踩踏气吸式微型玉米排种器的设计与试验

张亚新，邢丽华，张玉梅，季 伟，李 航

(赤峰学院 建筑与机械工程学院，内蒙古 赤峰 024000)

0 引言

我国大面积的后备土地资源集中在北方干旱地区[1-2]，在此区域内农民自行开垦的不规则小块土地较多[3]。这种地块由于其形状特点，实现机械化，全自动化播种较为困难，因此农民通常采用手提式或脚踏式玉米播种机进行人工操作的半自动化播种。

手提式或脚踏式玉米播种机的核心部件是排种装置。目前，播种机排种装置按其排种原理可划分为机械式排种装置和气吸式排种装置[4-5]。机械式排种装置造价低廉、结构简单，但排种均匀性较差[6]，且使用过程中种子机械破损率较高，难以适应高速作业[7-10]。气吸式排种器主要有组合吸孔气吸式排种器及气吸滚筒式排种器等[11]。其中，气吸式排种器对种子大小、形状的适应性较强、充种效果好[12-13]，较机械式排种更易实现精量播种。

常见的气吸式排种器辅助设备多，体积较大，无法安装在人工操作的半自动化播种装置上。因此，设计了一种安装在脚踏式玉米播种机内部，在气吸、重力及惯性合成作用下的踩踏气吸式微型玉米排种器。其原理为：踩踏时踏板与底座发生相对位移[14]，使密闭空间体积发生改变，产生气压，将玉米种子吸附在吸种管的吸口上，并在踏板弹起时利用惯性和防脱毛刷将玉米种子带入导种管中，通过震动和重力滑落到排种嘴里，最终在撑开器打开播种嘴后实现玉米种子的精量播种。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构与技术参数

踩踏气吸式微型玉米排种器是脚踏式播种机的重要组成部分，主要由支撑底座、踏板、复位气缸、播种嘴撑开器、活塞缸 、密封圈、排种嘴、种箱、吸种管、导种管、防脱毛刷及凹型毛刷组成，如图1所示。

1.支撑底座 2.踏板 3.复位气缸 4.播种嘴撑开器 5活塞缸

主要技术参数如下：

整机质量/kg：4

播种深度/mm：40～50

作业频率/次·min-1：60～70

1.2 工作原理

复位气缸、活塞缸、吸种管及播种嘴撑开器固定在踏板下侧，随踏板上下往复运动，踏板上方设置有密封的添种口及吸种管单向进气阀。踏板结构如图2所示。

1.支撑底座 2.踏板 3.防滑凸起 4.吸种管单向进气阀 5添种口图2 排种器踏板结构图

两个复位气缸安装前保留较大的预紧力，使其在踏板失去踩踏力时能够有较强的复位弹力；同时，复位气缸在踏板上下运动时配合支撑底座侧壁对踏板运动起导向作用，使踏板上安装的活塞缸与支撑底座上固定的种箱之间相互运动平稳、可靠。

踏板受到踩踏力时，带动安装在踏板下侧的所有部件向下运动，活塞缸与种箱配合密封圈形成密闭的腔体。随着踩踏力的增加，密闭腔体的压力随之增加，吸种管随踏板向下运动插入种箱中的玉米种子中，此时压力达到最大值并同时打开吸种管单向进气阀，气体吹入吸种口中，玉米种子随气体进入吸种口并堵塞吸种口。

踏板失去踩踏力时，在复位气缸的作用下，踏板向上运动，密封腔体内压力减少，吸种管单向进气阀关闭，种箱侧壁上的导种管渗入气体，在逐渐减小的气压和惯性的双重作用下，吸种口的种子向上进入到防脱毛刷中；随着吸种管继续向上运动，种子在凹型毛刷、重力和震动的作用下，从吸种口脱落，滑入导种管中，并通过导种管最终落入排种嘴中；在下一次踩踏循环中，播种嘴撑开器随踏板与支持底座发生相对位移，撑开排种嘴实现种子播种。

2 关键部件设计

2.1 吸种口尺寸参数

玉米种子的几何尺寸决定吸种口的尺寸参数。为确定吸种口的各个重要参数，选取内蒙古北方干寒地区近年种植范围较为广泛的“丰垦117”号玉米种子。“丰垦117”号种子审定号为蒙审玉2014025，中熟品种，适合内蒙古东部≥10℃、活动积温2 350℃左右的范围种植，其外形如图3所示。

图3 “丰垦117”玉米种子形状

随机测量1 000粒“丰垦117”号玉米种子，使用游标卡尺测得其长度、宽度及厚度，如表1所示。

表1 “丰垦117”号玉米种子的三维尺寸

Table 1 3D measurement of corn seeds mm

长度宽度厚度最大值10.79.98.0最小值7.66.85.5平均值10.18.66.1

踩踏气吸式微型玉米排种器在工作过程中，若使吸种、持种及排种顺利进行，则吸种管下端吸种口的形状设计及关键参数的选取尤为重要。主要设计参数有吸种口长度Lk、吸种口最小直径Dk、排气孔直径d、上倾角θ和下倾角φ，如图4所示。

吸种口最小直径Dk(即最小开口)应能够保证玉米种子中尺寸最大的进入吸种口中。考虑到精密播种的要求，吸种口最小直径Dk应确保两粒玉米种子不同时挤入。假定单粒玉米种子在中心处被吸附，则

2β>Dk>α

式中β—玉米种子厚度的最小值；

α—玉米种子长度的最大值。

根据测量玉米种子三维尺寸的数据可知：β为5.5mm，α取值为10.7mm。由于两粒最薄的种子同时相遇的可能性非常小，因此初步选定吸种口最小直径Dk=11mm。

吸种口下倾角φ应能够保证在防脱毛刷部位对玉米种子有一定的携持作用，同时还要能够在导种管凹型毛刷处使种子在毛刷、震动及重力的作用下顺利滑入导种管中，通过实验确定吸种口下倾角φ=15°。吸种口上倾角θ应保证种子顺利进入吸种口，同时在卸种时有利于顺利振出，通过实验确定吸种口上倾角θ=12°。

吸种口长度Lk能够保证长度最大的玉米种子完全进入吸种口中，避免被防脱毛刷刷落；排气孔直径d的选取应避免最小的种子被吸入，因此选定吸种口长度Lk=11mm, 排气孔直径d=5mm。

图4 吸种口尺寸参数

2.2 吸种管尺寸参数

吸种管由单向阀、导气管及吸种嘴组成，如图5所示。

吸种管的主要结构参数包括吸种杆长度Hd和吸种管直径S。其中，吸种管直径S与吸种口长度L的关系为

S=3L

(1)

由式(1)可以计算出排种管直径S=33mm。排种管上端固定在踏板上，下端在踏板踏入最低端时，导气管插入种箱底部的种子内部，紧靠种箱底部，由此吸种管在原位时，最低端距种箱底部的距离即为踏板相对支撑底座的最大运动距离。同时，考虑到活塞缸与种箱的重合高度及活塞缸与种箱相对运动时的结构干涉，吸种管长度满足

(2)

式中H—密封腔总体高度，即踏板与种箱底部之间的距离。根据整个播种机的结构[15]，选取H=192mm；

Hs—活塞缸与种箱相对运动的最大距离，即踏板相对支撑底座的最大运动距离；

Hq—吸种头高度，由试验获得Hq=22mm；

δ—密封圈高度，即活塞缸与种箱重合高度，δ=8mm。

由式(2)可以计算出吸种管长度Hd=111mm。

1.单向进气阀 2.导气管 3.吸种嘴

2.3 密封腔参数

密封腔结构如图6所示。密封腔主要参数有活塞缸长度、种箱高度及活塞缸与种箱相对运动的最大距离。其中，由式(2)可以计算出活塞缸与种箱相对运动的最大距离Hs=81mm。

根据图6所示，密封腔主要参数的关系为

(3)

式中Hz—种箱高度;

Hp—活塞缸高度;

δ—密封圈高度，δ=8mm；

Hq—吸种头高度。

由式(3)可以计算出种箱的高度Hz=111mm，活塞缸高度Hp=89mm。

1.活塞缸 2.上导种管 3.下导种管 4.排种嘴 5.种箱

3 田间试验

3.1 试验条件与设备

随机选取玉米种子比分级后选取种子更能体现排种器的实际排种质量，因此在5袋500g装 “丰垦117”号玉米种子中随机选取进行试验。

2016年11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了踩踏气吸式微型玉米排种器排种性能测试。试验田地块平坦，土质为栗钙土，属于典型的北方半干旱耕作区，种植制度为玉米一年一熟。

试验方法根据国家推荐性标准20865-2007给出的检测方法进行，主要检测设备有秒表、游标卡尺和卷尺等。

3.2 试验方法

在不同频率下测试排种器的工作性能，试验前首先对所需要的田地进行犁垄，为使试验更贴近真实耕种情况，将垄犁成12条长30m、深18～23cm的短垄，并将为试验特殊设计的草木灰盒加装到排种器一侧，方便确定播种位置。

试验中，分别采用40、50、60、70、80、90次/min的播种频率进行排种，人为误差控制在±3次/min，记录数据，每种播种速率测量3次，取平均值。

3.3 试验结果及分析

试验测得脚踏气吸式微型玉米排种器排种指标如表2所示。

表2 不同播种频率下的排种性能参数

Table 2 Performance of metering device under differert seeding frequency

播种频率/次·分-1合格率/%重播率/%漏播率/%4066.032.0531.925085.441.6612.96091.823.454.737092.173.224.618088.906.095.019070.2510.6719.08

从测试数据可看出：排种器播种频率在60～70次/min时，播种合格率为91.82%～92.17%，重播指数为3.22%～3.45%，漏播指数为4.61%～4.73%，均满足国家标准中对精密播种机播种合格率大于等于80%、重播率小于等于15%及漏播率小于等于8%的播种要求[16]。

由试验可知：过快或过慢的播种频率都会使踩踏气吸式微型玉米排种器排种的合格率大幅度下降，主要原因是过快的播种频率会使吸种管迅速插入到种箱底部的种子中，然后快速收起，玉米种子尚无法进入吸种口中；过慢的播种频率会使密封腔体内压缩空气的过程减慢，而吸种管中的导气管会有充足的时间将空气通过单向阀排出密封腔体外，使玉米种子无法获得足够的气压作用进入吸种口，进而无法进入排种嘴，造成大量漏播现象。

由试验结果还可以看出：除去因压力严重不足而导致大量种子无法进入吸种口的播种频率40次/min所测得的数据，重播率与播种速度存在一定的线性关系，即播种频率越快，重播率越高。产生这种现象的原因是：播种频率过快使种子进入上导种管后尚未滑动进入下导种管时，排种器开始了下一个周期的工作，使种子滞留在上导种管中，致使1个或2个周期以后，滞留种子才能进入下导种管中，因此造成玉米种子的重播，且重播次数、漏播次数及重播种子粒数都会随着播种频率的增加而增加。

4 结论

1)为解决漏播、重播、种子破损等问题，研制了踩踏气吸式微型玉米排种器,主要由支撑底座、踏板、活塞缸、排种嘴、种箱、吸种管及导种管组成。工作时，人工踩踏踏板，带动真空缸向下运动，配合密封圈与种箱形成密闭的腔体，通过气压将种子推入吸种口并堵塞吸种口；伴随踩踏结束，种子随吸种管向上运动，并进入上导种管中，在重力、震动和毛刷的联合作用下，经下导种管滑入排种嘴中，并最终实现排种。

2)田间试验表明：踩踏气吸式微型玉米排种器在播种频率为60～70次/min时，播种合格率为91.82%～92.17%，重播率为3.22%～3.45%，漏播率为4.61%～4.73%，均满足国家标准中对精密播种机播种要求及玉米种植的农艺要求。

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