指夹式排种器排种性能试验研究

　　种子存在四方面属性特征，围绕生物、化学、物理及样貌四个维度显示其性能特点。而其物理属性又是精密排种器性能探索阶段不可忽视的一项因素。[1]它为农业播种机械带来可观的理论贡献，而且能够对播种参数产生关键性的影响。所以对农机器具改良工作而言，种子物理条件属于基础性的存在。如此才可以令农业播种机械的预设用途得到最妥善的应用，对农作物种植操作提供更高质量服务，增加种子完整性概率，升级播种达标系数，继而实现产出规模理想、收入回报可观的任务要求[2]。现阶段，国际国内研究人员关于这一领域的解读开始向精深化层次迈进，因而也让农业播种机械获得更多具有借鉴性的资料，便于后续升级处理工作。

　　播种是农业的基本环节。播种质量的好坏将直接影响到以后出苗率的高低[3]。随着现代技术的发展，播种机的技术水平也逐步的提高。尤其，现在的精密播种机具有不浪费种子，农作物植株分布的均匀，省去了间苗的问题，符合农作物生长需求的优点。同时精播还有省功、省时以及提高产量的优点。其中，排种器的质量是影响播种机播种性能的主要因素[4]。

　　按照排种原理，精密排种器可以分为机械式和气力式两种[5]。指夹式排种器是机械式排种器的一种，凭借着结构简单、种子破损率低、排种均匀的特点被大量应用于精密播种机械中[6]。

　　玉米是一年生长植物，其植株又高又大，而且茎很强壮。作为粮食和饲料，给人类提供不可缺少的营养，玉米是生产量全球最高的农作物，其种植规模仅次于小麦和水稻。玉米有着很高的营养价值，因此被誉为长寿食品之一。玉米含有大量的蛋白质、脂肪、微量元素、纤维素等，有着开发研究生物功能食品的潜力。其复杂的遗传特点，变异种类繁多，使得在生长中周期长，变异系数大，影响子代的生长发育。然而通过现代生物育种技术，可以解决其缺点，也可以大大的提高育种速度和质量。近些年，随着人民生活水平的蒸蒸日上以及对健康饮食的追求，玉米的食疗保健作用也得到了人们越来越多的重视和认可。

　　有一种说法：欧洲文化是麦子文化，亚洲是大米文化，拉丁美洲则是玉米文化。然而墨西哥和中美洲，就是玉米的起源地，跟据考古觉察，1万多年前，这里就开始有了野生的玉米，然而印第安人也已经有3500年的种植玉米的历史。考古专家在普埃布拉州特瓦坎谷地发掘了公元前7000年至公元1540年之间玉米文化的遗址，标志古印第安人怎么在狩猎活动越来越少的同时，渐渐开始摘取野果并发展到人工种植玉米的过程。

　　玉米在中国的栽培历史大约有470多年。但因其产量高，质量好，适于多种土壤，培植面积越来越大。当前中国播种面积大概3亿亩，仅次于大米、麦子，是第三产量的粮食作物。在世界上仅次于X。在慢慢的发展中，本国对玉米的培植技术也积攒了大量的经验。

　　当前时期，投入应用的玉米播种机会根据制造企业的差异化制造路径而形成多元规格型号等。而众多差异化的器械设备中，部分设备无法令人满意，弊端较为显著，而此类现象又将对播种作业收获构成损害。又因为玉米类别同样具有差异性，各类玉米种子尺寸存在差异性，而当前应用的播种机只能在种子个头类似的情形下完成常规运作，因而务必根据玉米特性配置器械，在播种阶段围绕种子状态展开运作[7]。所以这类装置的设计及实务应用研究仍然十分必要。它是对国内食品安全提供支持的关键步骤之一，也是带动玉米种植产生更宏观经济贡献的重要动力之一。玉米在中国境内始终充当主要作物品种，因而这类机械升级后势必能够服务于本土经济建设工作。

　　对某种设计成熟的装置进行改进，从而设计出满足另一种功能或需要的装置是设备研发中常用的一种技术路线，好处是可以利用现有研究成果，进行最少的改动，避免重复研究工作等，同时也大大减少研发周期[8]。本课题正是基于这样的思路，对指夹式排种装置进行优化试验改进，使改进后的排种装置较好满足谷子播种的各项农艺要求。

　　1.2.1国外玉米种子精密排种器的研究现状

　　不少发达国家都产生了较健全的技术平台为玉米播种带来可靠支撑。精密化操作惠及更广泛区域。国际领域早在1930年后便投入到这类器械探索路程之中，现阶段机械式、气力式都属于较常见的玉米播种设备，且其都具备有关精密度的要求[9]。

　　Great Plain Manufacturing公司推出可引申到更多作物类别的排种器械，属于单粒运作模式，携带丰富排种盘选项，凭借对种盘的调适促成使用，因而变通性更足。这类排种器通常可满足均匀播撒的要求，当种子样貌不规整时则无法借助这一渠道实现播种[10-14]。

　　英国Ferguson公司推出普适度较理想的MF543型器械，它属于利用机架播种的类型，在机械式、气力式间优势兼收，推出新式铸造手段，机械式的旁充型孔轮在种子室内旋转时，会将种子推到目的地——型孔内，而型孔发生转动而抵达种室上端位置时，保持低压状态的气流会将其中多出来的种子吹入到种子室里，这时只有1粒种子会位于型孔位置；型孔抵达种子室下端口时，由于重力及气压共同影响，种子将沿着管道进入事先设置的种沟中，这一秩序性的运作过程便是播种的全套流程[15]。

　　国外的玉米精密排种器主要以气力式为主，气力式排种器按照工作原理分为气吸式、气压式和气吹式3种。代表性的有德国贝克公司研发的Aeromat-2型的玉米气吹式排种器、John Deere公司研发的玉米气力式排种器和KINZE公司生产的玉米气力式排种器[16-20]。

　　John Deere公司在20世纪90年代末研发了Maxemerge planters型高速气吸式精密排种器，其配备了高精度农业技术程序体系，能够凭借土壤条件、含水程度等的调适，实现变量播种，肥料播撒也更符合成本考量，能够增强生态维护力度，而由约翰迪尔推出的盘式类型为典型产物，借助盘上环槽的转体运作，种子能够抵达投种口。平、孔盘都属于排种盘可选类型，在气压影响下引入1粒种子，当种子类型出现差异时，仅仅调整盘的型号便可以继续运作，而盘在运作速率上同样可控，能够对预设株距予以把握[21-22]。

　　XXX到来时，气吸式产品在德国阿玛松公司研发队伍的努力下得以问世。它选择以创新构造的方式推出凸孔盘，这一变更举措进一步增加投种准确度，而且无论作业环境如何，其质量都较为稳定，受干扰程度极小，生产率相对理想，也可借助多套种盘扩大作物使用面积[23-24]。

　　宏观分析，国际领域这类器械有着较长期改良经验，因此技术先进性较明显。不过这些设备存在较繁复的构造安排，成本及市价都居高不下，不能够真正推广到本土农事阶段。

　　1.2.2国内指夹式精密排种器的研究现状

　　和国际其他国家课题开展情形相比，国内对于此类机械的课题研讨比较滞后。从上世纪80年代开始，国内学者开始研究指式排种器。眼下，国内研发改进的指夹式排种器主要有如下：

　　1986年，周祖良等设计出指夹类设备，同条播机的匹配度极佳，其指标效能相对可以迎合农业技术性需要[25]。装有指夹式排种器的开沟器如图2所示。

　　Fig.3 Bionic pinch type seed metering device

　　2011年付威等研究人员专门从玉米作物入手，设置强制夹持原理下的专门排种设备，当它的速率达到每小时3.5千米，单粒概率超过85%，而其结构排布相对简化，容易获得更优取种适应性，但是对于流动性比较差的种子，其清种效果差强人意。所以，此排种器的结尺寸和工作参数还有待进一步试验与优化[27]。仿生指夹式排种器结构如图4所示。

　　1主轴2主盘3鸭嘴总成4腰带5内定盘6取种带7取种器8外定盘

　　9播种管10导轨11挡种板

　　Fig.4 Structure of mechanical forced pinch precision metering device

　　2013年，魏泽川研究了指夹式玉米精密排种器工作原理及结构特点，并对主要零部件的功能和参数进行了分析研究，为正确使用和维护提供理论依据[28]。

　　2015年，东北农业大学工程学院王金武等，为满足精密播种作业要求，采用夹持充种、振动清种及柔性导种等方式，对指夹式玉米精密排种器作出了优化设计，更能满足农业技术要求[29]。其指夹式排种器排种性能试验台如图5所示。

　　1指夹式排种器2安装架3喷油泵4摄像处理装置5驱动电动机6种床带

　　Fig.5 Seeding performance test bench with finger pinch type seed metering device

　　2016年，山东理工大学耿端阳等人，设计了一种结构简单、排种效果好的伸缩指夹式精量排种器，研究了该排种器主要结构参数对排种性能的影响规律[30]。伸缩指夹式排种器如图6所示。

　　1种子2卸种盖3伸缩指夹器4种盘5传动轴6清种毛刷7后壳体8前壳体

　　Fig.6 Telescopic pinch type seed metering device

　　虽然国内对指夹式玉米精密排种器的研究比较深入，但是排种性能方面还有待提高，设计上还需完善[31]。

　　1.3存在的主要问题

　　根据文献资料进行综合分析，我国指夹式玉米精密排种器研究中存在的主要问题有：

　　（1）指夹式玉米精密排种器在实际应用中仍然存在着问题，如玉米种子在排种过程中易对种子造成机械损伤而导致其破损而不发芽、不适合高速作业等。

　　（2）指夹式玉米精密排种器在排种时依然会出现重播、漏播现象。虽然近些年不少公司推出新型指夹式玉米精密排种装置，有的能较好实现玉米种子精量播种，但仍需加以改进或是采用新的设计方法，从而降低产品成本，提高排种精度。

　　（3）指夹式排种器在排种时受到振动和排种盘转速影响，从而影响着排种器排种性能。

　　1.4.1研究目的

　　由于玉米种植获得更广阔的规模，同时产出更具规模，其对经济水平的贡献力度也在加强。它已经成为国内农业、经济领域关键性的影响力量。那么，就更需要觅得节约时间精力成本的新路径，优化播种阶段操作[32]。

　　要想保障玉米产出及经济回报规模得到拓展，务必依托优化播种技术，这一决定性因素会在播种效果方面施加显著影响，避免多次重复投掷以及遗失部分种沟种植机会，实务价值不容小觑。精密化举措能够令种子消耗量减少，且成本、人力支出压力都将减轻，同时收获更理想的产量，继而惠及广大农户及地区经济。全国范围内粮食市场供需矛盾问题也将被淡化[33]。不过当技术更新升级之后，多类种子达到了数目、质量方面的预期要求，其特性间的分歧比较显著，因而排种功用也需要被拓展。面对此类形势，需要克服的问题是制造更符合先进性要求的设备，投入黄金播种阶段实现实务运作。关于效率、质量的新要求带来更多挑战性因素[34]。

　　1.4.2研究意义

　　由于国家农业靠拢现代化的步伐在不断加速，机械化程度及规模都迎来新进步。春季又是整项农事活动最为紧要时节，必须做到效率优先。那么农业从业者就会更期望获得高端有效设备支持，这一依赖性不断加强，排种器在市场强大诉求推动下亟需更新[35]。现阶段气吸式设备流通于市场，比较常见，它围绕正负压强作用达到既定目的，不过它意味着供气设备成为必须品。那么整套器械显得不够简化，且支出费用大，出错率被迫走高。指夹式能够避免这类繁琐条件限制，造价符合农民承受限度，且构造更精炼，修复难度低，稳定性高，生产条件容易满足，其出错率同样有所回落[36]。所以该课题探索的价值囊括下列方面。

　　（1）排除种子浪费情况，从成本方面构成支持。

　　（2）省工省时，减少劳动强度。

　　（3）培育壮苗，有利于增产增收。

　　（4）抗旱保苗效果好。

　　（5）节省除草剂，延长药效。

　　1.5.1研究内容

　　结合国内外对指夹式排种器的研巧及存在的一些问题，分析指夹式排种器的工作过程以及关键部件功能分析，针对部件予以改良。本文主要围绕这些层面加以解读：

　　（1）玉米种子物理特性研究。本文以内单4号玉米种子为研究对象，主要是对种子密度等进行了研究，从而能够给指夹式排种器排钟性能的相关实验研究带来较多的理论支撑。

　　（2）对指夹式排种器工作原理及主要部件进行功能分析，并对指夹式排种器相关部件进行受力分析。

　　（3）利用吸合式电磁振动排种性能试验台研究不同频率和不同振幅下的排种性能，并找出最佳排种性能的频率和振幅范围。

　　（4）进行指夹式排种器排种性能的影响因素的正交试验，确立最优因素组合。

　　（5）将指夹式、气吸式两类设备透过参照试验予以解读，对指夹式对应优势、弱势作用予以归纳。

　　1.5.2技术路线

　　技术路线如图7所示。

　　Fig.7 Technical line

　　种子存在四方面属性特征，围绕生物、化学、物理及样貌四个维度显示其性能特点。而其物理属性又是精密排种器性能探索阶段不可忽视的一项因素。它为农业播种机械带来可观的理论贡献，而且能够对播种参数产生关键性的影响。所以对农机器具改良工作而言，种子物理条件属于基础性的存在。如此才可以令农业播种机械的预设用途得到最妥善的应用，对农作物种植操作提供更高质量服务，增加种子完整性概率，升级播种达标系数，继而实现产出规模理想、收入回报可观的任务要求。现阶段，国际国内研究人员关于这一领域的解读开始向精深化层次迈进，因而也让农业播种机械获得更多具有借鉴性的资料，便于后续升级处理工作。

　　1960年，Zorerb、Ｈall侧重选择小麦、扁形玉米、豆类加以对比观察，结果意识到作物挤压条件受到以下指标作用：含水程度、加载点及速率条件、温度、物料规格等[37]；1966年，Bilanski等学者表示对各含水状态的玉米种子予以专门观察记录，编制成负重-变形曲线。继而了解到，含水程度、压缩作用点的差异会显著作用于其变形效果[38]；1970年，Mohsenin透过压缩试验途径试图评估各含水程度差异化的玉米种子关于角质胚乳厚片应力松弛规律表现，其中球形压头是其试验手段。最终其归纳到：时限、含水程度、温度差异性都是这一方面主要作用指标[39]；1988年，Haghighi、Segerlind凭借质地粘弹性特征，同样将有限元手段引入具体课题解析阶段，观察时间维度在玉米纵截面多项应力分量中的作用路径。最终两人表示这一手段能够获知烘干期间玉米最强应力作用点、时限和烘干环境设置三者的作用联系[40-42]；再者，Barych、Carman等选取婉豆、小扁豆种子为样本，针对其物理表现予以针对性解读[43]。

　　中国关于这方面也有作品介绍。举例来讲，1995年时赵学笃、马中苏等学者侧重探析了玉米种子有关力学的属性特点，囊括碰撞、挤压、剪切等方面。课题探索期间观察到含水程度作用于其力学状态表现[44]；2005年，张明学、赵样涛等学者选取东北玉米，专门对完整度受破坏情况下的敏感度进行观察解析，并发现：干燥状态对其应力裂纹的作用非常明显，而且会作用于其受破坏的状态，且归纳玉米种子存储过程中可能造成其完整度受损的情况，为克服实际生活中玉米存储弊端带来借鉴性较强的理论主张[45]；2007年，李心平、高连兴等学者凭借有限元手段探析了玉米种子负荷情况下各类应力条件，继而掌握负荷程度有区别时，其作用部位的微观力学表现差异[46]。

　　本文评估的种子属于市场销量位于前列的类型：内单4号玉米种子。

　　2.2.1含水率的测试方法

　　这一维度代表的是未评估的样本种子内在含水重量同其自重总值间的权重关系。通常会借助三类手段求取该数据，本文在此选择烘箱干燥法展开具体操作。

　　依托GB/T 3543.6指标体系强调的恒温处理技术，将温度稳定在70水平区间上，用于评估样本种子含水情况。所选用器械根据术语形容为电热鼓风干燥箱，其构造样貌可通过观察图8、9获知，具体操作如下：

　　（１）以烘干方式处理样品舎，之后分别采取冷却加工、重量记录、盒号编写处理措施；

　　（２）在已经编号的预备盒内填入充分玉米粒，对其重量予以统计和登记；

　　（３）将已经填入充分玉米粒的预备盒移动到烘箱内，保持烘箱温度达到70摄氏度且具备稳定温度状态，注意盒盖置于箱内时并未置于盒上，从而方便烘干时间成本降低，密封该箱体时需要动作敏捷，当其温度重新达到70摄氏度时作为时间起点，在四小时后关闭烘干功能；

　　（４）从烘干箱中合起盒盖之后取出，这一步骤目的在于规避外界潮湿空气引起干扰反应。之后将经历烘干步骤后的预备盒置于真空干燥箱，由此实现冷却目的。完全冷却后可进入称量步骤，此时为首次烘干状态重量计量操作；

　　（５）凭借第三步规定，再度完成烘干，此时限度设置为2h，过渡到第四步再度计量其重量值；

　　（６）参照第四、五步内容观察重量结果间差额，假使差额超过0.2％，需重复第五步，当未超过这一指标条件则可直接用于统计含水程度，具体借鉴公式如下：

　　S=(1)

　　式中：S为玉米种子含水率；为样品盒质量，单位g；为样品盒加上玉米种子烘前重量，单位g；为样品盒加上玉米种子烘后重量，单位g。

　　式中：h为种子堆积高度，单位，mm；r为圆平板半径，单位，mm。

　　（1）时刻保持钢板和谷粒的洁净。

　　（2）切勿用手直接触碰谷子，否则手上的油、灰尘等会附着在谷子上，导致测量结

　　果不准确。

　　（3）改变摩擦仪夹角大小需要通过手动的方式。谷子质量轻，用不同速度抬起斜面

　　会导致夹角φ值的显著不同，因此抬起斜面时的速度应尽量保持一致。

　　2.3.1含水率的测试结果

　　玉米种子含水率测试结果见表1。

　　表1玉米种子的含水率

　　Table.1 Moisture content of maize seeds

　　品种样品1/样品2/样品3/样品4/样品5/

　　内单4号9.71 8.42 7.63 8.55 0.86

　　由表1可知：内单4号玉米种子的含水率为8.57％。

　　2.3.2密度的测试结果

　　通过表2，能够知道玉米种子密度测试结果。

　　2.3.4千粒重的测试结果

　　关于样本对象这一维度评估数据，可透过表4进行观察。

　　表4玉米种子的千粒重

　　Table.4 Thousand grain weight of corn seed

　　品种样品1/g样品2/g样品3/g平均值/g标准差

　　内单4号264.3 270.5 270.1 268.3 2.83

　　由表4可知：内丹4号玉米种子的千粒重为268.3g。

　　2.3.5休止角的测试结果

　　通过表5，能够知道玉米种子休止角的相关信息。

　　表5玉米种子的休止角

　　Table.5 The angle of repose of corn seeds

　　品种休止角/

　　内单4号31.8

　　休止角会受到多重因素作用，涵盖种子个头、样貌、含水程度、堆积状态等作用匀速，因其处于静止状态，被以静止摩擦角形容，又可依托其形态特征称之为堆积角。当该角度变小时，更容易显示流动特征，当该角度增加时则会调低散落强度。

　　对内单4号玉米种子进行物理特性测试。关于含水程度一项，本次凭借烘干技术加以判断，且密度指标结果根据排水原理获知，三轴长度依托游标卡尺获得，千粒重依托精密天平予以获知。这些信息都促进了指夹式排种器有关功用探索，带来理论参照作用。