王 運(yùn)，王 飛，殷延祥，徐 燦，馮啟飛

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036)

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勺輪式排種器的設(shè)計(jì)

王 運(yùn)，王 飛，殷延祥，徐 燦，馮啟飛

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036)

摘要針對(duì)國(guó)外各種精密勺輪式排種器不能在我國(guó)大規(guī)模生產(chǎn)的現(xiàn)狀，通過分析勺輪式排種器的工作原理探討了影響排種器排種的因素，并設(shè)計(jì)出一款改進(jìn)的勺輪式排種器。結(jié)果表明，該排種器可解決落種散布以及重播漏播的問題，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞勺輪式排種器；工作原理；改進(jìn)措施

Design of Spoon Type Seed Metering Device

WANG Yun, WANG Fei, YIN Yan-xiang et al(School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230036)

AbstractAiming at the status of various kinds of precision spoon type seed metering device at abroad can not be produced in large scale in China, through analyzing the working principle, influencing factors for seed metering were discussed, a improved spoon wheel type seed metering device was designed. The results showed that the seed metering device can solve the problems of seed dispersal, repeat sowing and leakage sowing, which has a board application prospect.

Key wordsSpoon type seed metering device; Working principle; Improvement measures

排種器為播種機(jī)的重要組成部分，一個(gè)播種機(jī)的優(yōu)劣完全取決于排種器的優(yōu)劣。勺輪式排種器作為應(yīng)用最廣泛的排種器，仍然存在各種問題，致使播種機(jī)難以大規(guī)模應(yīng)用，國(guó)外雖然設(shè)計(jì)了各種精密的勺輪式排種器，但由于我國(guó)制造業(yè)和科技水平的限制以及生產(chǎn)成本過高，勺輪式排種器在我國(guó)無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)。針對(duì)上述問題，筆者通過分析勺輪式排種器的工作原理探討了影響排種器排種的因素，最終設(shè)計(jì)出一款可以解決落種散布以及重播漏播的勺輪式排種器，以期為我國(guó)精密排種器的研究提供理論依據(jù)。

1勺輪式排種器的構(gòu)成

勺輪式排種器一般由排種器殼體、排種輪、排種軸、毛刷、毛刷托板、變速箱、隔板、種箱等零件組成，雖然組成零件并不多，但是巧妙的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了靈活的排種。目前，常見的勺輪式排種器的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及主要組成部分見圖1~3。

注：1.排種器殼體；2.排種輪；3.排種軸；4.毛刷；5.毛刷托板。Note：1.Seed metering device shell；2.Wheel of seed metering device；3.Shaft of seed metering device；4.Brush；5.Brush plate.圖1　勺輪式排種器外部結(jié)構(gòu)示意Fig.1　External structure of spoon type seed metering device

注：1.種箱；2.推種器；3.排種盤；4.種子；5.刮種器。Note：1.Seed box；2.Seed pushing device；3.Seed metering plate；4.Seed；5.Seed scraper.圖2　勺輪式排種器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意[1]Fig.2　Internal structure of spoon type seed metering device

注：1.種箱；2.擋種板；3.殼體；4.種子；5.插板；6.推種片；7.排種輪；8.氣嘴。Note：1.Seed box；2.Seed baffle；3.Shell；4.Seed；5.Flashboard；6.Seed pushing slice；7.Wheel of seed metering device；8.Gas nozzle.圖3　勺輪式排種器排種結(jié)構(gòu)示意[1]Fig.3　Seed metering structure of spoon type seed metering device

2勺輪式排種器的工作原理

勺輪式排種器一般由排種器殼體、排種輪、排種軸、毛刷、毛刷托板、變速箱、隔板、種箱等零件組成，通過種箱將種子放入排種器中，然后通過排種輪進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，將放入的種子分開，通過落種部分將種子排進(jìn)土地中，在該過程中變速箱控制排種的速度，而毛刷負(fù)責(zé)清理多余的種子，避免種子的浪費(fèi)。

通過在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院排種器實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行排種實(shí)驗(yàn)，得到轉(zhuǎn)速與播量、破碎率、排種均勻性變異系數(shù)的關(guān)系，從而得到轉(zhuǎn)速對(duì)排種的影響，并根據(jù)種子的受力得到最佳的工作速度。

(1)轉(zhuǎn)速與排種器播量的關(guān)系曲線。在其他條件一致的情況下，對(duì)于同一排種器，播量隨轉(zhuǎn)速的提高呈下降趨勢(shì)，而且隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，播量的下降速率也逐漸加大。型孔的囊種性能是影響播量的關(guān)鍵因素，因?yàn)檗D(zhuǎn)速的上升導(dǎo)致單個(gè)型孔的充種時(shí)間變短，部分種子沒有足夠的時(shí)間進(jìn)入型孔，使得型孔的囊種性能下降，從而使型孔的充種量在單位時(shí)間內(nèi)有所減少，所以播量隨著轉(zhuǎn)速的上升呈下降趨勢(shì)?？偟膩?lái)說(shuō)，該排種器能在高速作業(yè)時(shí)有較好的播量穩(wěn)定性[2]。

(2)轉(zhuǎn)速與排種破碎率的關(guān)系曲線。排種破碎率隨著轉(zhuǎn)速的提高而提高，但整體上破碎少，且轉(zhuǎn)速對(duì)排種破碎率影響不大。這是由排種器的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)所決定的，因?yàn)槠妮喰涂纵喪脚欧N器在結(jié)構(gòu)上無(wú)刮種、推種裝置，投種時(shí)種子靠自重下落，理論上不存在傷種，而破碎主要是由于排種器部件裝配、加工誤差所造成的，如種子進(jìn)入護(hù)種環(huán)與內(nèi)齒型孔輪焊合體之間的間隙受擠壓就成為傷種的主要因素，而轉(zhuǎn)速的提高同時(shí)也增加了種子受擠壓的幾率，從而導(dǎo)致破碎率的略微上升。

(3)轉(zhuǎn)速與排種均勻性變異系數(shù)的關(guān)系。對(duì)于同一排種器，在其他工作條件一致的情況下，排種器排種均勻性變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，即轉(zhuǎn)速增大，排種器的排種均勻性變差。影響排種均勻性的因素很多，如型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)、種子大小、排種器結(jié)構(gòu)加工誤差等，而轉(zhuǎn)速的提高改變了型孔的囊種性能和充種率，使得單個(gè)型孔囊種的數(shù)量不均勻性增加，變幅增大，從而導(dǎo)致排種均勻性變差。此外，清種毛刷的清種定量作用也對(duì)排種均勻性的好壞起重要作用，而過快的轉(zhuǎn)速則限制了毛刷的作用。

在實(shí)際工作過程中，排種輪的最大臨界速度公式為：

(1)

式中，g為重力加速度；R為排種器半徑；α為排種器傾斜角度；φ為遞種角；u為種子與金屬的摩擦系數(shù)。

由式(1)可知，臨界線速度與排種器輪半徑的平方根成正比，與遞種角成正比，而與排種器的傾斜角成負(fù)相關(guān)，增大排種輪和遞種角或減小側(cè)傾角都能提高排種輪的線速度。α角的作用是便于把種子傳遞到導(dǎo)種輪上，α太小會(huì)影響傳遞速度。

假定種子被一個(gè)錐角為180-2α的豎立圓臺(tái)帶著運(yùn)動(dòng)，種子M在X軸上的投影點(diǎn)位A，其Y坐標(biāo)為Rsinα，椎體母線長(zhǎng)為O’M=R/cosα。

種子沿錐面與勺面的下滑角為β，則：

sinβ=Rsinφ/R/cosα=cosαsinφ

種子的重力可分解為2個(gè)分力G1和G2，則：

G1=Gsinβ=mgcosαsinα

F1=Fcosα

F2′=Fsinαsinφ

多余種子下滑清種的條件為：

G1>F1+f

(2)

將前列數(shù)據(jù)帶入式(2)，得垂直式排種器的臨界線速度：

如果把粒距合格率達(dá)85%的作業(yè)速度與臨界速度的比值稱為臨界線速度利用速度，并用K表示，則垂直勺輪式排種器的最大實(shí)用線速度為：

傾斜式勺輪式排種器的最大實(shí)用線速度[3]為：

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得：垂直式排種器的K值為0.86，傾斜式排種器的K值為0.70。由臨界線速度求出實(shí)用的最大作業(yè)線速度，并由此得到最佳的工作速度，實(shí)現(xiàn)排種的最優(yōu)化。

3國(guó)內(nèi)外排種器的現(xiàn)狀

播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而播種機(jī)是減少勞力的重要裝備，也是保證作物高產(chǎn)的必需品。排種器作為播種機(jī)的核心部件，既決定了播種機(jī)的特性和工作性能，也直接影響播種的精密性和有效性，因此，加強(qiáng)對(duì)排種器的研究是提高播種機(jī)性能的關(guān)鍵。現(xiàn)代種植業(yè)中，精密播種技術(shù)迅速發(fā)展，種子丸?；庸ぜ夹g(shù)日臻完善，與此對(duì)應(yīng)的精密播種機(jī)械的研制和生產(chǎn)也將更加迫切，特別是對(duì)精密排種器新原理和新結(jié)構(gòu)的研制和開發(fā)勢(shì)在必行。

國(guó)外學(xué)者很早就對(duì)油菜、苜蓿、谷子、芝麻、蔬菜、花卉等小粒徑作物進(jìn)行了系統(tǒng)研究，設(shè)計(jì)出多款適合小子粒排種的排種器。

由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所袁文勝等[4]研制的異形孔窩眼輪式油菜排種器從排種器型孔入手，在不同轉(zhuǎn)速下研究型孔的個(gè)數(shù)以及型孔大小對(duì)油菜排種的影響，并對(duì)2種不同材料的清種機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，硬質(zhì)塑料作為護(hù)種板，種子破碎率較大；改用毛刷作清種部件，種子破碎率明顯降低。若排種器沿圓周方向采用較多的窩眼孔時(shí)，播種均勻性較好；排種軸轉(zhuǎn)速較大、型孔尺寸較小時(shí)，播種均勻性較好；窩眼孔的排布方式對(duì)排種均勻性影響較明顯。

由英國(guó)Silsoe研究所Miles等[5]研制的精密鉆孔排種器利用雙滾輪氣吸原理將種子直接排入土壤中。其基本原理為種子首先落入型孔輪，完成第1次取種，型孔輪運(yùn)送種子到達(dá)排種輪上方時(shí)，會(huì)有風(fēng)機(jī)吸種將種子從型孔輪吸入排種輪。排種輪內(nèi)部有高速攝像與高速視頻，用于修復(fù)種子的軌跡，以達(dá)到精確落種的目的。該排種器采用雙滾輪模式，二次取種的過程使播種粒數(shù)更加精確。內(nèi)部攝像的軌跡調(diào)節(jié)使穴距株距的位置更加精確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，每穴精確播種的概率可達(dá)95%以上，但該排種器成本較高。

由土耳其Akdeniz大學(xué)Karayel等[6]研制的真空負(fù)壓精密排種器由儲(chǔ)種部分、負(fù)壓氣室、排種盤、正壓落種室等部分組成。種子在儲(chǔ)種空間內(nèi)，負(fù)壓氣室使種子吸附在排種盤上，當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)到正壓落種室時(shí)，種子因重力作用落下。該排種器對(duì)圓形小子粒種子排種非常有效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該排種器排種蔬菜種子合格率可達(dá)99%。真空壓力精密排種器示意見圖4。

注：1.真空盤；2.種子；3.種箱；4.抽氣管道；5.氣吹空間；6.開勾器。Note：1.Vacuum disc；2.Seed；3.Seed box；4.Exhaust pipe；5.Air blowing space；6.Open hook.圖4　真空壓力精密排種器示意Fig.4　Vacuum pressure precision seed metering device

由伊朗Shahid Bahonar 大學(xué)Maleki[7]研制的螺旋推送式排種器主要由料斗與1根帶有螺紋的旋轉(zhuǎn)推送軸組成，種子由料斗喂入，再由推送軸裝置帶動(dòng)一定量種子到達(dá)出種口。該排種器排種數(shù)量主要由推種裝置的螺紋間隙決定。調(diào)節(jié)螺紋間隙寬度就可調(diào)節(jié)排種數(shù)量，且可排種不同樣式種子，通用性強(qiáng)。

4通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)排種器實(shí)際存在的問題

目前，我國(guó)的排種器還相對(duì)落后，有諸多問題仍待改善，而傳統(tǒng)的排種器有外槽輪式、氣力式、磨紋式、型孔盤式、窩眼輪式、指夾式等?，F(xiàn)階段排種器主要適用于玉米、大豆、小麥等大、中粒種子播種，但對(duì)小粒種子難以精量播種，且功能單一，通用性差，在播種機(jī)田間播種過程中可能因種箱缺種、排種器轉(zhuǎn)速過快，在取種和落種過程中因種子受擠壓而堵塞型孔、排種機(jī)構(gòu)發(fā)生故障等原因?qū)е?行或多行不能正常播種從而出現(xiàn)排量不均勻、傷種率高、重播、漏播，造成缺苗斷壟等現(xiàn)象。

為了適應(yīng)種子特性，使種子順利落入土壤，一般排種器都會(huì)有以下幾個(gè)部分：①喂入部分。用于種子的喂入，使種子進(jìn)入排種器，完成種子的初步落種喂入。②取種部分。種子進(jìn)入排種器后，需要取一定量種子才能完成精量的排種，該部分是排種器能否精量排種的關(guān)鍵。排種器取種可由型孔完成，某些是由離心方式完成，有些是由氣吸方式完成。③護(hù)種部分。在完成取種部分后，需要保證種子一直保持取種時(shí)的數(shù)量，因此，需要護(hù)種部分保證從取種到落種時(shí)種子的數(shù)量。④清種部分。種子在落種時(shí)，幫助種子一次性落出，且清理掉其他多余的種子。⑤落種部分。該部分是種子的出口，但對(duì)于勺輪式排種器來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)方式導(dǎo)致穴粒數(shù)不穩(wěn)定、下種量大小不一致，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，充種時(shí)間長(zhǎng)，清種不順，導(dǎo)致穴粒數(shù)不穩(wěn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，充種時(shí)間短，種子在進(jìn)種口堵塞，易形成空穴。

實(shí)際運(yùn)用中，在進(jìn)行調(diào)節(jié)排種器的檔位時(shí)還發(fā)現(xiàn)當(dāng)把排種器的檔位調(diào)到最高位或者最低位時(shí)，調(diào)速器就會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，或者是調(diào)節(jié)不便，所以當(dāng)要獲取最高速或者最低速時(shí)，需謹(jǐn)慎操作，否則實(shí)際播種時(shí)，排種器會(huì)出問題，導(dǎo)致播種失敗或者浪費(fèi)種子；當(dāng)出現(xiàn)漏種、重播現(xiàn)象時(shí)，駕駛員無(wú)法發(fā)現(xiàn)，將會(huì)造成更大的損失；在高速播種條件下，種子會(huì)出現(xiàn)落種散布、不能準(zhǔn)確落種等情況。

5對(duì)目前國(guó)內(nèi)勺輪式排種器存在問題的改進(jìn)

目前，世界上比較先進(jìn)的排種器是通過無(wú)極變速的方法來(lái)改變株距[8](圖5)和通過變?nèi)萘康姆椒╗9](圖6)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

注：1.輸入軸；2．箱體；3．凸輪；4．?dāng)[桿復(fù)位裝置；5．接近開關(guān)；6．?dāng)[桿；7．調(diào)節(jié)架；8．移動(dòng)導(dǎo)向裝置；9.輸出軸；10．株距指示裝置；11．調(diào)節(jié)計(jì)量螺-蝸桿；12.微型直流減速電機(jī)；13．離合器；14．位移監(jiān)測(cè)裝置。Note：1.Input shaft；2.Box；3.Cam；4.Swing lever reset device；5.Proximity switch；6.Swing rod；7.Regulating frame；8.Mobile guiding device；9.Output shaft；10.Distance indicating device；11.Regulating metering screw worm；12.Micro DC motor；13.Clutch；14.Displacement monitoring device.圖5　變株距式勺輪式排種器示意Fig.5　The variable spacing type spoon metering device

目前，上述2種方案在我國(guó)仍存在著技術(shù)上的故障和制造上的不足，雖然設(shè)計(jì)的很優(yōu)良、科學(xué)，但還不能大規(guī)模投入生產(chǎn)，所以該研究設(shè)計(jì)了另外一種有別于國(guó)外的排種器——改進(jìn)的勺輪式排種器(圖7)。該排種器主要由排種器殼體部分、排種器部件部分、傳動(dòng)調(diào)速部分和排種管部分組成。其中，排種器殼體部分由外殼體、齒輪組殼體、排種器連座等組成；排種器部件部分由排種輪、勺輪、護(hù)種板、軸及軸承、透明蓋等組成；傳動(dòng)調(diào)速部分由調(diào)速齒輪與調(diào)速桿組成；排種管部分由螺旋形排種管、光電開關(guān)、單片機(jī)、報(bào)警燈、蜂鳴器組成。根據(jù)農(nóng)藝要求，調(diào)節(jié)調(diào)速手柄來(lái)調(diào)節(jié)行距，種子通過排種器后落入排種管中，再通過在排種管中的緩沖機(jī)構(gòu)使種子的沖擊速度變慢，防止落種散布，實(shí)現(xiàn)精確播種。排種管的出種口安裝有光電開關(guān)，當(dāng)種子通過出種口時(shí)，光電開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)個(gè)脈沖，通過與單片機(jī)中代碼的對(duì)比，當(dāng)脈沖的頻率遠(yuǎn)低于播種正常的頻率或者遠(yuǎn)大于播種正常頻率時(shí)，說(shuō)明出現(xiàn)了漏播或者重播現(xiàn)象，此時(shí)單片機(jī)的蜂鳴器和報(bào)警燈開始工作，提醒駕駛員及時(shí)進(jìn)行查看和發(fā)現(xiàn)問題，從而避免落種散布和重漏播現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)精確播種。

注：1.左側(cè)面板；2.型孔輪；3.護(hù)種環(huán)；4.清種毛刷；5.卸種板；6.右側(cè)面板；7.中間支撐板；8.清種圓刷；9.排種軸；10.小齒輪；11.內(nèi)齒輪。Note：1.Left panel；2.Hole type wheel；3.Protecting seed ring；4.Cleaning brush；5.Unloading plate；6.Right panel；7.Intermediate support plate；8.Cleaning round brush；9.Seed metering shaft；10.Pinion；11.Internal gear. 圖6　變?nèi)萘渴缴纵喪脚欧N器示意Fig.6　Variable capacity spoon type seed metering device

注：1.排種器殼體部分；2.勺輪孔；3.帶螺紋聯(lián)接的排種器連座；4.傳動(dòng)調(diào)速部分；5.可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的齒輪組；6.排種器部件部分；7.帶有凹槽的轉(zhuǎn)盤；8.勺輪；9-1.橡膠塑料外殼管；9-2.防止漏種的通心主軸；9-3.緩沖螺旋排種通道；9-4.檢測(cè)落種的光電開關(guān)。Note：1.Shell of seed metering device；2.Hole of spoon wheel；3.Seed metering device with screw thread；4.Transmission speed control part；5.Gear set with adjustable speed；6.Component of seed metering device；7.Rotary table with groove；8.Spoon wheel；9-1.Rubber plastic casing pipe；9-2.Core spindle preventing seed leakage；9-3.Buffer screw type channel；9-4.Photoelectric switch for detecting seed drop.圖7　改進(jìn)的勺輪式排種器示意Fig.7　The improved spoon type seed metering device

6結(jié)論與討論

該研究設(shè)計(jì)出一款可解決落種散布以及重播漏播的勺輪式排種器，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過對(duì)勺輪式排種器的設(shè)計(jì)研究，發(fā)現(xiàn)我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械仍然存在各種問題，雖然國(guó)外有先進(jìn)的技術(shù)，但由于我國(guó)技術(shù)和制造的限制，仍無(wú)法完全復(fù)制。該研究設(shè)計(jì)的勺輪式排種器雖然有理論的支持與發(fā)展，但目前仍不能大規(guī)模生產(chǎn)，需進(jìn)一步開展研究與實(shí)踐。

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收稿日期2015-12-18

作者簡(jiǎn)介王運(yùn)(1993-)，男，安徽壽縣人，本科生，專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

基金項(xiàng)目安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金項(xiàng)目(0308057)。

中圖分類號(hào)S 220.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)03-320-04