摘要：针对玉米精量排种器出现重播、漏播及对不同形状尺寸玉米排种适应性差等问题，设计一种顶杆夹持式玉米精量排种器，通过夹持系统控制取种块开合，进而与铜带形成一定夹持空间，实现玉米种子的取种、清种等过程。进一步分析扭簧初始安装角和扭簧扭转力对取种及携种的影响效果，并对玉米种子取种过程进行受力分析。为验证排种器作业性能，以取种块深度、扭簧初始安装角、排种器转速为试验因素，以合格指数、漏播指数、重播指数为试验指标进行三因素三水平试验，对试验结果分析及优化得出最佳理论参数：当取种块深度为8.7mm、扭簧初始安装角为51.4°、排种器转速为28.5r/min时，合格指数为95.0%、漏播指数为3.1%、重播指数为1.9%，满足玉米种植的农艺要求，为玉米机械式精量排种器设计提供参考。
关键词：农业机械;排种器;玉米;顶杆夹持式;正交试验
论文《顶杆夹持式玉米精量排种器设计与试验》发表在《中国农机化学报》，版权归《中国农机化学报》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
0 引言
随着种植模式改进以及产量和经济效益的不断提高，2017-2021年，新疆地区玉米种植面积由1019.93 khm²增至1110.26 khm²，已成为新疆第二大经济作物。排种器作为精量播种机的核心部件，是实现精量播种的基础，目前玉米精量排种器按工作原理可分为气力式和机械式两类，气力式排种器具有结构复杂、成本高、气密性难以保证等缺点，因此机械式排种器应用广泛。
机械式排种器按工作原理不同可分为型孔式、夹持式、指夹式等。现有玉米排种器虽经多次改进，但仍存在取种性能待提高、排种适应性差、仅适配特定尺寸种子等问题，而玉米种子形状不规则是影响排种器作业性能的关键因素。针对以上问题，本文设计一种顶杆夹持式玉米精量排种器，通过顶杆夹持机构控制取种块的开合，与钢带形成夹持空间实现取种、清种等过程，试制物理样机并开展台架及田间试验，优化结构及作业参数，验证实际排种性能。
1 顶杆夹持式玉米排种器结构与工作原理
1.1 排种器结构
顶杆夹持式玉米精量排种器主要由进种口、端盖、压盘、清种钢带、驱动总成、顶盖、取种盘总成、投种模块总成、动盘和轴等组成，各部件通过螺栓配合构成排种器总成。动盘与端盖将投种模块总成轴向固定，进种口和清种钢带分别固定在端盖内外两侧，驱动总成龙骨条侧与顶盖配合，顶盖固定在取种盘总成上，取种盘总成固定在投种模块总成卡槽上，驱动总成、顶盖和取种盘总成将排种器分成种仓和控制仓两部分。其主要技术参数为：穴数6穴，转速20~30r·min⁻¹，取种盘直径300mm。
1.2 排种器工作原理
排种器工作区域分为取种区、一次清种区、携种区、二次清种区及投种区。工作前，玉米种子经进种口进入种仓取种区形成堆积种群;作业时，取种盘总成上的曲柄块与静止的龙骨条作用，使取种块旋转一定角度，种子填充进取种块与钢带形成的半封闭空间完成取种。
未进入取种块的种子因重力掉落，未掉落的进入一次清种区，在钢带清种阶梯、清种毛刷双重作用下清除多余种子;仍未掉落的种子随转动进入携种区、二次清种区，经清种阶梯二次清种;进入投种区后，种子瞬时力系失衡被弹进种盒，滑入鸭嘴后掉落到种床完成投种，实现整个排种过程。
2 关键部件设计
选取新疆地区普遍的庆单11号(马齿型)、郑单958号(半马齿型)和天发912号(硬粒型)3种玉米种子为研究对象，各随机选取1000粒测量三轴尺寸，发现不同品种及同类型玉米种子三轴尺寸差异较大，长度4.12~13.34mm，宽度6.60~11.82mm，厚度3.42~10.86mm，基于此开展关键部件设计。
2.1 夹持机构设计
夹持机构主要包括取种块、顶杆、扭簧及曲柄块等，其设计直接影响取种、投种作业过程，重点对取种块和扭簧进行设计分析。
1. 取种块设计
取种块为夹持机构核心部件，按功能划分为扰种清种、夹持、限位、衔接四部分：扰种清种部分可扰动堆积种群、提高取种效果;夹持部分为双凹取种面，是主要工作段，形状尺寸由玉米种子结构参数决定;限位部分限制取种块位置和角度;衔接部分实现与系统的连接。
结合玉米种子三轴尺寸及正态分布特征，通过公式推导确定双凹取种面深度L=12mm、取种块宽度W=7mm，取种块深度H设置为8~10mm，探究其对取种、携种过程的影响，H过大易夹持多粒种子，过小则无法有效夹持。
2. 扭簧设计
扭簧用于曲柄块带动顶杆控制取种块，其扭转力大小直接影响排种器取种、投种性能。参考《机械设计手册》推导扭簧扭矩、扭转力计算公式，得出扭簧扭转力F与初始安装角φ₀呈负相关：F过小会导致取种块无法有效持种，造成空穴;F过大则会对种子压力过大，造成压损。结合文献及部件安装角度，设定扭簧初始安装角度为40°~60°。
2.2 端盖清种结构设计
现有机械式排种器清种效果不理想，为降低重播指数，在端盖内侧钢带设计两段清种振动区，与清种排刷配合形成清种区域，钢带表面特殊阶梯状结构使种子接触面、受力瞬变，力系平衡被打破，经两段反复作用配合清种排刷清除多余种子，同时钢带可减少种子与端盖摩擦，延长排种器使用寿命。
通过公式推导得出排种器清种时间与清种角度、转速相关，增大清种角度可提高清种效果，但过度增大会减少投种、携种时间，影响播种质量，需合理设计清种区域角度。
2.3 取种运动过程分析
为保证取种过程稳定性，对种子瞬间被夹持时的状态进行力学分析，以种子为坐标原点，排种器前进切线方向为x轴正方向，垂直切线指向圆心为y轴正方向建立直角坐标系，推导x、y轴力学方程。
结合方程得出取种块夹持支持力大小与排种器转速相关，拖拉机常用作业速度2km/h对应排种器转速约25r/min，因此设定排种器转速为20~30r/min，具体数值通过后续试验确定。
3 排种器性能试验
3.1 试验材料
试制顶杆夹持式玉米精量排种器物理样机，选取半马齿型玉米郑单958号，于新疆农二师铁门关市开展台架模拟试验，试验台架由调速箱、变压器、传送带、存种箱、排种器、机架组成。
3.2 评价标准
参照GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》，结合玉米精量穴播农艺要求，以合格指数Y₁、漏播指数Y₂、重播指数Y₃为试验指标，计算公式为：
$$egin{cases} Y_{1}=frac{n_{1}}{N} × 100 \% \ Y_{2}=frac{n_{2}}{N} × 100 \% \ Y_{3}=frac{n_{3}}{N} × 100 \% end{cases}$$
式中，n₁为单粒穴数，n₂为空穴穴数，n₃为重播穴数，N为总共检测穴数。
3.3 试验方案与结果
选取取种块深度(A)、扭簧初始安装角(B)、排种器转速(C)为试验因素，进行三因素三水平二次回归正交旋转组合试验，因素水平编码为：A(8mm、9mm、10mm)、B(40°、50°、60°)、C(20r/min、25r/min、30r/min)。每组试验重复3次，取平均值作为最终试验结果。
3.4 试验结果分析
通过Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行二次回归分析，剔除不显著试验因素，建立各指标回归方程，开展显著性检验与方差分析。结果显示，合格指数、漏播指数和重播指数模型拟合度极显著(P<0.01)，三个试验因素对指标影响均显著，且部分因素存在两两交互作用，回归方程失拟不显著(P>0.05)，与试验数据拟合良好。
各因素对指标的影响主次顺序为：影响合格指数的因素为转速>取种块深度>扭簧初始安装角;影响漏播指数的因素为转速>扭簧初始安装角>取种块深度;影响重播指数的因素为扭簧初始安装角>取种块深度>转速。通过响应曲面分析发现，各试验因素对指标的影响均呈先上升后下降的趋势，且因素间交互作用显著。
3.5 参数优化
以合格指数最大、漏播指数和重播指数最小为目标，在取种块深度8~10mm、扭簧初始安装角40°~60°、排种器转速20~30r/min的约束条件下，利用Design-Expert 8.0.6软件优化模块进行多目标优化求解，得出最佳作业参数组合：取种块深度8.7mm、扭簧初始安装角51.4°、排种器转速28.5r/min，此时合格指数95.0%、漏播指数3.1%、重播指数1.9%。
3.6 排种适应性试验
为验证排种器对不同玉米种子的适配性，选取庆单11号、郑单958号、天发912号3种玉米种子，在最佳参数组合下开展适应性试验，重复3次取平均值。结果显示，3种种子的合格指数均大于91%，重播指数与漏播指数均小于5%，满足行业标准NY/T503-2015《单粒(精密)播种机作业质量》要求，该排种器可实现不同类型玉米的精量排种。
3.7 田间试验
为检验排种器实际作业效果，选用登海182玉米种子(种子大小不一)，参照台架试验最优参数，于2022年春播期在新疆农二师铁门关市开展田间试验(田地面积不少于6.67 hm²)。每次随机连续挖取350穴，重复5次，试验结果为：合格指数93.5%、漏播指数3.6%、重播指数2.9%，与台架试验结果在误差允许范围内，满足玉米播种农艺要求。
4 结论
1) 设计的顶杆夹持式玉米精量排种器，通过夹持系统控制取种块开合与钢带形成夹持空间，实现了玉米种子的取种、清种、携种、投种全过程，明确了各工作区域的作业机理。
2) 基于新疆3种典型玉米种子的三轴尺寸特征，完成了核心部件取种块和扭簧的设计，确定取种块双凹取种面深度12mm、宽度7mm，对取种过程进行力学分析，为排种器参数设定提供了理论依据。
3) 三因素三水平台架试验得出排种器最佳作业参数：取种块深度8.7mm、扭簧初始安装角51.4°、排种器转速28.5r/min，此时合格指数95.0%、漏播指数3.1%、重播指数1.9%;适应性试验验证了排种器对不同类型玉米种子的适配性，田间试验结果与台架试验相符，排种性能满足玉米穴播农艺要求，为玉米机械式精量排种器设计提供了参考。
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