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        勺輪式玉米精密排種器設(shè)計與參數(shù)分析

        2018-03-28 00:49:05籍俊杰曹少波馮曉靜
        農(nóng)機化研究 2018年3期
        關(guān)鍵詞:漏播種器輪式

        李 鑫,籍俊杰,曹少波,馮曉靜

        (1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院, 河北 保定 071001;2.河北省農(nóng)林科學(xué)院 糧油作物研究所,石家莊 050035)

        0 引言

        按照工作原理不同,精密排種器可分為兩大類:機械式和氣力式[1-3]。氣力式播種對種子的幾何形狀要求不嚴(yán),不傷種子,不磕籽,可確保播種準(zhǔn)確,出苗率高;氣力式播種機需要風(fēng)機和氣力系統(tǒng),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,技術(shù)要求高,動力消耗大,要求高度的氣密性,需要大功率拖拉機配套。我國農(nóng)村拖拉機以小型為主,難以滿足大動力的要求,且氣力式播種機的使用調(diào)整復(fù)雜,我國農(nóng)民機手的素質(zhì)較低,使用操作困難,造成了播種效果較差,導(dǎo)致其生產(chǎn)批量依然較小[4]。勺輪式排種器是機械式精密排種器,排種質(zhì)量較好,也是目前生產(chǎn)實踐中應(yīng)用最廣泛的玉米精密排種器之一。其采用盡可能多的圓周勺數(shù)可以提高投種頻率,適應(yīng)高速作業(yè)的需要[2],對玉米種子差異的適應(yīng)性強[5]。現(xiàn)有勺輪式排種器存在下列不足:排種勺輪直徑的限制,均布于圓周上的舀勺的個數(shù)不能進(jìn)一步增加,排種器的轉(zhuǎn)速與機組前進(jìn)速度配合保證不了確定的玉米播種株距,勺輪的旋轉(zhuǎn)速度極大地影響了播種質(zhì)量,速度過高使充種性能和清種性能變差,限制了采用該排種器的播種機田間作業(yè)速度的進(jìn)一步提高。即采用該排種器的玉米播種機作業(yè)速度較低,一般只有3~4km/h,導(dǎo)致生產(chǎn)率太低。20世紀(jì)80年代初,國際上精播玉米等大粒距作物機速已可達(dá)到8~10km/h,小粒距作物的排種頻率已達(dá)到6km/h。國外大面積播種的播種機作業(yè)速度不低于8km/h,即要求精播排種器的排種頻率達(dá)44~74粒/s[6]。勺輪式排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了其舀種區(qū)、淸種區(qū)、遞種區(qū)、護(hù)種區(qū)和投種區(qū)位置和大小,而運動參數(shù)的優(yōu)化可以在保障播種性能的同時提高生產(chǎn)效率,該優(yōu)化可以為勺輪式排種器的優(yōu)化設(shè)計和使用調(diào)整提供依據(jù)。

        1 勺輪式排種器的結(jié)構(gòu)和工作過程

        1.1 勺輪式排種器的結(jié)構(gòu)

        勺輪式排種器是玉米精密播種機的核心部件,其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)劣直接影響玉米精密播種的質(zhì)量。勺輪式排種器由排種器殼體、導(dǎo)種輪、隔板、勺輪、軸、軸承及透明蓋等組成,如圖1所示。

        1.排種器殼體 2.導(dǎo)種輪 3.軸 4.軸承 5.隔板 6.勺輪 7.透明蓋 圖1 勺輪式排種器結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structural components of spoon-wheel seedmeter

        排種勺輪直徑設(shè)計為240mm,圓周斜向均布18個種勺,種勺間距為20°,導(dǎo)種輪的直徑237mm,導(dǎo)種輪凹槽數(shù)為18個,排種勺輪與導(dǎo)種輪同步轉(zhuǎn)動,種勺與導(dǎo)種輪孔槽位置一一對應(yīng)且均勻分布。

        1.2 勺輪式排種器的工作過程

        勺輪式排種器的整個工作過程分為舀種、清種、遞種、護(hù)種及投種5個過程,如圖2所示。

        圖2 勺輪式排種器工作過程Fig.2 Working process of spoon-wheel seedmeter

        1.2.1 舀種

        種子由排種器透明蓋上的種子通道進(jìn)入勺輪室。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時,帶動導(dǎo)種輪及勺輪轉(zhuǎn)動,護(hù)種隔板通過隔板調(diào)節(jié)器上銷軸與殼體上的調(diào)節(jié)孔控制其相對殼體的位置,使隔板固定;勺輪下部在種子內(nèi)轉(zhuǎn)動,隨著勺輪的旋轉(zhuǎn),當(dāng)舀勺進(jìn)入種子群,舀勺和種子產(chǎn)生相對運動,種子在重力、離心力和種子間推擠作用下進(jìn)入勺內(nèi),即舀種過程;當(dāng)種勺繼續(xù)旋轉(zhuǎn),脫離種子群后,舀種結(jié)束,進(jìn)入淸種區(qū)。

        1.2.2 清種

        勺輪舀勺轉(zhuǎn)出種子面時,種勺上充附多個種子;當(dāng)軸帶動勺輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動,多余附著的種子由于不完全穩(wěn)定在種勺內(nèi),在重力作用下掉落回種子群;只有穩(wěn)定于舀勺內(nèi)的種子被帶動繼續(xù)運動。

        1.2.3 遞種

        種勺內(nèi)只留下1粒種子繼續(xù)轉(zhuǎn)動,當(dāng)攜帶種子的種勺轉(zhuǎn)到隔板上調(diào)節(jié)孔槽開口處時,種子在重力、離心力作用下滑入導(dǎo)種輪上與之相對應(yīng)排種孔槽內(nèi),完成遞種過程。

        1.2.4 投種

        導(dǎo)種輪帶動種子與勺輪同步轉(zhuǎn)動,種子進(jìn)入護(hù)種區(qū),回轉(zhuǎn)到排種殼體下后方投中口處時,種子在重力、離心力作用下脫離排種器投種。

        2 勺輪式排種器的參數(shù)優(yōu)化

        2.1 種子進(jìn)口

        舀種區(qū)的起始位置與種子面的位置有密切關(guān)系。如圖3所示:橢圓形的進(jìn)種口位置低,進(jìn)入排種器內(nèi)腔的種子量少,種子面低,舀種起始位置滯后;種口位置高,進(jìn)入排種器內(nèi)腔的種子量多,種子面高,舀種起始位置提前。但種子面過高,會影響淸種區(qū)的大?。磺乙ㄉ自阢U垂向下90°位置附近舀種時,種子進(jìn)入種勺的幾率較小,一般種勺越過約135°附近種子才有較大的可能進(jìn)入種勺內(nèi),這一位置受種勺中心線方向的影響。玉米種子的自然休止角為30°~40°,進(jìn)種口中心位置距離軸心水平距離為60mm,垂直距離為30mm,進(jìn)種口橢圓的長軸為60mm,短軸為40mm。

        圖3 排種器內(nèi)種子的位置Fig.3 Position of seed in seedmetering device

        2.2 遞種起始位置

        舀隔板如圖4所示。由薄鋼板沖壓成的外圓開口式圓環(huán),其開口角度為75°,即遞種角α2=75°。隔板位于導(dǎo)種輪和勺輪之間,將兩者隔開,隔板與排種輪型孔、殼體一起構(gòu)成一個完整的承種型孔。

        由于種子品種不同,造成種子尺寸不同,遞種的起始位置要求根據(jù)種子的大小確定,隔板調(diào)整定位孔與殼體上的最上方第一個調(diào)整孔重合,如圖5所示。其起始位置與水平面夾角α1為遞種起始位置,終止位置角為α1+75°,此為隔板最高位置,淸種區(qū)域最大。當(dāng)播小粒種子時,順時針轉(zhuǎn)動隔板,擴大清種區(qū)間,延長清種時間;播大粒種子時,逆時針轉(zhuǎn)動隔板,提前遞種,即減小遞種起始角,減小清種區(qū)間,以減少漏播率。隔板調(diào)整孔最高到最低位置對應(yīng)圓心角為30°,每一位置間隔5°,適應(yīng)不同大小的種子;最低位置遞種角為5°,最高為35°。

        圖4 勺輪式排種器隔板Fig.4 Division piate of spoon-wheel

        圖5 遞種區(qū)Fig.5 Area of seed delivery

        2.3 遞種起始位置

        播種機作業(yè)時,播種農(nóng)藝要求的株距取決于排種器的旋轉(zhuǎn)運動速度與機組前進(jìn)速度的配合[1]。如不考慮地輪滑移,保證株距要求的轉(zhuǎn)速為

        (1)

        傳動比為

        (2)

        穴距為

        (3)

        式中υm—機組前進(jìn)速度(m/s);

        n—排種軸轉(zhuǎn)速(r/min);

        D—地輪直徑(m);

        t—穴距(m);

        z—排種器圓周型孔數(shù);

        δ—地輪滑移率,δ=0.05~0.12;

        播種株距的調(diào)整是通過更換地輪軸、中間傳動軸和排種器上的傳動鏈輪來實現(xiàn)的(3組排種單體的鏈輪齒數(shù)分布必須相同)。地輪直徑為D=418mm。機組前進(jìn)速度υm為4~6km/h,株距t=200~300mm,型孔數(shù)Z=18,則n=14.2~26.5r/min。如果排種盤的線速度太高,種子靠本身的重力很難克服離心力和種子本身與排種盤的摩擦力,不能自動滑落,將增加重播率,并使遞種的時間相對減少,減少遞種的幾率,造成漏播。

        一般保證種子下落,其重力應(yīng)大于種子所受的離心力,即

        mg≥mrω2

        (4)

        (5)

        式中m—玉米種子質(zhì)量(g);

        n—排種軸轉(zhuǎn)速(r/min);

        r—種子所在半徑(m);

        g—重力加速度(m/s2)。

        由式(5)計算得:n≤86.9r/min。這說明保證株距的情況下能夠保證順利清種和遞種。

        3 試驗分析

        3.1 臺架試驗

        本試驗依托JPS-12排種器性能檢測試驗臺(見圖6和圖7),依據(jù)精密排種器的單粒(精密)播種機試驗方法(GB/T 6973-2005),在室內(nèi)臺架上進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)的試驗,通過軟件SeederTest(見圖8)得出穴距、穴粒數(shù)及實際穴距分布值,判定穴距合格率、穴粒數(shù)合格率等指標(biāo),獲取精確的種子粒距(粒距測量平均誤差±2mm)、合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)和變異系數(shù)等檢測指標(biāo)。本試驗主要探索不同的機組速度和不同的遞種口位置,對排種器播種性能的影響。

        圖6 試驗臺Fig.6 Test bench

        圖7 試驗臺Fig.7 Test bench

        圖8 種子測試軟件Fig.8 Seed texting software

        本試驗為機組在不同速度和不用遞種口位置的雙因素3水平的試驗。本試驗共有4個相應(yīng)的變量,即國標(biāo)GB/T 6973-2005單粒(精量)播種機的作業(yè)性能指標(biāo):粒距合格指數(shù)A≥75%,重播指數(shù)D≤20%,漏播指數(shù)M≤10%,合格粒距變異系數(shù)C≤35%[7]。

        3.2 試驗分析

        由表1可見:勺輪式排種器隨著作業(yè)速度的提升,播種效果逐漸下降,特別是漏播率和變異系數(shù)有非常明顯的增加。對于不同遞種口位置,隨著機組速度的增加,播種效果出現(xiàn)波動,低遞種口位置在4km/h時,作業(yè)效果最好;速度過高時,可能由于離心力過大,種子不能及時下落到遞種盤,出現(xiàn)合格指數(shù)較低,且漏播嚴(yán)重的結(jié)果;當(dāng)在中遞種口位置時,合格指數(shù)滿足國標(biāo)要求,但高速漏播指數(shù)不滿足要求,漏播指數(shù)較大。

        由此可以得出,18舀勺的勺輪式玉米排種器的作業(yè)速度受到了限制,不能進(jìn)一步的提高,否則漏播重播會大幅度增加,且合格指數(shù)無法滿足國家標(biāo)準(zhǔn),這對勺輪式玉米排種器的改進(jìn)和提速顯得尤為重要。

        表1 玉米排種器試驗性能結(jié)果Table 1 Experimental performance results of the spoon-wheel seedmeter for corn %

        4 結(jié)論

        勺輪式排種器是目前生產(chǎn)實踐中應(yīng)用最廣的機械式玉米精密排種器之一,相對其他機械式精密排種器,其結(jié)構(gòu)簡單,對玉米種子尺寸和形狀差異的適應(yīng)性強。設(shè)計勺輪式排種器的排種勺輪直徑為240mm,圓周斜向均布18個種勺,種勺間距為20°,導(dǎo)種輪的直徑237mm,導(dǎo)種輪凹槽數(shù)為18個,遞種角一般取中間3個位置,進(jìn)種口為中心距離軸心水平距離60mm,垂直距離30mm,長軸為60mm,短軸為40mm的橢圓形通道,保證順利清種和遞種的排種軸轉(zhuǎn)速應(yīng)低于86.9r/min。生產(chǎn)中,應(yīng)該針對農(nóng)田狀況及種子情況調(diào)整隔板,減少漏播和雙粒,提高單粒率,保證播種質(zhì)量。

        [1] 北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué).農(nóng)業(yè)機械學(xué)(上冊)[K].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1991:199-213.

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        [7] GB/T6973-2005單粒(精量)播種機試驗方法[S].

        [8] 王巖,隋思漣,王愛青.數(shù)理統(tǒng)計與MATLAB工程數(shù)據(jù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

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