勺轮式排种器的设计

王 运，王 飞，殷延祥，徐 灿，冯启飞

(安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036)



勺轮式排种器的设计

王 运，王 飞，殷延祥，徐 灿，冯启飞

(安徽农业大学工学院，安徽合肥 230036)

摘要针对国外各种精密勺轮式排种器不能在我国大规模生产的现状，通过分析勺轮式排种器的工作原理探讨了影响排种器排种的因素，并设计出一款改进的勺轮式排种器。结果表明，该排种器可解决落种散布以及重播漏播的问题，具有广泛的应用前景。

关键词勺轮式排种器；工作原理；改进措施

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

排种器为播种机的重要组成部分，一个播种机的优劣完全取决于排种器的优劣。勺轮式排种器作为应用最广泛的排种器，仍然存在各种问题，致使播种机难以大规模应用，国外虽然设计了各种精密的勺轮式排种器，但由于我国制造业和科技水平的限制以及生产成本过高，勺轮式排种器在我国无法大规模生产。针对上述问题，笔者通过分析勺轮式排种器的工作原理探讨了影响排种器排种的因素，最终设计出一款可以解决落种散布以及重播漏播的勺轮式排种器，以期为我国精密排种器的研究提供理论依据。

1勺轮式排种器的构成

勺轮式排种器一般由排种器壳体、排种轮、排种轴、毛刷、毛刷托板、变速箱、隔板、种箱等零件组成，虽然组成零件并不多，但是巧妙的设计实现了灵活的排种。目前，常见的勺轮式排种器的结构构造及主要组成部分见图1~3。

注：1.排种器壳体；2.排种轮；3.排种轴；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.图1　勺轮式排种器外部结构示意Fig.1　External structure of spoon type seed metering device

注：1.种箱；2.推种器；3.排种盘；4.种子；5.刮种器。Note：1.Seed box；2.Seed pushing device；3.Seed metering plate；4.Seed；5.Seed scraper.图2　勺轮式排种器内部结构示意[1]Fig.2　Internal structure of spoon type seed metering device

注：1.种箱；2.挡种板；3.壳体；4.种子；5.插板；6.推种片；7.排种轮；8.气嘴。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.图3　勺轮式排种器排种结构示意[1]Fig.3　Seed metering structure of spoon type seed metering device

2勺轮式排种器的工作原理

勺轮式排种器一般由排种器壳体、排种轮、排种轴、毛刷、毛刷托板、变速箱、隔板、种箱等零件组成，通过种箱将种子放入排种器中，然后通过排种轮进行圆周运动，将放入的种子分开，通过落种部分将种子排进土地中，在该过程中变速箱控制排种的速度，而毛刷负责清理多余的种子，避免种子的浪费。

通过在安徽农业大学工学院排种器实验台进行排种实验，得到转速与播量、破碎率、排种均匀性变异系数的关系，从而得到转速对排种的影响，并根据种子的受力得到最佳的工作速度。

(1)转速与排种器播量的关系曲线。在其他条件一致的情况下，对于同一排种器，播量随转速的提高呈下降趋势，而且随着转速的进一步提高，播量的下降速率也逐渐加大。型孔的囊种性能是影响播量的关键因素，因为转速的上升导致单个型孔的充种时间变短，部分种子没有足够的时间进入型孔，使得型孔的囊种性能下降，从而使型孔的充种量在单位时间内有所减少，所以播量随着转速的上升呈下降趋势。总的来说，该排种器能在高速作业时有较好的播量稳定性[2]。

(2)转速与排种破碎率的关系曲线。排种破碎率随着转速的提高而提高，但整体上破碎少，且转速对排种破碎率影响不大。这是由排种器的创新结构所决定的，因为偏心轮型孔轮式排种器在结构上无刮种、推种装置，投种时种子靠自重下落，理论上不存在伤种，而破碎主要是由于排种器部件装配、加工误差所造成的，如种子进入护种环与内齿型孔轮焊合体之间的间隙受挤压就成为伤种的主要因素，而转速的提高同时也增加了种子受挤压的几率，从而导致破碎率的略微上升。

(3)转速与排种均匀性变异系数的关系。对于同一排种器，在其他工作条件一致的情况下，排种器排种均匀性变异系数随转速的增大而增大，即转速增大，排种器的排种均匀性变差。影响排种均匀性的因素很多，如型孔结构参数、种子大小、排种器结构加工误差等，而转速的提高改变了型孔的囊种性能和充种率，使得单个型孔囊种的数量不均匀性增加，变幅增大，从而导致排种均匀性变差。此外，清种毛刷的清种定量作用也对排种均匀性的好坏起重要作用，而过快的转速则限制了毛刷的作用。

在实际工作过程中，排种轮的最大临界速度公式为：

(1)

式中，g为重力加速度；R为排种器半径；α为排种器倾斜角度；φ为递种角；u为种子与金属的摩擦系数。

由式(1)可知，临界线速度与排种器轮半径的平方根成正比，与递种角成正比，而与排种器的倾斜角成负相关，增大排种轮和递种角或减小侧倾角都能提高排种轮的线速度。α角的作用是便于把种子传递到导种轮上，α太小会影响传递速度。

假定种子被一个锥角为180-2α的竖立圆台带着运动，种子M在X轴上的投影点位A，其Y坐标为Rsinα，椎体母线长为O’M=R/cosα。

种子沿锥面与勺面的下滑角为β，则：

sinβ=Rsinφ/R/cosα=cosαsinφ

种子的重力可分解为2个分力G1和G2，则：

G1=Gsinβ=mgcosαsinα

F1=Fcosα

F2′=Fsinαsinφ

多余种子下滑清种的条件为：

G1>F1+f

(2)

将前列数据带入式(2)，得垂直式排种器的临界线速度：

如果把粒距合格率达85%的作业速度与临界速度的比值称为临界线速度利用速度，并用K表示，则垂直勺轮式排种器的最大实用线速度为：

倾斜式勺轮式排种器的最大实用线速度[3]为：

根据试验结果可得：垂直式排种器的K值为0.86，倾斜式排种器的K值为0.70。由临界线速度求出实用的最大作业线速度，并由此得到最佳的工作速度，实现排种的最优化。

3国内外排种器的现状

播种是农业生产过程中的关键环节，而播种机是减少劳力的重要装备，也是保证作物高产的必需品。排种器作为播种机的核心部件，既决定了播种机的特性和工作性能，也直接影响播种的精密性和有效性，因此，加强对排种器的研究是提高播种机性能的关键。现代种植业中，精密播种技术迅速发展，种子丸粒化加工技术日臻完善，与此对应的精密播种机械的研制和生产也将更加迫切，特别是对精密排种器新原理和新结构的研制和开发势在必行。

国外学者很早就对油菜、苜蓿、谷子、芝麻、蔬菜、花卉等小粒径作物进行了系统研究，设计出多款适合小子粒排种的排种器。

由农业部南京农业机械化研究所袁文胜等[4]研制的异形孔窝眼轮式油菜排种器从排种器型孔入手，在不同转速下研究型孔的个数以及型孔大小对油菜排种的影响，并对2种不同材料的清种机构进行对比实验。结果表明，硬质塑料作为护种板，种子破碎率较大；改用毛刷作清种部件，种子破碎率明显降低。若排种器沿圆周方向采用较多的窝眼孔时，播种均匀性较好；排种轴转速较大、型孔尺寸较小时，播种均匀性较好；窝眼孔的排布方式对排种均匀性影响较明显。

由英国Silsoe研究所Miles等[5]研制的精密钻孔排种器利用双滚轮气吸原理将种子直接排入土壤中。其基本原理为种子首先落入型孔轮，完成第1次取种，型孔轮运送种子到达排种轮上方时，会有风机吸种将种子从型孔轮吸入排种轮。排种轮内部有高速摄像与高速视频，用于修复种子的轨迹，以达到精确落种的目的。该排种器采用双滚轮模式，二次取种的过程使播种粒数更加精确。内部摄像的轨迹调节使穴距株距的位置更加精确。实验结果表明，每穴精确播种的概率可达95%以上，但该排种器成本较高。

由土耳其Akdeniz大学Karayel等[6]研制的真空负压精密排种器由储种部分、负压气室、排种盘、正压落种室等部分组成。种子在储种空间内，负压气室使种子吸附在排种盘上，当排种盘转到正压落种室时，种子因重力作用落下。该排种器对圆形小子粒种子排种非常有效。实验结果表明，该排种器排种蔬菜种子合格率可达99%。真空压力精密排种器示意见图4。

注：1.真空盘；2.种子；3.种箱；4.抽气管道；5.气吹空间；6.开勾器。Note：1.Vacuum disc；2.Seed；3.Seed box；4.Exhaust pipe；5.Air blowing space；6.Open hook.图4　真空压力精密排种器示意Fig.4　Vacuum pressure precision seed metering device

由伊朗Shahid Bahonar 大学Maleki[7]研制的螺旋推送式排种器主要由料斗与1根带有螺纹的旋转推送轴组成，种子由料斗喂入，再由推送轴装置带动一定量种子到达出种口。该排种器排种数量主要由推种装置的螺纹间隙决定。调节螺纹间隙宽度就可调节排种数量，且可排种不同样式种子，通用性强。

4通过调研发现排种器实际存在的问题

目前，我国的排种器还相对落后，有诸多问题仍待改善，而传统的排种器有外槽轮式、气力式、磨纹式、型孔盘式、窝眼轮式、指夹式等。现阶段排种器主要适用于玉米、大豆、小麦等大、中粒种子播种，但对小粒种子难以精量播种，且功能单一，通用性差，在播种机田间播种过程中可能因种箱缺种、排种器转速过快，在取种和落种过程中因种子受挤压而堵塞型孔、排种机构发生故障等原因导致1行或多行不能正常播种从而出现排量不均匀、伤种率高、重播、漏播，造成缺苗断垄等现象。

为了适应种子特性，使种子顺利落入土壤，一般排种器都会有以下几个部分：①喂入部分。用于种子的喂入，使种子进入排种器，完成种子的初步落种喂入。②取种部分。种子进入排种器后，需要取一定量种子才能完成精量的排种，该部分是排种器能否精量排种的关键。排种器取种可由型孔完成，某些是由离心方式完成，有些是由气吸方式完成。③护种部分。在完成取种部分后，需要保证种子一直保持取种时的数量，因此，需要护种部分保证从取种到落种时种子的数量。④清种部分。种子在落种时，帮助种子一次性落出，且清理掉其他多余的种子。⑤落种部分。该部分是种子的出口，但对于勺轮式排种器来说，结构和调节方式导致穴粒数不稳定、下种量大小不一致，当转速较低时，充种时间长，清种不顺，导致穴粒数不稳，当转速较高时，充种时间短，种子在进种口堵塞，易形成空穴。

实际运用中，在进行调节排种器的档位时还发现当把排种器的档位调到最高位或者最低位时，调速器就会出现卡顿现象，或者是调节不便，所以当要获取最高速或者最低速时，需谨慎操作，否则实际播种时，排种器会出问题，导致播种失败或者浪费种子；当出现漏种、重播现象时，驾驶员无法发现，将会造成更大的损失；在高速播种条件下，种子会出现落种散布、不能准确落种等情况。

5对目前国内勺轮式排种器存在问题的改进

目前，世界上比较先进的排种器是通过无极变速的方法来改变株距[8](图5)和通过变容量的方法[9](图6)来实现。

注：1.输入轴；2．箱体；3．凸轮；4．摆杆复位装置；5．接近开关；6．摆杆；7．调节架；8．移动导向装置；9.输出轴；10．株距指示装置；11．调节计量螺-蜗杆；12.微型直流减速电机；13．离合器；14．位移监测装置。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.图5　变株距式勺轮式排种器示意Fig.5　The variable spacing type spoon metering device

目前，上述2种方案在我国仍存在着技术上的故障和制造上的不足，虽然设计的很优良、科学，但还不能大规模投入生产，所以该研究设计了另外一种有别于国外的排种器——改进的勺轮式排种器(图7)。该排种器主要由排种器壳体部分、排种器部件部分、传动调速部分和排种管部分组成。其中，排种器壳体部分由外壳体、齿轮组壳体、排种器连座等组成；排种器部件部分由排种轮、勺轮、护种板、轴及轴承、透明盖等组成；传动调速部分由调速齿轮与调速杆组成；排种管部分由螺旋形排种管、光电开关、单片机、报警灯、蜂鸣器组成。根据农艺要求，调节调速手柄来调节行距，种子通过排种器后落入排种管中，再通过在排种管中的缓冲机构使种子的冲击速度变慢，防止落种散布，实现精确播种。排种管的出种口安装有光电开关，当种子通过出种口时，光电开关产生一个个脉冲，通过与单片机中代码的对比，当脉冲的频率远低于播种正常的频率或者远大于播种正常频率时，说明出现了漏播或者重播现象，此时单片机的蜂鸣器和报警灯开始工作，提醒驾驶员及时进行查看和发现问题，从而避免落种散布和重漏播现象，实现精确播种。

注：1.左侧面板；2.型孔轮；3.护种环；4.清种毛刷；5.卸种板；6.右侧面板；7.中间支撑板；8.清种圆刷；9.排种轴；10.小齿轮；11.内齿轮。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. 图6　变容量式勺轮式排种器示意Fig.6　Variable capacity spoon type seed metering device

注：1.排种器壳体部分；2.勺轮孔；3.带螺纹联接的排种器连座；4.传动调速部分；5.可调节转速的齿轮组；6.排种器部件部分；7.带有凹槽的转盘；8.勺轮；9-1.橡胶塑料外壳管；9-2.防止漏种的通心主轴；9-3.缓冲螺旋排种通道；9-4.检测落种的光电开关。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.图7　改进的勺轮式排种器示意Fig.7　The improved spoon type seed metering device

6结论与讨论

该研究设计出一款可解决落种散布以及重播漏播的勺轮式排种器，具有广阔的应用前景。通过对勺轮式排种器的设计研究，发现我国的农业机械仍然存在各种问题，虽然国外有先进的技术，但由于我国技术和制造的限制，仍无法完全复制。该研究设计的勺轮式排种器虽然有理论的支持与发展，但目前仍不能大规模生产，需进一步开展研究与实践。

参考文献

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[9] 汤楚宙，罗海峰，吴明亮，等.变容量型孔轮式排种器设计与试验[J].农业工程学报，2010(12)：114-119.

收稿日期2015-12-18

作者简介王运(1993-)，男，安徽寿县人，本科生，专业：机械设计制造及其自动化。

基金项目安徽省大学生创新创业基金项目(0308057)。

中图分类号S 220.2

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)03-320-04