自走式排种器试验车的设计与试验

王旭东 陈欣 周艳军 罗琴芳 刘博

摘要：针对现有带式排种器试验台整机移动不便和不能模拟播种机田间作业的实际工作状态等问题，拟设计由直流电动机驱动的自走式排种器试验车。对试验车的整体结构、动力配置、传动机构、操控装置、行走机构、排种器连接装置等部件进行合理的参数匹配。对研制的样机进行单因素排种试验和制动性能试验。结果表明，当试验车的前进速度为1.5、2.5、3.8 m/s时，对排种器的漏播率、单穴单粒率和重播率等试验指标的影响不显著;当试验车的前进速度为3.8 m/s时，平均制动距离为1.6 m，平均减速度为4.51 m/s2，制动性能符合相关国家标准。试验车对垂直圆盘排种器具有普遍适应性，在室内外环境条件允许的场地都能进行试验，为排种器性能试验提供了更大的灵活性和便利性。

关键词：自走式;排种器;试验车;设计;性能试验;制动性能;灵活性;便利性

中图分类号： S237 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）20-00251-04

排种器是决定播种机性能指标的核心部件，用排种器试验台在实验室内检测排种器的各项性能指标，可以避免田间试验中气候条件的影响，对于缩短排种器的研发周期、降低研发成本极为有利。目前，国内外应用较广的是带式排种器试验台，分移动带式和固定带式2种。移动带式排种器试验台又可分为在承种带上涂（喷、抹）油[1-7]和铺沙（土）[8-13]2种型式，它们的工作原理相似，排种器在电动机驱动下定轴转动并排种，被涂油或铺沙的承种平带在另1套动力驱动下于排种器下面平移，种子落在移动的平带上。涂（喷、抹）油带式的试验台需要1套涂、喷或抹油及清理油的装置，在试验过程中需要不断涂油和清理油，整机庞大，结构复杂，且对试验环境有一定的污染;铺沙带式的试验台则需要1套铺沙和清理沙的装置，并不断地重复铺沙和清理沙的工作，结构较复杂。固定带式的排种器试验台也有2种型式，一种是将排种器连接在小车上，小车在承种平带两边的导轨上行走，承种平带固定不动，排种器在涂油或铺沙的承种平带上面走过并排种，试验过程中同样需要反复清理油或沙;另一种是试验机在预设的行进轨道上由电动机驱动行走，排种器在铺有绒面布的固定不动的布种槽里排种[14]，试验机在没有电源的室外无法工作。

上述几种试验台的共同特点如下：（1）整机结构复杂，体积较大，装配完毕后无法远距离整体移动;（2）试验场所必须有电源;（3）将排种器一边随播种机前进一边旋转排种的动作分解成排种器旋转排种、平带移动2个动作，这与田间播种作业的真实情况完全不同，也就不能准确反映田間播种作业时种子的运动轨迹、种子落地触土后的弹跳和移动等行为，因此对排种器性能指标的检测有一定局限性。

针对以上问题，本研究拟设计可以在试验场地驾驶行走的自走式排种器试验车，排种器连接在试验车上，就像连接在播种机上一样。试验车在任何可通过的路面上都能进行行驶试验，不再仅仅局限在实验室内使用，可以最大限度地模拟播种机在田间的作业状态，能更真实地反映播种机在田间作业中的移动、振动和加速度变化等对排种器取种、清种和投种等性能的影响。

1 试验车结构及工作原理

试验车主要由机架、操控装置、驱动装置、行走装置、测速装置、制动机构、传动装置、排种器连接装置、座椅、显示屏等组成，结构如图1所示。

试验车动力由电池组提供，在驾驶人员的操控下，由直流电动机通过链传动（图1-13）驱动地轮轴，实现试验车的自驱动行走。由测速装置测得试验车的行走速度并在显示屏上显示。链传动（图1-21）的主动链轮与地轮轴同轴并可沿其轴向滑动，链轮组由5个链轮用螺栓刚性连接而成，从地轮轴到排种器，能实现5级变速传动，以适应不同作物播种的农艺要求。链轮组与链传动（图1-24）的主动链轮之间设置了棘轮机构，倒车时排种器不工作，防止夹伤和浪费种子。在试验场地铺设一定厚度的细沙作为试验承种带，可以有效地防止种子弹跳和移动，也便于试验结束后收集种子。排种器连接板可调可换，方便更换适用于不同作物的排种器。试验车可以在预设的轨道上行走，也可以在没有轨道的坚实平地上行走。行走轮用螺钉连接紧固在轮轴两端，可以根据试验场地的需要，方便地更换行走轮。试验车的主要性能和结构参数如表1所示。

2 试验车关键部件的设计

2.1 试验车的动力选择

电动自行车的最高车速、整车质量等性能参数与试验车接近，故参照GB 17761—2018《电动自行车安全技术规范》[15]的规定，选择额定功率为0.5 kW的直流电动机与 48 V 电池组。试验车的行走轮和导轨是刚性接触，前轮、后轮的滚动摩擦系数分别是0.028～0.037、0.05～0.07[16-17]。因此可见，试验车行走轮的滚动阻力很小，试验车行走路面的环境好于一般情况下的电动自行车，动力完全能满足试验要求。

2.2 试验车机架

机架是试验车的搭建平台，试验车所需的所有零部件都直接或间接地通过焊接或螺栓连接在机架上。机架用矩形钢管焊接而成，包括5根横梁和3根纵梁。座椅和操控装置箱都被焊接在机架上;电池组和电动机用螺栓连接在机架上。

2.3 排种器连接板的设计

排种器既不是标准件，也不是通用件，各种作物的排种器的结构型式和参数差异很大。在试验车上进行排种器性能试验时，为了对各种排种器具有更普遍的适应性，排种器与连接板之间、连接板与支架之间都是用螺纹连接的，可拆卸，可调整，如图2所示。

2.4 传动机构的设计

根据各传动件的速度和传动比，确定滚子链的传动特性可以满足传动要求，选择08B型滚子链传动。试验车由电动机驱动，经地轮轴并联驱动地轮和排种器，保证地轮行走和排种器排种同步，防止由于地轮滑移而导致漏播。链轮组由5个齿数不同的链轮用螺栓连接而成，可以改变链传动的传动比，每个电动机转速可以对应5个排种器转速，假设电动机转速为n 则地轮轴转速为0.5n，排种器对应的有0.36n、0.31n、0.29n、0.28n、0.24n等5个转速。在链轮组与排种器之间设置了单向棘轮机构，使得倒车时排种器轴不转动，以免浪费和夹伤种子。传动机构如图3所示。

3 试验车工作参数的确定

按照GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机 试验方法》[18]和GB/T 9478—2005《谷物条播机试验方法》[19]的试验要求，单粒（精密）播种机试验方法的前进速度在1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 m/s中选出3个进行试验，以条播机作业速度为1.5、2.5 m/s和最大允许速度进行试验。试验车的最大计算速度为3.89 m/s（13.99 km/h），试验时的最大速度确定为 3.8 m/s（13.68 km/h），能满足试验要求。在本样机试验中，选择试验车的前进速度为1.5、2.5、3.8 m/s。

4 样机试验

4.1 单因素试验

排种器用自制的内侧充种式垂直圆盘花生排种器，根据GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》[18]规定的试验条件和要求，在实验室内对试验车选取 1.5、2.5、3.8 m/s 3个前进速度进行样机的单因素试验。为了充分发挥机械化播种高效率的优势，排种器转速选取试验车前进速度为1.5、2.5、3.8 m/s时的最高转速，分别是 62.04、103.40、157.14 r/min。笔者所在实验室用40 mm×40 mm的角钢焊接长度为50 m的导轨，中间铺设承种沙槽;试验车行走轮是外缘有“V”形槽、直径（φ）为330 mm的铸铁轮。去除起步加速和制动减速阶段，试验车匀速前进约40 m，每个速度试验3次，参照GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》[18]统计漏播率、单穴单粒率和重播率。样机试验装置和试验结果如图4所示，试验方案与结果如表2所示，试验结果的方差分析见表3。

试验结果的方差分析表明，试验车的前进速度对排种器的漏播率、单穴单粒率和重播率的影响都不显著。但是随着试验车前进速度在1.5、2.5、3.8 m/s范围内依次提高，漏播率和单穴单粒率的平均值都在提高，重播率的平均值在降低。试验车在导轨上行走得比较平稳，没有明显的振动，说明取种和清种阶段受到排种器转速提高的扰动更明显。

4.2 试验车制动性能试验

制动距离与制动减速度是制动性能最基本的评价指标，参照GB 18447.1—2008《拖拉机 安全要求 第1部分：轮式拖拉机》[20]，轮式拖拉机冷态试验的制动平均减速度应不小于2.5 m/s2;参照GB 3565—2005《自行车安全要求》[21]，在 25 km/h 的车速下，单用后闸干态制动，制动距离不大于 15 m。在笔者实验室研究发现，乘坐1人时，在40 mm×40 mm 角钢导轨上连续前进后退15次，加速至3.8 m/s时制动，平均制动距离为1.6 m，平均减速度4.51 m/s2，试验车的制动性能满足GB/T 3871.6—2006《农业拖拉机 试验规程第6部分：农林车辆制动性能的确定》[22]、GB18447.1—2008《拖拉机 安全要求 第1部分：轮式拖拉机》[20]和GB 3565—2005《自行車安全要求》[21]的要求。

5 结论

自走式试验车既可以在实验室内进行试验，也可以在环境允许的室外试验，使排种器性能试验更加便捷和灵活，有利于缩短排种器的研发周期。本试验表明，试验车的前进速度对排种器漏播率、单粒率和重播率等性能指标的影响不显著，说明试验车对排种器的性能试验没有附加干扰。

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