本文摘要：摘 要: 我国草牧业发展迅速，但依旧存在牧草需求供应不足的问题。牧草机械化种植是提高牧草产量及品质 的主要方式，其播种方式及器具对机械化种植效率的影响尤为重要。国内专用小粒径牧草种子的排种器种类极 少，牧草种子大都利用小麦等粮食作物排种器具进行
摘 要: 我国草牧业发展迅速，但依旧存在牧草需求供应不足的问题。牧草机械化种植是提高牧草产量及品质 的主要方式，其播种方式及器具对机械化种植效率的影响尤为重要。国内专用小粒径牧草种子的排种器种类极 少，牧草种子大都利用小麦等粮食作物排种器具进行播种，适用性较差，造成了种子浪费及播量不均等问题。因 此，研发牧草专用排种器及相关监测装置对提高牧草机械化种植效率具有十分重要的意义。
关键词: 牧草; 小粒径种子; 精密排种器; 红外监测
0 引言
草业可以为畜牧业提供坚实的饲料基础，依靠丰 富的草地资源发展畜牧业对建设小康社会、调整产业 结构和促进农民增收等诸多方面具有重要意义。当 前，我国草牧业面临草产品需求量快速增加但供应量 不足的状况。机械化作业是提高牧草播种效率与播 种质量和产量的主要手段，但目前我国牧草机械化种 植还存在较多不足，尤其缺少精密播种机具及工艺， 因此，进行播草精密播种机构的研究具有非常重要的 意义。
国内专用小粒径牧草种子排种器种类极少，牧草 种子大都是利用小麦等粮食作物排种器进行播种，影 响草场播种质量。随着科学技术不断发展及农艺要 求不断升级，对播种质量要求越来越高，精密播种技 术应运而生。精密播种优化了种苗的密度，确保种苗 生长拥有合理的生存空间，有利于扩大良种覆盖面 积，达到提高作物产量的目的。但在播种过程中，牧 草种子易出现籽种大量倾泻、架空，以及播量不均且 难以监测等问题，使作业过程无法顺利进行，研发高 效牧草专用排种系统势在必行。
1 牧草精密排种器总体结构及工作原理选择
9BS-2.4 型播种机作为试验机型，选择具有 代表性的苜蓿种子作为设计参考对象。依据国家牧 草产业技术体系标准与魏永鹏等人播量试验结果可 知: 行距为 200mm 时，紫花苜蓿播种量为 16kg / hm2 ， 可以使牧草达到最优的生长效果[1-4]。本研究在此基 础上进行牧草排种器的设计。
2 精密排种系统构件设计
2.1 排种器设计
2.1.1 排种器类型选择
通过分析种子物理特性，考虑到排种通用性等因 素，选择外槽轮结构排种器。
2.1.2 外槽轮排种器设计
1) 槽轮直径 d: 参照播种油菜等小粒径种子标准， 槽轮直径选取 24 ～ 28mm 的标准[5]。牧草种子比油菜 种子稍小，要维持播种过程中均匀性，选择 24mm 的直径进行槽轮设计。 2) 槽轮工作长度 L: 工作长度影响排种连续性。 其长度设计依据牧草种子物理特性及排种量进行选 择，本试验选择槽轮工作长度为 33mm。
3) 凹槽类型与槽数 Z: 选择直槽型，有利于小粒径 种子排种。常用槽数 Z = 8 ～ 16，由于本研究是针对于 小粒径种子进行设计，外槽轮直径相对较小，槽数设 计尽量少才不会降低排种的均匀性，因此选择槽数 Z = 8。 4) 槽轮转速 n: 一般来说，槽轮运转速度在 10 ～ 60r /min 这个范围以内播种效果较好。为了适应小粒 径牧草种子质量轻、落速慢的特点，播种机前进速度 不能太快，选择 6km / h 的速度进行排种。经过试验可 知: 工作长度 33mm 的单槽可容纳约 400 粒苜蓿种子。
按照 16kg / hm2 的播量进行计算，单个排种器播量为 1598 粒/ m，播种机速度为 1. 67m / s，行 走 1mm 需 要 0.625s 的时间，即 1598 粒种子需要在 0.625s 内播完， 等同于每秒需要播 2556 粒种子，需要 6 个槽转动进 行落种，即外槽轮转速 0. 75 圈/ s。计算可得: 槽轮转 速 n = 45r / min[6-9]。 根据加工经验，复合材料制造的外槽轮排种器工 作性能较好，成本较低，表面光滑度对牧草播种影响 不大。
2.1.3 阻塞片设计
阻塞片与外槽轮形状一样，槽 数 为 8，直 径 为 26mm。阻塞片与外槽轮主体相连且固定其上，在外 槽轮排种器改变工作长度来调整播量时防止种子的 漏出[10]。
2.1.4 阻塞轮设计
阻塞轮有 2 个凸棱，用于和槽轮主体进行固定， 嵌合主体之后可在其导轨凹槽内来回移动，达到调节 槽轮工作长度及播量的目的。在材料选择上，使用硬 质复合材料进行制造。
2.2 种箱螺旋搅龙设计
2.2.1 螺旋搅龙结构与参数设计
螺旋搅龙用于牧草种子疏松与输送。所设计的 螺旋搅龙为单螺旋固定搅龙结构，选择镂空水平式输 送方式[1 1 - 12]。
2.3 导种管设计
导种管是排种器与种沟间的连接部件，要求其对 种子下滑过程干扰小，具有可弯曲性，以适应不同播 种方式需求。本文探究利用“零速投种”理论提升导 种管工作性能，使种子到达种沟时水平相对速度接近于零[1 3]。
2.3.1 导种管工作曲线轨迹设计
导种管工作曲线设计思路及方法: 种管形状为减 函数曲线，种子运动速度方向随着种管斜率而变化， 到达种管口处时形成较大水平分速度，有利于零速播 种。
2.3.2 实际导种管曲面轨迹计算
槽轮排种器槽轮直径 24mm，转速 n = 45r / min，种 子与导种管摩擦系数 μ = 0. 4，种子着地速度 va = 1.2 m / s，β = 90°，农机前进速度 ve = 6km / h( 即 1.67m / s) 。 根据这组数据，确定导种管工作面曲线形状。通过分 析与计算，得到导种管工作面曲线方程为: y = 1.9x - 0.003x2 。
2.3.3 球形散种面
为保证牧草种植密度，提高牧草种子使用效率， 选用撒播方式进行播种作业。因此，设计了球形散种面，置于排种管下方; 当种子经过导种管下落时，落到球形散种面上。由于种子会碰撞到其各个弧面，因此 种子随机弹向周围各个方向，形成高效自然撒播效 果。
3 播种作业的监控装置
为实现精量播种，及时发现并排除工作故障，研 发了适合不同排种要求的精种作业监控装置。图 9为中国农业科学院草原研究所研制的高精度数粒传 感器。工作原理: 种子从排种器排出后，通过高精度数 粒传感器感应区域，遮挡红外线产生截断信号，控制 器记录传感信号，记为种子播量。 数粒传感器在工作过程中，当种子从排种器下落 时，会出现种子之间相互遮挡，却只有 1 次光束遮断 的情况发生，产生计数偏少的误差。
为了减小这种情 况所造成的误差，需要使种子下落到感应平面处时尽 量不要重叠( 即实现种子相互不遮挡) ，从而提高感应 装置的采集数据的准确性。其横截面为三角形下漏斗， 最底端开有一定尺寸的下漏口。下漏口大小需要考 虑种子的正常流量下落，既不会造成种子卡壳影响播 种，又要防止种子在下落时形成相互遮挡的情况。
因 此，下漏口宽窄选择为种子最大粒径的 1.25 倍较为合 适。散种部件两侧可以进行旋转移动，两端装有固定 螺栓用以调整漏种口大小，具有很好的适应性。种子 从排种器下落到散种部件中，会有种子反弹溅射，为 了防止种子弹出，在散种部件上部两端增设封盖，保 证排种作业的顺利进行。
4 试验 试验设定排种器槽轮为最长工作状态，即长度为 33mm，此时排种器落种数量最大，对数粒传感器的监 测难度最高，且能够较为精确地对排种器性能进行监测，研究结果对产品的性能改进有实用价值，具有代表性。
4.1 试验目的
对上文中所设计排种监测系统按照田间工作模 式进行模拟试验[14]，试验主要目的如下: 1) 检测所设计的外槽轮排种器在实地播种作业 过程中的运行准确性和可靠性; 2) 检测所设计的散种部件工作性能及计数传感 器的可靠性和准确性; 3) 检测所播种子物理特性，计算伤种率，验证系 统的播种性能。 试验仪器: 外槽轮排种器、散种部件、高精度数粒 计数器及微电脑自动数粒仪。
农业论文投稿刊物：农机化研究主办单位黑龙江省农业机械学会/黑龙江省农业机械工程科学研究所，创刊时间1979出版周期月刊邮发代号14-324开 本大16开ISSN1003-188XC N23-1233/S。
5 结论
1) 所设计的外槽轮式排种器可以保证稳定的工 作状态并使种子破损率处于很低的数值，适合小粒径 种子排种。 2) 本文所设计高精度数粒传感器可以精准测量 排种量，平均精度 82%以上，且具备较高的实用价值。 3) 在添加散种部件进行数粒监测后，发现种子计 数精度明显提高，其中小粒径种子计数精度提高了 7% ～ 8%。由此可见，散种部件对于精确计数具有明 显的提升作用。
参考文献:
[1] 魏永鹏，南丽丽，于闯，等.种植密度和行距配置对紫花苜 蓿群体产量及品质的影响[J].草业科学，2017，34( 9) : 1898-1905.
[2] 王泰恩，张宝库.零速投种导种筒工作面曲线设计的理论 探讨[J].黑龙江八一农垦大学学报，193( 1) : 46-51.
[3] 焦巍，布库，陈启渊，等.9BS-2.4 苜蓿草种籽播种机的设 计研究[J].农机化研究，2015，37( 9) : 118-121.
作者：焦 巍1，2 ，刘坤宇1 ，顾丽霞3 ，布 库1
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