紧凑型推拉式排种装置的设计与试验

张亚新，邢丽华，张立华

(赤峰学院 a.建筑与机械工程学院；b.智能农牧机械研究所，内蒙古 赤峰　024000)



紧凑型推拉式排种装置的设计与试验

张亚新a,b，邢丽华a，张立华a,b

(赤峰学院 a.建筑与机械工程学院；b.智能农牧机械研究所，内蒙古 赤峰024000)

摘要：针对北方玉米播种垄作区内存在的一些狭小不规则地块，设计了一种可安装在手提式或脚踏式播种机上的紧凑型推拉式排钟装置,该装置由凸轮机构、排种嘴和固定支架组成。凸轮机构的轮缘推动排种嘴开合，凸轮凹槽带动推种装置，随着凸轮运动实现连续排种。固定支架将排种装置安装在手持式或脚踏式播种机上，实现操作者单人、半自动化播种。田间试验表明：手持式播种机单穴单粒播种率为90.4%，播种深度合格率为84.5%；脚踏式播种机单穴单粒播种率为93.8%，播种深度合格率为81.3%，单粒率和播种深度均满足玉米种植的农艺要求。

关键词：玉米；排种装置；推拉式

0引言

玉米在我国北方干旱地区种植广泛[1]，是适合精准播种的典型耕作物。目前，欧美等发达国家对玉米精准播种机的研究已经非常成熟，且已得到广泛应用。我国自20世纪70年代开始进行精密播种机的研制，但到目前为止，精密播种机的推广和应用仍然不理想，尤其是我国北方的山地丘陵地区[2]。其原因：一方面原因是在这些山地和丘陵地区，耕作地块狭长且不规则，无法展开大规模的机械化种植[3]；另一方面是能够适应不规则狭小地块的便携式玉米播种机核心部件—排种机构的性能达不到农民的使用要求。

排种装置是播种机的核心部件。目前，播种机的排种装置按其排种原理可划分为机械式排种装置和气力式排种装置[4-5]。气力式排种装置排种较机械式准确，但结构复杂、整体可靠性差、价格昂贵，适宜于尺寸变异较大的作物种子[6]。机械式排种装置排种均匀性较差，但结构简单、故障率低且价格低廉。就手提式或脚踏式玉米播种机的结构特点及我国北方不规则地块耕种的具体情况而言，机械式排种装置较为适宜。

目前，手提式玉米播种机采用的排种装置，拉杆狭长、布局分散，播种时极易发生故障，且通用性差，

设计了无法安装在结构紧凑的脚踏式玉米播种机上。因此，一种针对不规则狭小地块半机械化播种的通用紧凑型推拉式排种装置。

1玉米种子物理特性分析

1.1　狭小不规则地块玉米播种要求

玉米的播种质量对丰产丰收有着重大的影响。目前，大多数的玉米播种机都实现了精量播种[7]，种子在穴内均匀分布，不仅节省了种子，而且省掉了出苗后的间苗工序，有利于玉米幼苗的生长[8]。常见的精密排种器是在一种排种盘边缘带有型孔的水平圆盘排种器[9],在我国应用最为广泛。近几年，国外又提出了垂直圆盘和倾斜圆盘[10]两种类型的排种器。研究发现：这几种盘式播种器虽然在相对平坦的耕地上可靠耐用，但由于外形和质量相对较大，人力无法长时间达到其所需要的牵引力，因此不适合安装在微型的手提式或脚踏式播种机上。

狭小不规则地块的耕种由于受到环境和光照的影响，无法准确测得广泛通用的播种农艺技术要求，需要种植者根据种植经验确定不同地块的播种量、行距及株距。因此，种植者对手提式或脚踏式播种机上排种器的要求主要侧重于播种深度和播种均匀度。

根据中华人民共和国颁布的《单粒(精量)播种机试验方法》，播种均匀度要求播种单粒率大于90%，播种深度要求4～6cm，沙土地和干旱地应适当深播，播深一致，覆土均匀，播种深度合格率大于75%[11-12]。

1.2　玉米种子物理特性

玉米种子的物理机械特性包括形状、几何尺寸、表面特征及摩擦因数等[13]，这些物理特性决定着排种装置主要参数的选择。针对适合狭小不规则地块设计的排种装置，由于其要求是播种深度和播种均匀度，因此玉米种子的几何尺寸是影响设计参数的决定性因素。

选取赤峰地区近年大范围种植的“金山九号”玉米品种进行几何尺寸研究。“金山九号”是2009年内蒙古审定的品种，适合内蒙古≥10℃、活动积温2 900℃以上种植区种植，其形状如图1所示。

图1　“金山九号”玉米种子形状

使用游标卡尺，随机选取“金山九号”玉米种子50粒进行几何尺寸的测定，其长度、宽度和高分布如图2所示。

图2　“金山九号”玉米种子几何特征参数

由图2可知：“金山九号”玉米种子长度、宽度和厚度等几何尺寸偏差比较大，因此在对紧凑型推拉式排种装置设计时，要充分考虑玉米种子的几何尺寸对排种器性能的影响。

2结构及工作原理

2.1　结构

紧凑型推拉式排种装置由支架、固定孔、活动嘴轴销、活动嘴推动杆、活动嘴、推种杆、取种勺、下种箱、活动嘴复位弹簧、推种杆滚子、固定嘴、凸轮凹槽、凸轮、凸轮轴、推动轴销，以及凸轮推动杆组成，如图3所示。

1.支架　2.固定孔　3.活动嘴轴销　4.活动嘴推动杆

其主要技术参数如下：

整机质量/kg：2

播种深度/mm：40～60

作业速度/km·h-1：0.4～0.6

2.2　工作原理

紧凑型推拉式排种装置通过支架上的两个固定孔与手持式或脚踏式播种机的机架采用螺栓连接，凸轮推动杆连接手持柄或脚踏板。在播种机工作过程中，手持柄或脚踏板与播种机机架产生相对运动，带动凸轮推动杆通过推动轴销使凸轮进行回转运动。凸轮的凹槽和轮缘分别驱动推种杆和活动嘴推杆，推种杆末端设有取种勺，在凸轮凹槽的作用下，做往复直线运动，将玉米种子从下种箱推入排嘴口中。活动排嘴口在活动嘴推杆与复位弹簧的作用下，绕活动嘴轴销做回转运动，实现排种嘴的开合。凸轮的凹槽和轮缘进行了相关性设计，使排种嘴闭合时推种装置将种子从下种箱推入排种嘴中；排种嘴打开，种子撒入种穴，排种装置回到下种箱取种，循环往复，实现播种机连续播种。

3关键部件设计

3.1　动力杆推动凸轮机构设计

紧凑型推拉式排种装置的动力来源于使用者作用于排种装置手持(脚踏)部位动力杆上的压力，在压力的作用下，排种装置内部发生相对位移，向下的运动转化为凸轮的转动。为增加可靠性、经济性及制造的工艺性，减小直线运动转化为圆周运动过程中曲率的影响，动力杆与凸轮的接触部位采用间隙较大的转动副链接，转动副至圆心的距离ra=30mm，动力杆相对于圆心的运动距离d=30mm，其运动简图如图4所示。

图4　动力杆运动简图

3.2　凸轮推种机构设计

紧凑型推拉式排种装置采用凸轮推种机构，推种杆在凸轮的作用下做往复直线运动，从料箱推动玉米种子进入排种嘴中。推种杆与凸轮采用滚子接触，推动杆与凸轮之间为滚动摩擦，磨损小，可以承受较大的载荷。在推种杆推动玉米种子的过程中，为防止取种勺往复直线运动过程中擦伤种子，以及种子在在惯性作用下被取种勺带回种箱，推种杆的运动采用等加速、等减速运动，运动轨迹是连续的，不会产生刚性冲击，运动轨迹如图5所示。

图5　推种杆的运动轨迹

根据凸轮从动件常用运动规律[14]，等加速段位移计算公式为

(1)

等减速段位移计算公式为

(2)

式中δ0—推程角；

δt—t时刻凸轮转角；

h—从动件推程即推种杆行程，充分考虑玉米种子的几何尺寸及特征、推种勺的大小及推种杆与种箱结合部的结构特点，取h=15mm。

考虑到凸轮基圆半径对压力角的影响及排种机构的结构紧凑性，确定凸轮基圆半径rb=20mm。凸轮轨迹凹槽如图6所示。

1.推种凸轮凹槽　2.保护凹槽

当动力杆由A位置运动到B位置时，推种杆退回种箱中取种；当动力杆由B位置返回A位置时，推种杆推动取料勺进入排种嘴中，并滞留到下一个播种位，使种料有充足的时间，在重力作用下落入排种嘴。

紧凑型推拉式排种装置长时间使用时，动力杆与凸轮的接触部位采用间隙较大的转动副链接，容易增加推程角；为防止推程角增大而破坏推种杆等相连部件，在推种凹槽终端增开保护凹槽。

3.3　排种嘴开合机构设计

排种嘴的开合机构是由凸轮推动和弹簧复位共同完成的，凸轮通过活动嘴推杆作用于活动排种嘴，凸轮传力的方向始终垂直活动于排种嘴平底，传力性能好，能够克服弹簧的弹力和土壤的阻力，使活动排种嘴顺利打开。弹簧的弹力使活动排种嘴与凸轮始终保持接触(即力锁合)，当凸轮回转复位时，活动排种嘴在弹力的作用下与固定排种嘴闭合，从而完成一次排种。

活动排种嘴与推种杆在凸轮的作用下交替运动，活动排种嘴打开排种，推种杆回到种箱取种；当活动排种嘴闭合，推种杆推动取种勺进入排种嘴，完成一次取种，循环往复实现连续精密播种。凸轮构件的整体结构如图7所示。

图7　排种装置凸轮构件

4田地试验

4.1　试验条件

分别安装有紧凑型推拉式排种装置的手持和脚踏式播种机于2015年4月在赤峰学院智能农牧机械研究所所属的玉米实验田进行现场测试。试验田土质为栗钙土，地块狭长，地势相对平坦，属于典型的北方半干旱耕作区；采用“金山九号”玉米种子。

试验目的主要是检验安装了紧凑型推拉式排种装置的手持式和脚踏式播种机在播种深度及播种均匀度方面是否满足农艺要求。为防止双垄交替式脚踏式玉米播种机的原理误差对试验结果的影响，将单独使用一侧播种机安装排种装置进行试验。

4.2　试验方法

安装紧凑型推拉式排种装置的播种机使用前，根据耕种要求，需对田地犁垄。播种者在不规则狭小地块通常采用手工犁垄，但犁垄的过程中不可避免地产生偶然误差。为避免这种偶然误差对试验结果的影响，使用农机将试验田犁出10条长50m的短垄。试验前，在排种器一侧加装1个为此试验专门设计的草木灰盒，在播种器每一次播种的位置会留下草木灰痕迹掺杂进土里便于确定播种位置。

播种结束后，统计不同播种机在各土层播种的种子数，两种播种机不同垄各取200个播种点；从垄谷的上表面开始，每10mm纵向深度取样1次，记录覆盖层内的种子数，直至全部种子出现，1组记录完成[15]。

4.3　试验结果及分析

安装有紧凑型推拉式排种装置的手持和脚踏式播种机不同单穴播种数的播种次数如表1所示。

表1　不同单穴播种数的播种次数

手持式播种机单穴单粒播种率为90.4%，脚踏式播种机单穴单粒播种率为93.8%，播种均匀度满足农艺要求的播种单粒90%以上。试验中，对于单穴双粒的比率，脚踏式播种机明显小于手持式播种机；而对于空穴率，脚踏式播种机大于手持式播种。其原因是：脚踏式播种机在播种过程中需要操作者踩踏，受到较大的冲击震动，使种箱中的种子相互间隙减小，摩擦力增大，取种勺取种时，取种难度增大，造成空穴率高，单穴双粒比率则比较低。

手持式和脚踏式播种机在不同土层的播种次数如表2所示。

表2　不同土层的播种次数

由试验结果可知：手持式播种机播种深度在4～6cm的次数占总体次数的84.5%；脚踏式播种机播种深度在4～6cm的次数占总体次数的81.3%，大于播种深度合格率75%。

由于两种播种机的结构不同，脚踏式播种机采用与垄横截面近似的“U”型支撑底座，与垄的接触面积大，所受到垄的反作用力，使用者不宜将播种嘴插入更深的土层。反之，手持式播种机采用支撑腿结构，与垄的接触面积小，受到的反作用力也小，播种嘴较易插入土壤。因此，脚踏式播种机的播种深度明显小于手持式播种机的播种深度。

5结论

研制的紧凑型推拉式排种装置由凸轮机构、排种嘴和固定支架组成。凸轮机构轮缘推动排种嘴开合，凸轮凹槽带动推种装置。排种嘴排种时，推种装置取种；排种嘴闭合时，推种装置将种子推入排种嘴，循环罔替，实现连续排种。固定支架将排种装置安装在手持式或脚踏式播种机上，实现操作者单人、半自动化播种。田间试验表明：手持式播种机单穴单粒播种率为90.4%，播种深度合格率为84.5%；脚踏式播种机单穴单粒播种率为93.8%，播种深度合格率为81.3%；紧凑型推拉式排种装置的单粒率和播种深度均满足玉米种植的农艺要求。

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Design and Experiment of Compact Push Pull Type Seedmeter

Zhang Yaxina,b, Xing Lihuaa, Zhang Lihuaa,b

(a.College of Architecture and Mechanical Engineering; b.Institute of Intelligent Husbandry Machinery,Chifeng University, Chifeng 024000,China)

Abstract：To solve the problems of the North Ridge sowing maize area exists in Narrow or uneven of the special region, a Compact push pull type Seedmeter was designed. The device is composed of a cam mechanism, a discharge nozzle and a fixing device, Growers achieve semi-mechanized planting.The result of field tests showed that in Compact push pull type Seedmeter installed on Portable seeding machine and stampede-style maize seeder, The single hole single seed rate were 90.4% and 93.8%，,sowing depth qualified rate were 84.5% and 81.3%.The design of compact push pull type Seedmeter satisfied the agronomic requirements.

Key words：corn; compane device; push pull type

中图分类号：S223.2；S220.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0127-05

作者简介：张亚新(1981-),男，内蒙古赤峰人，讲师，硕士，(E-mail)zhangyaxin198106@163.com。

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY242)

收稿日期：2015-11-11