指夾式排種器排種性能試驗研究[精選]

1、分類號 s223.9 學校代碼 10129 指夾式排種器排種性能試驗研究experimental study on seed-metering performance of finger-clamp type seed-metering device 申 請 人：周 鵬 學位類別：學術(shù)型碩士 學科門類：工 學 學科專業(yè)：農(nóng)業(yè)機械化工程 研究方向：高寒干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)機械化工程與技術(shù) 教授 論文提交日期：二一八年五月摘 要排種器是精密播種機必不可少的部件之一，播種機播種質(zhì)量的優(yōu)劣由排種器排種性能的好壞決定。指夾式排種器是機械式排種器的一種，用于玉米播種，其結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜，影響因素多。本文通過對內(nèi)單4號

2、玉米種子進行物理特性測試，其測試結(jié)果給指夾式排種器排種性能提供理論基礎(chǔ)。分析指夾式排種器結(jié)構(gòu)及工作原理，以及玉米種子運動過程受力情況，得到隨著工作轉(zhuǎn)速的增加，指夾壓力先減小后增大。為了研究排種盤材料對排種性能的影響，選用橡膠和塑料作為排種盤附加材料，并進行排種性能試驗。試驗結(jié)果表明：添加橡膠薄墊的排種器的合格指數(shù)為87.91，重播指數(shù)為 8.23，漏播指數(shù)為3.92，添加塑料薄墊的排種器合格指數(shù)為83.24，重播指數(shù)為11.31，漏播指數(shù)為 5.57，兩種材料都符合農(nóng)業(yè)作業(yè)要求。通過對比，選擇橡膠材料作為排種盤附加材料。在對排種試驗臺進行相關(guān)試驗的時候，一般是依據(jù)3個指標開展的（分別為漏播率、

3、合格率、以及重播率），即一般是對3個不同的因素展開了單因素試驗（分別為振幅、頻率、以及排鐘盤速等），如此能夠明確排種器排鐘性能能夠受到上述因素對它們性能造成的影響大小。通過正交試驗設(shè)計方法能夠進行深入的水平正交試驗（三因素三水平的），并且在獲得數(shù)據(jù)結(jié)果后開展科學的極差分析，如此能夠就排種器排鐘性能受到不同因素影響的大小進行排名。通過分析，獲得了一個排種器性能較為優(yōu)異的組合參數(shù)：播種的速度是 4km/h，振幅是6mm，振動的頻率是14hz。如此條件下，獲得的漏播指數(shù)是3.53%，玉米單粒合格指數(shù)是90.71%，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的農(nóng)業(yè)技術(shù)播種。關(guān)鍵詞：排種器；指夾式；精密；排種性能；正交試驗 基金項

4、目：國家自然科學基金項目（51365034) experimental study on seed-metering performance of finger-clamp type seed-metering deviceabstractseed metering device is one of the essential parts of precision seeder, and the quality of seeding is determined by the performance of seed metering device. finger-type metering de

5、vice is a kind of mechanical seed metering device, which is used for maize sowing, and its structural design is complex and has many influencing factors.in this paper, the physical characteristics of single 4th maize seeds were tested, and the test results provided a theoretical basis for the meteri

6、ng performance of the finger-type seed-metering device. the paper analyzes the structure and working principle of the finger-type seed-metering device, and the force of the maize seeds during the process of the movement, and gets the clamping pressure to decrease and then increase with the increase

7、of working speed. in order to study the effect of seed plate material on the performance of seed nesting, rubber and plastics were used as additional materials of seed plate, and test of seed performance was carried out. the test results show that: the qualified index of the seed-metering device wit

8、h rubber mat is 87.91%, the replay index is 8.23%, the leakage index is 3.92%, the seeding device with plastic pad is 83.24%, the replay index is 11.31%, the leakage index is 5.57%, and both kinds of materials meet the requirements of agricultural operation. by contrast, the rubber material is selec

9、ted as the additional material for the row type disk. the test indexes of the test table are the passing rate, the replay rate, the leakage ratio, the single factor test for three factors, such as the speed of seeding, frequency and amplitude of vibration, and the influence of three factors on the p

10、erformance of seed metering by single factor test. in this paper, the orthogonal test design method is used to analyze the three factors which affect the performance of the seed-metering, three factor three-level orthogonal test, and the difference analysis of the test data, and obtain the primary a

11、nd secondary order of the different indexes on the seed-metering performance of the seed-metering device. at the same time, the optimal combination parameters of the seed-metering device-vibration frequency is 14hz, the amplitude is 6mm, and the seeding speed is 4km/h. maize single grain qualified i

12、ndex is 90.71%, and the leakage index is 3.53%, which accords with the requirement of agricultural technology sowing.keywords：seed metering device；finger clip ；precision；nesting performance；orthogonal testdirected by: prof. zhao manquanapplicant for master degree: zhou peng （agricultural mechanizati

13、on engineering)(college of mechanical and electrical engineering. inner mongolia agricultural university. hohhot 010018. china)目 錄1 引言11.1 研究背景11.2 國內(nèi)外玉米種子精密排種器的研究現(xiàn)狀21.2.1 國外玉米種子精密排種器的研究現(xiàn)狀21.2.2 國內(nèi)指夾式精密排種器的研究現(xiàn)狀31.3 存在的主要問題51.4 研究目的及意義61.4.1 研究目的61.4.2 研究意義61.5 研究內(nèi)容及技術(shù)路線61.5.1 研究內(nèi)容61.5.2 技術(shù)路線72 玉米種子物

14、理特性測試82.1 測試材料82.2 測試方法82.2.1 含水率的測試方法82.2.2 密度的測試方法102.2.3 三軸尺寸的測試方法102.2.4 千粒重的測試方法102.2.5 休止角的測試方法112.3 測試結(jié)果112.3.1 含水率的測試結(jié)果112.3.2 密度的測試結(jié)果112.3.3 三軸尺寸的測試結(jié)果122.3.4 千粒重的測試結(jié)果122.3.5 休止角的測試結(jié)果122.4 本章小結(jié)133 指夾式排種器結(jié)構(gòu)分析143.1 指夾式排種器結(jié)構(gòu)及工作原理143.2 指夾式排種器主要部件功能分析143.2.1 指夾器143.2.2 顛簸帶163.2.3 排種帶173.3 種子運動過程中

15、相關(guān)力學分析173.3.1 充種過程173.3.2 清種過程184 排種性能試驗204.1 試驗材料與設(shè)備204.2 試驗方法214.3 評價指標224.3.1 取樣及數(shù)據(jù)處理224.3.2 試驗結(jié)果評價224.4 排種性能試驗234.4.1 排種盤材料對排種性能影響234.4.2 振動頻率對排種性能影響234.4.3 振幅對排種性能影響244.4.4 排種盤轉(zhuǎn)速對排種性能影響254.4.5 排種性能正交試驗研究255 結(jié)論與建議285.1 結(jié)論285.2 建議28 致謝29 參考文獻30 作者簡介33插圖和附表清單1. 圖1 玉米22. 圖2 裝有指夾式排種器的開溝器33. 圖3 仿生指夾式

16、排種器44. 圖4 仿生指夾式排種器45. 圖5 指夾式排種器排種性能試驗臺56. 圖6 伸縮指夾式排種器57. 圖7 技術(shù)路線78. 圖8 真空干燥箱99. 圖9 電子天平910. 圖10 指夾式排種器結(jié)構(gòu)1411. 圖11 指夾器結(jié)構(gòu)1512. 圖12 指夾張開角度1613. 圖13 指夾的受力1614. 圖14 指夾狀態(tài)1715. 圖15 種子受力1816. 圖16 清種示意圖1917. 圖17 振動排種試驗臺2018. 圖18 改進后的排種盤2319. 圖19 頻率數(shù)據(jù)擬合曲線圖2420. 圖20 振幅數(shù)據(jù)擬合曲線圖2421. 圖21 種床速度數(shù)據(jù)擬合曲線圖2522. 表1 玉米種子的

17、含水率1123. 表2 玉米種子的密度1124. 表3 玉米種子的三軸尺寸、等效直徑和球形率1225. 表4 玉米種子的千粒重1226. 表5 玉米種子的休止角1227. 表6 試驗臺基本參數(shù)2128. 表7 吸合式電磁振動臺參數(shù)2129. 表8 正交試驗因素水平表2630. 表9 正交試驗方案及結(jié)果2631. 表10 正交試驗極差分析結(jié)果271 引言種子有四種特性，包括形態(tài)、生理、生化和物理特性。其中種子物理機械特性對于研究精密排種器有著重要意義1。它是研究農(nóng)業(yè)播種機械的理論基礎(chǔ)，它也決定著機械播種設(shè)備的參數(shù)。因此，在優(yōu)化農(nóng)機設(shè)備前就必須充分了解種子物理特性，這樣才能更好的發(fā)揮農(nóng)業(yè)播種機械的

18、功能，也能更好的滿足農(nóng)作物的作業(yè)要求，減少對種子的破損，提高農(nóng)業(yè)播種機械的播種合格指數(shù)，從而達到增產(chǎn)、增收的目的2。目前，國內(nèi)外的諸多學者對種子物理機械特性己經(jīng)有了比較深入的研究，這為農(nóng)業(yè)播種機械的優(yōu)化設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。播種是農(nóng)業(yè)的基本環(huán)節(jié)。播種質(zhì)量的好壞將直接影響到以后出苗率的高低3。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，播種機的技術(shù)水平也逐步的提高。尤其，現(xiàn)在的精密播種機具有不浪費種子，農(nóng)作物植株分布的均勻，省去了間苗的問題，符合農(nóng)作物生長需求的優(yōu)點。同時精播還有省功、省時以及提高產(chǎn)量的優(yōu)點。其中，排種器的質(zhì)量是影響播種機播種性能的主要因素4。按照排種原理，精密排種器可以分為機械式和氣力式兩種5。指

19、夾式排種器是機械式排種器的一種，憑借著結(jié)構(gòu)簡單、種子破損率低、排種均勻的特點被大量應(yīng)用于精密播種機械中6。 研究背景玉米是一年生長植物，其植株又高又大，而且莖很強壯。作為糧食和飼料，給人類提供不可缺少的營養(yǎng)，玉米是生產(chǎn)量全球最高的農(nóng)作物，其種植規(guī)模僅次于小麥和水稻。玉米有著很高的營養(yǎng)價值，因此被譽為長壽食品之一。玉米含有大量的蛋白質(zhì)、脂肪、微量元素、纖維素等，有著開發(fā)研究生物功能食品的潛力。其復雜的遺傳特點，變異種類繁多，使得在生長中周期長，變異系數(shù)大，影響子代的生長發(fā)育。然而通過現(xiàn)代生物育種技術(shù)，可以解決其缺點，也可以大大的提高育種速度和質(zhì)量。近些年，隨著人民生活水平的蒸蒸日上以及對健康飲食

20、的追求，玉米的食療保健作用也得到了人們越來越多的重視和認可。有一種說法：歐洲文化是麥子文化，亞洲是大米文化，拉丁美洲則是玉米文化。然而墨西哥和中美洲，就是玉米的起源地，跟據(jù)考古覺察，1萬多年前，這里就開始有了野生的玉米，然而印第安人也已經(jīng)有3500年的種植玉米的歷史?？脊艑＜以谄瞻２祭萏赝呖补鹊匕l(fā)掘了公元前7000年至公元1540年之間玉米文化的遺址，標志古印第安人怎么在狩獵活動越來越少的同時，漸漸開始摘取野果并發(fā)展到人工種植玉米的過程。玉米在中國的栽培歷史大約有470多年。但因其產(chǎn)量高，質(zhì)量好，適于多種土壤，培植面積越來越大。當前中國播種面積大概3億畝，僅次于大米、麥子，是第三產(chǎn)量的糧食作

21、物。在世界上僅次于美國。在慢慢的發(fā)展中，本國對玉米的培植技術(shù)也積攢了大量的經(jīng)驗。圖1 玉米 corn現(xiàn)階段，市場上的玉米播種機由于生產(chǎn)企業(yè)的不同生產(chǎn)方式，所以有很多不同規(guī)格，不同類型的播種機。在各種各樣的播種機中，有一些設(shè)備存在一些問題，這些問題會制約播種作業(yè)的效果。再加上玉米也分為不同的品種，不同品種的玉米種子大小是不同的，現(xiàn)在的播種機要求種子大小均勻才能進行正確的播種，所以需要結(jié)合玉米的類型選擇最合適的玉米播種機有針對地進行玉米播種7。因此，致力于玉米排種裝置的研究仍然十分必要。對于保障我國的食品安全來說有著重要的意義。同時玉米還是我國重要的經(jīng)濟作物，促進玉米種植機械的向前發(fā)展對于促進我國

22、經(jīng)濟的增多也有著積極的作用。對某種設(shè)計成熟的裝置進行改進，從而設(shè)計出滿足另一種功能或需要的裝置是設(shè)備研發(fā)中常用的一種技術(shù)路線，好處是可以利用現(xiàn)有研究成果，進行最少的改動，避免重復研究工作等，同時也大大減少研發(fā)周期8。本課題正是基于這樣的思路，對指夾式排種裝置進行優(yōu)化試驗改進，使改進后的排種裝置較好滿足谷子播種的各項農(nóng)藝要求。1.2 國內(nèi)外玉米種子精密排種器的研究現(xiàn)狀1.2.1 國外玉米種子精密排種器的研究現(xiàn)狀許多發(fā)達國家的玉米播種技術(shù)已經(jīng)形成完整的技術(shù)體系,精密播種技術(shù)普遍應(yīng)用。在國外，從20世紀30年代就開始進行玉米精密播種機的研究，目前玉米精密播種排種器主要有機械式和氣力式兩種9。grea

23、t plain manufacturing公司研發(fā)了以播種多種作物品種的單粒機械式排種器。這種排種器具有多個排種盤,通過更換不同種盤來適用于不同作物的播種。此排種器一般對玉米種子播種可以實現(xiàn)比較高的排種均勻性，而形狀怪異的玉米種子難以實現(xiàn)單粒排種的要求10-14。英國ferguson公司研發(fā)了mf543型通用機架式的播種機，采取了機械式與氣力式相結(jié)合的與眾不同的設(shè)計方法，機械式的旁充型孔輪在種子室內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，種子進入到型孔中，當型孔旋轉(zhuǎn)到種室上方時，低壓的氣體將型孔內(nèi)多出來的種子吹入到種子室里，在型孔內(nèi)僅僅留有1粒種子；當型孔旋轉(zhuǎn)到種子室下方時，種子憑借著自身的重力和氣體吹送的作用通過導種管有序

24、的落到種溝內(nèi)，順利完成播種的過程15。國外的玉米精密排種器主要以氣力式為主，氣力式排種器按照工作原理分為氣吸式、氣壓式和氣吹式3種。代表性的有德國貝克公司研發(fā)的aeromat-2型的玉米氣吹式排種器、john deere公司研發(fā)的玉米氣力式排種器和kinze公司生產(chǎn)的玉米氣力式排種器16-20。john deere公司在20世紀90年代末研發(fā)了maxemerge planters型高速氣吸式精密排種器，其配備了高精度農(nóng)業(yè)技術(shù)系統(tǒng)，可以根據(jù)土壌特性和含有水分多少等條件的改變,進行變量播種和施肥，可以達到節(jié)省種子肥料、提高生態(tài)環(huán)境和降低成本的效果，以約翰迪爾的盤式種子盤式排種器為代表，種子通過盤的

25、環(huán)槽轉(zhuǎn)動落入到投種口，排種盤有平盤和孔盤2種，利用氣壓將單粒種子吸入，播種不同的種子只需更換排種盤,改變盤的轉(zhuǎn)速可調(diào)整種子株距21-22。進入21世紀后，德國阿瑪松公司最新研制生產(chǎn)了氣吸式精密播種機。該播種器的排種盤采用了結(jié)構(gòu)獨特的凸孔盤，提高了投種的精確性，該機在各種工況條件下都能保證理想的工作質(zhì)量,有較翕的生產(chǎn)率及可靠性，可通過更換播種盤播種多種作物23-24。 總體來看，國外玉米精密排種器發(fā)展早,技術(shù)比較發(fā)達。但是由于其結(jié)構(gòu)復雜，造價高，不適用于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。 國內(nèi)指夾式精密排種器的研究現(xiàn)狀 我國相對于國外對精密播種機械的研究起步較晚。從上世紀80年代開始，國內(nèi)學者開始研究指式排種器。眼

26、下，國內(nèi)研發(fā)改進的指夾式排種器主要有如下：1986年，周祖良等研制了用于條播機的指夾式排種器，該排種器播種玉米的工作指標較先進，能較好地滿足農(nóng)業(yè)技術(shù)要求25。裝有指夾式排種器的開溝器如圖2所示。圖2 裝有指夾式排種器的開溝器 a ditching device equipped with a finger type seed metering device2010年，吉林大學李洪剛，詳細研究了仿生指夾式排種器的具體結(jié)構(gòu)和工作過程，分析了仿生柔性取種、柔性推送相對與傳統(tǒng)排種器剛性充種和刮種工作性能的優(yōu)越性26。仿生指夾式排種器如圖3所示。圖3 仿生指夾式排種器 bionic pinch type

27、 seed metering device2011年，付威等人以玉米為研究對象，研制了強制夾持式玉米精量排種器。該排種器在工作速度為3.5km/h時，單粒率85%，且夾持機構(gòu)簡單，取種適應(yīng)性比較強，但是對于流動性比較差的種子，其清種效果差強人意。所以，此排種器的結(jié)尺寸和工作參數(shù)還有待進一步試驗與優(yōu)化27。仿生指夾式排種器結(jié)構(gòu)如圖4所示。1主軸 2主盤 3鴨嘴總成 4腰帶 5內(nèi)定盤 6取種帶 7取種器 8外定盤9播種管 10導軌 11擋種板圖4 仿生指夾式排種器fig.4 structure of mechanical forced pinch precision metering device

28、2013年，魏澤川研究了指夾式玉米精密排種器工作原理及結(jié)構(gòu)特點，并對主要零部件的功能和參數(shù)進行了分析研究，為正確使用和維護提供理論依據(jù)28。2015年，東北農(nóng)業(yè)大學工程學院王金武等，為滿足精密播種作業(yè)要求，采用夾持充種、振動清種及柔性導種等方式，對指夾式玉米精密排種器作出了優(yōu)化設(shè)計，更能滿足農(nóng)業(yè)技術(shù)要求29。其指夾式排種器排種性能試驗臺如圖5所示。1指夾式排種器 2安裝架 3噴油泵 4攝像處理裝置 5驅(qū)動電動機 6種床帶圖5 指夾式排種器排種性能試驗臺fig.5 seeding performance test bench with finger pinch type seed meterin

29、g device2016年，山東理工大學耿端陽等人，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、排種效果好的伸縮指夾式精量排種器，研究了該排種器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對排種性能的影響規(guī)律30。伸縮指夾式排種器如圖6所示。1種子 2卸種蓋 3伸縮指夾器 4種盤 5傳動軸 6清種毛刷 7后殼體 8前殼體圖6 伸縮指夾式排種器fig.6 telescopic pinch type seed metering device 雖然國內(nèi)對指夾式玉米精密排種器的研究比較深入，但是排種性能方面還有待提高，設(shè)計上還需完善31。 存在的主要問題 根據(jù)文獻資料進行綜合分析，我國指夾式玉米精密排種器研究中存在的主要問題有：（1）指夾式玉米精密排種器在

30、實際應(yīng)用中仍然存在著問題，如玉米種子在排種過程中易對種子造成機械損傷而導致其破損而不發(fā)芽、不適合高速作業(yè)等。（2）指夾式玉米精密排種器在排種時依然會出現(xiàn)重播、漏播現(xiàn)象。雖然近些年不少公司推出新型指夾式玉米精密排種裝置，有的能較好實現(xiàn)玉米種子精量播種，但仍需加以改進或是采用新的設(shè)計方法，從而降低產(chǎn)品成本，提高排種精度。（3）指夾式排種器在排種時受到振動和排種盤轉(zhuǎn)速影響，從而影響著排種器排種性能。1.4 研究目的及意義1.4.1 研究目的隨著玉米種植面積的擴大以及玉米的増產(chǎn)増收，它在中國農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟發(fā)展中產(chǎn)生著舉足輕重的作用。因此，尋找一種省時省力高效經(jīng)濟的播種方式對玉米的種植來說顯得尤為重要3

31、2。良好的使用精量播種技術(shù)是實現(xiàn)玉米增產(chǎn)增收的關(guān)鍵，提高排種器播種合格率，降低漏播率和重播率有著重要的現(xiàn)實意義。玉米的精密播種不僅可以有效的節(jié)約種子，降低播種的資金投入，減輕勞動者的勞動強度，還可以提高玉米的產(chǎn)量，為農(nóng)民增加收入，更可以有效的緩解我國的糧食短缺問題33。但是隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，各類優(yōu)質(zhì)產(chǎn)量高的種子屢見不鮮，玉米種子的特性也基本不相同，這就要求排種器的排種性能越來越髙。在這種情況下，在有效的播種期內(nèi)就要求有高質(zhì)量、高效率的播種機械來解決精密播種的難題34。1.4.2 研究意義伴隨著我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化，機械化作業(yè)不斷普及。一年之計在于春，搶收快播成為重要的環(huán)節(jié)。因此，廣大勞動者對

32、播種機械的要求越來越高，這就需要有性能良好的精密排種器來完成35。目前市場上有采用氣吸式提取種子的，即利用空氣的正壓和負壓吸或者吹來實現(xiàn)，這種方法除了要具備應(yīng)有的排種裝置外，還要有與之配套的供氣裝置，使得播種機結(jié)構(gòu)復雜，使用成本高，故障增多。而指夾式排種器就不需要與之配套的電氣裝置，而且具有造價低廉、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、工作可靠性能好、制造工藝要求低等優(yōu)點，故障也相對減少36。因此，開展玉米精密排種器研究具有以下意義。 （1）節(jié)省玉米種子，降低種植戶的投資成本。（2）省工省時，減少勞動強度。（3）培育壯苗，有利于增產(chǎn)增收。（4）抗旱保苗效果好。（5）節(jié)省除草劑，延長藥效。 研究內(nèi)容及技術(shù)路線

33、研究內(nèi)容結(jié)合國內(nèi)外對指夾式排種器的研巧及存在的一些問題，分析指夾式排種器的工作過程以及關(guān)鍵部件功能分析，對指夾式排種器的工作部件進行優(yōu)化。本文具體研究內(nèi)容有以下幾點：（1）玉米種子物理特性研究。本文以內(nèi)單4號玉米種子為研究對象，主要是對種子密度等進行了研究，從而能夠給指夾式排種器排鐘性能的相關(guān)實驗研究帶來較多的理論支撐。（2）對指夾式排種器工作原理及主要部件進行功能分析，并對指夾式排種器相關(guān)部件進行受力分析。（3）利用吸合式電磁振動排種性能試驗臺研究不同頻率和不同振幅下的排種性能，并找出最佳排種性能的頻率和振幅范圍。（4）進行指夾式排種器排種性能的影響因素的正交試驗，確立最優(yōu)因素組合。（5）將

34、指夾式排種器與氣吸式排種器進行對比試驗研究，確定指夾式排種器的優(yōu)缺點。 技術(shù)路線技術(shù)路線如圖7所示。圖7 技術(shù)路線 technical line2 玉米種子物理特性測試種子有四種特性，包括形態(tài)、生理、生化和物理特性。其中種子的物理機械特性對于研究玉米精密排種器有著重要的意義。它是研究農(nóng)業(yè)機械的理論基礎(chǔ)，它也決定著機械設(shè)備的參數(shù)。因此，在設(shè)計一種新型農(nóng)機具前就必須充分了解種子的物理特性，這樣才能更好的發(fā)揮農(nóng)業(yè)機械的功能，也能更好的滿足農(nóng)作物的農(nóng)藝要求，從而減少對種子的傷害，提高農(nóng)業(yè)機械的播種合格指數(shù)，進而達到増產(chǎn)增收的目的。目前，國內(nèi)外的許多學者對種子的物理特性已經(jīng)有了比較深入的研究，為農(nóng)業(yè)機械

35、的設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。1960年，zorerb和all對扁形玉米、豆類植物和小麥進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)含水量、加載速度、加載位置、溫度和物料的尺寸都會或多或少的影響著作物的擠壓程度37；1966年，bilanski等人研究了不同水分下玉米種子的載荷-變形曲線。結(jié)果表明，含水率和壓縮位置的不同嚴重影響玉米種子的變形38；1970年，mohsenin用球形壓頭的壓縮試驗方法來測試不同含水量下的玉米種子對角質(zhì)胚乳厚片應(yīng)力松弛特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，時間、含水量和溫度的變化將會影響玉米角質(zhì)胚乳的松弛度39；1988年，haghighi和segerlind根據(jù)材料的粘彈性性質(zhì)，采用有限元的方法研究了時

36、間對玉米縱截面各應(yīng)力分量的影響。研究表明，通過此方法可以計算出玉米在烘干的過程中最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置、時間以及烘干條件的關(guān)系40-42；另外barych和carman等也分別對婉豆、小扁豆種子的物理特性做出了仔細的研究43。國內(nèi)也有相關(guān)文章的報道。例如，1995年，趙學篤，馬中蘇等人試驗研究了玉米種子的壓縮、剪切和沖擊等力學特性。研究表明；含水率影響著玉米種子的壓縮、剪切和沖擊等44；2005年，張明學，趙樣濤等對東北玉米進行了深入的顆粒破碎敏感性試驗研究。研究表明：干燥條件嚴重影響著籽粒的應(yīng)力裂紋，進而影響著籽粒的破損程度，同時還分析了玉米在存儲環(huán)節(jié)的破碎因素，為玉米的存儲問題提供了可靠的理論

37、依據(jù)45；2007年，李心平、高連興等人采用有限元的方法研究了玉米籽粒在壓載作用下不同應(yīng)力的分布情況，研究發(fā)現(xiàn)了玉米籽粒在不同壓載作用下的施力部位微觀力學恃性46。 測試材料本文所測試的種子為市場需求量較大的玉米品種：內(nèi)單4號玉米種子。 測試方法 2.2.1 含水率的測試方法玉米種子的含水率是指待測的玉米種子所含水分重量占整個種子重量的百分比。常見測試方法有烘箱干燥法、甲苯蒸墻法、溶劑提取法等。本文采用烘箱干燥法來測試。采用標準中的恒溫烘干法（烘箱溫度控制在70）來測試玉米種子的含水率。其設(shè)備名稱為電熱鼓風干燥箱，見圖8和圖9，步驟為：（）將樣品舎烘干、冷卻、稱重、標記盒號；（）將裝滿的玉米放

38、入做上標記的樣品盒內(nèi)，并稱出其重量，做好記錄； （）將裝滿玉米的樣品盒放入恒溫至70的烘箱中，盒與盒蓋一起放入烘干箱中，將盒蓋從盒上取下以便加速烘干，迅速關(guān)閉烘干箱，使烘干箱溫度回升至70時開始計時，整個烘干過程持續(xù)小時；（）打開烘干箱，為了防止吸潮，在箱內(nèi)就要迅速把盒蓋蓋上，然后將烘干的玉米樣品盒取出放入真空干燥箱中冷卻后稱出重量（烘千后第一次稱重）；（）按照步驟再進行個小時的烘干，按照步驟再進行第二次稱重； （）比對步驟和步驟，看二次稱重誤差是否大于0.2。若大于，則按照步驟在繼續(xù)烘干，若小于或者等于，即可計算玉米種子的含水率，公式為： s=m2-m3m2-m1% (1)式中：s為玉米種子

39、含水率；m1為樣品盒質(zhì)量，單位g；m2為樣品盒加上玉米種子烘前重量，單位g； m3為樣品盒加上玉米種子烘后重量，單位g。圖8 真空干燥箱 vacuum drying oven圖9 電子天平 electronic balance2.2.2 密度的測試方法目前，對種子物料密度的測試方法主要有置換氣體法和排水法。所謂置換氣體法是先稱量出一定質(zhì)量的待測物料，然后測量出待測物料所排開的氣體體積，再根據(jù)氣體的密度和所排開氣體的體積求出待測物料的密度47。排水法是一種簡單操作且常用的測量密度的方法。它是將物體完全浸入到水中，物料的體積就是浸泡前與浸泡后的差值，然后測試出物料的質(zhì)量，根據(jù)密度公式即可求出物料的

40、密度。本次試驗采用排水法進行玉米種子的密度的測試，其步驟為：（）用天平稱出100粒玉米種子的質(zhì)量，記為；（）再在量筒中裝入適量的水，所謂適量就是指既能將物體完全浸泡，又不會超出量筒的最大刻度值，記好讀數(shù)v1；（）將測試好質(zhì)量的玉米種子沿量筒壁緩緩放進去直至完全浸傲讀出數(shù)來，記為v2；（）玉米的體積就為兩次體積之差，為v2-v1；（）根據(jù)公式計算出玉米的密度。每種待測玉米種子均進行三次試驗，取三次試驗的平均值作為最后結(jié)果。計算公式如下：=mv=mv2-v1 （2）式中：為玉米種子密度，單位，g/cm3；m為待測玉米種子質(zhì)量，單位，g；v為待測玉米種子體積，單位，cm3。2.2.3 三軸尺寸的測試

41、方法 隨機抽取同種玉米種子100粒，通過游標卡尺，能夠?qū)Χ喾N指標進行測量，隨后按照公式對等效直徑dp進行計算：dp=(lwt)1/3 （3）根據(jù)公式可求出玉米種子的球形率為：=dl （4）式中：為玉米種子球形率；d為玉米種子等效直徑，單位，mm；l為玉米種子長，單位，mm。2.2.4 千粒重的測試方法從試驗的玉米種子中，分三次隨機的抽取1000粒玉米種子，用精度達到0.1的電子秤進行測量，得出這玉米種子的千粒重。2.2.5 休止角的測試方法 本試驗采取注入法的方法測試玉米種子的休止角。由支架、漏斗、圓平板和刻度尺構(gòu)成測試裝置。將待測的種子從漏斗的上方慢慢加入，種子慢慢滑落至漏斗的底部，這時物料

42、在平板上堆積且具有一定的傾斜角，堆積到不能再堆積為止。用刻度尺量出玉米種子聚集的高度，記為，按下面公式計算玉米種子的休止角：tan=hr （5） 式中：h為種子堆積高度，單位，mm；r為圓平板半徑，單位，mm。（1）時刻保持鋼板和谷粒的潔凈。（2）切勿用手直接觸碰谷子，否則手上的油、灰塵等會附著在谷子上，導致測量結(jié)果不準確。（3）改變摩擦儀夾角大小需要通過手動的方式。谷子質(zhì)量輕，用不同速度抬起斜面會導致夾角值的顯著不同，因此抬起斜面時的速度應(yīng)盡量保持一致。2.3 測試結(jié)果2.3.1 含水率的測試結(jié)果玉米種子含水率測試結(jié)果見表1。表1 玉米種子的含水率 moisture content of m

43、aize seeds品種樣品1/%樣品2/%樣品3/%樣品4/%樣品5/%內(nèi)單4號由表1可知：內(nèi)單4號玉米種子的含水率為8.57。2.3.2 密度的測試結(jié)果通過表2，能夠知道玉米種子密度測試結(jié)果。表2 玉米種子的密度 density of maize seeds品種樣品1/g/cm3樣品2/g/cm3樣品3/g/cm3樣品4/g/cm3標準差內(nèi)單4號1.10g/cm3。2.3.3 三軸尺寸的測試結(jié)果通過表3，能夠知道知道玉米種子的如下信息：表3 玉米種子的三軸尺寸、等效直徑和球形率 three-axis size, equivalent diameter and spherical rate

44、of maize seeds品種長/mm寬/mm厚/mm等效直徑/mm球形率平均值內(nèi)單4號標準差由表3可知：內(nèi)單4號為扁形小粒玉米種子。2.3.4 千粒重的測試結(jié)果玉米種子千粒重的測試結(jié)果見表4。表4 玉米種子的千粒重table.4 thousand grain weight of corn seed品種樣品1/g樣品2/g樣品3/g平均值/g標準差內(nèi)單4號由表4可知：內(nèi)丹4號玉米種子的千粒重為268.3g。2.3.5 休止角的測試結(jié)果 通過表5，能夠知道玉米種子休止角的相關(guān)信息。表5 玉米種子的休止角table.5 the angle of repose of corn seeds品種休止角

45、/內(nèi)單4號休止角又稱靜止摩擦角或堆積角，其與種子的尺寸、形狀、含水率、堆放條件等有關(guān)。流動性隨著休止角減小而增強；散落能力隨著休止角變大而減弱。2.4 本章小結(jié)對內(nèi)單4號玉米種子進行物理特性測試。采用烘箱干燥法測試玉米種子含水率，用排水法測試玉米種子密度，用游標卡尺和精密天平分別測試種子的三軸尺寸和千粒重等，為指夾式排種器排種性能試驗研究提供理論基礎(chǔ)。 3 指夾式排種器結(jié)構(gòu)分析3.1 指夾式排種器結(jié)構(gòu)及工作原理指夾式排種器由排種盤、指夾器、頗簸帶、卸種口、凸輪、彈簧及指夾蓋等組成，結(jié)構(gòu)如圖10所示。指夾式排種器工作原理：種子進入夾種區(qū),隨著轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，在彈簧作用下,指夾器夾持種子,轉(zhuǎn)到清種區(qū),由

46、于顛簸帶表面凹凸不平,夾住的種子產(chǎn)生顛簸運動,在清種毛刷的作用下,不穩(wěn)定的種子落入到種子堆,而夾持得最穩(wěn)定的一粒種子,隨指夾器繼續(xù)轉(zhuǎn)到排種口排出,依靠導種帶到達開溝器的上方，經(jīng)導種管落入到種溝內(nèi),最終完成排種和下種過程48。圖10 指夾式排種器結(jié)構(gòu)fig.10 the structure of finger-type seed-metering device在田間排種過程中,指夾式排種器主要依靠充種、清種和導種等方式而完成播種任務(wù)，其中充種的過程是所有排種過程中最重要階段之一，其主要部件指夾器夾持種子性能的好壞將影響著播種機的播種水平。3.2 指夾式排種器主要部件功能分析3.2.1 指夾器對于

47、指夾式排種器而言，指夾器是一個關(guān)鍵的部件，其具體組成如圖11所示。直接影響排種的性能沖種性能的有指夾器的形狀、指夾器張開角度和指夾器對種子的壓力。圖11 指夾器結(jié)構(gòu)fig.11 finger clamp structure（1）根據(jù)指夾夾持玉米種子的情況，指夾與玉米種子直接接觸，玉米種子形狀為扁，為了更好的夾持種子，指夾器的形狀必須滿足下面的幾點要求：1)考慮到排種盤的形狀，因其外邊緣是圓形的，而指夾器需要沿著排種盤外邊緣轉(zhuǎn)動，因此指夾的上下邊緣曲線需要遵循排種盤外邊緣的弧線。2)指夾的寬度與種子的長度應(yīng)該近視相等，如此可以確保較好的填充效果。3)指夾的長度要適中，如果太短會引起漏播率上升，若

48、指夾過長會引起重播率上升。4)指夾的形狀應(yīng)該滿足較好的夾持種子的效果，如此，設(shè)計波浪弧狀的指夾，使其有兩邊起伏，既而讓玉米種子被夾持的更加穩(wěn)定，實現(xiàn)順利充種。（2）根據(jù)指夾張開時的形狀如漏斗一樣，可以看出其張開角度越大，玉米種子就很容易落入夾腔內(nèi)，這就使得沖種效大大的提高，但也有弊端，這會使得重播率也會在一定程度上提高。所謂精密排種器，就是在一個夾腔內(nèi)不允許有多粒玉米種子，然而最標準的就是每個夾腔內(nèi)只有一粒玉米種子，所以指夾的張開角度根據(jù)玉米種子的形狀而定。對于扁形玉米種子而言，玉米種子在夾腔內(nèi)大概有三種夾持狀態(tài)。如果按照玉米種子長度方向上來夾持的話，種子展現(xiàn)豎立的狀態(tài)，指夾的張開角度最大；如

49、果按照玉米種子寬度方向上來夾持的話，種子展現(xiàn)側(cè)立的狀態(tài)；如果按照玉米種子厚度方向上來夾持的話，種子展現(xiàn)平躺的狀態(tài)，指夾張開的角度最小。考慮到指夾夾尾約束著指夾器的張開角度，可以調(diào)節(jié)指夾夾尾與指夾的相對角度，來改變指夾的張開角度。夾與夾尾的關(guān)系由圖12所示。圖12 指夾張開角度fig.12 finger clamp opening angle（3）指夾夾持玉米種子的壓力來自于彈簧?？偣灿兄?2個指夾在排種盤的外圈，由彈簧兒連接著相鄰的兩個指夾。每個指夾兩邊的彈簧對指夾的作用力是相等的，作用點離轉(zhuǎn)動軸心的距離是相同的，然而它們的力臂不相等，如圖13所示,l2l1 ，因此兩彈簧形成的力矩不等，p2p

50、1 。兩者的力矩差使得指夾器的指夾間產(chǎn)生一定的壓力來將種子夾持得穩(wěn)。圖13 指夾的受力fig.13 the force of a finger clip指夾對種子的壓力的大小關(guān)系到玉米種子被夾持的穩(wěn)定性，同樣影響到玉米種子的傷種情況。考慮到，指夾對種子壓力過大，會加快磨損指夾器的夾尾，所以指夾壓力的大小應(yīng)當適中。如此，可以調(diào)節(jié)拉簧的圈數(shù)或者鋼絲的直徑來改變壓力大小。如果拉簧的圈數(shù)變少或者鋼絲的直徑變大的話，指夾壓力就會變大；反之，指夾壓力就會變小。3.2.2 顛簸帶在排種盤的卸種口的稍前方有著顛簸帶，它與卸種口相互連接著。它的形狀不光滑也不規(guī)則，有凸起和凹下。玉米種子沿著排種盤作勻速圓周運動，

51、當種子旋轉(zhuǎn)到顛簸帶時，由于顛簸帶表面不規(guī)則，從而種子在高低起伏的作用下，運動情況突然發(fā)生改變。既而，玉米種子會從指夾種脫落，這樣就起到了清種的目的。為了更好的清種效果，顛簸帶的形狀需要滿足下面幾點要點:1)顛簸帶表面凹下的深度要適當，如果深度很大則會使得清種嚴重過量，從而導致漏播率大幅提高。2)為了獲得最好的清種效果，顛簸帶的表面需要做到不規(guī)則的的曲面。3)為了不造成玉米種子的破損，顛簸帶的凸起和凹下的臨界不能太尖銳，最好是光滑的，所以坡度拐角應(yīng)當適中。3.2.3 排種帶排種帶與指夾器一起轉(zhuǎn)動，它也有著相對應(yīng)的12個容納種子的小室，可以接受從卸種口落下的種子。當指夾夾持種子旋轉(zhuǎn)到卸種口時，指夾

52、就隨即張開角度，種子便落入排種葉片內(nèi)，既而種子隨著排種葉片轉(zhuǎn)動，最后從排種器排出去。排種帶的性能參數(shù)也在一定程度上影響到農(nóng)間植株分布的均勻性。3.3 種子運動過程中相關(guān)力學分析 充種過程在充種的過程中，夾持種子的指夾對玉米種子的壓力由兩邊的彈簧耳提供，其壓力的大小將很大程度上影響到玉米種子的充種狀態(tài)以及種子破損率。壓力過小，籽粒易脫落，增加漏播率，降低排種性能質(zhì)量; 壓力過大，玉米種子易損傷，加快指夾尾片的磨損程度。指夾在旋轉(zhuǎn)運動中有夾持、閉合和開啟3 種狀態(tài)。指夾夾持狀態(tài)如圖14所示。圖14 指夾狀態(tài)fig.14 finger clamp state在此基礎(chǔ)上，以玉米種子為研究對象，對運動過

53、程中的種子進行受力分析，研究工作轉(zhuǎn)速與取種壓力的關(guān)系。種子運動過程受力如圖15所示。 圖15 種子受力fig.15 seed stress由于指夾的夾持角度不變，因此指夾的旋轉(zhuǎn)角（wt+） 一直在（0，）內(nèi)改變。按照達朗貝爾原理，能夠進行如下數(shù)學分解：gsin(+wt)+f2=mrw2 (6)gsin(+wt)+pn=mrw2 (7)pn=mrw2-gsin(+wt) (8)式（8）通過求導（二階）獲得了如下結(jié)果： d2pndw2=m2r+t2gsin(wt+) (9)式中：g代表的含義是玉米種子所受重力，n；f代表的含義是指夾推力，n；f1代表的含義是排種盤橫向摩擦力，n；f2代表的含義是排種盤徑向摩擦力，n；m為玉米種子質(zhì)量，g；為指夾旋轉(zhuǎn)角，（）；r為指夾運動圓周半徑，mm；為玉米種子與排種盤之間的摩擦系數(shù)；t代表的含義是夾持推送運動時間，s。通過式（9）能夠明確：sin(+wt)一直都大于零，所以當對其進行二階求導后，結(jié)果仍然超過了零，分析可知