó)大面積的后備土地資源集中在北方干旱地區(qū)[1-2]，在此區(qū)域內(nèi)農(nóng)民自行開(kāi)墾的不規(guī)則小塊土地較多[3]。這種地塊由于其形狀特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，全自動(dòng)化播種較為困難，因此農(nóng)民通常采用手提式或腳踏式玉米播種機(jī)進(jìn)行人工操作的半自動(dòng)化播種。

手提式或腳踏式玉米播種機(jī)的核心部件是排種裝置。目前，播種機(jī)排種裝置按其排種原理可劃分為機(jī)械式排種裝置和氣吸式排種裝置[4-5]。機(jī)械式排種裝置造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但排種均勻性較差[6]，且使用過(guò)程中種子機(jī)械破損率較高，難以適應(yīng)高速作業(yè)[7-10]。氣吸式排種器主要有組合吸孔氣吸式排種器及氣吸滾筒式排種器等[11]。其中，氣吸式排種器對(duì)種子大小、形狀的適應(yīng)性較強(qiáng)、充種效果好[12-13]，較機(jī)械式排種更易實(shí)現(xiàn)精量播種。

常見(jiàn)的氣吸式排種器輔助設(shè)備多，體積較大，無(wú)法安裝在人工操作的半自動(dòng)化播種裝置上。因此，設(shè)計(jì)了一種安裝在腳踏式玉米播種機(jī)內(nèi)部，在氣吸、重力及慣性合成作用下的踩踏氣吸式微型玉米排種器。其原理為：踩踏時(shí)踏板與底座發(fā)生相對(duì)位移[14]，使密閉空間體積發(fā)生改變，產(chǎn)生氣壓，將玉米種子吸附在吸種管的吸口上，并在踏板彈起時(shí)利用慣性和防脫毛刷將玉米種子帶入導(dǎo)種管中，通過(guò)震動(dòng)和重力滑落到排種嘴里，最終在撐開(kāi)器打開(kāi)播種嘴后實(shí)現(xiàn)玉米種子的精量播種。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

踩踏氣吸式微型玉米排種器是腳踏式播種機(jī)的重要組成部分，主要由支撐底座、踏板、復(fù)位氣缸、播種嘴撐開(kāi)器、活塞缸 、密封圈、排種嘴、種箱、吸種管、導(dǎo)種管、防脫毛刷及凹型毛刷組成，如圖1所示。

1.支撐底座 2.踏板 3.復(fù)位氣缸 4.播種嘴撐開(kāi)器 5活塞缸

主要技術(shù)參數(shù)如下：

整機(jī)質(zhì)量/kg：4

播種深度/mm：40～50

作業(yè)頻率/次·min-1：60～70

1.2 工作原理

復(fù)位氣缸、活塞缸、吸種管及播種嘴撐開(kāi)器固定在踏板下側(cè)，隨踏板上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，踏板上方設(shè)置有密封的添種口及吸種管單向進(jìn)氣閥。踏板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.支撐底座 2.踏板 3.防滑凸起 4.吸種管單向進(jìn)氣閥 5添種口圖2 排種器踏板結(jié)構(gòu)圖

兩個(gè)復(fù)位氣缸安裝前保留較大的預(yù)緊力，使其在踏板失去踩踏力時(shí)能夠有較強(qiáng)的復(fù)位彈力；同時(shí)，復(fù)位氣缸在踏板上下運(yùn)動(dòng)時(shí)配合支撐底座側(cè)壁對(duì)踏板運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，使踏板上安裝的活塞缸與支撐底座上固定的種箱之間相互運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、可靠。

踏板受到踩踏力時(shí)，帶動(dòng)安裝在踏板下側(cè)的所有部件向下運(yùn)動(dòng)，活塞缸與種箱配合密封圈形成密閉的腔體。隨著踩踏力的增加，密閉腔體的壓力隨之增加，吸種管隨踏板向下運(yùn)動(dòng)插入種箱中的玉米種子中，此時(shí)壓力達(dá)到最大值并同時(shí)打開(kāi)吸種管單向進(jìn)氣閥，氣體吹入吸種口中，玉米種子隨氣體進(jìn)入吸種口并堵塞吸種口。

踏板失去踩踏力時(shí)，在復(fù)位氣缸的作用下，踏板向上運(yùn)動(dòng)，密封腔體內(nèi)壓力減少，吸種管單向進(jìn)氣閥關(guān)閉，種箱側(cè)壁上的導(dǎo)種管滲入氣體，在逐漸減小的氣壓和慣性的雙重作用下，吸種口的種子向上進(jìn)入到防脫毛刷中；隨著吸種管繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，種子在凹型毛刷、重力和震動(dòng)的作用下，從吸種口脫落，滑入導(dǎo)種管中，并通過(guò)導(dǎo)種管最終落入排種嘴中；在下一次踩踏循環(huán)中，播種嘴撐開(kāi)器隨踏板與支持底座發(fā)生相對(duì)位移，撐開(kāi)排種嘴實(shí)現(xiàn)種子播種。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 吸種口尺寸參數(shù)

玉米種子的幾何尺寸決定吸種口的尺寸參數(shù)。為確定吸種口的各個(gè)重要參數(shù)，選取內(nèi)蒙古北方干寒地區(qū)近年種植范圍較為廣泛的“豐墾117”號(hào)玉米種子?！柏S墾117”號(hào)種子審定號(hào)為蒙審玉2014025，中熟品種，適合內(nèi)蒙古東部≥10℃、活動(dòng)積溫2 350℃左右的范圍種植，其外形如圖3所示。

圖3 “豐墾117”玉米種子形狀

隨機(jī)測(cè)量1 000?！柏S墾117”號(hào)玉米種子，使用游標(biāo)卡尺測(cè)得其長(zhǎng)度、寬度及厚度，如表1所示。

表1 “豐墾117”號(hào)玉米種子的三維尺寸

Table 1 3D measurement of corn seeds mm

長(zhǎng)度寬度厚度最大值10.79.98.0最小值7.66.85.5平均值10.18.66.1

踩踏氣吸式微型玉米排種器在工作過(guò)程中，若使吸種、持種及排種順利進(jìn)行，則吸種管下端吸種口的形狀設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)的選取尤為重要。主要設(shè)計(jì)參數(shù)有吸種口長(zhǎng)度Lk、吸種口最小直徑Dk、排氣孔直徑d、上傾角θ和下傾角φ，如圖4所示。

吸種口最小直徑Dk(即最小開(kāi)口)應(yīng)能夠保證玉米種子中尺寸最大的進(jìn)入吸種口中?？紤]到精密播種的要求，吸種口最小直徑Dk應(yīng)確保兩粒玉米種子不同時(shí)擠入。假定單粒玉米種子在中心處被吸附，則

2β>Dk>α

式中β—玉米種子厚度的最小值；

α—玉米種子長(zhǎng)度的最大值。

根據(jù)測(cè)量玉米種子三維尺寸的數(shù)據(jù)可知：β為5.5mm，α取值為10.7mm。由于兩粒最薄的種子同時(shí)相遇的可能性非常小，因此初步選定吸種口最小直徑Dk=11mm。

吸種口下傾角φ應(yīng)能夠保證在防脫毛刷部位對(duì)玉米種子有一定的攜持作用，同時(shí)還要能夠在導(dǎo)種管凹型毛刷處使種子在毛刷、震動(dòng)及重力的作用下順利滑入導(dǎo)種管中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定吸種口下傾角φ=15°。吸種口上傾角θ應(yīng)保證種子順利進(jìn)入吸種口，同時(shí)在卸種時(shí)有利于順利振出，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定吸種口上傾角θ=12°。

吸種口長(zhǎng)度Lk能夠保證長(zhǎng)度最大的玉米種子完全進(jìn)入吸種口中，避免被防脫毛刷刷落；排氣孔直徑d的選取應(yīng)避免最小的種子被吸入，因此選定吸種口長(zhǎng)度Lk=11mm, 排氣孔直徑d=5mm。

圖4 吸種口尺寸參數(shù)

2.2 吸種管尺寸參數(shù)

吸種管由單向閥、導(dǎo)氣管及吸種嘴組成，如圖5所示。

吸種管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括吸種桿長(zhǎng)度Hd和吸種管直徑S。其中，吸種管直徑S與吸種口長(zhǎng)度L的關(guān)系為

S=3L

(1)

由式(1)可以計(jì)算出排種管直徑S=33mm。排種管上端固定在踏板上，下端在踏板踏入最低端時(shí)，導(dǎo)氣管插入種箱底部的種子內(nèi)部，緊靠種箱底部，由此吸種管在原位時(shí)，最低端距種箱底部的距離即為踏板相對(duì)支撐底座的最大運(yùn)動(dòng)距離。同時(shí)，考慮到活塞缸與種箱的重合高度及活塞缸與種箱相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)干涉，吸種管長(zhǎng)度滿(mǎn)足

(2)

式中H—密封腔總體高度，即踏板與種箱底部之間的距離。根據(jù)整個(gè)播種機(jī)的結(jié)構(gòu)[15]，選取H=192mm；

Hs—活塞缸與種箱相對(duì)運(yùn)動(dòng)的最大距離，即踏板相對(duì)支撐底座的最大運(yùn)動(dòng)距離；

Hq—吸種頭高度，由試驗(yàn)獲得Hq=22mm；

δ—密封圈高度，即活塞缸與種箱重合高度，δ=8mm。

由式(2)可以計(jì)算出吸種管長(zhǎng)度Hd=111mm。

1.單向進(jìn)氣閥 2.導(dǎo)氣管 3.吸種嘴

2.3 密封腔參數(shù)

密封腔結(jié)構(gòu)如圖6所示。密封腔主要參數(shù)有活塞缸長(zhǎng)度、種箱高度及活塞缸與種箱相對(duì)運(yùn)動(dòng)的最大距離。其中，由式(2)可以計(jì)算出活塞缸與種箱相對(duì)運(yùn)動(dòng)的最大距離Hs=81mm。

根據(jù)圖6所示，密封腔主要參數(shù)的關(guān)系為

(3)

式中Hz—種箱高度;

Hp—活塞缸高度;

δ—密封圈高度，δ=8mm；

Hq—吸種頭高度。

由式(3)可以計(jì)算出種箱的高度Hz=111mm，活塞缸高度Hp=89mm。

1.活塞缸 2.上導(dǎo)種管 3.下導(dǎo)種管 4.排種嘴 5.種箱

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

隨機(jī)選取玉米種子比分級(jí)后選取種子更能體現(xiàn)排種器的實(shí)際排種質(zhì)量，因此在5袋500g裝 “豐墾117”號(hào)玉米種子中隨機(jī)選取進(jìn)行試驗(yàn)。

2016年11月，在赤峰學(xué)院智能農(nóng)牧機(jī)械研究所所屬的玉米實(shí)驗(yàn)田進(jìn)行了踩踏氣吸式微型玉米排種器排種性能測(cè)試。試驗(yàn)田地塊平坦，土質(zhì)為栗鈣土，屬于典型的北方半干旱耕作區(qū)，種植制度為玉米一年一熟。

試驗(yàn)方法根據(jù)國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)20865-2007給出的檢測(cè)方法進(jìn)行，主要檢測(cè)設(shè)備有秒表、游標(biāo)卡尺和卷尺等。

3.2 試驗(yàn)方法

在不同頻率下測(cè)試排種器的工作性能，試驗(yàn)前首先對(duì)所需要的田地進(jìn)行犁壟，為使試驗(yàn)更貼近真實(shí)耕種情況，將壟犁成12條長(zhǎng)30m、深18～23cm的短壟，并將為試驗(yàn)特殊設(shè)計(jì)的草木灰盒加裝到排種器一側(cè)，方便確定播種位置。

試驗(yàn)中，分別采用40、50、60、70、80、90次/min的播種頻率進(jìn)行排種，人為誤差控制在±3次/min，記錄數(shù)據(jù)，每種播種速率測(cè)量3次，取平均值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)測(cè)得腳踏氣吸式微型玉米排種器排種指標(biāo)如表2所示。

表2 不同播種頻率下的排種性能參數(shù)

Table 2 Performance of metering device under differert seeding frequency

播種頻率/次·分-1合格率/%重播率/%漏播率/%4066.032.0531.925085.441.6612.96091.823.454.737092.173.224.618088.906.095.019070.2510.6719.08

從測(cè)試數(shù)據(jù)可看出：排種器播種頻率在60～70次/min時(shí)，播種合格率為91.82%～92.17%，重播指數(shù)為3.22%～3.45%，漏播指數(shù)為4.61%～4.73%，均滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)精密播種機(jī)播種合格率大于等于80%、重播率小于等于15%及漏播率小于等于8%的播種要求[16]。

由試驗(yàn)可知：過(guò)快或過(guò)慢的播種頻率都會(huì)使踩踏氣吸式微型玉米排種器排種的合格率大幅度下降，主要原因是過(guò)快的播種頻率會(huì)使吸種管迅速插入到種箱底部的種子中，然后快速收起，玉米種子尚無(wú)法進(jìn)入吸種口中；過(guò)慢的播種頻率會(huì)使密封腔體內(nèi)壓縮空氣的過(guò)程減慢，而吸種管中的導(dǎo)氣管會(huì)有充足的時(shí)間將空氣通過(guò)單向閥排出密封腔體外，使玉米種子無(wú)法獲得足夠的氣壓作用進(jìn)入吸種口，進(jìn)而無(wú)法進(jìn)入排種嘴，造成大量漏播現(xiàn)象。

由試驗(yàn)結(jié)果還可以看出：除去因壓力嚴(yán)重不足而導(dǎo)致大量種子無(wú)法進(jìn)入吸種口的播種頻率40次/min所測(cè)得的數(shù)據(jù)，重播率與播種速度存在一定的線(xiàn)性關(guān)系，即播種頻率越快，重播率越高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：播種頻率過(guò)快使種子進(jìn)入上導(dǎo)種管后尚未滑動(dòng)進(jìn)入下導(dǎo)種管時(shí)，排種器開(kāi)始了下一個(gè)周期的工作，使種子滯留在上導(dǎo)種管中，致使1個(gè)或2個(gè)周期以后，滯留種子才能進(jìn)入下導(dǎo)種管中，因此造成玉米種子的重播，且重播次數(shù)、漏播次數(shù)及重播種子粒數(shù)都會(huì)隨著播種頻率的增加而增加。

4 結(jié)論

1)為解決漏播、重播、種子破損等問(wèn)題，研制了踩踏氣吸式微型玉米排種器,主要由支撐底座、踏板、活塞缸、排種嘴、種箱、吸種管及導(dǎo)種管組成。工作時(shí)，人工踩踏踏板，帶動(dòng)真空缸向下運(yùn)動(dòng)，配合密封圈與種箱形成密閉的腔體，通過(guò)氣壓將種子推入吸種口并堵塞吸種口；伴隨踩踏結(jié)束，種子隨吸種管向上運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)入上導(dǎo)種管中，在重力、震動(dòng)和毛刷的聯(lián)合作用下，經(jīng)下導(dǎo)種管滑入排種嘴中，并最終實(shí)現(xiàn)排種。

2)田間試驗(yàn)表明：踩踏氣吸式微型玉米排種器在播種頻率為60～70次/min時(shí)，播種合格率為91.82%～92.17%，重播率為3.22%～3.45%，漏播率為4.61%～4.73%，均滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)精密播種機(jī)播種要求及玉米種植的農(nóng)藝要求。

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