勺轮式玉米精密排种器设计与参数分析

李 鑫，籍俊杰，曹少波，冯晓静

(1.河北农业大学 机电工程学院， 河北 保定 071001；2.河北省农林科学院 粮油作物研究所，石家庄 050035)

0 引言

按照工作原理不同，精密排种器可分为两大类:机械式和气力式[1-3]。气力式播种对种子的几何形状要求不严，不伤种子，不磕籽，可确保播种准确，出苗率高；气力式播种机需要风机和气力系统，结构复杂，技术要求高，动力消耗大，要求高度的气密性，需要大功率拖拉机配套。我国农村拖拉机以小型为主，难以满足大动力的要求，且气力式播种机的使用调整复杂，我国农民机手的素质较低，使用操作困难，造成了播种效果较差，导致其生产批量依然较小[4]。勺轮式排种器是机械式精密排种器，排种质量较好，也是目前生产实践中应用最广泛的玉米精密排种器之一。其采用尽可能多的圆周勺数可以提高投种频率，适应高速作业的需要[2]，对玉米种子差异的适应性强[5]。现有勺轮式排种器存在下列不足：排种勺轮直径的限制，均布于圆周上的舀勺的个数不能进一步增加，排种器的转速与机组前进速度配合保证不了确定的玉米播种株距，勺轮的旋转速度极大地影响了播种质量，速度过高使充种性能和清种性能变差，限制了采用该排种器的播种机田间作业速度的进一步提高。即采用该排种器的玉米播种机作业速度较低，一般只有3～4km/h，导致生产率太低。20世纪80年代初，国际上精播玉米等大粒距作物机速已可达到8～10km/h，小粒距作物的排种频率已达到6km/h。国外大面积播种的播种机作业速度不低于8km/h，即要求精播排种器的排种频率达44～74粒/s[6]。勺轮式排种器的结构参数决定了其舀种区、淸种区、递种区、护种区和投种区位置和大小，而运动参数的优化可以在保障播种性能的同时提高生产效率，该优化可以为勺轮式排种器的优化设计和使用调整提供依据。

1 勺轮式排种器的结构和工作过程

1.1 勺轮式排种器的结构

勺轮式排种器是玉米精密播种机的核心部件，其结构参数优劣直接影响玉米精密播种的质量。勺轮式排种器由排种器壳体、导种轮、隔板、勺轮、轴、轴承及透明盖等组成，如图1所示。

1.排种器壳体 2.导种轮 3.轴 4.轴承 5.隔板 6.勺轮 7.透明盖 图1 勺轮式排种器结构组成Fig.1 Structural components of spoon-wheel seedmeter

排种勺轮直径设计为240mm，圆周斜向均布18个种勺，种勺间距为20°，导种轮的直径237mm，导种轮凹槽数为18个，排种勺轮与导种轮同步转动，种勺与导种轮孔槽位置一一对应且均匀分布。

1.2 勺轮式排种器的工作过程

勺轮式排种器的整个工作过程分为舀种、清种、递种、护种及投种5个过程，如图2所示。

图2 勺轮式排种器工作过程Fig.2 Working process of spoon-wheel seedmeter

1.2.1 舀种

种子由排种器透明盖上的种子通道进入勺轮室。当轴转动时，带动导种轮及勺轮转动，护种隔板通过隔板调节器上销轴与壳体上的调节孔控制其相对壳体的位置，使隔板固定；勺轮下部在种子内转动，随着勺轮的旋转，当舀勺进入种子群，舀勺和种子产生相对运动，种子在重力、离心力和种子间推挤作用下进入勺内，即舀种过程；当种勺继续旋转，脱离种子群后，舀种结束，进入淸种区。

1.2.2 清种

勺轮舀勺转出种子面时，种勺上充附多个种子；当轴带动勺轮继续转动，多余附着的种子由于不完全稳定在种勺内，在重力作用下掉落回种子群；只有稳定于舀勺内的种子被带动继续运动。

1.2.3 递种

种勺内只留下1粒种子继续转动，当携带种子的种勺转到隔板上调节孔槽开口处时，种子在重力、离心力作用下滑入导种轮上与之相对应排种孔槽内，完成递种过程。

1.2.4 投种

导种轮带动种子与勺轮同步转动，种子进入护种区，回转到排种壳体下后方投中口处时，种子在重力、离心力作用下脱离排种器投种。

2 勺轮式排种器的参数优化

2.1 种子进口

舀种区的起始位置与种子面的位置有密切关系。如图3所示：椭圆形的进种口位置低，进入排种器内腔的种子量少，种子面低，舀种起始位置滞后；种口位置高，进入排种器内腔的种子量多，种子面高，舀种起始位置提前。但种子面过高，会影响淸种区的大小；且舀勺在铅垂向下90°位置附近舀种时，种子进入种勺的几率较小，一般种勺越过约135°附近种子才有较大的可能进入种勺内，这一位置受种勺中心线方向的影响。玉米种子的自然休止角为30°～40°，进种口中心位置距离轴心水平距离为60mm，垂直距离为30mm，进种口椭圆的长轴为60mm，短轴为40mm。

图3 排种器内种子的位置Fig.3 Position of seed in seedmetering device

2.2 递种起始位置

舀隔板如图4所示。由薄钢板冲压成的外圆开口式圆环，其开口角度为75°，即递种角α2=75°。隔板位于导种轮和勺轮之间，将两者隔开，隔板与排种轮型孔、壳体一起构成一个完整的承种型孔。

由于种子品种不同，造成种子尺寸不同，递种的起始位置要求根据种子的大小确定，隔板调整定位孔与壳体上的最上方第一个调整孔重合，如图5所示。其起始位置与水平面夹角α1为递种起始位置，终止位置角为α1+75°，此为隔板最高位置，淸种区域最大。当播小粒种子时，顺时针转动隔板，扩大清种区间，延长清种时间；播大粒种子时，逆时针转动隔板，提前递种，即减小递种起始角，减小清种区间，以减少漏播率。隔板调整孔最高到最低位置对应圆心角为30°，每一位置间隔5°，适应不同大小的种子；最低位置递种角为5°，最高为35°。

图4 勺轮式排种器隔板Fig.4 Division piate of spoon-wheel

图5 递种区Fig.5 Area of seed delivery

2.3 递种起始位置

播种机作业时，播种农艺要求的株距取决于排种器的旋转运动速度与机组前进速度的配合[1]。如不考虑地轮滑移，保证株距要求的转速为

(1)

传动比为

(2)

穴距为

(3)

式中υm—机组前进速度(m/s)；

n—排种轴转速(r/min)；

D—地轮直径(m)；

t—穴距(m)；

z—排种器圆周型孔数；

δ—地轮滑移率，δ=0.05～0.12；

播种株距的调整是通过更换地轮轴、中间传动轴和排种器上的传动链轮来实现的(3组排种单体的链轮齿数分布必须相同)。地轮直径为D=418mm。机组前进速度υm为4～6km/h，株距t=200～300mm，型孔数Z=18，则n=14.2～26.5r/min。如果排种盘的线速度太高，种子靠本身的重力很难克服离心力和种子本身与排种盘的摩擦力，不能自动滑落，将增加重播率，并使递种的时间相对减少，减少递种的几率，造成漏播。

一般保证种子下落，其重力应大于种子所受的离心力，即

mg≥mrω2

(4)

(5)

式中m—玉米种子质量(g)；

n—排种轴转速(r/min)；

r—种子所在半径(m);

g—重力加速度(m/s2)。

由式(5)计算得：n≤86.9r/min。这说明保证株距的情况下能够保证顺利清种和递种。

3 试验分析

3.1 台架试验

本试验依托JPS-12排种器性能检测试验台(见图6和图7)，依据精密排种器的单粒(精密)播种机试验方法(GB/T 6973-2005)，在室内台架上进行不同结构和运动参数的试验，通过软件SeederTest(见图8)得出穴距、穴粒数及实际穴距分布值，判定穴距合格率、穴粒数合格率等指标，获取精确的种子粒距(粒距测量平均误差±2mm)、合格指数、重播指数、漏播指数和变异系数等检测指标。本试验主要探索不同的机组速度和不同的递种口位置，对排种器播种性能的影响。

图6 试验台Fig.6 Test bench

图7 试验台Fig.7 Test bench

图8 种子测试软件Fig.8 Seed texting software

本试验为机组在不同速度和不用递种口位置的双因素3水平的试验。本试验共有4个相应的变量，即国标GB/T 6973-2005单粒(精量)播种机的作业性能指标：粒距合格指数A≥75%，重播指数D≤20%，漏播指数M≤10%，合格粒距变异系数C≤35%[7]。

3.2 试验分析

由表1可见：勺轮式排种器随着作业速度的提升，播种效果逐渐下降，特别是漏播率和变异系数有非常明显的增加。对于不同递种口位置，随着机组速度的增加，播种效果出现波动，低递种口位置在4km/h时，作业效果最好；速度过高时，可能由于离心力过大，种子不能及时下落到递种盘，出现合格指数较低，且漏播严重的结果；当在中递种口位置时，合格指数满足国标要求，但高速漏播指数不满足要求，漏播指数较大。

由此可以得出，18舀勺的勺轮式玉米排种器的作业速度受到了限制，不能进一步的提高，否则漏播重播会大幅度增加，且合格指数无法满足国家标准，这对勺轮式玉米排种器的改进和提速显得尤为重要。

表1 玉米排种器试验性能结果Table 1 Experimental performance results of the spoon-wheel seedmeter for corn %

4 结论

勺轮式排种器是目前生产实践中应用最广的机械式玉米精密排种器之一，相对其他机械式精密排种器，其结构简单，对玉米种子尺寸和形状差异的适应性强。设计勺轮式排种器的排种勺轮直径为240mm，圆周斜向均布18个种勺，种勺间距为20°，导种轮的直径237mm，导种轮凹槽数为18个，递种角一般取中间3个位置，进种口为中心距离轴心水平距离60mm，垂直距离30mm，长轴为60mm，短轴为40mm的椭圆形通道，保证顺利清种和递种的排种轴转速应低于86.9r/min。生产中，应该针对农田状况及种子情况调整隔板，减少漏播和双粒，提高单粒率，保证播种质量。

[1] 北京农业工程大学.农业机械学(上册)[K].北京:中国农业出版社,1991:199-213.

[2] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册(上册)[K].北京:中国农业科学技术出版社,2007:343-346.

[3] 陈立东,何堤.论精密排种器的现状及发展方向[J].农机化研究,2006(4):16-18.

[4] 冯晓静,杨欣,桑永英,等.玉米精密播种机械发展现状[J].江苏农业科学,2010(4):422-424.

[5] 张波屏.现代种植机械工程[M].北京:机械工业出版社,1997:21-38.

[6] 张泽平,马成林,左春柽.精播排种器及排种理论研究进展[J].吉林工业大学学报,1995(4)：112-117.

[7] GB/T6973-2005单粒(精量)播种机试验方法[S].

[8] 王岩,隋思涟,王爱青.数理统计与MATLAB工程数据[M].北京:清华大学出版社,2006.