李 鑫，籍俊杰，曹少波，馮曉靜

(1.河北農業(yè)大學 機電工程學院， 河北 保定 071001；2.河北省農林科學院 糧油作物研究所，石家莊 050035)

0 引言

按照工作原理不同，精密排種器可分為兩大類:機械式和氣力式[1-3]。氣力式播種對種子的幾何形狀要求不嚴，不傷種子，不磕籽，可確保播種準確，出苗率高；氣力式播種機需要風機和氣力系統(tǒng)，結構復雜，技術要求高，動力消耗大，要求高度的氣密性，需要大功率拖拉機配套。我國農村拖拉機以小型為主，難以滿足大動力的要求，且氣力式播種機的使用調整復雜，我國農民機手的素質較低，使用操作困難，造成了播種效果較差，導致其生產批量依然較小[4]。勺輪式排種器是機械式精密排種器，排種質量較好，也是目前生產實踐中應用最廣泛的玉米精密排種器之一。其采用盡可能多的圓周勺數可以提高投種頻率，適應高速作業(yè)的需要[2]，對玉米種子差異的適應性強[5]?，F有勺輪式排種器存在下列不足：排種勺輪直徑的限制，均布于圓周上的舀勺的個數不能進一步增加，排種器的轉速與機組前進速度配合保證不了確定的玉米播種株距，勺輪的旋轉速度極大地影響了播種質量，速度過高使充種性能和清種性能變差，限制了采用該排種器的播種機田間作業(yè)速度的進一步提高。即采用該排種器的玉米播種機作業(yè)速度較低，一般只有3～4km/h，導致生產率太低。20世紀80年代初，國際上精播玉米等大粒距作物機速已可達到8～10km/h，小粒距作物的排種頻率已達到6km/h。國外大面積播種的播種機作業(yè)速度不低于8km/h，即要求精播排種器的排種頻率達44～74粒/s[6]。勺輪式排種器的結構參數決定了其舀種區(qū)、淸種區(qū)、遞種區(qū)、護種區(qū)和投種區(qū)位置和大小，而運動參數的優(yōu)化可以在保障播種性能的同時提高生產效率，該優(yōu)化可以為勺輪式排種器的優(yōu)化設計和使用調整提供依據。

1 勺輪式排種器的結構和工作過程

1.1 勺輪式排種器的結構

勺輪式排種器是玉米精密播種機的核心部件，其結構參數優(yōu)劣直接影響玉米精密播種的質量。勺輪式排種器由排種器殼體、導種輪、隔板、勺輪、軸、軸承及透明蓋等組成，如圖1所示。

1.排種器殼體 2.導種輪 3.軸 4.軸承 5.隔板 6.勺輪 7.透明蓋 圖1 勺輪式排種器結構組成Fig.1 Structural components of spoon-wheel seedmeter

排種勺輪直徑設計為240mm，圓周斜向均布18個種勺，種勺間距為20°，導種輪的直徑237mm，導種輪凹槽數為18個，排種勺輪與導種輪同步轉動，種勺與導種輪孔槽位置一一對應且均勻分布。

1.2 勺輪式排種器的工作過程

勺輪式排種器的整個工作過程分為舀種、清種、遞種、護種及投種5個過程，如圖2所示。

圖2 勺輪式排種器工作過程Fig.2 Working process of spoon-wheel seedmeter

1.2.1 舀種

種子由排種器透明蓋上的種子通道進入勺輪室。當軸轉動時，帶動導種輪及勺輪轉動，護種隔板通過隔板調節(jié)器上銷軸與殼體上的調節(jié)孔控制其相對殼體的位置，使隔板固定；勺輪下部在種子內轉動，隨著勺輪的旋轉，當舀勺進入種子群，舀勺和種子產生相對運動，種子在重力、離心力和種子間推擠作用下進入勺內，即舀種過程；當種勺繼續(xù)旋轉，脫離種子群后，舀種結束，進入淸種區(qū)。

1.2.2 清種

勺輪舀勺轉出種子面時，種勺上充附多個種子；當軸帶動勺輪繼續(xù)轉動，多余附著的種子由于不完全穩(wěn)定在種勺內，在重力作用下掉落回種子群；只有穩(wěn)定于舀勺內的種子被帶動繼續(xù)運動。

1.2.3 遞種

種勺內只留下1粒種子繼續(xù)轉動，當攜帶種子的種勺轉到隔板上調節(jié)孔槽開口處時，種子在重力、離心力作用下滑入導種輪上與之相對應排種孔槽內，完成遞種過程。

1.2.4 投種

導種輪帶動種子與勺輪同步轉動，種子進入護種區(qū)，回轉到排種殼體下后方投中口處時，種子在重力、離心力作用下脫離排種器投種。

2 勺輪式排種器的參數優(yōu)化

2.1 種子進口

舀種區(qū)的起始位置與種子面的位置有密切關系。如圖3所示：橢圓形的進種口位置低，進入排種器內腔的種子量少，種子面低，舀種起始位置滯后；種口位置高，進入排種器內腔的種子量多，種子面高，舀種起始位置提前。但種子面過高，會影響淸種區(qū)的大?。磺乙ㄉ自阢U垂向下90°位置附近舀種時，種子進入種勺的幾率較小，一般種勺越過約135°附近種子才有較大的可能進入種勺內，這一位置受種勺中心線方向的影響。玉米種子的自然休止角為30°～40°，進種口中心位置距離軸心水平距離為60mm，垂直距離為30mm，進種口橢圓的長軸為60mm，短軸為40mm。

圖3 排種器內種子的位置Fig.3 Position of seed in seedmetering device

2.2 遞種起始位置

舀隔板如圖4所示。由薄鋼板沖壓成的外圓開口式圓環(huán)，其開口角度為75°，即遞種角α2=75°。隔板位于導種輪和勺輪之間，將兩者隔開，隔板與排種輪型孔、殼體一起構成一個完整的承種型孔。

由于種子品種不同，造成種子尺寸不同，遞種的起始位置要求根據種子的大小確定，隔板調整定位孔與殼體上的最上方第一個調整孔重合，如圖5所示。其起始位置與水平面夾角α1為遞種起始位置，終止位置角為α1+75°，此為隔板最高位置，淸種區(qū)域最大。當播小粒種子時，順時針轉動隔板，擴大清種區(qū)間，延長清種時間；播大粒種子時，逆時針轉動隔板，提前遞種，即減小遞種起始角，減小清種區(qū)間，以減少漏播率。隔板調整孔最高到最低位置對應圓心角為30°，每一位置間隔5°，適應不同大小的種子；最低位置遞種角為5°，最高為35°。

圖4 勺輪式排種器隔板Fig.4 Division piate of spoon-wheel

圖5 遞種區(qū)Fig.5 Area of seed delivery

2.3 遞種起始位置

播種機作業(yè)時，播種農藝要求的株距取決于排種器的旋轉運動速度與機組前進速度的配合[1]。如不考慮地輪滑移，保證株距要求的轉速為

(1)

傳動比為

(2)

穴距為

(3)

式中υm—機組前進速度(m/s)；

n—排種軸轉速(r/min)；

D—地輪直徑(m)；

t—穴距(m)；

z—排種器圓周型孔數；

δ—地輪滑移率，δ=0.05～0.12；

播種株距的調整是通過更換地輪軸、中間傳動軸和排種器上的傳動鏈輪來實現的(3組排種單體的鏈輪齒數分布必須相同)。地輪直徑為D=418mm。機組前進速度υm為4～6km/h，株距t=200～300mm，型孔數Z=18，則n=14.2～26.5r/min。如果排種盤的線速度太高，種子靠本身的重力很難克服離心力和種子本身與排種盤的摩擦力，不能自動滑落，將增加重播率，并使遞種的時間相對減少，減少遞種的幾率，造成漏播。

一般保證種子下落，其重力應大于種子所受的離心力，即

mg≥mrω2

(4)

(5)

式中m—玉米種子質量(g)；

n—排種軸轉速(r/min)；

r—種子所在半徑(m);

g—重力加速度(m/s2)。

由式(5)計算得：n≤86.9r/min。這說明保證株距的情況下能夠保證順利清種和遞種。

3 試驗分析

3.1 臺架試驗

本試驗依托JPS-12排種器性能檢測試驗臺(見圖6和圖7)，依據精密排種器的單粒(精密)播種機試驗方法(GB/T 6973-2005)，在室內臺架上進行不同結構和運動參數的試驗，通過軟件SeederTest(見圖8)得出穴距、穴粒數及實際穴距分布值，判定穴距合格率、穴粒數合格率等指標，獲取精確的種子粒距(粒距測量平均誤差±2mm)、合格指數、重播指數、漏播指數和變異系數等檢測指標。本試驗主要探索不同的機組速度和不同的遞種口位置，對排種器播種性能的影響。

圖6 試驗臺Fig.6 Test bench

圖7 試驗臺Fig.7 Test bench

圖8 種子測試軟件Fig.8 Seed texting software

本試驗為機組在不同速度和不用遞種口位置的雙因素3水平的試驗。本試驗共有4個相應的變量，即國標GB/T 6973-2005單粒(精量)播種機的作業(yè)性能指標：粒距合格指數A≥75%，重播指數D≤20%，漏播指數M≤10%，合格粒距變異系數C≤35%[7]。

3.2 試驗分析

由表1可見：勺輪式排種器隨著作業(yè)速度的提升，播種效果逐漸下降，特別是漏播率和變異系數有非常明顯的增加。對于不同遞種口位置，隨著機組速度的增加，播種效果出現波動，低遞種口位置在4km/h時，作業(yè)效果最好；速度過高時，可能由于離心力過大，種子不能及時下落到遞種盤，出現合格指數較低，且漏播嚴重的結果；當在中遞種口位置時，合格指數滿足國標要求，但高速漏播指數不滿足要求，漏播指數較大。

由此可以得出，18舀勺的勺輪式玉米排種器的作業(yè)速度受到了限制，不能進一步的提高，否則漏播重播會大幅度增加，且合格指數無法滿足國家標準，這對勺輪式玉米排種器的改進和提速顯得尤為重要。

表1 玉米排種器試驗性能結果Table 1 Experimental performance results of the spoon-wheel seedmeter for corn %

4 結論

勺輪式排種器是目前生產實踐中應用最廣的機械式玉米精密排種器之一，相對其他機械式精密排種器，其結構簡單，對玉米種子尺寸和形狀差異的適應性強。設計勺輪式排種器的排種勺輪直徑為240mm，圓周斜向均布18個種勺，種勺間距為20°，導種輪的直徑237mm，導種輪凹槽數為18個，遞種角一般取中間3個位置，進種口為中心距離軸心水平距離60mm，垂直距離30mm，長軸為60mm，短軸為40mm的橢圓形通道，保證順利清種和遞種的排種軸轉速應低于86.9r/min。生產中，應該針對農田狀況及種子情況調整隔板，減少漏播和雙粒，提高單粒率，保證播種質量。

[1] 北京農業(yè)工程大學.農業(yè)機械學(上冊)[K].北京:中國農業(yè)出版社,1991:199-213.

[2] 中國農業(yè)機械化科學研究院.農業(yè)機械設計手冊(上冊)[K].北京:中國農業(yè)科學技術出版社,2007:343-346.

[3] 陳立東,何堤.論精密排種器的現狀及發(fā)展方向[J].農機化研究,2006(4):16-18.

[4] 馮曉靜,楊欣,桑永英,等.玉米精密播種機械發(fā)展現狀[J].江蘇農業(yè)科學,2010(4):422-424.

[5] 張波屏.現代種植機械工程[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997:21-38.

[6] 張澤平,馬成林,左春檉.精播排種器及排種理論研究進展[J].吉林工業(yè)大學學報,1995(4)：112-117.

[7] GB/T6973-2005單粒(精量)播種機試驗方法[S].

[8] 王巖,隋思漣,王愛青.數理統(tǒng)計與MATLAB工程數據[M].北京:清華大學出版社,2006.