許鵬曉，楊然兵，尚書旗，楊紅光，崔功佩，劉立輝

(青島農業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

播種質量的好壞直接影響到試驗方案能否正確實施，目前我國的育種試驗主要采用人力手工播種，而歐美等發(fā)達國家，針對小區(qū)播種機的研究可追溯到20世紀30年代，且早已實現(xiàn)育種全程機械化[1]。與機械化作業(yè)相比，人力手工育種不僅勞動非常繁重，播種效率低下，易混種，對于小區(qū)育種試驗數(shù)據(jù)的準確性也有嚴重影響。播種作業(yè)是整個田間育種試驗中最費工，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，對于田間育種試驗機具作業(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，通過查閱國內外小區(qū)播種機的相關資料，并對播種機各關鍵部件進行結構設計及受力分析，設計了一臺調整方便、操作容易、通用性好的錐體帆布帶式小區(qū)播種機，對于提高我國育種試驗的準確性，促進我國良種工程健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義[4-7]。

1 總體結構及工作原理

該播種機主要由機架、地輪、四連桿防形機構、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的作業(yè)效率以及試驗數(shù)據(jù)的準確性。

1.地輪 2.機架 3.四連桿防形機構 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 整機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of seeder

該小區(qū)播種機選用錐體帆布帶式排種器，與拖拉機配套使用，通過后懸掛與拖拉機連接。播種機進行育種試驗時，在拖拉機的牽引作用下前進，帶動地輪滾動。同時，通過左側地輪的傳動經(jīng)過鏈傳動、變速箱、鏈傳動和錐齒輪，將動力傳給排種裝置，實現(xiàn)排種裝置的均勻排種；通過調節(jié)變速箱傳動比，滿足不同小區(qū)長度均勻播種的作業(yè)要求。其主要技術參數(shù)如表1所示。

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

續(xù)表1

2 小區(qū)播種機關鍵部件設計

2.1 排種器的設計及作業(yè)原理

排種器作業(yè)性能的好壞，直接影響育種試驗數(shù)據(jù)的準確性[8-9]。在進行育種試驗前，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，并均勻落在存種套筒與錐體形成的存種空間內。小區(qū)開始播種時，下壓泄種手柄，帶動提升環(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。通過錐齒輪傳動帶動排種器軸上的錐體底座、錐體、皮帶及其楔形空間內的種子同步轉動；當種子隨排種裝置轉動到排種口時，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.滾動銷軸 6.張緊銷軸 7.皮帶 8.張緊調節(jié) 9.排種底板 10.接種漏斗 11.傳動錐齒輪 12.錐體 圖2 錐體皮帶式排種裝置結構簡圖Fig.2 The structure sketch picture of cone-belt metering device

2.1.1 排種器分種錐體設計力學分析

根據(jù)株行播種機實際工作狀況，播種機械一直處于前進行走狀態(tài)，即排種裝置一直處于轉動狀態(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，而是以一定的速度轉動。對分種過程中任意時刻種子的受力情況進行分析，取位于錐體斜面上的任意種子為研究對象，其質量為m。種子沿錐面滑落時的受力分析如圖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；種子沿錐面下滑受到的滑動摩擦阻力Ff，方向與種子在錐面上的運動方向相反；種子隨錐體轉動時產(chǎn)生的離心慣性力FB，方向垂直于錐體中心軸水平向外；種子運動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較小，主要運動為沿錐面母線下滑。在此條件下，為了便于種子受力分析，特作幾點假設與簡化：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的分力，即空氣摩擦阻力與滑動摩擦阻力方向為沿錐體母線方向指向錐尖。為便于分析種子受力，在M點建立坐標系XOY，種子沿錐體母線運動方向為Y軸，垂直于母線方向指向錐體內側的為X軸，則種子在XOY的面內的受力情況為

(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摩擦阻力；

FB—種子隨錐體轉動時產(chǎn)生的離心慣性力；

Fw—種子下滑過程中受到空氣阻力。

摩擦力與離心力計算公式為

(2)

式中μ—種子與錐體表面滑動摩擦因數(shù)，μ=0.2；

k—空氣摩擦因數(shù)；

ω—種子與錐體做圓周轉動角速度；

v—種子沿錐體下滑速度；

r—M點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)得排種裝置轉速最低限制，即

(4)

2)保證種子緊貼錐面下滑，不會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速條件，可得排種裝置最高轉速限制，即

(6)

由上述分析可知：排種裝置轉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速主要與錐體底面半徑r、錐體傾角α及錐體滑動摩擦因數(shù)有關，不脫離錐面的最高轉速與錐體底面半徑和傾角有關。結合分種轉速條件，需合理設計排種錐體結構參數(shù)，保證種子分種過程中分種均勻。

2.1.3 分種錐體參數(shù)設計

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

根據(jù)分種條件式(4)、式(6)，推導出錐體結構參數(shù)設計條件為

(7)

式中μ—小麥種子與錐體的最大靜摩擦因數(shù)。

由上述設計條件，綜合考慮排種裝置轉速與排種裝置空間限制，設計錐體底面半徑為65mm，高度為54mm，錐體的傾角為arctan54/65=40°，經(jīng)驗證錐體結構參數(shù)滿足排種裝置正常工作轉速下的錐體均勻分種條件。

2.2 變速箱的設計

播種機的變速箱由鏈輪組、鏈輪組合長軸、軸、行星鏈輪、滑動鏈輪、軸承和滑動長軸等組成，如圖4所示?；瑒渔溳S在鏈輪圓周力的作用下旋轉，帶動滑動鏈輪旋轉，經(jīng)過行星輪帶動從動鏈輪組旋轉；通過左右調節(jié)滑動鏈輪，可實現(xiàn)不同傳動比的傳動。

1.鏈輪組 2.鏈輪組合長軸 3.軸 4.行星鏈輪 5.滑動鏈輪 6.軸承 7.滑動長軸 圖4 變速箱結構簡圖Fig.4 Structure diagram of gearbox

由于第1級鏈傳動分別實現(xiàn)傳動為i=2的傳動第2級鏈傳動的傳動比為i=1，所以變速箱的傳動比設置如表2所示。

表2 部分變速箱傳動比Table 2 Part transmission ratio of gear box

由于本變速箱采用鏈輪組與滑動鏈輪嚙合實現(xiàn)變速，所以鏈輪的設計方法和第一級鏈傳動的設計方法相同，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 開溝器的設計

根據(jù)育種試驗要求，需保證深度一致、掘穴整齊，并且保證種子均勻分布在行內。該播種機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，配合播深調節(jié)旋鈕，可在1～5cm范圍內選擇合適播種深度。根據(jù)農藝要求，通過調節(jié)底端的可滑動裝置，調節(jié)開溝器之間的距離；采用的四桿仿形機構，保證開溝深度在農藝要求之內。其結構簡圖如圖5所示。

3 田間試驗

3.1 試驗條件及方法

試驗地點選在青島平度試驗基地，播種氣候溫度27℃，試驗田土壤平均濕度37%，土壤類型為壤土，地表較為平整。每次試驗播種小區(qū)長度為8m，重復8次，分別記錄其實驗數(shù)據(jù)，計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)段內種子(苗)數(shù)；

X—區(qū)段平均種子(苗)數(shù)；

S—標準差；

V—變異系數(shù)(%)。

1.機架 2.四連桿仿形機構 3.圓盤開溝器 4.鎮(zhèn)壓輪 圖5 開溝器結構簡圖Fig.5 Structure diagram rrowing opener

3.2 試驗結果及分析

根據(jù)所得試驗數(shù)據(jù)計算,其結果如表4所示。

表4 田間作業(yè)試驗結果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%，均滿足育種試驗的農藝要求。

4 結論

1)通過對錐體內種子的受力、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)播種機排種裝置的最佳結構參數(shù)。

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

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

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構，利用一個能隨地面起伏仿形的平行四桿機構實現(xiàn)了對開溝深度的控制。

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