（农业机械化工程专业论文）勺式玉米精密排种器动力学仿真及试验研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材科。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：每孥瞬时间：_ 叩年月吁日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阋，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：喜睁眸时间：枷7 年占月牌日 导师签名： 时间：汤哆年月垆日 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 玉米是我国重要的粮食、经济、饲料兼用作物，播种面积和总产量仅次于美国，位 居第二位，因此增加玉米产量对国民经济具有重要意义。 播种是玉米生产过程中具有决定性的环节，播种质量的好坏，将直接影响到玉米的 产量。目前普遍采用的玉米播种方式是玉米精密播种，精密排种器是玉米精密播种机的 主要工作部件，对于整个播种机的研究十分重要，因为它的结构、性能决定整个播种机 的工作性能。 本文结合国家自然科学基金项目“铲式玉米精密播种机数字化设计及动态仿真研 究”，在对国内外现有的精密排种器进行深入分析的基础上，对种子在勺式玉米精密排 种器内的运动进行动态仿真、动力学分析，进而完善排种器的理论研究，这将对适于我 国农村土壤耕作条件的玉米精密播种机的研究具有实际意义。 论文首先依据已有的铲式玉米精密播种机的理论研究成果，分析了勺式玉米精密排 种器的工作过程，即充种、清种、护种和投种过程。分析各个过程中种子所处的状态， 分析种子的极限充种角、导种台上种子的回落角、清种起始角和清种结束角及种子在整 个工作过程中的受力情况。 其次，应用三维实体造型软件p r o e 建立勺式玉米精密排种器的三维实体图。运用 p r o e 软件与a d a m s 软件的专用接口模块m e c h p r o ，将构造好的排种器模型导入动力学 仿真分析软件a d a m s 中。 在a d a m s 软件中对排种器模型施加相应的约束、驱动及载荷，建立勺式玉米精密排 种器的虚拟样机系统，并进行动学力仿真分析，直观的观察种子在排种器内的充种、清 种、护种和投种过程。对于影响排种器工作质量的主要工作参数创建设计变量，定义目 标函数并产生必要的设计约束，最后对排种器虚拟样机系统进行优化分析，得到最优的 垂直倾角，、水平倾角y 和播种速度v 的组合。 选出两种玉米种子，对播种机样机进行试验。根据三因子二次通用旋转组合设计 的统计方法，得到了反映播种机的前进速度 ，、播种机的垂直倾角和水平倾角，与播 种机的重播率和种距变异系数之间关系的回归方程；在此基础上确定了对于这两种玉米种 子，该薷懒最佳参数组合。将试验结果同仿真优化结果比较，验证虚拟样机技术在排 种器设计过程中的重要作用，从而在物理样机生产之前首先在计算机上设计出最适合我 摘要 国农村生产条件的玉米精密排种器，缩短了设计周期，提高了设计质量和效率。 关键词：精密排种器；动态仿真；p r o e ；a d a m s ；优化 2 沈阳农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a i z ei sam a j o rc r o pf o rf o o d ，e c o n o m ya n da n i m a lf e e di nc h i n a , i t ss o w i n ga r e aa n d y i e l dr a n k ss e c o n da f t e rt h eu n i t e ds t a t e s ，t h e r e f o r ei n c r e a s i n gm a i z ep r o d u c t i o n i sv e r y i m p o r t a n tf o r t h en a t i o n a le c o n o m y p l a n t i n gi sad e c i s i v ep a r tf o rm a i z ep r o d u c t i o nc u l t i v a t i o n t h eq u a l i t yo ft h ep l a n t i n g w i l ld i r e c t l ya f f e c tm a i z ep r o d u c t i o n c u r r e n t l yc o m m o na p p r o a c ho ft h ep l a n t i n gi sp r e c i s i o n m e t e r i n g , i nw h i c hp r e c i s i o nm e t e r i n gd e v i c ei st h em a j o rw o r k i n gp a r t so fm a i z ep r e c i s i o n p l a n t e r s i ti si m p o r t a n t f o re n t k e p r e c i s i o np l a n t e rr e s e a r c h ，b e c a u s ei t ss t r u c t u r ea n df u n c t i o n d e t e r m i n et h ee n t i r ew o r kp e r f o r m a n c eo ft h ep l a n t e r b a s e do nt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e f t ”d i g i t a ld e s i g na n dd y n a m i c s i m u l a t i o ns t u d yf o rp r e c i s i o ns p a d ep u n c hp l a n t e ro fm a i z e ”，o nt h eb a s i so fa n a l y s i so f c u r r e n tp r e c i s i o np l a n t e r sa th o m ea n da b r o a d ，s i m u l a t i o na n dd y n a m i c sa n a l y s i so fs e e d s m o v i n gi nt h ed i s k s c o o p - t y p em a i z ep r e c i s i o nm e t e r i n g d e v i c ew e r ec a r r i e do u t t h e m e t e r i n gd e v i c ew a st h e o r e t i c a ls t u d i e df o ri m p r o v e m e n to ft h ep e r f o r m a n c e t h i sp r o v i d e d u s e f u lr e f e r e n c e s f o rr e s e a r c ho fm a i z ep r e c i s i o np l a n t e r ss u i t a b l ef o ru s eu n d e rc h i n e s e a g r i c u l t u r a lc o n d i t i o n s f i r s t ，o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t ，w o r k i n gp r o c e s so fp r e c i s i o nm e t e r i n g d e v i c ew a si n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n gp r o c e s so fs e e df i l l i n g , c l e a r i n ga n dd r o p p i n g s e e d s a p p e a r a n c eo fe v e r yp r o c e s sw a sd e s c r i b e d a n g l eo fu l t i m a t es e e df i l l i n g , a n g l eo fu l t i m a t e s e e df a l l i n gw i t h i nt h em e t e r i n gs c o o p ，a n g l eo fs e e dc l e a n i n ga n da n g l eo f s e e dc l e a n i n gw e r e a n a l y z e d ，f o r c e so nt h es e e d sd u r i n gm e t e r i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e d s e c o n d ，t h r e ed i m e n s i o nm o d e lo ft h ed i s k s c o o p - t y p ep r e c i s i o nm e t e r i n gd e v i c eo f m a i z ew a se s t a b l i s h c dw i t hp r o e , a n dt h em o d e lw a si n t r o d u c e di n t oa d a m sb yu s i n g m e c h p r ow h i c hw a sp r o ea n da d a m ss o f t w a r ep r o f e s s i o n a li n t e r f a c e f o rd y n a m i c s i m u l a t i o n d e f i n i n gc o n s t r a i n sa n da p p l y i n gd r i v e ra n df o r c e s ，v i r t u a lp r o t o t y p i n gs y s t e mo ft h e d i s k s c o o p t y p ep r e c i s i o nm e t e r i n gd e v i c ew a se s t a b l i s h e df o rd y n a m i cs i m u l a t i o n ，t h er e s u l t s o ft h es i m u l a t i o ns h o w e dp r o c e d u r eo fs e e df i l l i n g ，c l e a r i n g ，a n dd r o p p i n g m o d i f y i n gd e s i g n v a r i a b l e ，d e f i n i n gt a r g e tf u n c t i o na n dp r o d u c i n gd e s i g nc o n s t r a i n so nm a i nw o r kp a r a m e t e r s i m p a c t i n go nt h eq u a l i t yo fw o r ko ft h ep r e c i s i o nm e t e r i n gd e v i c e ，o p t i m i z a t i o no ft h e p a r a m e t e r sw a sc o n d u c t e da n do p t i m a lc o m b i n a t i o no fv e r t i c a la n g l ep a n ds o w i n gs p e e dy 3 a b s t r a c t w a so b t a i n e d t w ok i n d so fm a i z es e e dw e r ec h o s e nf o re x p e r i m e n t sa n da c c o r d i n gt os t a t i s t i c a l m e t h o do ft h r e e - f a c t o rq u a d r a t i cg e n e r a lc o m b i n a t i o nd e s i g n ，t h er e g r e s s i o ne q u a t i o n s d e s c r i b i n gt h er e l a t i o n sb e t w e e np l a n t i n gq u a l i t ya n ds t r u c t u r ea n dw o r k i n gp a r a m e t e r so ft h e p l a n t e rw e r ee s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so ft h ee q u a t i o n sas e to fo p t i m a lp a r a m e t e r so ft h e p l a n t e rf o rt h et w ok i n d so fm a i z es e e dw a so b t a i n e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e d w i l hr e s u l t so ft h es i m o l a t i 蚰a n di tv e r i f i e dt h a tt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gm e t h o dc o u l db eu s e d w i t hh i g h e ra c c u r a c yi nt h ep r o c e s so fd e s i g n i n gp r e c i s i o nm e t e r i n gd e v i c e t h eh i g h e r q u a l i t ym a i z ep r e c i s i o np l a n t e r ss u i t a b l ef o rc h i n e s er u r a lp r o d u c t i o nc o n d i t i o nc o u l db eb u i l t w i t hc o m p u t e rb e f o r et h ep h y s i c a lp r o t o t y p e ，w h i c hp r o v i d e das h o r t e rd e s i g np e r i o dw i t h h i g h e rd e s i g nq u a l i t ya n de f f i c i e n c y k e y w o r d ：p r e c i s i o nm e t e r i n gd e v i c e ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；p r o e ；a d a m ；p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n 4 沈阳农业大学硕七学位论文 1 前言 1 1 玉米精密播种的意义 我国是一个农业大国，加强农业是保持经济发展和社会稳定的基础。由于我国又是 世界上最大的玉米生产国之一，玉米播种面积和总产量仅次于美国，位居第二位，同时 玉米又是重要的粮食、经济、饲料兼用作物，因此增加玉米产量和提高玉米种植机械化 生产技术对国民经济和人民生活具有重要作用。 播种质量的好坏直接影响到作物的发芽，生长及产量。根据农业技术要求，播种必 须在短暂的播种农时内，将种子播到田地里去，使作物获得良好的生长发育条件。精密 播种可以保证播种量精确、株距均匀、播深一致，并使种子的生长发育良好一致，达到 增产丰收。玉米精密播种即采用精密播种机，按农艺要求将单粒玉米种子播入土壤中合 理部位，达到节省种子、减少苗间用工，降低玉米生产成本的一项播种技术。总结玉米 精密播种技术具有如下优点： ( 1 ) 精密播种可以节省大量优良的种子。目前采用穴播玉米每公顷用种量为4 0 k g 5 0 k g ，而若采用单粒精播，每公顷的用种量仅为1 0 k g 一1 2 5 k g ，即使考虑到种子发芽 率而选用加密精播，每公顷用种量也仅为2 0 k g - - - 2 5 k g ，可以节省近一半的玉米种子。 我国每年玉米用种量达8 x 1 0 8k gr 2 如果我国播种玉米完全采用精密播种，则每年可节 省4 x 1 0 8k g 的种子，其经济效益是相当可观的。 ( 2 ) 精密播种可节省大量劳动力。精密播种苗少、苗齐、苗壮、不拥挤，提高了 间苗定苗工效，甚至可以完全取消间苗定苗的作业。穴播玉米每工间苗7 0 0 m 2 左右，精 播玉米每工可问苗3 5 0 0 m 2 左右嘲。提高了工效，节药了劳动力，使其可以从事其它生产 活动。 ( 3 ) 精密播种便于田间机械化管理。精密播种的玉米种子株距、行距准确，植株 分布均匀，苗带宽度偏差小，便于机械化的田间管理。 ( 4 ) 可增加作物产量。精密播种幼苗分布均匀，通风透光性好，能充分利用土壤 中的营养和水分，苗期发育好，苗齐，苗壮，增产效果显著。据统计一般可增产1 0 - - - 3 0 。 5 1 2 玉米精密播种技术的现状 精密播种作为一种先进的现代化种植技术，在国外的研究从2 0 世纪4 0 年代就已经 开始了，近6 0 年来有了突飞猛进的发展。精密播种技术在国外已形成了相当完善的体 系，并已经得到了广泛的应用，从育种到播种的各项技术都已达到相当成熟的地步。在 国内玉米精密播种技术的开发和试验研究始于7 0 年代，也有3 0 多年的历史，但由于各 种原因和条件的限制，目前还处于试验示范阶段，在生产中没有得到普遍的应用。现在 我国农村仍广泛采用条播和穴播的玉米种植方式，条播和穴播浪费种子，出苗后要浪费 时间和劳动力去间苗定苗，不便于机械化管理，而且使土壤营养和水分不必要地浪费在 被间掉的秧苗上。 精密播种方式的许多优越性已经被人们充分认识到，但还没有得到普遍应用，原因 之一是人们担心精密播种的出苗率问题。我国玉米种子发芽率低，这是影响精密播种技 术推广的一个主要因素，致使机械化精密播种在我国农村玉米播种面积中只占很小的比 例，这说明精密播种的技术条件还有待于提高。另一个影响精密播种技术发展的原因就 是精密播种机械设备的状况。目前，适合我国农村精密播种的播种机还很少，为了适应 精密播种技术的发展，人们虽然已经设计了各种结构形式的播种机，包括气力式播种机， 机械式播种机，电磁振动式播种机等，但在工作性能、造价和使用维护等方面都或多或 少存在一些问题。例如在排种可靠性和粒距均匀性等方面尚存在很多问题，分种部件重 播率和漏播率较高，需要不断改进，特别是播种外形不规则的玉米时，问题就更多一些。 这些因素致使机械化精密播种在我国农村玉米播种面积中只占很小的比例。 1 3 玉米精密排种器的现状结构及特点 精密播种最终目的是在田间获得合理的植株密度以提高作物的产量，而这个目的能 否实现取决于排种器工作性能的好坏，排种器是播种机的核心部件，其性能的优劣，直 接影响播种质量。目前国内外精密排种器在理论上的研究均达到了较高水平，但在我国 实际应用的成功机型少，主要表现为现有产品的性能难以满足实际生产需求。今后的研 究趋势主要是优化设计参数，提高制造工艺水平和降低产品价格，并结合农业生产条件 选择适宜的排种器类型。 排种器研制己有较长的发展历史，但是到目前为止人们对它的改进、提高和发展仍 十分重视。排种器的功能是将整箱种子转化为种子流或种子链均匀播入土壤中。用于精 6 沈阳农业大学硕士学位论文 密播种玉米的排种器按工作原理主要分为气力式排种器和机械式排种器两大类。 1 3 1 气力式精密排种器的结构特点 气力式排种器是一种先进的排种装置，适应性强，通过性好，排种精确。由于气力 式排种器主要依靠气流作用进行工作，囊种部件对种子的适应性强，所以对种子的外形 尺寸要求不严格，不需要对种子进行精选分级，稍许更换排种部件即能播多种作物的种 子。同时，气力式排种器利用气流进行清种，减小了机械清种装置对种子的损伤，作业 速度高，一般能达到8 1 2 k m h 。但气力排种装置上均需增设供风装置风机，使其结构 复杂，造价高，在使用时需准确调节气流的压力或真空度，使之使用维护变得严格，不 太适合我国目前的农村经济条件和技术水平。 单纯利用气压摄取或离析种子实现分种过程的排种器称为气力式精密排种器。以负 压吸附种子实现分离过程的称为气吸式排种器；以正压摄取种子实现单粒排种的称为气 压式排种器。 ( 1 ) 气吸式精密排种器 气吸式精密排种器的典型代表是法国生产的“苏加木”圆盘吸孔式排种器。气吸 式精密排种器的常见故障是碎籽、杂物堵塞吸孔，造成周期性漏播。 1 9 9 5 年，何东健、李增武研制了组合吸孔气吸式排种器呻。主要工作部件是排种 叶轮，螺旋槽盘和径向槽盘。工作时，气吸室内形成真空，在螺旋槽和径向槽形成的组 合吸孔两侧产生压力差，种子被吸附在吸孔上。同时，径向槽盘和排种叶轮经传动装置 带动做匀速转动。径向槽盘转动过程中，吸孔沿螺旋槽移动，吸附在组合吸孔上的种子 也随吸孔沿螺旋槽中心向外作加速运动。在螺旋槽末端组合吸孔消失，携带至此的种子 依靠重力落入排种叶轮的相邻叶片之间，由排种叶轮送至排种器的最低处排出( 图卜1 ) 。 1 2 1 径向檀盘2 排种器体3 排种叶轮4 种子5 排种器壳6 驱动爪 围卜1 组合吸孔气吸式排种器 f i g 1 1a i r - s u c t i o nm e t e r i n gd e v i c ew i t hc o m b i n e di 1 1 h a l e r 7 1 前言 此排种器结构新颖，工作性能优良，易于吸种，漏播率小，适合播种小粒种子，对大粒 种子，尤其是形状不规则的种子适应性差。 2 0 0 0 年，封俊等研制了新型组合吸孔式小麦精密排种器“1 。该排种器由转动的带有 径向吸槽的径向槽盘和固定不动的带有螺旋吸槽的螺旋槽盘组成。排种器工作时，排种 器体内产生真空，种子在压差的作用下被吸附在组合吸孔上，然后种子随径向槽盘一边 作匀速转动，一边按螺旋吸槽的轨迹沿径向吸槽由内向外作相对于径向槽盘的径向运 动，并在运动的过程中将多余的种子清除，只剩一粒种子，当种子运行到排种器下方时， 组合吸孔消失，种子失去真空吸力，靠自重投出( 图卜2 ) 。该排种器简化了组合吸孔气 吸式排种器的结构，但通用性差，只适宜播种小粒种子，制造工艺高。 1 排种器体2 径向槽盘3 螺旋槽盘4 种子宣5 排种器壳 国1 - 2 新型组合厥孔式排种器 f i g 1 2m c t v r l n gd e v i n ew i t hc o m b i n e ds a c l m ( 2 ) 气压式精密排种器 1 9 8 5 年，吉林工业大学研制的气力轮式排种器是一种在特殊参数的型孔式排种器上 增设气力充填装置而构成的嘲。工作时，种子从挡种罩和壳体间的通道进入充种区，吹 嘴送入压气流，种子在自重和气流强制作用下充填型孔，多余的种子运行到吹嘴时被清 除，型孔内的一粒种子随型孔轮运动到投种点时被投出。多余的种子被气流吹回充种区 ( 图1 - 3 ) 。该排种器的最大特点是一机两用，有气流时，可按气力排种器工作原理进行 工作，无气流时则按机械式排种器的工作原理工作，通用性好，能适应播多种作物种子 的需要。精播玉米时，工作速度可达l o k m h ( 马成林等，1 9 9 0 ) ，但要求型孔及其它部 件的制造精度非常高，否则将严重影响播种效果。 一种新型气压式精密排种器应用于2 b o y f - 6 a 气压式硬茬播种机( 图卜4 ) ( 贺俊林， 2 0 0 1 ) 。排种器工作时，送风气流将一定压力和流量的空气送入充种室，其上的弧形凹 槽经过充种区时，气孔内外产生压力差，一定粒数的种子被压附在充种槽中，当经过清 8 沈阳农业大学硕士学位论文 3 1 型孔轮2 推种片3 排种轴4 壳体5 吹嘴6 种籍 围1 3 气力轮式排种器 f i g 1 - 3p n e u m a t i cw h e e l - t y p em e t e r i n gd l , v i c c 种区时，清种刷将多余的种粒清回充种区，经过护种区时，护种刷将气流隔断，种子在 护种刷的保护下被带至排种区，在重力、离心力和部分气流的作用下从种槽中排出( 图 1 - 4 ) 。该排种器结构复杂，充种通道中种子面高度较低时，会发生排气不足现象，影响 播种效果。 l 嘶夕 t 接风嘴2 种箱3 清种区4 充种区5 排种区6 护种区7 充种槽8 气孔 圈1 - 4 新型气压式精密排种器 f i g 1 - 4 n e w t y p ea i r - p r e s s u r e p r e c i s i o n m e t e r i n g d c v i 1 3 2 机械式精密排种器的结构特点 机械式精密排种器采用型孔或槽穴囊种方式，将单粒种子从种子群中分离出来，形 成种子链。在这里，囊种、卸种、投种全靠重力作用。根据对重力利用方式的不同，而 区分为各种不同类型的排种器。机械式排种器可分为圆盘式排种器( 垂直圆盘式、水平 圆盘式和倾斜圆盘式) 、滚筒式精密排种器、指夹式排种器和带式排种器等。 9 1 前言 机械式排种器相对于气力式排种器而言，具有结构简单，价格低，使用维护方便等 优点。但因为主要依靠囊种部件进行工作，所以要求囊种部件的结构尺寸要与种子的形 状和尺寸具有良好的适应性，进而对种子的尺寸和形状要求也比较严格，一般应用机械 式清种装置进行清种，所以对种子的损伤率较高，作业速度相对也较低，一般为4 7 k m h 0 1 ，播种的准确性也不如气力式排种器。但限于我国农村目前的经济和技术状况， 机械式排种器仍有广泛的应用前景，像槽轮式和型孔式排种器在农村仍得到广泛的应 用。 ， ( 1 ) 垂直圆盘式排种器 1 9 8 8 年，汪遵元、胡敦俊报道的滚轮式膜上打孔播种机上，采用的是内侧充种垂直 圆盘排种器“1 。该排种器采用了复式型孔内侧充种新原理。排种器在转动的过程中，种 子先进入大窝孔而后进入小窝孔，在清种过程中，大窝孔内不稳定的种子被清除掉，只 留小窝孔中的一粒状态稳定的种子，被稳定可靠地送至护种区内，然后在投种口投出( 图 1 - 5 ) 。这种排种器工作性能好，利用重力清种对种子的损伤小，其结构原理在于建群的 组合内窝孔玉米精密排种器中也得到体现嗍。 6 g鬈 日磁i l 盟瑗 斟：镑 酽i蔫 参 壳体2 排种轮 3 轴4 径向护种板5 进种口b 轴承 图1 _ 5 内侧充种垂直圆盘排种器 f i 鼻1 - 5i 越i d e 丘】l i n 卫v e r t i c a l - d i s cm c t c r i l l gd g v i c e 2 0 0 0 年，于建群、马成林等报道了组合内窝孔玉米精密排种器。该排种器由壳体、 内护种板、内窝孔轮组成。内窝孔轮上均布圆形充填孔和阶梯形内窝定量孔，其工作原 理相似于上述的内侧充种垂直圆盘排种器，只是型孔形状不同。它采用阴阳二窝孔二次 充种原理，阴窝孔采用阶梯形，以实现不同形状和尺寸种子的精确定量( 图卜6 ) 。它具 有结构简单，充种性能好，对种子尺寸适应能力强，损伤率低，适宜高速作业等特点， 是性能较理想的机械式排种器。 1 0 沈阳农业大学硕士学位论文 1 内爵孔轮2 壳体3 内护种椒 圈1 - 6 组合内窝孔玉米精密排种嚣 f i g 1 - 6 c o m b i n a t i o n o o n c a v c c e l lc o r n p r e c i s i o n m e t e r i n g d e v i c e 2 0 0 1 年，杨欣、刘俊峰等研制了球勺内窝孔精量排种器恻。该排种器也是由内侧充 种垂直圆盘排种器演变而来的。该排种器由排种器壳体、排种轮( 均布球勺型内窝孔) 和径向护种板构成。工作时，种腔内的种子在排种轮的带动下开始运动，在重力、离心 力和种子间相互作用力的联合作用下，种子由排种轮内侧充入复式型孔的大孔，而后进 泣菥翰 矿燃。满 图1 - 7 球勺内窝孔精密排种器 f i g 1 - 7p r e c i s i o nm e t e r i n gd e v i c ew i t hb a l l - s p o o n5 h a p c di n n e r - c e l l 入球勺内窝孔定量，在清种区，内窝孔外的不稳定的种子落回充种区，处于稳定状态的 种子在径向护种板的托护下送到投种口投出( 图1 - 7 ) 。它对种子的损伤率小，但对种子 的适应性不佳，种子尺寸形状不一致时，重播率较高。 ( 2 ) 水平圆盘式精密排种器及精密播种机。 水平圆盘式排种器作为精密点播或穴播玉米、棉花而著称于世，它最早出现与1 9 世纪5 0 年代。它的结构优点是具有较长的囊种区域弧段，囊种性能比垂直圆盘好。而 且它结构简单，工作可靠。2 0 0 3 年，廖庆喜对玉米水平圆盘精密排种器的型孔进行了研 究。该排种器由动盘、定盘、刮种器、主轴、锥齿轮、底座和输种管等组成，如图卜8 所示。 u 1 前言 1 种箱2 隔套3 主轴4 动盘5 底座6 定盘7 推刮种器 8 型孔开槽9 型孔小倒角1 0 型孔大倒角 图1 - 8 水平圆盘精密排种器结构示意围 f i g 1 - 8s t r u c t u r e o f h o f i z o n m p h t e p r e c i s i o n m e t c 商a g d 目d ( 3 ) 倾斜圆盘式精密排种器及精密播种机。 垂直圆盘排种器的囊种区域小，囊种性能差，且种子破碎率较大，水平圜盘排种器 的囊种区域大，囊种性能好，但是投种高度较大，结构复杂。倾斜圆盘排种器介乎两者 之间，避免两者的缺点，故而成为一种新品种。倾斜圆盘排种器具有投种高度底、囊种 区域长、无须刮种器等特点。在倾斜圆盘式排种器上，没有刮种器也没有投种器，在排 种过程中没有卡籽现象。靠自重囊种，靠倾斜坡度自动清种，靠自重强制投种。它有两 个圆盘，一个是囊种型孔盘，一个是携种盘。 1 驱动轴2 亮体3 捧种轮4 隔扳5 种箱 围1 9 倾斜轮孔式精密排种器 f i g 1 - 9i n c l i n e dw h e e l - b o l ep r e c i s i o nm e t c r i n gd e v i c e 1 9 9 3 年，孙永海、胡树荣研制了倾斜轮孔式小麦精密排种器“”。排种部件采用孔勺 结构。其工作过程为：排种器转动时，其内壁上的孔勺从种子堆中舀取数粒种子，随着 排种轮的旋转，孔勺中不稳定的种子逐渐滑落，留在孔勺中的种子依次排队，并靠自重 滑入型孔，孔勺中的种子随孔勺转到一定高度的时候，孔勺中不稳定的种子依靠重力滑 沈阳农业大学硕士学位论文 落到种子室底部，孔勺中的一粒种子被带到投种口靠自重投出( 图卜9 ) 。该排种器排种 准确，适宜播种小粒作物种子，工作速度较低，基本能够实现有序充填。 ( 4 ) 带夹式式精密排种器 1 9 9 0 年，周长城、汪遵元等报道了带夹式精密排种器1 。该排种器的主要工作部件 是v 型带轮和胶带。该排种器的工作过程为，种子先从大种箱流入小种盒的充种室，在 小种盒内有一控制闸门，在控制闸门的作用下形成充种区。在充种区，种子充入胶带的 凹槽中，随胶带向上运动，当运动到大v 型带轮的轮槽时受到侧向作用力而被夹紧，未 落入槽中的种子靠自重和清种刷的作用被清除掉，当胶带运动到不再受夹紧力的作用 时，种子就被投出( 图卜1 0 ) 。这种排种器结构简单，断条率低，对尺寸均匀的种子损 伤率小，但株距很难精确控制，种距变异系数高，难以达到精密播种的要求。 l 1 小种盒2 控制闸门3 种子面4 橡皮刷5 v 型带 轮6 刮种器7 接种杯8 胶带9 小带轮 围卜1 0 带夹式精密排种器 f i g 1 - 1 0b e l t - c a r r y i n gp r e c i s i o nm e t e r i n gd e v i ( 5 ) 勺式精密排种器及精密播种机 勺式精密播种机主要应用于蔬菜精密播种上。采用勺式排种器的精密播种机有，英 国生产的“斯马特”、“罗塔斯彭”，瑞士产的“泥别克斯”等精密播种机。他们可以进 行单粒精密播种或穴播。著名的勺式精密播种机首推“泥别克斯”如图1 - 1 1 所示。它 采用铝合金排种器壳体，左侧壁镶嵌着透明的有机玻璃，便于观察排种器工作情况。排 种勺盘由塑料制成。更换不同尺寸的排种勺即可播种不同类型的种子。各种不同规格的 排种勺都有其独特的颜色和编号，便于区别使用。勺式精密播种机具有较广的通用性。 勺式精密播种器的最大优点是不伤种。但它只能播种球状种子和丸粒化种子，对于扁平 状种子也只能达到普通条播的水平。它的缺点是，作业时对播种机的倾斜和震动特别敏 ! 堕童 感，作业速度较低。如果给排种器加上一个固定挡板则可以消除种子提前脱勺投放，能 将播种机速度提高到2 5 k m h 。 1 种子箱2 开勺滑道3 排种勺4 ，侧盘5 输种管 围1 - ”勺式精密播种器图 玩i - 1 l s p o o n p r e , c i s i o n m c t c r h l g d c v i c 。 ( 6 ) 指夹式精密排种器及精密播种机 指夹式精密排种器应用与美国生产的“姜迪尔”7 0 0 0 型玉米精密播种机上，属于 玉米专用排种器，适合于夹取扁平状的玉米籽粒。指夹式排种器由排种夹盘和成穴格轮 组成。指夹式排种器的结构比较复杂，指夹及其拐臂和开夹导轨容易磨损，引起排种性 能交坏。排种器只适合于排种扁平状的玉米。通用性较差。在正常情况下，它比型孔盘 排种器稍好，种子破坏率较小，能够在较高速度下( 8 - - 1 0 k i n h ) 进行作业。 1 4 1 1 指夹器固定盘2 指夹器3 颠簸器4 种子箱臼5 卸种口8 排种口 田卜t 2 指夹式玉米精密排种嚣 f i g i - 1 2h c k c r 丘n g c rt o mp r e c i s i o nm e r i n gd c v i c e 1 9 8 6 年，周祖良、钱简可研制出指夹式玉米精密播种排种器“，其主要工作部件是 鎏堕奎些查堂堡主堂垡丝奎 指夹器和颠簸器( 图1 - 1 2 ) 。排种器工作时，装有指夹器的固定盘转动，依靠凸轮使指 夹器在转动过程中定时开启和关闭，开启阶段指夹器进入种子层充种，关闭后将种子运 往颠簸器清种，使夹指腔中只留一粒种子，然后经卸种口投入排种室。再经投种口投入 种床。该排种器指夹机构复杂，指夹的开启间隙、形状尺寸、夹指对种子的压力等均不 易控制和调节，而且它只适用于播种玉米，通用性差、指夹容易磨损、磨损后播种质量 明显下降，制造工艺高，性能有待改进。 ( 7 ) 滚筒式精密排种器 1 9 9 7 年，蹇兴东、彭嵩植研制了滚筒式精密排种器“”。滚筒式精密排种器在国外 早有应用。该排种器滚筒上沿轴线方向分布着2 6 排型孔，每排沿圆周方向均匀分布 5 0 _ - 6 0 个长圆形型孔。排种器工作时，随着排种滚筒的转动，滚筒内种子室的种子靠重 力和离心力充入滚筒的型孔中，每个型孔内充入一粒种子，当型孔转到排种器的下方时， 刮种器刮去型孔外多余的种子，型孔内的种子则随滚筒转动到排神口，靠重力和投种轮 的压力投出型孔( 图卜1 3 ) 。该排种器对种子的损伤小，但合格指数不高，重播率和漏 播率较大。 1 1 壳体2 滚筒3 铡种器4 投种轮 圈卜1 3 滚筒式精密排种磊 f i g 1 - 1 3c y i n d c rp r e c i s i o nm e t e r i n gd g v i c o 除气力式和机械式两大主要类型的排种器外，还有电磁振动式排种器。电磁振动 式排种器与传统形式的排种器相比，该排种器具有结构新颖、无传动装置、重量轻、无 润滑点、不损伤种子等优点，但其调节不方便，需要正确调节振动装置的振幅和振动频 率等。气力机械式排种器也有应用，它既可以按气力式排种器的工作原理进行工作， 又可在无供风装置条件下按机械式排种器的工作原理进行工作。如气力轮式排种器就是 在一种特殊参数的型孔式排种器上增设气力充填装置而构成的。 r 1 前言 1 4 玉米精密排种器存在的主要问题 根据上述机械式精密排种器和气力式精密排种器的结构和工作原理分析，目前排种 器在生产和应用上存在的主要问题如下： ( 1 ) 气力式排种器工作性能好，精密排种的质量高、所用种子不用分级且破损率 低，但机具价格高、重量大、工作参数调整困难、要求与之配套动力的功率大，噪声也 较大。结构复杂，一般需带供风装置和导风装置，而且风压不易控制，对气压式排种器 而言，7 风压过大，会把种子吹光而造成空穴；风压过小，则不能清除多余的种子，造成 重播，使用调节不方便。气力式排种器主要靠气流进行工作，所以一些部件需密封，不 能漏气，制造精度要求高。基于以上存在的问题，气力式排种器还不能广泛地应用于我 国农村。 ( 2 ) 机械式排种器结构简单，价格低，在实际应用中已占有一定比例，就我国目 前的农村经济条件来说，仍有广阔的应用前景，但其工作性能不及气力式排种器，较难 实现真正的定量、定距播种。囊种部件对种子的形状和尺寸要求严格，需配备多种排种 盘，以适应不同品种和不同尺寸种子的需要，通用性差，无法适应高速作业。机械式排 种器往往对种子产生一定的损伤，破碎，不仅浪费种子，而且直接影响田间出苗率。 1 5 本文研究的主要内容 机械式排种器对种子的损伤主要是由排种器的结构引起的。所以对机械式排种器的 研究应放在对排种器工作性能的提高与结构参数和工作参数的研究上。针对适合我国农 村经济条件的铲式玉米精密播种机，本文的研究对象是它的核心工作部件一勺式玉米精 密排种器。将理论研究与计算机模拟、试验研究相结合，主要内容如下： ( 1 ) 依据已有的铲式玉米精密播种机的理论研究成果，分析勺式玉米精密排种器 的结构特点和工作过程，分析排种器的充种、清种、护种和投种过程。 ( 2 ) 将虚拟样机理论应用在排种器设计过程中。应用p r o e 软件建立排种器各零 部件的三维实体图和机构装配图，将构造的模型通过接口模块姬c h p r 0 导入a d a m s 中 进行动力学仿真分析，对影响排种器工作质量的主要工作参数进行优化分析，分析主要 工作参数对排种器工作性能的影响。 ( 3 ) 在土槽试验中测定排种器重播率、漏播率、变异系数等指标，研究播种机工 作参数和结构参数对实际播种质量的影响。分析试验结果，利用二次通用旋转组合设计 沈阳农业大学硕士学位论文 方法，得出工作性能指标的回归方程，对得到的试验数据进行仿真优化，得到播种机优 化参数组合。 ( 4 ) 将计算机模拟与实验结果进行比较，从而验证动力学仿真在排种器设计过程 中的重要作用，在物理样机生产之前首先在计算机上设计出适合我国农村生产条件的玉 米精密排种器。 1 7 2 勺式玉米精密排种器理论研究及动力学分析 2 勺式精密排种器理论研究及动力学分析 2 1 排种器结构特点和工作过程 本文所研究的倾斜圆盘勺式排种器由排种器壳体、投种轮、分种勺盘、隔板和种箱 所构成，如图2 - 1 所示。倾斜圆盘勺式玉米精密排种器与垂直方向成角。这种倾斜 配置的排种器能提高分种勺盘持种空间的侧向充填能力和自然清种能力，即靠种子本身 的自重来达到清种的目的，减少了对种子的机械损伤。同时这种倾斜配置的排种器可以 减少排种器内腔中种子的正压力，有利于种子自由地侧向填充到持种空间中，增大了充 填系数。同时，此排种器具有二次投种功能，所谓二次投种，指的是排种器轴上有两个 同步转动的圆盘，分别是分种勺盘和排种轮，在分种勺盘和排种轮之间有一个上部开口 的固定隔板，分种勺盘上的分种勺数目和投种轮的轮孔数目对应配置，工作时，分种勺 盘上的种子到达上部投种口时，掉入排种轮对应的轮孔中完成一次投种，轮孔上有导角 提高了一次投种的可靠性。落入型孔中的玉米种子，随排种轮同步旋转到下部的投种口 投出，完成二次投种，二次投种相应地降低了投种高度，使得排种的均匀性有所提高。 i 排种器壳体2 投种轮3 分种勺盘4 隔板5 种箱 图2 - i 倾斜圆盘勺式排种器结掏 f 培2 - 1s t r u c t u r eo fd e c l i n e dd i s c - s c o o p - t y p ep r e c i s i o nm e t e r i n gd e v i c e 排种器具体的工作过程如下：排种器工作时，种箱内的种子在重力的作用下由种箱 下部的进种口流入分种腔内的充种区。分种勺盘在转轴的驱动下转动时，充种区内的种 沈阳农业大学硕士学位论文 子进入由分种勺和隔板组合形成的持种空间，在分种勺的带动下种子由排种器的下部向 上部做圆周运动而完成分种。当分好的种子运行到排种器的顶部时，种子在重力和分种 勺推力作用下通过隔板的开口落入排种轮中，并在排种轮的带动下经护种区段到达投种 口，在重力和离心力的作用下，种子脱离排种器进入打穴铲。与此同时，成穴器铲轮在 牵引力作用下沿着播