邢潔潔，徐麗明，袁全春，馬 帥，于暢暢，段壯壯

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馬齒型玉米種子定向播種推送裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

邢潔潔，徐麗明※，袁全春，馬 帥，于暢暢，段壯壯

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

為了實(shí)現(xiàn)玉米種子的定向推送，該文以定向處理完畢且呈平躺姿態(tài)的馬齒型玉米種子為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種玉米種子定向播種推送裝置，能夠?qū)τ衩追N子進(jìn)行定向接收、移動(dòng)和推送。對(duì)裝置的定向接收功能進(jìn)行了原理分析，以分選缺口的2個(gè)形狀參數(shù)圓弧角度和深度為因素，以保留成功率和剔除成功率為指標(biāo)，分別對(duì)尖端朝前和大頭朝前的玉米種子進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到了最佳的分選缺口參數(shù)：圓弧角度為14°、深度為3 mm。搭建玉米種子定向播種推送裝置試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果表明裝置的定向接收、移動(dòng)和推送3個(gè)功能實(shí)現(xiàn)效果良好，對(duì)于定向接收功能，尖端朝前玉米種子的保留成功率達(dá)到93.8%，大頭朝前玉米種子的剔除成功率為100%。該研究為后續(xù)的定向玉米種子彈夾制作及玉米機(jī)械化定向播種提供了參考。

機(jī)械化；農(nóng)作物；設(shè)計(jì)；玉米種子；定向接收；定向移動(dòng)；定向推送；ADAMS

0 引 言

玉米定向播種可以使玉米植株在生長(zhǎng)過(guò)程中葉子展開(kāi)方向一致，改善作物在田間的光照和通風(fēng)情況，能夠有效地提高玉米單產(chǎn)，并提高玉米機(jī)械化收獲水平[1-5]。

目前實(shí)現(xiàn)玉米機(jī)械化定向播種的方法主要是鋪放玉米定向種子帶。徐麗明等[6-9]設(shè)計(jì)了一種玉米定向種子帶制作裝置，利用涂膠的方式，將定向好的玉米種子粘在紙帶上，制成玉米定向種子帶；同時(shí)該課題組發(fā)明了一種玉米定向種子帶播種裝置，先利用開(kāi)溝裝置開(kāi)出溝底平整的種溝，再利用恒力鋪放裝置將玉米定向種子帶鋪放進(jìn)種溝中，最后進(jìn)行覆土和鎮(zhèn)壓[10]。但是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種方法存在以下不足：1）種子帶制作和鋪放的難度高且效率較低；2）種子帶盤(pán)體積大、儲(chǔ)存不便。針對(duì)這些問(wèn)題，徐麗明等[11]提出一種新的玉米定向播種方法：玉米種子子彈定向播種方法，即模擬槍支射擊子彈的過(guò)程，將玉米種子當(dāng)成子彈，定向均勻地插入土壤中，以此實(shí)現(xiàn)玉米機(jī)械化定向播種。具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先制作定向玉米種子彈夾，然后將彈夾中的玉米種子插播入土。定向玉米種子彈夾的制作過(guò)程就是將玉米種子像子彈一樣整齊定向地推入特定的玉米種子容器，其關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)玉米種子進(jìn)行定向推送。

以馬齒型玉米種子為作業(yè)對(duì)象，徐麗明等[12-15]提出了多種相關(guān)的定向方法并設(shè)計(jì)了相關(guān)的定向裝置，能夠?qū)︸R齒型玉米種子的尖端朝向進(jìn)行定向，使之統(tǒng)一變?yōu)榧舛顺暗臓顟B(tài)，最后以平躺或側(cè)立的姿態(tài)進(jìn)行電磁振動(dòng)輸出，定向成功率為90%左右，即仍存在少數(shù)玉米種子是尖端定向失敗的（大頭朝前），且文獻(xiàn)[12-15]涉及的定向裝置沒(méi)有定向推送功能。制作定向玉米種子彈夾需要玉米種子尖端朝向完全一致，以定向裝置輸出的玉米種子為基礎(chǔ)制作定向玉米種子彈夾時(shí)，需要先進(jìn)行篩選，剔除少數(shù)大頭朝前的玉米種子，只保留尖端朝前的玉米種子，然后還需要對(duì)其進(jìn)行定向推送作業(yè)。

本研究在已有研究基礎(chǔ)上，以上述定向裝置定向處理完畢且呈平躺姿態(tài)的馬齒型玉米種子為工作對(duì)象，設(shè)計(jì)一種玉米種子定向播種推送裝置，能夠?qū)τ衩追N子進(jìn)行定向接收、移動(dòng)和推送。利用ADAMS對(duì)該裝置的關(guān)鍵功能進(jìn)行仿真優(yōu)化，搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn)，以期為后續(xù)的定向玉米種子彈夾制作及玉米機(jī)械化定向播種提供參考。

1 玉米種子定向播種推送裝置設(shè)計(jì)

對(duì)玉米種子進(jìn)行分級(jí)處理，去除過(guò)小和過(guò)大的畸形玉米種子以及圓形玉米種子，選取馬齒型玉米種子。隨機(jī)抽取200顆馬齒型玉米種子進(jìn)行測(cè)量，外形尺寸（長(zhǎng)、寬、厚）分別在[11.6 mm，8.3 mm]，[9.1 mm，7.8 mm]，[5.4 mm，4.7 mm]區(qū)間內(nèi)，以此為基礎(chǔ)，本研究設(shè)計(jì)了一種玉米種子定向播種推送裝置，其功能有3個(gè)，即對(duì)定向裝置輸出的呈平躺姿態(tài)的玉米種子進(jìn)行定向接收、定向移動(dòng)和定向推送。

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

該裝置結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，包括3個(gè)部分：定向接收移動(dòng)機(jī)構(gòu)、定向推送機(jī)構(gòu)和動(dòng)力部分。定向接收移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由從動(dòng)軸、從動(dòng)齒輪、轉(zhuǎn)盤(pán)、持種器、彈簧線、轉(zhuǎn)盤(pán)底座等部件組成，其中轉(zhuǎn)盤(pán)和持種器是該機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部件，從動(dòng)齒輪和轉(zhuǎn)盤(pán)用螺釘固接成一體，一起安裝在從動(dòng)軸上，轉(zhuǎn)盤(pán)圓周上有4個(gè)滑槽，每個(gè)滑槽內(nèi)安裝有1個(gè)持種器，持種器可以沿著滑槽相對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)圓心進(jìn)行內(nèi)外移動(dòng)，每個(gè)持種器上固接1個(gè)螺栓，每個(gè)滑槽兩側(cè)也分別固接1個(gè)螺栓，3個(gè)螺栓上固接1個(gè)彈簧線，組成1個(gè)自動(dòng)回位機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)盤(pán)可以在轉(zhuǎn)盤(pán)底座上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤(pán)底座固接在框架上。定向推送機(jī)構(gòu)主要由主動(dòng)軸、凸輪、主動(dòng)齒輪、直線推桿等部件組成，其中凸輪和直線推桿是該機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部件，主動(dòng)軸通過(guò)聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)的輸出軸相連接，凸輪和主動(dòng)齒輪用螺釘固接成一體，一起安裝在主動(dòng)軸上，直線推桿安裝在直線推桿上板固接在框架上，只能進(jìn)行左右移動(dòng)，其右端始終與凸輪表面相接觸。動(dòng)力部分由步進(jìn)電機(jī)及配套部件組成，可為整個(gè)裝置提供動(dòng)力。步進(jìn)電機(jī)和轉(zhuǎn)盤(pán)底座固接在框架上，框架固接在框架支座上。

1.框架支座 2.框架 3.步進(jìn)電機(jī) 4.主動(dòng)軸 5.凸輪 6.主動(dòng)齒輪 7.從動(dòng)齒輪 8.轉(zhuǎn)盤(pán) 9.從動(dòng)軸 10.滑槽 11.直線推桿 12.持種器 13.種槽 14.彈簧線 15.轉(zhuǎn)盤(pán)底座 16.分選缺口 17.護(hù)板 18.彈性撥片 19.直線推桿上板

轉(zhuǎn)盤(pán)直徑為200 mm，厚度為6 mm，略大于種子厚度。持種器的外側(cè)有一個(gè)仿形種槽，用來(lái)接收玉米種子，種槽的形狀仿照馬齒型玉米種子外形進(jìn)行設(shè)計(jì)。參考玉米種子的平均外形尺寸，設(shè)計(jì)種槽的最大寬度為8.5 mm，深度為11 mm，高度與轉(zhuǎn)盤(pán)厚度一致，種槽1次只能接收1顆玉米種子。主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪是1對(duì)間歇齒輪，主動(dòng)齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)1圈與從動(dòng)輪只嚙合1/4圈，主動(dòng)齒輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)齒輪做間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，每次間歇轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為90°。凸輪輪廓如圖2所示，其圓周表面從運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)開(kāi)始順時(shí)針?lè)较蛴?0°的基圓，之后的2段分別為推程和回程，由于玉米種子的最大長(zhǎng)度為11.6 mm，為了能將玉米種子完全推出，本研究將凸輪的升距設(shè)定為12 mm。

1.基圓 2.推程 3.回程 4.運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)

1.2 裝置運(yùn)動(dòng)及工作過(guò)程

步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)主動(dòng)軸上凸輪和主動(dòng)齒輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)軸上的主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪相互嚙合，帶動(dòng)從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)周期為，則玉米種子定向播種推送裝置內(nèi)各部件的運(yùn)動(dòng)情況為：從0到0.25時(shí)，主動(dòng)齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)90°，凸輪也從運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)90°，這段為基圓，期間直線推桿保持靜止，在主動(dòng)齒輪的帶動(dòng)下，從動(dòng)齒輪和轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)90°，此時(shí)持種器正好對(duì)準(zhǔn)直線推桿；從0.25到0.625時(shí)，從動(dòng)齒輪和轉(zhuǎn)盤(pán)保持靜止，凸輪繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)135°，這段為推程，直線推桿向左移動(dòng)，將持種器向外推送12 mm；從0.625到時(shí)，從動(dòng)齒輪和轉(zhuǎn)盤(pán)仍保持靜止，凸輪再逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)135°回到最開(kāi)始的起始點(diǎn)，這段為回程，直線推桿向右移動(dòng)，持種器在自動(dòng)回位機(jī)構(gòu)的拉力下向心回位12 mm。即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈的前1/4周期中，定向接收移動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部件轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，后3/4周期中，定向推送機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部件直線推桿推動(dòng)持種器完成1次推送運(yùn)動(dòng)，并回位。步進(jìn)電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，裝置內(nèi)的定向接收移動(dòng)機(jī)構(gòu)和定向推送機(jī)構(gòu)先后進(jìn)行周期性的順時(shí)針間歇旋轉(zhuǎn)和推送運(yùn)動(dòng)。

玉米種子定向播種推送裝置的工作過(guò)程為：持種器的種槽接收玉米種子后，持種器和玉米種子隨轉(zhuǎn)盤(pán)開(kāi)始在轉(zhuǎn)盤(pán)底座上轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)分選缺口時(shí)，大頭朝前狀態(tài)的玉米種子會(huì)被剔除，只留下尖端朝前狀態(tài)的玉米種子，完成定向接收功能；之后玉米種在護(hù)板的約束下與持種器保持相對(duì)靜止，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)90°后停下，到達(dá)種子推送處，完成定向移動(dòng)功能；最后直線推桿開(kāi)始推動(dòng)持種器，將玉米種子向外推送，完成定向推送功能。玉米種子依次進(jìn)入持種器，并重復(fù)上面的流程。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的1個(gè)周期內(nèi)，轉(zhuǎn)盤(pán)靜止的時(shí)間為3/4個(gè)周期，在這段時(shí)間里，上1顆玉米種子的定向推送和下1顆玉米種子的接收同時(shí)進(jìn)行。

2 功能原理與因素分析

玉米種子定向播種推送裝置的3個(gè)功能中，定向接收功能最關(guān)鍵，是定向移動(dòng)和定向推送功能的基礎(chǔ)。定向接收就是對(duì)接收到的玉米種子進(jìn)行篩選，剔除大頭朝前的玉米種子，保留下尖端朝前的玉米種子，之后進(jìn)行定向移動(dòng)和定向推送，本文著重對(duì)定向接收原理進(jìn)行介紹。

2.1 定向接收原理

持種器和分選缺口是實(shí)現(xiàn)定向接收功能的基礎(chǔ)。參考圖1，分選缺口開(kāi)在轉(zhuǎn)盤(pán)底座上，位于種子接收處順時(shí)針?lè)较?，分選缺口形狀如圖3所示，分選缺口內(nèi)側(cè)為一段圓弧，缺口末端外側(cè)有一個(gè)彈性撥片。分選缺口圓弧角度為，深度為，彈性撥片所占的圓弧角度為1，其邊緣與分選缺口內(nèi)側(cè)的距離為，這4個(gè)參數(shù)是分選缺口的主要形狀參數(shù)，本研究依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定1為4°、為5 mm。

1.分選缺口 2.彈性撥片

1.Sorting notch 2.Elastic leaf

注：為分選缺口圓弧角度，(°)；為分選缺口深度，mm；1為彈性撥片所占的圓弧角度，(°)；為彈性撥片外端與分選缺口內(nèi)側(cè)的距離，mm。

Note:is the arc angle of the sorting notch edge, (°);is the depth of the sorting notch, mm;1is the shared arc angle of the elastic leaf, (°);is the distance between the endpoint of elastic leaf and sorting notch inside, mm.

圖3 分選缺口形狀

Fig.3 Shape of sorting notch

尖端朝前玉米種子的保留過(guò)程和大頭朝前玉米種子的剔除過(guò)程分別如圖4和圖5所示。為了方便觀察，在圖4和圖5中將轉(zhuǎn)盤(pán)透視化。裝置的定向接收原理如下：如圖4所示，尖端朝前輸送的玉米種子被接收后的狀態(tài)表現(xiàn)為：種子能夠完全進(jìn)入到種槽中，種子兩側(cè)與種槽內(nèi)壁相貼合，種子尖端向心（即朝向轉(zhuǎn)盤(pán)圓心），狀態(tài)穩(wěn)定；之后轉(zhuǎn)盤(pán)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，玉米種子隨之進(jìn)入分選缺口區(qū)域，由于該區(qū)域離心方向沒(méi)有阻擋，所以玉米種子還會(huì)進(jìn)行輕微的離心運(yùn)動(dòng)，但種子的大部分體積仍處于分選缺口內(nèi)側(cè)，即種子重心始終位于分選缺口內(nèi)側(cè)，使之能夠順利通過(guò)分選缺口。玉米種子隨轉(zhuǎn)盤(pán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入彈性撥片區(qū)域，在彈性撥片的引導(dǎo)作用下，玉米種子會(huì)做向心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入護(hù)板內(nèi)側(cè)，護(hù)板能夠防止玉米種子向外移動(dòng)，使之與種槽保持相對(duì)靜止。

圖4 尖端朝前玉米種子的保留過(guò)程

圖5 大頭朝前玉米種子的剔除過(guò)程

如圖5所示，大頭朝前輸送的玉米種子被接收后的狀態(tài)表現(xiàn)為：種子只有部分進(jìn)入到種槽中，種子大頭向心，狀態(tài)不穩(wěn)定，容易擺動(dòng)；之后玉米種子隨轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入分選缺口區(qū)域，在經(jīng)過(guò)分選缺口的過(guò)程中，種子的大部分體積處于在缺口外側(cè)，造成種子的重心位于分選缺口外側(cè)，種子自身會(huì)向外翻轉(zhuǎn)掉落，完成剔除，如果種子翻轉(zhuǎn)掉落過(guò)程緩慢，彈性撥片能夠阻礙該種子繼續(xù)隨轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，促使其掉落，彈性撥片具有一定的彈性，可避免卡種現(xiàn)象。

按照上述的分選方法，玉米種子定向播種推送裝置可以實(shí)現(xiàn)只對(duì)尖端朝前輸送來(lái)的玉米種子進(jìn)行定向接收，之后對(duì)保留下來(lái)的玉米種子先后進(jìn)行定向移動(dòng)和定向推送，玉米種子定向移動(dòng)和定向推送過(guò)程見(jiàn)圖6。

1.定向玉米種子彈夾

2.2 定向接收過(guò)程的影響因素

結(jié)合定向接收過(guò)程可知，尖端朝前的玉米種子可以順利通過(guò)分選缺口而大頭朝前的玉米種子卻掉落的主要原因是：2種狀態(tài)的玉米種子在通過(guò)分選缺口時(shí)重心位置不同，即尖端朝前時(shí)玉米種子的重心始終位于分選缺口內(nèi)側(cè)，而大頭朝前時(shí)玉米種子的重心位于分選缺口外側(cè)。因此分選缺口的形狀參數(shù)對(duì)定向接收過(guò)程的影響較大，例如分選缺口的深度，表現(xiàn)為：分選缺口的深度越大，大頭朝前的玉米種子越容易掉落，但同時(shí)也可能會(huì)使尖端朝前玉米種子的重心漏在缺口外側(cè)進(jìn)而掉落，本文設(shè)定分選缺口的深度不大于玉米種子平均長(zhǎng)度的一半。另外分選缺口圓弧角度也是一個(gè)影響因素，表現(xiàn)為：分選缺口圓弧角度越大，玉米種子做離心運(yùn)動(dòng)的時(shí)間就越長(zhǎng)，向外移動(dòng)的距離也就越大，可能導(dǎo)致尖端朝前的玉米種子掉落。

除了分選缺口的形狀參數(shù)外，轉(zhuǎn)盤(pán)間歇旋轉(zhuǎn)的速度也對(duì)定向接收過(guò)程有影響，因?yàn)樗俣仍酱?，玉米種子的離心力就越大[16-17]，玉米種子因離心運(yùn)動(dòng)而向外移動(dòng)的距離就越大，可能造成尖端朝前和朝后的玉米種子都掉落。轉(zhuǎn)盤(pán)間歇旋轉(zhuǎn)的速度與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一致，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以用周期來(lái)衡量，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)周期會(huì)影響到整個(gè)裝置的工作效率。本研究綜合考慮將周期設(shè)定為3 s。

3 定向接收功能仿真試驗(yàn)

定向接收功能是整個(gè)裝置能夠順利工作的基礎(chǔ)，尖端朝前玉米種子的保留成功率和大頭朝前玉米種子的剔除成功率是衡量玉米種子定向播種推送裝置工作性能的2個(gè)重要指標(biāo)。由定向接收原理可知，分選缺口的形狀參數(shù)對(duì)定向接收過(guò)程影響較大，其中分選缺口的4個(gè)形狀參數(shù)中分選缺口圓弧角度和深度是未確定的。為了得到最佳的分選缺口參數(shù)，采用ADAMS仿真軟件進(jìn)行定向接收功能仿真試驗(yàn)[18-23]，并對(duì)玉米種子定向播種推送裝置進(jìn)行優(yōu)化，以期為實(shí)際裝置的制作提供參考依據(jù)。

3.1 仿真模型的建立

由于仿真試驗(yàn)的重點(diǎn)在于模擬玉米種子定向接收過(guò)程，所以本研究在建立仿真模型時(shí)對(duì)玉米種子定向播種推送裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，只建立與定向接收功能相關(guān)的部件模型，然后為運(yùn)動(dòng)的部件添加合適的驅(qū)動(dòng)來(lái)模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)。參考文獻(xiàn)[24-25]的建模方法，首先運(yùn)用Solidworks軟件建立相關(guān)部件的裝配模型，然后導(dǎo)入ADAMS仿真軟件中為各部件添加相關(guān)運(yùn)動(dòng)副。為了提高仿真的真實(shí)性，以實(shí)際馬齒型玉米種子為參考建立10顆形狀不同的玉米種子模型。為相互接觸的物體之間添加接觸力，包括：部件之間、玉米種子與部件之間以及不同玉米種子之間。為輸送軌道添加合適的正弦驅(qū)動(dòng)，模擬直線電磁振動(dòng)，為玉米種子輸送提供動(dòng)力。參考式（1）為轉(zhuǎn)盤(pán)添加角速度為的順時(shí)針間歇旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，模擬周期性的順時(shí)針間歇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[26-27]，其中為3 s。最終建好的仿真模型見(jiàn)圖7。參考文獻(xiàn)[24]對(duì)建好的仿真模型進(jìn)行合理性驗(yàn)證，結(jié)果顯示玉米種子在仿真模型中的運(yùn)動(dòng)效果符合實(shí)際，且仿真過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)失真狀況，表明該仿真模型可以代替實(shí)際裝置進(jìn)行試驗(yàn)。

式中為時(shí)間，s。

3.2 仿真試驗(yàn)

玉米種子的平均長(zhǎng)度為10 mm，由于分選缺口的深度不能大于玉米種子長(zhǎng)度的一半，因此設(shè)定深度的試驗(yàn)范圍為2～4 mm；另外由于大頭朝前的玉米種子在分選缺口處掉落需要一小段時(shí)間，且種槽自身所占的圓弧角度為4°，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分選缺口圓弧角度不能小于10，因此初步設(shè)定圓弧角度的試驗(yàn)范圍為10°～15°。

圖7 定向接收功能仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

以分選缺口圓弧角度和深度為因素，因素水平見(jiàn)表1，、為因素水平值。首先以保留成功率1為指標(biāo)對(duì)尖端朝前的玉米種子進(jìn)行第1項(xiàng)仿真試驗(yàn)，然后以剔除成功率2為指標(biāo)對(duì)大頭朝前的玉米種子進(jìn)行第2項(xiàng)仿真試驗(yàn)。采用完全試驗(yàn)方案，每組試驗(yàn)的玉米種子數(shù)量為50顆，定向接收功能仿真試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

表1 定向接收功能仿真試驗(yàn)因素水平

圖8 玉米種子定向接收功能仿真試驗(yàn)結(jié)果

由圖8a和圖8b可知，圓弧角度或深度這2個(gè)因素影響保留成功率和剔除成功率的規(guī)律恰好相反：對(duì)于尖端朝前的玉米種子，隨著圓弧角度或深度的增大，保留成功率總體呈降低趨勢(shì)；對(duì)于大頭朝前的玉米種子，隨著圓弧角度或深度的增大，剔除成功率總體呈升高趨勢(shì)。

玉米種子定向播種推送裝置在實(shí)際工作中要求尖端朝前玉米種子的保留成功率越高越好，同時(shí)要求大頭朝前的玉米種子必須被完全剔除，即剔除成功率為100%。由試驗(yàn)結(jié)果可知，能使大頭朝前玉米種子的剔除成功率達(dá)到100%的因素組合有5個(gè)：52、62、43、53和63，在這些組合中，組合52對(duì)應(yīng)的尖端朝前玉米種子的保留成功率最高，達(dá)到94%。因此本研究選52為最佳因素組合，即最佳的分選缺口參數(shù)為：=14°、=3 mm，以此作為最終的設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 玉米種子定向播種推送裝置的性能試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)仿真優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性并對(duì)整個(gè)裝置的性能進(jìn)行測(cè)試，按照設(shè)定好的參數(shù)加工零部件，并搭建玉米種子定向播種推送裝置試驗(yàn)平臺(tái)（圖9）進(jìn)行性能試驗(yàn)。搭建裝置時(shí)，對(duì)相互摩擦的不同部件采用不同的材料進(jìn)行制作，以減少磨損，例如：轉(zhuǎn)盤(pán)底座和轉(zhuǎn)盤(pán)之間有摩擦，因此轉(zhuǎn)盤(pán)底座采用鋁合金材料，轉(zhuǎn)盤(pán)采用尼龍材料。裝置設(shè)計(jì)時(shí)，采用彈簧線為自動(dòng)回位機(jī)構(gòu)提供拉力，用于使持種器向心回位，在搭建平臺(tái)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，持種器在滑槽中移動(dòng)時(shí)的摩擦力較小，即回位所需的拉力較小，由于打結(jié)固定彈簧線時(shí)難度較大，而高質(zhì)量的橡皮筋彈力足夠大，且具有較好的耐用性，所以本文采用橡皮筋代替彈簧線。由于定向定距轉(zhuǎn)盤(pán)的角速度較低，為使步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)保持平穩(wěn)，且減小振動(dòng)，本文選用型號(hào)為17HS-C6022的步進(jìn)電機(jī)，利用型號(hào)為ZD-2HD43OS的驅(qū)動(dòng)器將步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定為32[28-30]，利用PLC調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的周期為3 s。

1.玉米種子定向播種推送裝置 2.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 3.PLC

取尖端定向完畢的馬齒型玉米種子600顆進(jìn)行試驗(yàn)，其中尖端朝前和大頭朝前的玉米種子數(shù)量分別為536顆和64顆。為了方便觀察，定向推送輸出時(shí)直接將種子推到一個(gè)平板上。裝置對(duì)尖端朝前玉米種子的定向接收、移動(dòng)和推送過(guò)程見(jiàn)圖10，以尖端朝前狀態(tài)進(jìn)入種槽的玉米種子大部分都可以順利通過(guò)分選缺口，即完成定向接收，之后裝置對(duì)保留下的玉米種子進(jìn)行定向移動(dòng)和定向推送，玉米種子被送到平板上；而以大頭朝前狀態(tài)進(jìn)入種槽的玉米種子在經(jīng)過(guò)分選缺口時(shí)都會(huì)被直接剔除。

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，裝置工作穩(wěn)定，定向接收、移動(dòng)和推送3個(gè)功能實(shí)現(xiàn)效果良好，對(duì)于定向接收功能，經(jīng)過(guò)分選缺口時(shí)，尖端朝前的玉米種子中只有33顆掉落，保留成功率約為93.8%；大頭朝前的玉米種子全部掉落，剔除成功率為100%，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果相接近。

圖10 尖端朝前玉米種子的定向接收、移動(dòng)和推送過(guò)程

5 結(jié)論與討論

玉米種子進(jìn)行定向推送是制作定向玉米種子彈夾的關(guān)鍵技術(shù)，本文以尖端定向完畢且呈平躺姿態(tài)的馬齒型玉米種子為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種玉米種子定向播種推送裝置，能夠?qū)τ衩追N子進(jìn)行定向接收、移動(dòng)和推送。

1）對(duì)裝置的定向接收功能進(jìn)行了原理分析，并以分選缺口的2個(gè)形狀參數(shù)圓弧角度和深度為因素，以保留成功率和剔除成功率為指標(biāo)，分別對(duì)尖端朝前和大頭朝前的玉米種子進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到了最佳的分選缺口參數(shù)：圓弧角度為14°、深度為3 mm。

2）搭建玉米種子定向播種推送裝置試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果表明裝置的定向接收、移動(dòng)和推送3個(gè)功能實(shí)現(xiàn)效果良好，對(duì)于定向接收功能，尖端朝前玉米種子的保留成功率達(dá)到93.8%，大頭朝前玉米種子的剔除成功率為100%。

玉米機(jī)械化定向播種技術(shù)是未來(lái)發(fā)展主要方向之一，馬齒型玉米種子定向播種推送裝置是制作定向玉米種子彈夾的基礎(chǔ)，該研究為后續(xù)的玉米機(jī)械化定向播種提供了參考。本文設(shè)計(jì)的玉米種子定向播種推送裝置是以馬齒型玉米種子為對(duì)象的，所以在試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有考慮對(duì)不同形狀玉米種子的適應(yīng)性，但在實(shí)際中玉米種子的形狀是多樣的（馬齒型、圓型等），所以需要進(jìn)一步完善該裝置，以增強(qiáng)其對(duì)不同形狀玉米種子的適應(yīng)性。

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Design and test of pushing device for dent corn seeds directional sowing

Xing Jiejie, Xu Liming※, Yuan Quanchun, Ma Shuai, Yu Changchang, Duan Zhuangzhuang

(,,100083,)

The method of regarding corn seed as bullet to sow is a new way, which can realize mechanically directional sowing of corn. The concrete realization process is as follows: Firstly, it needs to make directional corn seed bullet clip, and then the corn seed in the bullet clip is inserted into the soil by specific equipment. The key technology of making directional corn seed bullet clip is directionally pushing corn seeds. In order to realize directionally the pushing of corn seeds, taking dent corn seeds with horizontal posture as research object, most tip orientation of which had been oriented by existing directional device, in this paper, a directional push device for dent corn seeds was designed. Those dent corn seeds could be directionally received, then directionally moved and pushed by the device. The device consisted of 3 parts: directional receiving and moving mechanism, directional pushing mechanism, and power unit. Among them, the directional receiving and moving mechanism was mainly composed of a turntable, 4 seed holders, a turntable base and other components. The directional pushing mechanism mainly consisted of a cam, a linear push rod and some others. And the power unit was a simple stepper motor system. There were 2 kinds of stations when corn seeds with horizontal posture got into the seed notch on seed holder: tip facing forward or main part facing forward. The working process of directional push device for corn seeds was as follows: The turntable started to rotate after corn seeds got into the seed notch, taking seed holders and corn seeds turning together on the turntable base. The corn seeds with main part facing forward would be eliminated when the seed holder passed through the sorting notch, and the corn seeds with tip facing forward could be passed through smoothly, thus completing the directional receiving of the corn seeds. The turntable continued to rotate, and the corn seeds held were kept relatively fixed with the seed holder under the constraint of guard board, and the turntable stopped after turning 90°, thus completing the directional moving of the corn seeds. At last, the linear push rod would push each seed in seed holder outward to complete the directional pushing function. Among the 3 functions of the directional push device for corn seeds, the directional receiving function was the most critical, as it provided a basis for directionally moving and pushing. The analysis of the principle of directional receiving function showed that the shape parameters of the sorting notch had great influence on the process of directionally receiving. Taking arc angle and depth of sorting notch as factors, and respectively taking holding success rate of corn seeds with tip facing forward and elimination success rate of corn seeds with main part facing forward as test index, 2 simulation tests were carried out with corn seeds of 2 different stations. The best parameters of the sorting notch were obtained: Arc angle was 14° and the depth was 3 mm. Under this condition, the holding success rate and elimination success rate respectively reached 94% and 100%. In order to verify the accuracy and reliability of simulation optimization result and test the performance of the device, the practical directional push device for corn seeds was constructed. A performance experiment was performed with 600 corn seeds whose most tip orientation had been oriented. The results show that the device works stably, and the 3 functions of directional receiving, moving and pushing perform well. For directional receiving function, the holding success rate of corn seeds with tip facing forward and elimination success rate of corn seeds with main part facing forward are respectively 93.8% and 100%, which coincide with simulation very well. Generally, this research provides a reference for mechanically making directional corn seed bullet clip subsequently and mechanically directional sowing of corn.

mechanization; crops; design; corn seed; directionally receiving; directionally moving; directionally pushing; ADAMS

2018-04-12

2018-06-30

國(guó)家自然基金項(xiàng)目（51475461）

邢潔潔，博士生，主要從事生物生產(chǎn)自動(dòng)化研究。 Email：584731137@qq.com

徐麗明，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)與裝備研究。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.002

S233.73

A

1002-6819(2018)-17-0009-07

邢潔潔，徐麗明，袁全春，馬 帥，于暢暢，段壯壯. 馬齒型玉米種子定向播種推送裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(17)：9－15.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.002 http://www.tcsae.org

Xing Jiejie, Xu Liming, Yuan Quanchun, Ma Shuai, Yu Changchang, Duan Zhuangzhuang. Design and test of pushing device for dent corn seeds directional sowing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 9－15. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.002 http://www.tcsae.org