排种器极限转速试验研究

湖南农业大学东方科技学院湖南农业大学东方科技学院 全日制普通本科生毕业论文全日制普通本科生毕业论文 排种器极限转速试验研究排种器极限转速试验研究 STUDY OF THE METERING LIMITING SPEED 学生姓名学生姓名 胡叩胡叩识识 学学 号 号 200741914608 年级专业及班级 年级专业及班级 2007 级级机械机械设计设计及其自及其自动动 化 化 6 班 班 指导老师及职称 指导老师及职称 吴明亮吴明亮 教授教授 湖南 长沙 提交日期 2011 年 5 月 湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生 毕业论文诚信声明 本人郑重声明 所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指 导下 进行研究工作所取得的成果 成果不存在知识产权争议 除 文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体在文中均作了明确的说明并表示了谢意 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担 毕业论文作者签名 年 月 日 目 录 摘要 1 关键词 1 前言 2 2 研究的目的 意义 国内外研究现状 2 2 1 精密排种器种类 3 2 2 精密排种器研究现状 3 2 2 1 排种新理论的研究 3 2 3 展望 6 2 4 国内播种机械的发展现状和发展趋势 6 2 4 1 国内播种机械的发展现状 6 2 4 2 国内几种最新精密播种机的结构和技术特点 8 2 4 3 国内播种机械的发展趋势 9 2 5 国外播种机的现状和发展趋势 10 2 5 1 国外播种机发展状况 10 2 5 2 国外播种机的发展趋势 12 3 试验原理及实验方案的拟订 比较 对 比 13 3 1 排种机原理 13 3 2 试验方案的拟定 15 4 试验设备 试验方法 试验过程介 绍 16 4 1 偏心轮型孔式排种器结构 16 4 2 实验方法 18 4 3 均匀性和一致性试验得到的数据如下 20 4 4 排种器单位时间排量与转速数据分析 21 4 5 排种器排种均匀性分析 23 4 6 排种器各行排量一致性分析 31 4 7 型孔列数对播量的影响 32 4 8 空穴率和合格率正交试验与分析 32 4 8 1 试验方法和试验因素的确定 32 4 8 2 正交试验结果与分析 32 5 结论与讨论 35 6 试验研究的创新点 36 参考文献 36 致 谢 37 1 排种器极限转速试验研究排种器极限转速试验研究 学 生 胡叩识 指导老师 吴明亮 湖南农业大学东方科技学院 长沙 410128 摘摘 要 要 为实现通过转速来调节排种器变量排种的要求 并为设计高速 高性能播 种机提供理论依据 在排种性能试验台上针对一次播三行的偏心轮型孔轮式排种器进行了 油菜排种极限转速试验 试验研究了排种器的排量 排种均匀性 各行排量一致性与排种 转速之间的关系及该种排种器正常工作的极限转速 建立了该排种器单位时间的排量与转 速的数学模型 并对排种器进行了正交试验分析 试验表明 该排种器排种排种油菜时最 高转速不超过 70 r min 最低转速不低于 30 r min 在该转速范围内 其排种均匀性为 13 09 30 09 各行排量一致性为 3 28 4 70 单位时间的排种量与转速呈现线性关 系 该结论为设计油菜高速播种机提供了试验基础 同时为进一步研究通过转速调节播种 量提供了理论依据 关键词关键词 农业机械 数学模型 排种器 极限转速 Study of the Metering Limiting Speed Author Hu Koushi Tutor Wu Mingliang Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University Changsha 410128 Abstract To achieve the requirements of the variable metering through regulating the speed of the metering device and providing a theoretical basis for design high speed high performance drill for seeding performance test bed in a broadcast three lines eccentric hole wheel metering device rape seed were limiting speed test Experiment studied the displacement metering device seed uniformity consistency and displacement of the line speed of the relationship 2 between metering and metering device of the kind of speed limit normal work established the mathematical model of the metering device per unit time emission Volume and speed experiments show that when the seed rape does not exceed the maximum speed of 70 r min the minimum speed of not less than 30 r min in the speed range the seed metering can achieve the consistency of the uniformity between 30 09 to 13 09 the consistency of the line displacement between 3 28 4 70 the relationship of the amount of seed per unit of time and speed of presentation is line The conclusion is designed to provide a test for rape based on high speed drills as well as further study of seeding rate by adjusting speed to provide a theoretical basis Key words Agricultural machinery mathematical model metering device limited rape 1 前言 精密播种机性能好坏的关键在于排种器 常用的排种器在工作时普遍存在 排种脉动导致排量不均匀 伤种率高 重播 漏播的现象 针对这一情况 许 多学者针对排种器的结构参数 运动参数对排种性能的影响进行了一系列的理 论推导和试验研究 施祖强等研究了排种器的转速与排量的关系 得到了排种 量与转速存在一定的变化趋势 刘忠军等对斜槽轮式排种器工作长度对排量的 影响进行试验 得出通过调节斜槽轮长度调节播量不如调节排种器转速来调节 播量的均匀性好 袁文胜等提出了通过改变播种机前进速度与排种器转速的传 动比的方式来控制播种量的思路 在此我准备针对排种器排种速度与排量的数 学模型的分析与建立 排种器高速排种极限转速进行研究 为此 针对湖南农 业大学所研制的一次播三行的偏心轮型孔轮式排种器进行排种性能台架试验 考查该排种器在满足排种均匀性 各行排量一致性的前提下 排种量与排种器 转速的关系 建立该排种器单位时间的排量与转速的数学模型 寻求在满足播 种要求的前提下 该排种器的极限转速 为研究通过转速来控制排种器变量排 种的要求提供理论依据 并为设计高速 高性能播种机提供试验基础 2 研究的目的 意义 国内外研究现状 排种器是播种机的核心部件之一 排种器排种质量的好坏直接关系到播种 质量的好坏 影响精密播种机播种质量的因素很多 但主要取决于排种器的排 种性能 因此国内外在如何提高排种器的性能方面作了大量的研究工作并取得 了较大进展 3 2 1 精密排种器种类 在播种过程中 精密排种器将种箱中种子按播种要求定量地 均匀地排出 按其采用的排种原理可分为两大类 一类是机械式精密排种器 依种子粒型 用排种器的型孔将种子从种箱中分离出来 充种 清种和卸种等环节靠种子自 重或机械装置来完成 另一类是气力式精密排种器 通常是通过拖拉机动力输 出带动风机 产生真空吸力或空气压力 使种子按粒 单粒或多粒 贴附在型孔 上 完成充种过程 清种 卸种等环节靠种子自重或机械装置来完成 目前新的播种理论催生了许多新的播种方式 如 种子带播种技术 磁吸 式播种技术 液流播种技术 喷射播种技术等 这些新的播种方式研究已经相 当深入 有的已经有实用的机型应用在农业生产当中 2 2 精密排种器研究现状 2 2 1 排种新理论的研究 2 2 1 1 种子带播种技术 种子带播种技术是指将一种水溶性或分解性带 状 纸 通过特殊的编织机将种子封装在其中 然后将这种织好的种子带埋入 士中的新型播种方法 这种方法农业上称为种子带播种法 种子带播种和传统的手工或机械播种方法相比 具有如下优点 种子带是通过机器先将种子按设定的间距和粒数编织成种子带 然后接设 定的深度埋人士中进行播种 故种子发芽率高 出苗整齐 产品优等晶率高 在种子带编织过程中 种子粒数由机器中的电脑控制 无种子浪费 对于 价格昂贵的种子 可大大节约生产成本 几乎不需要间苗作业 可以节约劳力 大规模抢时节播种时 可节约时间 节约劳力 高效率高质量完成播种作 业 种子带播种是一种先进 科学的精密播种技术 已被欧美 台湾及南韩等 国广泛采用 我国山东省向日本出口的白萝卜 牛蒡 菠菜 胡萝卜和玉米也 利用了种子带播种方法 种子带播种技术主要应用于种子形状小 种子成本大 高附加值的蔬菜和人参等特种种植作物 目前也将该技术投入到玉米 棉花等 普通经济作物和粮食作物的播种上 2 2 1 2 磁吸式播种技术 磁吸式精密排种器主要由排种机构和排种元件 组成 排种机构为一平行四边形机构 排种元件主要为一柱状电磁铁 当给电 磁铁芯上的线圈通以一定大小的直流电流时 在铁芯底部气隙中便产生一定强 4 度的恒稳磁场 若将铁芯底部靠近外表裹有磁粉的种子 以下简称磁性种子 时 利用磁吸力将种子吸起并吸附到铁芯底部端面上 磁粉主要由种子常用包衣粉 剂和细铁粉按一定比例混合而成 将吸取种子的排种元件移到穴孔的上方 并 切断电源 则电磁场消失 铁芯内的剩磁场吸力不足以克服种子重力 因而种 子在自身重力的作用下 落入穴孔中 借助排种机构 让排种元件反复取种 清种 便可达到连续播种的目的 磁吸式播种技术是近年来产生的一种新型播种理论 主要解决颗粒小 质 量小 形状不规则的蔬菜 花卉等作物种子的播种问题 2 2 1 3 液流播种技术 液流播种是指将种子与液流混合形成悬浮液 在 蠕动泵或齿轮泵的作用下 悬浮液沿输种软管流出 从而完成播种工序 液流播种起源于六十年代的英国 主要应用于蔬菜 花卉等带牙播种 其 突出特点是 用液体作为播种载体 是解决发芽种子排种不伤种的理想介 质 也是液体牙播技术的核心 催芽后播种大大提高了小粒种子的出苗率 解决了出苗难的难题 液流分凝胶溶液和普通水溶液两种 凝胶溶液与发芽种子适量加水混合 制成种子凝胶悬浮液 在凝胶悬浮液中 牙种处于均匀分布状态 不会沉积在 一起 因无机械力作用不会伤种 普通水溶液由于牙种不能均匀混合 需增加 机械搅拌器或气力搅拌器 可能伤害牙种 但其成本与凝胶溶液相比较低 2 2 1 4 喷射播种技术 喷射播种技术是利用高压气流以高速度将种子直 接射入土层内的一种播种新原理 它的研究探索旨在简化传统播种工艺 取消 开沟 覆土镇压等工序 简化播种机结构 免除播前整地等作业 喷射播种其 主要特点是排种不均匀 2 2 2 排种过程的研究 种子在排种器中的运动 种子之间的相互作用 种子与种子群的分离过程 等这些都与排种性能直接相关 因此排种过程的研究随着科学技术的发展 越 来越受到重视 新技术在排种过程的研究中的应用也越来越普遍 2 2 2 1 高速摄影技术的应用 高速摄影技术是利用高速摄影仪将种子下落的过程记录在胶片上 对冲洗 后的图像进行分析 并可慢速重现所记录的投种过程 80 年代吉林工业大学通 过分析用高速摄影法记录的种子下落胶片 得出了一系列研究成果 5 高速摄影主要用于坐标采集和数据分析 对图像不作任何处理 且高速摄 影每次只能分析一次试验情况 每次试验时又使用大量的胶片 所以费用较高 又因高速摄影仪存在原理误差 摄影条件较差 加上种子目标运动引起的像移 模糊等因素 因此一般来说图像质量不高 加之设备成本人 处理时间长和消 耗太高而使其应用受到一定限制 2 2 2 2 机器视觉技术应用 近年来随着计算机技术的发展 将图像技术 与智能检测技术相结合的机器视觉检测技术在播种机性能检测中得以应用 机 器视觉系统是由一个线扫描摄像机和图像识别技术组成 应用于种子间距的在 线测量 通过软件计算可以直接得到种子的分布特性参数 平均株距 株距变异 系数等 同时可以将记录图像反复放映 观测排种器中种子的运动规律及种子 分布特性 2 2 2 3 虚拟样机技术的应用 虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法 它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法 虚拟样机技术已广泛 地应用于车辆 飞机 机器人 航天器 水下工作器等的研制和开发 首先利 用计算机技术建立该机械系统 产品 的三维数字化模型 即虚拟样机 对其进 行静力学 运动学和动力学分析 较好地仿真该机械系统的运动过程 以预测 机械系统的整体性能 以迅速地分析 比较并改进系统的设计方案 提高产品 的性能 最大限度地减少对物理样机的试验次数 吉林大学的孙裕晶已将虚拟 样机技术应用于气吹式排种器的研究 2 2 2 4 离散单元法的应用 近年来 离散单元法被引入精密播种机械的 研究中 离散单元法是 20 世纪 70 年代山 Cundall 提出来的不同于有限元方法 的一种计算散体介质力学行为的数值算法 目前主要用于岩土力学 采矿土程 的力学和应力分布问题 周德义等用离散单元法对散粒农业物料孔口出流成拱 的规律进行了仿真研究 仿真结果表明 离散单元法适用于散粒农业物料的流 动成拱的研究 利用离散单元法还可以代替某些费时费力的物理试验 是一种 有力的研究农业散粒物料的方法和工具 梁留锁等采用离散元法研究阶梯形组 合内窝孔精密排种器土作过程 模拟排种轮和种子的运动 2 2 2 3 排种器性能试验设计与分析方法的研究 精密播种机均匀种子流 及均匀株距的形成取决于排种 投种和着地 3 个主要环节的协调配合 每个环 节都对均匀株距的形成有影响 而排种器的排种均匀性则起主导作用 各种排 种器的工作原理不同 影响因素各不相同 影响排种器性能的因素较多 试验 6 数据较多 试验分析较复杂 因此试验设计与分析方法就显示其优越性 例如 孙裕晶等人在研究气吹式精密排种器常压下播种大豆试验中 提取 三个主要因素 每个因素有六个水平 如果采用单因素试验 需进行 216 次试 验 实际中这么多的试验是非常耗时 浪费资源的 采用正交试验 试验次数 减少到 25 次 大大降低了劳动强度 节约时间和资源 在实际试验当中 孙裕 晶等人采用了均匀设计的试验方法 试验次数只有 12 次 取得了所需的试验结 果 因此试验设计的重要性是显而易见的 排种器性能的试验数据的分析方法也随着计算机技术的发展 由烦劳的手 工计算 专用软件到通用软件的过渡 目前 SAS SPSS DPS 等数据统计处理软 件已经十分完善 可以直接应用于排种器性能检测的试验设计和数据处理过程 大大降低了人的劳动强度 极大地提高了数据结果的准确性 2 3 展望 随着科技水平的发展 排种器的研究必将进入一个新的天地 在排种器研 究的过程中 我个人认为应在以下几个方面进行 1 排种新原理的完善 并将其产业化 2 扩大虚拟样机技术在排种器研究及播种机等农业机械的应用 虚拟样机 技术可以缩短研究周期 减少研制成本 并能优化设计参数 提高产品的性能 与质量 3 目前离散单元法在农业机械上的应用主要是中国农业工程学会 2005 年 学术年会论文集平面单元 三维立体单元也是对近似球体种子的计算 模拟仿 真 对椭圆体及其他不规则体不能模拟仿真 因此可以在这方面进行研究 以 真正模拟排种的整个运动过程以及种子群的运动状态等 进而提高排种器的排 种性能和播种机的播种质量 2 4 国内播种机械的发展现状和发展趋势 2 4 1 国内播种机械的发展现状 2 4 1 1 产品结构齐全 机型品种繁多 系列配套 从目前已通过省部级 鉴定和大量推广应用的播种机看 产品结构齐全 有谷物播种机 谷物精少量 播种机 中耕作物精量 密 播种机 免耕播种机 耕整施肥播种联合作业机 覆膜播种机和施水抗旱播种机等 7 大类 这些播种机功能异 既有播种专用机 又有播种中耕和起垄通用机 既有模式化栽培技术专用机 又 有传统单双条多 种作物播种通用机 既可垄上播种 又可平作播种 还可随播随 起垄 系列配 7 套 大中小型俱全 配套广泛 到 2008 年底 全国共有播种机 427 27 万台 其中精量和半精量播种机有 273 39 万台 免耕播种机 47 63 万台 播种机械 化程度达 48 84 2 4 1 2 结构原理多样 型式各异 从结构原理看 有气力式和机械式两 大类 从结构型式看 气力式排种器有气吸式 气压式 气吹式以及气力与机 械组合式达 10 余种之多 机械式排种器更是种类繁多 常用的有垂直圆盘侧 充式 水平圆盘 倾斜圆盘 窝眼轮式和窝眼刷种轮式等 30 余种 从材质和 工艺看 多数排种器采用铸铁和传统铸造工艺制造 有少部分采用高强塑料注 塑加工 2 4 1 3 开沟 覆土和镇压部件结构型式繁多 施肥开沟器有凿铲式 箭 铲式 滑刀式和靴鞋式 少量采用圆盘式 播种 开沟器有芯铧式 凿形铲式 尖角翼铲式 箭铲式 矛锋式 滑刀式 圆盘式 耠脚式和锄铲式 覆土部件 多采用拉板式 弹 性拔板式和凹形圆盘式 镇 压轮有平面铁轮式 空腔橡胶 轮式 锥面铁轮式 V 形橡胶环式 凹面铁轮式和凸面胶环式 总体看 与发 达国家相比 材料工艺落后 可靠性差且工作寿命短 2 4 1 4 仿形限深机构技术落后 可靠性差 我国大中型播种机多采用平 行四杆和单铰仿形机构 但铰点配合精度低 刚性差 仿形限深性能不可靠 小型播种机多数采用单体刚性联结整体仿形结构 播深一致性差 2 4 1 5 传动变速结构落后 调节使用不便 一是大多数播种机仍采用铁 制刚性地轮驱动 而且直径偏小 滑移率高 二是传动轴支撑多采用普通轴承 或滑动轴承 传动不灵活 阻力大 近年来在新研制的机型上开始采用内六方 孔调心轴承 三是传动变速 株距调节 多采用更换链轮方式 变速调节不便 目前在新机型上也开始采用了塔轮集中变速结构 四是 近年来也开始在地轮 或传动轴上采用单向超越离合器装置 提高了传动的可靠性 2 4 1 6 风机传动系统风力大 可靠性差 我国气力式播种机的风机传动 系统多采用二级三角带传动结构复杂传动阻力大可靠 性差液压马达驱动风机技 术还是空白 2 4 1 7 播种机的化肥与农药排施技术相对落后 一是绝大多数播种机的 排肥装置仍采用大外槽轮式排肥器 在排施生物复合肥或含水量较高的混配肥 时 易产生架空 粘肥和堵肥现象 二是排施微量元素 粉状农药与液态化肥 装置在播种机设计上还没有得到应有的重视和应用 8 2 4 1 8 机型杂乱 三化 水平低 可靠性差 据统计 全国播种机型号 有 150 种以上 但多以生产厂家自立型号 自成系列为主 因此 各生产厂家 生产的同一型号播种机的主要零部件也互不通用 区域之间播种机的通用性就 更差 给用户的使用和维修带来极大的不便 2 4 2 国内几种最新精密播种机的结构和技术特点 进入 21 世纪后 随着大功率拖拉机 73kW 以上 的广泛使用 急需配套 宽幅高速气力式精密播种机 近几年 黑龙江省农业机械工程科学研究院和佳 木斯联合收获机械有限公司等单位在吸收国外先进技术的基础上 创新研制了 多种型号的高速气力式精密播种机 这几种播种机是国内精密播种机的最高技 术水平的代表 主要代表机型有以下几种 2 4 2 1 2BDY 6 8 9 型高速气力式精密播种机 佳木斯佳联收获机械有 限公司于 2002 年在吉林工业大学科研样机的基础上 针对大面积作业发现的问 题进行改进提高 研制成功了 2BDY 6 8 9 型高速气力式精密播种机 该 机采用单圆盘滑刀组合式开沟分层施肥 双圆盘开沟 精播 起垄铧覆土 橡胶 轮镇压限深工艺 具有作业速度高和通用性能好等优点 核心工作部件排种器 采用机械式窝眼轮和气吹式清种相结合工作原理 具有种子充填性能好 不伤 种以及地头 地尾或中间停车不漏播的特点 目前 该播种机已通过省级新产 品鉴定 投入批量生产 2 4 2 2 2BJQ 6 7 8 9 型高速气吸式精密播种机 黑龙江省农机工程科 学研究院和哈尔滨沃尔科技有限公司于 2004 年在研学国外气吸式播种技术的 基础上 创新研制成功了 2BJQ 6 7 8 9 型高速气吸式精密播种机 该机一次作业即可完成倾斜圆盘护板组合式开沟分层施 肥 配凿铲式 大滑刀 式开沟附件 双圆盘开沟精播 双圆盘覆土 或起垄铧覆土 及橡胶轮仿形限 深镇压作业 具有通过性能好 播深一致 镇压紧实 抗旱保墒和出苗齐等优 点 核心部件排种器采用了单盘 单种室和双排水滴形侧充窝孔播种盘结构实 现了单盘双条或单条高速 高密度精密播种的重大突破 播种速度可达 92 粒 s 播种大豆作业速度达 10km h 播种玉米作业速度达 12km h 通过更换播种盘 可播种大豆玉米和甜菜等多种作物 目前已通过省级科研和 新产品鉴定达国际先进水平 2005 年投入批量生产 2 4 2 3 2BJMQ 6 型高速气吸式免耕精量播种机 黑龙江省农机工程科学 研究院和哈尔滨沃尔科技有限公司于 2005 年共同研制了 2BJMQ 6 型高速气吸 9 式免耕精量播种机 该机采用了圆盘滑刀组合式开沟施肥 波纹盘切茬 双圆 盘双橡胶轮限深开沟 精密播种 橡胶轮压种接墒 橡胶轮镇压覆土工艺过程 具有作业速度高 切茬能力强和通过性能好等优点 其核心部件排种器与 2BJQ 型系列气吸式精密播种机通用 2005 年 11 月 该机 通过省级新产品鉴定 并投入批量生产 2 4 2 4 2BQ 11 型气吸式精量播种机 瓦房店市精量播种机制造有限公 司于 2003 年研制成功了 2BQ 11 型气吸式精量播种机 该机可实施玉米 大 豆和甜菜等作物的单条播种 也可实施大豆双条平 窄 密技术模式播种作业 一次作业即可完成凿铲式开沟施肥 芯铧开沟播种 起垄铧覆土 橡胶轮镇压 等项作业 具有通用性好和作业效率高等优点 该机型可配两种型式的气力式 排种器 一是单气室双种室双盘气吸式排种器 二是窝眼轮气吹清种式排种器 该机可与东方红 1002 型 M110 型和 160 型等拖拉机配套作业 已投入批量 生产 2 4 3 国内播种机械的发展趋势 从技术发展趋势看 在我国加入 WTO 后 随着国际间的学术交流 先进技术 的引进以及农业现代化进程的加快 我国的播种技术将朝着精密 高速 精准 和自动化方向发展 从机型结构和功能发展趋势看 农业种植规模化 集约化 的发 展及大功率拖拉机的应用 为播种机的宽幅 高效和联合作业的发展创造 了条件 在农垦和农村乡镇 农业合作社和农业联合体 宽幅 高效播种机将 得到较快发 展 同时 随着可持续农业 效益型农业和创新农业的发展 耕整 播种联合作业机 免耕覆盖播种机和特色作物种植机将得到较快发展 机电一 体化与自控化等新技术也将得到广泛应用 从市场需求看 近期受我国农民经 济水平 购买能力和种植规模等因素的制约 中小型价格低廉的播种机仍是市 场的主导产品 但在市场竞争激烈的形势下 播种机的功能和结构先进性将不 断提高 2 5 国外播种机的现状和发展趋势 2 5 1 国外播种机发展状况 2 5 1 1 气力式播种机逐渐取代了机械式播种机 由于机械式播种机不适 于高速作业 对种子适应性差 碎种率高 所以到目前为止 西方国家已基本 上停止了机械式播种机的生产 仅小型播种机在偏僻山区和丘陵地区有少量应 用 10 2 5 1 2 宽幅 高速且生产效率高 目前 国外播种行数已达 24 行 幅宽 可达 18 6m 作业速度已由 20 世纪 90 年代初的 6 8km h 提高到现在 的 10 12km h 最高生产率已达到 18hm h 2 5 1 3 三化 水平高 适用性好 播种机系列完整 配套广泛 如美 国迪尔公司生产了 1700 型 1780 型 8 种型号和 4 6 8 12 16 24 行 系列机型 实现了拖拉机与播种机的理想配套 充分合理地利用了拖拉机功率 同时 各型号之间的零部件通用率和标准化程度均达到 80 以上 具有理想的 适用性以及更换和维修的方便性 2 5 1 4 工作部件的多样性提高了播种机的通用性和适应性 通过不同结 构型式或不同规格工作部件的变换组合 可以用于各种土壤条件和多种作物的 播种作业 既可用于耕整后的播种作业 又可以用于免耕和覆盖条件的播种作 业 并能保证理想的工作质量 2 5 1 5 挂接型式多样化 播种机与拖拉机采用了多种挂接型式 保证了 不同系列配套机型田间作业和道路运输的可靠性稳定性和方便性 目前 国外 播种机的设计根据不同幅宽和结构质量 分别采用了悬挂式 半悬挂式和牵引 式挂接型式 2 5 1 6 宽幅播种机采用机架分段铰接整体仿形机构 该机构可在地表 20 坡度范围内进行整体仿形播种作业 保证了宽幅机组对田间地表不平度的 适应性和各行播种深度的一致性 2 5 1 7 大型机组采用后置或前置挂接式集中种肥箱 在播种作业过程中 集中种肥箱的自动控制系统可根据每行种肥箱存量监视装置提供的信息 自动 向各行种肥箱吹送种子和肥料 机组可连续工作 1h 以上 减少了机组添加种 肥次数和时间 提高了劳动生产率 降低了作业成本 2 5 1 8 大型宽幅播种机采用了的液压折叠机架 其折叠机构型式多样结 构紧凑新颖灵巧 有水平折叠 垂直折叠和平 行四杆折叠 可使机具在播种过 程中遇到窄幅地块或障碍物时自行折叠 并同时关闭有关播种器的工作 机架 折叠后运输宽度最小为 3m 高度仅为 2 65m 有的宽幅机组还设计了道路运输 装置 2 5 1 9 联接方式简单 方便调整 播种单体与机架的联接采用了结构简 单的夹紧装置 可以方便地进行播种单体的更换和行距的调整 11 2 5 1 10 播深调控 智能化播种 整机和播种单体上普遍安装了播深调控 装置和智能化播种监视装置 播深调控装置可以准确地调节 控制和指示播种 深度 保证了播种深度的一致性 智能化监视装置可以实时监测 并显示公顷 播量 粒距 作业速度和作业面积等指标 2 5 1 11 播种机传动系统结构先进 工作可靠且滑移率低 其特点是采用 多地轮驱动 万向轴连接 单向超越离合器和集中变速箱等结构 确保了整个 工作幅宽中的平稳 可靠传动和匀速播种 并降低了传动的滑移率 2 5 1 12 采用了平行四杆仿形限深机构 不同用途和不同型号的播种机采 用了不同型式的仿形限深机构 有前仿形轮限深 后镇压轮限深 侧向双橡胶 轮限深和前后轮复合限深 四杆机构的铰联轴套均采用了黄铜或高强塑料 配 合精密耐磨性好 确保了排种器位置的稳定性和 仿形限深的准确性及可靠性 2 5 1 13 采用气力式排种器 排种器结构形式多样 有气吸式 气吹式 气压式和气送式 而且每种型式的排种器也结构各异 如气吸式播种盘 有平 孔盘 凸孔盘和窝孔盘等多种结构 为防止吸种孔堵塞 已开始采用气吹清种 孔结构 2 5 1 14 广泛采用新材料 新工艺和新技术 如排种器的壳体 播种盘 密封环和刮种刀等分别采用了铝合金 高强塑料和黄铜等新材料 同时 采用 了精密压铸 模锻和激光加工等新工 艺 确保了排种器的外观质量 为提高排 种器的密封性和耐磨性 采用了配合件之间的不同材料偶联技术 2 5 1 15 采用过载保护装置 在播种单体上安装了工作开关控制手柄和过 载保护装置 可随时控制每个播 种单体的工作状态 并防止排种器的损坏 保 证了工作的安全可靠 2 5 1 16 采用液压马达驱动 国外气力式播种机上的吸 吹 风机除了用 动力输出轴驱动外 还可用液压马达驱动 风机工作转速低 噪音小 负压大 寿命长 最多可连接 24 个排种器 同时 风机上普遍安装了风压指示仪表和风 压调节装置 以满足与不同型号播种机的配套使用要求 2 5 2 国外播种机的发展趋势 从技术发展趋势看 目前国外发达国家在精密播种机上已开始应用由卫星 定位系统 地理信息系统 专家智能系统和遥感技术相融合的农业高新技术 其推广面积已达 10 以上 今后 精密播种机将继续朝着精准 变量 高效和 高度智能化方向发展 从机型结构发展趋势看 大功率拖拉机的应用为联合作 12 业机具发展创造了条件 因此以耕整 播种和施 肥联合作业机具代替单项播种 机具将是发展方向 既要研制多种工作部件组合的联合作业机 又要研制 可 分可合 的组配式联合作业机 同时 免耕覆盖播种机将得到更加广泛的应用 为了 减轻机具质量 提高强度 延长机具使用寿命以及提高产品的外观质量 新材料和新工艺也将得到广泛应用 如机架等结构件采用轻型冷弯钢材和特殊 断面型钢 关键零部件采用不锈钢 含稀有金属合金等耐磨和耐腐蚀的复合材 料等 在工艺上 采用先进的焊接 表面涂层 金属强化 薄壁铸造 精密压 铸 注塑 精密模锻技术 以及先进的油漆工艺等 与国外播种机相比 我国播种机结构落后 新技术含量低 外观质量差 整机结 构显得笨重 调节不便 作业速度低 液压技术和电子监控技术应用很 少 新材料和新工艺还没得到广泛应用 普遍存在着产品内在质量不高 外观 质量粗糙和可靠性差等问题 国外播种机制造成本高 远远超出中国农民的购 买能力 不适合大量进口推广 因此 国内播种机的生产企业应该吸取国外的 先进技术和经验 提高自己的技术水平和工艺水平 设计和制造出适合中国国 情的高性能的播种机 尽快缩小我国农业与西方发达国家的差距 这对于保证 粮食增产 推动农业科技进步 具有极其重要的地位和作用 3 试验原理及试验方案的拟定 比较 选定 3 1 排种机原理 精密播种器的分类按其播种的原理可分为两大类 一类是机械式精密排种 器 依种子类型 用排种器的型孔将种子从种箱中分离出来 充种 清种和卸 种的环节靠种子自重或机械装置来完成 另一类是气力式精密排种器 通常是 通过拖拉机动力输出带动风机 产生真空吸力或空气压力 使种子按粒 单粒 或多粒 贴附在型孔上 充种或清种环节靠气力来完成 上述几种排种器的工 作原理和结构不同 其性能和适用范围也有所不同 分述如下 1 环带孔式排种器 充种室内的种子靠自重充填 入与播种机前进方向相反运动着的环 形排种胶带型孔内 由弹性护种托板 4 护种 由橡胶清种轮 5 刮去多于的 种子 运动至卸种口时 靠自重落入 图 3 1 环带孔式排种器 Fig 3 1 Perforated Belt Feed 13 种沟内 该排种器结构简单 主要适用于经过筛选分级或球粒化的小粒种子播 种 更换胶带可用于玉米 大豆等作物的播种 排种过程中种子损伤较少 2 窝眼轮式排种器 充种室内的种子靠自重充填入旋转的 窝眼轮 5 内 当经过反向旋转的清种轮 1 时 多余的种子被排除掉 然后随窝眼轮 旋转进入护种区 至下方卸种位置时 靠 推种片 6 使种子离开型孔 落入种沟 该 排种器结构简单 可用于玉米 大豆 高 粱 丸粒化甜菜等作物的点播和穴播 单 种子需清选分级 排种过程中易伤种子 3 气吸式排种器 带有吸种孔的排种圆盘 1 将吸室 2 和充种 室 5 隔开 背面是与风机气吸管 3 相连接的真 空室 正面是充种室与种子接触 当圆盘回转 时 真空室的负压将种子吸附在吸孔上 随圆 盘一起转动 至刮种片 4 时 多余的种子被刮 掉 转至圆盘下方卸种位置时 吸附的种子的 吸孔越出真空室 吸力消失 种子靠自重或推 器落入种沟内 该种排种器主要用于玉米 大 豆 高粱等作物的点播或穴播 对种子尺寸和 形状要求不严 不必对种子严格按尺寸分级 伤种率小 可提高播种作业速度 但通常需动力输出轴带动风机产生负压 真空度一般达到 3 0 kpa 左右 风机 功率消耗大 传动结构复杂 真空室气密性要求高 4 气吹式排种器 图 3 2 窝眼轮式排种器 Fig 3 2 Cell wheel feed 图 3 3 气吸式排种器 Fig 3 3 Air suction feed 14 该排种器在窝眼轮式排种器的基础 上 采用气流清种使排种质量大大提高 充种区的种子在重力和气流的作用下 充 填到排种轮型孔内 当充种型孔转到清种 区时 由风机提供给气嘴的高压气流将型 孔上部多余的种子吹掉 只有一粒种子被 压附在型孔里 然后随排种轮转到护种区 气压消失 到下方卸种区时种子靠重力及 推种片的作用排出落入种沟内 该排种器 主要用于玉米 大豆 球化甜菜籽等作物的点播 充种性能好 对种子的形 状尺寸要求不严 排种过程中种子损伤率很小 能在较高速度下排种 但需 动力带动风机产生高压气流 吹气压力需根据不同种子进行调节 吹气压力 不够 不能清除多余种子 压力太高 会把种子吹走而形成空穴 因此风压 控制要求较高 另外排种轮制造加工较窝眼轮复杂 根据以上介绍 我们选择在国内使用较广的机械式的排种器进行研究 主 要针对湖南农业大学所研制的一次播三行的偏心轮型孔轮式排种器进行排种性 能台架试验 考查该排种器在满足排种均匀性 各行排量一致性的前提下 排 种量与排种器转速的关系 建立该排种器单位时间的排量与转速的数学模型 寻求在满足播种要求的前提下 该排种器的极限转速 为研究通过转速来控制 排种器变量排种的要求提供理论依据 并为设计高速 高性能播种机提供试验 基础 3 2 试验方案的拟定 为了得到排种器与转速之间的关系 首先需要得到排种器在各转速下排种 的基本数据 如单位时间内的排种质量 排种均匀性 排种一致性 排种碎种 率等 而且还要考虑各种影响排种器排种的因素 如种子的物理机械特性 试 验台的配合 试验数据的处理等 要得到单位时间内的排种质量 必须用试验台模拟现实农田中的工作环境 试验台采用调速电机带动排种器与输送带主动轮同步转动 主动轮与从动轮用 输送带连接 带动从动轮转动 达到模拟排种器在田间的工作环境 对试验的 精准性有一定的保证 排种器在一定转速下排出种子 由人工计量排种质量 为了得到排种器的基本数据 我准备在试验台上使用调速电机同步带动排 图 3 4 气吹式精密排种器 Fig 3 4 Air blowing feed 15 种器排种轴转动 由手式数字转速表测定调速电机的转速分别为 10 20 30 90 100 r min 每次确定转速后 自接种箱接种开始计 时 接种 3 分钟 称质量并计算此转速下排种器单位时间排量 重复 20 次取平 均值作为试验分析数据 要得到排种均匀性与一致性的数据 必须试验前将涂有黄油的纸袋贴在输 送带表层 并保证纸带与输送带之间无相对运动 试验完成后 将纸带上的 3 行籽粒在相同位置选长度 2m 的试验样本 均分为 10 份 测定并记录各行中每 段的籽粒数 每个转速测 10 次 取平均数作为试验数据分析 用手式数字转速表测定调速电机转速分别为 38 48 58r min 取 1 0 1 2 1 4mm 直径的种子备用 加种子进种子室至 1 3 1 2 2 3 进行正 交试验 一共试验 9 组 每组进行 10 次取平均数作为试验数据分析 4 试验设备 试验方法 试验过程介绍 4 1 偏心轮型孔式排种器结构 排种器整体结构如 4 1 图 主要由排种轴 内齿型孔轮 左侧面板 小齿 轮 中间壳体 右侧面板 护种环 推种轮 清种毛刷 卸种插板等组成 其主要参数如下 表 1 排种器主要技术参数 Table 1 Main technical parameters of seedmeter 图 4 1 排种器结构原理图 Fig 4 1 Schematic of seeder unit principle structure 16 项 目 参数 标准值 排种量 kg hmf 300 150 180 排种行数 3 各行排量一致性变异系数 4 2 5 排种均匀性变异系数 35 45 种子破损率 2 0 5 0 工作时 排种轴的动力经过小齿轮传动使内齿形孔轮转动 卸种插板以上 空间内的油菜种子在自身重力 离心力和种子间压力的综合作用下 进入到内 齿型孔轮上的型孔并随内齿型孔轮一起沿上图逆时针转动 部分种子在摩擦力 重力和离心力等合力的作用下滚落 还有部分种子被清种毛刷刷下 只留下型 孔中定量的数粒种子经过护种区运动到护种环的条形开槽处靠自身重力下落 完成该排种器的一个排种周期 排种器是播种机的核心部件 是决定播种机特性和播种质量的主要因素 排种器工作性能的优劣将直接影响到播种机工作效率及作物出苗的质量 所以 了解影响排种器工作性能的因素十分重要 试验用油菜籽为湖南农业大学油料作为研究所培育的湘杂油 1613 号 其物 理特性如下表 表 2 油菜籽物理机械特性 Table2 Physical and mechanical characteristics of rapeseed 品 种 平均粒径 mm 千粒质量 g 含水率 湘杂油 1613 号 1 2 3 2 12 8 排种器的充种能力是衡量精密播种机设计和工作质量优劣的重要指标 种 子相关物理特性直接决定种子在排种盘型孔中的排种能力 因此种子的物理特 性及排种器的充排种机理研究是研究精密播种机的主导因素与设计排种器的前 提条件 种子的表现特征主要包括清洁度 三轴尺寸 千粒重 密度 种子容量等 种子的物理机械特性主要包括种子的摩擦特性 流动性等等 摩擦特性是 物料的主要物理机械特性 一般用滑动摩擦系数 滚动摩擦系数 内摩擦角 休止角等来描述 种子物理机械特性直接影响排种器的播种性能 在选择排种 器的结构形状和囊种元件的结构参数时 均应考虑种子在排种器内流动 填充 17 的物理机械特性 因此 准确的测定结果是研究精密播种机排种器的关键 也 是提高排种器稳定性的重要保证 试验设备主要有排种器多功能试验台 MP200B 型电子天平 称量范围为 200g 精度为 0 1g DT 2236C 型手握数位转速表 秒表等 简图如下 试验台采用调速电机带动排种器与输送带主动轮同步转动 主动轮与从动 轮用输送带连接 带动从动轮转动 达到模拟排种器在田间的工作环境 对试 验的精准性有一定的保证 由于该排种器在试验过程中籽粒破损率几乎为零 故在排种特性分析中未 分析各因素对破损率的关系 只考虑排种均匀性及各行一致性 4 2 试验方法 1 排种器单位时间排量与转速关系试验 用调速电机同步带动排种器排种轴转动 由手式数字转速表测定调速电机 的转速分别为 10 20 30 90 100 r min 每次确定转速后 自接种 箱接种开始计时 接种 3 分钟 称质量并计算此转速下排种器单位时间排量 重复 20 次取平均值作为试验分析数据 2 排种器性能试验 为保证试验过程中排出籽粒落在输送带上时不发生跳动或滚动 真实的反 映种子在田间的分布规律 试验前将涂有黄油的纸袋贴在输送带表层 并保证 纸带与输送带之间无相对运动 试验完成后 将纸带上的 3 行籽粒在相同位置 选长度 2m 的试验样本 均分为 10 份 测定并记录各行中每段的籽粒数 每个 1 输送带主动轮 2 输送带支架 3 调速电机 4 同步传动带 5 排种器 6 排种轴及同步带轮 7 接种 杯 8 排种管 9 输送带 10 电控装置 11 输送带从动轮 12 接种箱 图 4 2 排种器试验台结构简图 Fig 4 2 Schematic of test bed structure 18 转速测 10 次 取平均数作为试验数据分析 3 公顷播量的测定方法 在自行设计的多功能试验台上做排种性能试验 设取样长度为 L m 取 样长度内的种子总质量为 N kg 播种机工作时的行距为 B m 则播量 G kg hm 为 2 N BL G 10000 4 播种均匀性测定方法 在落种后的纸带上取样长度为 2m 以 20cm 分段计 统计排种均匀性 n X X 1 2 n XX S 当 n30 时 式中分母取 n 100 X S V 式中 粒 20cm 分段时 每分段平均种子粒数 X 粒 20cm 分段时 每分段的种子粒数 X 粒 标准差 S n 分段的个数 V 排种均匀性变异系数 5 排种器每转排量的测定方法 m A A 0 式中 g 每转排量 0 A g 在带前进 L 距离时 排种器排出的种子的总质量 A 带前进 L 距离时 排种器转过的圈数 m 6 合格率和空穴率的测定方法 合格率的计算公式为 a 100 1 N N a 19 空穴率 的计算公式为 e 100 0 N N e 式中 3 5 粒排种次数 1 N 应排种总次数N 漏排种次数 0 N 4 3 均匀性和一致性试验得到的数据如下 表 3 各转速下排种器单位时间排种质量 Table 3 The speed of per unit time metering device quality seed 转 速 r min 行 数 质量 g 3min 1 2 3 10 1 3 91 3 91 3 94 2 3 97 4 3 97 3 3 86 3 91 3 72 20 1 7 16 7 14 7 21 2 6 99 7 19 7 3 7 08 7 19 7 38 30 1 10 17 9 11 11 32 2 10 55 9 52 11 27 3 10 96 10 31 11 92 40 1 14 21 13 82 14 72 2 13 89 13 71 14 02 3 14 92 14 2 14 91 50 1 15 45 16 6 15 37 2 15 37 15 48 15 9 3 16 27 16 5 16 01 60 1 16 36 18 57 18 74 2 17 19 17 64 17 53 3 17 62 18 37 18 7 70 1 20 22 21 45 20 91 20 转 速 r min 行 数 质量 g 3min 1 2 3 2 19 21 19 6 19 23 3 20 59 21 08 20 65 80 1 22 08 21 52 21 95 2 20 42 20 14 19 36 3 22 29 21 7 21 76 90 1 23 7 22 82 23 19 2 21 61 21 53 21 71 3 23 74 22 98 23 36 10