夹持式玉米精密排种器设计与试验

王业成 高云鹏 台文硕 李宝权 张 伟 韩 星

(东北农业大学工程学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

玉米精密播种是根据农艺要求、利用精密播种机械将玉米种子精准定量地播入土壤预定位置的先进技术[1-2]，其关键是在保证播种密度的前提下，实现粒距均匀和播深一致。精密排种器作为实现精密播种技术的核心工作部件，是保证播种质量的重要手段[3-5]。

近年来国内外学者针对机械式玉米排种器进行了大量研究[6-13]，王金武等[6]对动定指勺夹持式玉米精量排种器结构参数进行了优化，提高了排种器对种子的适应性；耿端阳等[11]设计了一种玉米伸缩指夹式排种器，提高了排种器高速排种性能；李洪刚[12]设计了仿生指夹排种器，降低了种子破损率。目前机械式玉米排种器已能满足播种要求[6]，但仍存在着结构复杂、运动部件易磨损等问题。

针对上述问题，为简化排种器结构，提高工作性能，本文设计一种夹持式玉米精密排种器，通过压种环在各工作区域的不同结构，配合夹种块控制种子的位置及其运动状态，在夹种块、压种环之间的空间实现充种、夹种、清种、投种过程，以提高播种质量。

1 排种器结构与工作原理

1.1 主要结构

如图1所示，夹持式玉米精密排种器主要由护罩、压种环、排种盘、壳体、主轴等部件组成，其中压种环固装在护罩上，护罩固装在壳体上，排种盘通过主轴可转动地安装在壳体上。压种环按照排种功能分为充种、夹种、清种、投种4个区域；排种盘由排种盘座、18个夹种块及板簧构成，排种盘座外侧开有18个投种室，每个夹种块分别通过板簧安装在排种盘座上，位置分别与排种盘座上的18个投种室依次对应，工作时夹种块可对种子提供沿排种盘轴向的压力来实现种子夹持，夹种块上装有推种凸台，可推动种子沿压种环工作表面滑动；在压种环充种区上方装有隔板，隔板与排种盘座上的环形凹槽构成管状的充种空间。

图1 夹持式玉米精密排种器结构图Fig.1 Structural drawings of clamping maize precision seed-metering device1.进种口 2.护罩 3.压种环 4.排种盘座 5.板簧 6.主轴 7.壳体 8.夹种块 9.投种室 10.隔板 11.推种凸台

1.2 工作原理

如图2所示，排种器工作过程分为充种、夹种、清种、投种4个过程，其中投种过程分为一次投种和二次投种两部分。

图2 工作原理图Fig.2 Working principle diagramsa.充种区 b.夹种区 c.清种区 d.一次投种区 e.二次投种区1.主轴 2、11.排种盘座 3.隔板 4.压种环 5.玉米种子 6.板簧 7.推种凸台 8.夹种块 9.投种室 10.壳体

作业时，种子通过护罩上的进种口进入护罩内，在自身重力作用下流入隔板与排种盘之间的管状空间里，在排种盘摩擦力的作用下，种子随排种盘运动，从管状空间另一侧的出口流出。如图2c所示，管状空间内的种子在重力及种子之间作用力的作用下进入到夹种块与压种环之间，完成充种过程。如图2b～2d所示，在夹种区，压种环的高度逐渐升高，使其与夹种块之间的距离逐渐减小，当距离小于种子几何尺寸时，压种环推动种子及夹种块做轴向运动，使板簧变形，通过板簧的形变控制对种子的夹持力，将种子夹紧，完成夹种过程。被夹持的种子在夹种块和推种凸台推力的作用下，沿着压种环工作表面滑动。在清种区，压种环工作表面为多个波浪型起伏结构，种子、夹种块随着压种环的波浪型表面起伏运动。当夹种块与压种环之间夹持2粒种子时，2粒种子将依次交替通过波浪型起伏结构的波峰和波谷，当一粒种子位于波峰时另一粒种子可能位于波谷，位于波峰的种子将被夹紧，而位于波谷的种子将丧失夹持力，在自身重力的作用下与夹种块分离，实现清种过程。如图2e所示，在投种区随着压种环继续升高，推动种子及夹种块作轴向运动，使被夹持的种子所在的空间与投种室连通，同时压种环向外侧倾斜，夹种块与压种环对种子的夹持力将提供一个沿排种盘径向向外的推力分量，推动种子向外滑动进入投种室，失去种子的支撑后，夹种块在板簧弹力的作用下回弹，与压种环接触，封闭投种室，完成一次投种过程。进入投种室的种子随排种盘一同转动，当投种室转到壳体下方投种口位置时，种子在重力作用下掉出投种室，完成二次投种过程。

2 关键部件设计与分析

2.1 玉米种子几何参数

玉米种子的几何参数为排种器的设计与分析提供了基础参数和设计依据[14-15]，本文选取黑龙江地区种植的3种玉米：天农九(大粒)、红旗688 (中粒)、黄金糯(小粒)，其几何尺寸如表1所示。

表1 玉米种子几何参数Tab.1 Geometric dimension parameters of maize seeds mm

不同品种之间几何尺寸存在较大差异，各品种内部长度差异较大，宽度、高度差异较小。为方便研究，将玉米种子按几何形状分为扁形和圆形[14-15]，如图3所示。

图3 玉米种子外形分类Fig.3 Shape grading of maize seeds

2.2 充种过程分析

充种时，护罩内的种子在重力作用下流入到隔板与排种盘之间的管状空间里，在排种盘摩擦力的作用下，种子随排种盘运动，从管状空间另一侧的出口流出。管状空间内的种子在重力及种子之间作用力的作用下进入夹种块和压种环之间，实现充种过程。

图4 种子散体受力分析Fig.4 Mechanics analyses of granular seeds

取图2a中圆弧充种区域内的种子群为研究对象，忽略重力，由于种子相对较小，为简化分析过程，把其看成截面为矩形的连续体进行分析[16]，取种子群微段ds为研究对象，设沿种子流向为正向，如图4a所示。对微段ds进行受力分析，如图4b所示。充种区域内的种子三面受到排种盘向左的摩擦力，一面受到隔板向右的摩擦力，左、右端受到其他种子的作用力。

对微段水平方向列静力学方程

(p+dp-p)A0=
f1FN2+f1FN2+f1FN1-fFN1

(1)

其中

A0=abFN1=μpbdsFN2=μpads

式中p——截面受到的压力，MPa

A0——截面面积，mm2

a——排种盘座上环形凹槽底部到隔板的距离，mm

b——排种盘座上环形凹槽宽度，mm

FN1——排种盘座上环形凹槽底部与隔板对种子群微段前、后表面的法向力，N

FN2——排种盘座上环形凹槽两侧对种子群微段上、下表面的法向力，N

f——种子与隔板间的动摩擦因数

f1——种子与排种盘座间的动摩擦因数

μ——微段其他方向压力与左右端面的压力比值

由式(1)得

(2)

设在弧形种子群端面s=0处作用有均匀分布的初始压力p0，其大小由排种器内种子的高度、密度、内摩擦角、外摩擦角等因素确定，可按散体理论深仓模型进行估算[17]，由式(2)得充种区内种子群各横截面的压力为

(3)

式中l0——弧形空间种子散体长度，mm

s——弧形空间的截面位置，mm

由式(3)可以看出，充种区内种子群各截面的压力p与各截面位置s呈指数关系增大，这使种子可以获得大于自身重力的填充力，快速进入夹种块与压种环之间，完成充种过程[18]。同时种子随着排种盘一同运动，减小了种子与排种盘间的相对速度，降低了种子惯性力对充种性能的影响。

2.3 夹种部件设计

2.3.1压种环夹种区

压种环夹种区由3个斜面和2个水平面构成，各斜面的倾角、长度均相等，如图2b所示。

夹种过程中，种子沿着压种环的斜面向上滑动，其受力如图5所示，斜面上升倾角θ应满足种子在压种环表面滑动时不发生自锁现象，避免种子自锁后相对夹种块、压种环翻转，要求

φ>φf

(4)

式中φ——压种环对种子全约束力FR与接触面法线的夹角，(°)

φf——玉米种子与压种环间的摩擦角，(°)

l——玉米种子沿滑动方向的长度，mm

t——玉米种子高度，mm

h——推种凸台高度，mm

r——玉米种子棱边圆角半径，mm

图5 夹种过程受力分析Fig.5 Mechanics analysis of seed clamping

由式(4)可知，在一定摩擦角φf条件下，增大推种凸台高度h可以降低结构对斜面倾角θ的要求，长高比大、棱边圆角半径小的种子不易发生自锁、翻转现象。

玉米种子与压种环间的摩擦角为24.6°～35.0°，结合表1、式(4)，取斜面上升倾角θ=7°，可满足玉米种子不发生自锁的要求。

2.3.2夹种块

夹种块是夹持种子的关键部件，其长度、宽度决定了夹种块与种子接触面的几何参数，应满足排种器各工作过程的作业要求。在充种过程中要求夹种块与压种环形成较大的充填空间，便于种子填充，满足充种要求；在夹种过程中要求夹种块对种子的稳定夹持；在清种过程中要求夹种块便于清除多余的种子，实现较高的单粒夹持率[19]。为了满足各工作过程的要求，取夹种块的长度大于宽度，在长度方向实现可靠充种，在宽度方向避免夹持2粒玉米种子，结合表1玉米种子的几何参数，取其与种子接触的工作表面的长度为15 mm，宽度为9 mm。

推种凸台在排种器的充种、夹种、清种及一次投种过程中，推动种子沿压种环工作表面滑动。如图5所示，推种凸台高度h应小于单粒种子高度t，才能实现夹种块与压种环对种子的夹持，反之较大的推种凸台高度可以使种子沿压种环平稳地滑动。取推种凸台高度h=3 mm。

2.4 清种过程分析

在清种区，受夹种块与压种环宽度的限制，夹种块难以横向夹持2粒种子。为了提高充种性能，选取较大的夹种块长度，使夹种块与压种环纵向存在夹持2粒种子的可能。

对夹种块纵向夹持2粒种子的情况进行分析。由于夹种块相对于排种盘做轴向平行移动，当2粒种子尺寸相差较大时，尺寸较小的种子将不能被夹持，当2粒种子尺寸相近时，可同时被夹种块夹持。如图6所示，在清种区，2粒种子依次交替地通过波浪型起伏结构的波峰、波谷，当一粒种子位于波峰时另一粒种子可能位于波谷，位于波峰的种子将被夹紧，而位于波谷的种子将丧失夹持力，丧失夹持力的种子在自身重力的作用下与夹种块分离。在清种过程中，波浪形结构多次出现，使夹持2粒种子的夹种块多次丧失对其中某一粒种子的夹持，以提高清种性能。

图6 清种过程示意图Fig.6 Schematics of seed clearing

波浪型结构的长度应大于单粒种子的几何尺寸，实现一粒种子位于波峰时另一粒种子可以位于波谷；波浪型结构的深度应小于种子的最小尺寸，不影响单粒种子的夹持，在夹持2粒种子时，其深度应能实现使位于波谷的种子丧失夹持力；波浪型结构的斜面上升倾角应避免种子发生自锁现象。取波浪型结构的长度为16.5 mm，深度为1.5 mm，斜面上升倾角为5.2°。

2.5 投种过程分析

投种过程分为一次投种和二次投种两部分。如图7所示，一次投种阶段压种环工作平面与夹种块由平行转为向外侧倾斜α，使夹种块与压种环对种子提供的支持力FN3、FN4产生一个沿排种盘径向向外的推力分量，此时夹种块、压种环与种子间的摩擦力Fs1、Fs2沿排种盘径向向内的分量与之平衡。压种环在投种区的工作表面为起伏较小的波浪形结构，当种子与夹种块间的静摩擦力变为动摩擦力时，由于动摩擦力与相对速度方向相反，使种子有向外滑动的运动分量vn，种子将向外滑动进入投种室，完成一次投种过程。

图7 投种过程受力分析图Fig.7 Mechanics analysis diagram of seed dropping

一次投种过程完成后，夹种块在板簧弹力的作用下回弹，与压种环接触，将投种室封闭，避免种子掉出投种室，落入护罩内，造成漏播，同时进入投种室的种子随排种盘一同转动，当投种室转到壳体下方投种口位置时，种子在重力作用下掉出投种室，完成二次投种过程。

3 试验

3.1 试验材料与设备

试验材料选用天农九(大粒)、红旗688(中粒)、黄金糯(小粒)玉米种子。试验在东北农业大学排种器实验室实施。

如图8所示，试验装置主要由夹持式玉米精密排种器、JPS-12型排种器性能试验台、高速摄像机等组成。

图8 排种性能试验台Fig.8 Test bed of seeding performance experiments1.高速摄像机 2.JPS-12型排种器性能试验台 3.夹持式玉米精密排种器

3.2 试验方法

选取播种机工作速度为试验因素。根据农艺要求，选取天农九玉米种子播种株距为33 mm，红旗688、黄金糯玉米种子播种株距为25 mm。参考GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》和JB/T 10293—2001《单粒(精密)播种机技术条件》，选取玉米播种合格指数、重播指数和漏播指数为试验指标，进行单因素试验，以评价排种器作业质量、适播范围。在试验过程中，每组试验重复3次，每次连续记录当排种器稳定工作时起种床带上排出的250颗种子，取3次试验的平均值作为试验结果[20]。

3.3 试验结果与分析

试验结果如表2所示。

表2 试验结果Tab.2 Experiment results

如图9所示，各品种的重播指数随播种机工作速度的增加而增高，随玉米种子几何尺寸的减小而增高。当播种机工作速度增加时，夹种块通过清种区时的速度增加、多余种子丧失夹持力的时间减少，使部分多余种子没有充足的时间依靠重力脱离夹种块与压种环之间的区域，同时离心力增大，降低了种子脱离夹种块与压种环之间区域的速度，造成重播指数增高；夹种块在设计过程中主要参考了天农九(大粒)种子的几何尺寸，在针对红旗688(中粒)、黄金糯(小粒)种子进行试验时，出现了重播指数较高的问题，可通过设计不同规格的压种环以改善排种器对中、小型玉米种子的播种性能。

图9 重播指数随播种机工作速度变化曲线Fig.9 Changing curves of multiple index with planter operating speed

如图10所示，各品种的漏播指数受播种机工作速度与玉米种子几何尺寸变化影响较小，当播种机工作速度为3～13 km/h时，该排种器针对3种不同品种的玉米种子，漏播指数均不大于0.8%，该排种器利用排种盘的摩擦力驱动种子流动、增大种子充填力、减小种子与排种盘的相对速度的充种方案可行。

图10 漏播指数随播种机工作速度变化曲线Fig.10 Changing curves of missing index with planter operating speed

如图11所示，各品种的合格指数随着播种机工作速度的增加而降低，随种子尺寸的减小而降低。合格指数降低主要由重播指数的增加引起。

图11 合格指数随播种机工作速度变化曲线Fig.11 Changing curves of qualified index with planter operating speed

夹持式玉米精密排种器播种质量受玉米种子几何尺寸影响较大，其中针对天农九(大粒)玉米种子的排种效果较佳，在工作速度为11 km/h时，其合格指数为90.1%，重播指数为9.1%，漏播指数为0.8%，满足排种作业要求。

4 结论

(1)设计了一种夹持式玉米精密排种器，阐述了排种器总体结构及工作原理，对充种过程进行理论分析，获得种子填充力变化规律，分析了清种、投种工作过程，确定了关键部件结构参数。

(2)通过天农九(大粒)、红旗688(中粒)、黄金糯(小粒)3个玉米品种的对比试验发现，天农九的排种效果较佳，在工作速度为11 km/h时，其合格指数为90.1%，重播指数为9.1%，漏播指数为0.8%，满足播种作业要求。