第一章 绪论
1.1研究的目的和意义
我国有 13 亿人口，粮食问题一直伴随着国家的发展。从发布“国家粮食安全中长期规划纲要”到党的十七届三中全会，国家粮食安全问题始终处于政府和人民关注的重要位置，是维护国家安全稳定以及确保国民经济健康、快速、可持续发展的必要条件[1-2]。东北地区作为国家的大粮仓，同时也是我国玉米作物的主要产区之一。作为四大国际粮食作物之一的玉米是我国重要的粮食、饲料和工业原料作物[3-4]。而东北地区常会受到低温冷害等恶劣气象灾害的影响，导致玉米等农作物减产。主要表现在：东北地区所处积温带纬度较高，农作物生长周期短且热量条件不稳定[5-7]。该地区春播时节气候条件恶劣：风力大、降水少、温度回升慢，且经常发生倒春寒和坏种现象[4]。这些自然条件限制了能够在东北地区种植的玉米品种数量和品质，也直接限制了玉米产量和质量的稳定以及提高。针对这些问题，采用移栽种植方式是解决东北玉米种植受自然环境限制的有效方法之一[8]。在大棚中培育的玉米秧苗可以有效避开恶劣的自然条件，且培育出的玉米秧苗苗壮、苗齐，性状优良[9]；提前育种又有效延长了作物的生长期，从而扩展了东北地区可用玉米品种的范围，以达到玉米品质和产量的提升。玉米育苗移栽方式有多种不同形式：纸筒育苗[10]、营养方育苗[11]、营养钵育苗[12]、营养袋育苗、营养液无土育苗和巢孔式育苗盘[13]等。但都存在仅能满足人工移栽和半自动化移栽要求，不能适用于机械化连续移栽和高速移栽要求[14]。在能满足连续、高速、机械化移栽的秧苗载具的研究中，一种以农作物秸秆为主要原料，能够随秧苗移栽入土，达到秸秆还田目的的玉米秧盘的成功研制，满足了机械化高速移栽的要求[15]。但是目前对该玉米钵盘的播种方式还停留在人工播种方式上。
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1.2国内外研究动态和趋势
目前，制约玉米钵育栽植的核心问题是机械化育秧和机械化有序栽植。其中玉米机械化育秧播种与小区播种机具有相似的工作特点。根据播种要求，精密排种器是玉米育秧排种器的主要选择。育秧模式选择上又可参照已经成熟的水稻育秧模式，所以本文将通过以上几个方面来探讨国内外研究现状，从中找到玉米钵盘育秧播种机设计上可以借鉴的地方，以确定研究内容。育秧播种类似小区精密播种，国外的小区播种机最早起源于加拿大[16]。随后奥地利制造商 Wintersteiger 公司也研制出了相关机具[17]，其研制的气吸组合式精密播种机广泛使用了高精度传感器和监控系统，包括数据的记录采集和处理上采用智能化的操作过程，信息传输和定位上采用精确的智能化设备等[19]。国外高速精密排种机构最早应用于大田机械，早期机械式排种器根据工作形式和结构特点，有以 Wright F. S.和 Holderson J. L.等人为代表研究的精密花生种子排种器[20]和模拟人手指夹式大豆排种器[21]，Parish R. L.等人研发的立式圆盘窄行排种器和带式排种器[22-23]，以及 Ryu I. H.等人研制的滚筒式精密排种器[24]。随着对播种精度要求越来越高，排种器的研究逐渐向气力式方向发展，生产和研制的厂家越来越多，技术也越来越成熟[25]。如农机生产商美国 CASE 和 John Deer 公司生产的气力式排种器，都能够做到播种粒数和株距的精准控制[26]。由于气力式排种器具有适于高速作业且播种精度高和伤种小的特点，逐渐占领了高速精密排种器的市场，但气力式排种器同样也存在一些问题，如整体结构对气密性要求高且结构复杂，密封结构和部件成本高且使用寿命低，对于非球体且不规则的作物种子的适应性差，气压生成装置产生的噪声和震动不适于小区域作业环境等[27]。面对气力式排种器的弊端，人们又开始寻找新的办法来试图解决这些问题，于是像电磁式和液流式等新的排种原理得到研究，但成果和应用较少。另一部分人则把改进传统机械式排种器作为了新的研究方向[28]。
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第二章 玉米钵盘育秧播种机的总体方案设计
2.1 设计方案
本机采用在大棚中事先将秧盘铺放好，然后在大棚中进行播种工作的模式。覆土机械则可采用已有的大棚育秧覆土机械，避免机具功能的重复。控制方式采用 PLC 控制播种机的行走和播种工作，以减少人力投入。核心部件采用机械窝眼滚筒式排种器，其具有小粒距密集型播种的优势，且结构简单。
（1）控制方式及动力形式采用 PLC 控制器控制驱动电机，标准民用电源 220V 50Hz。
（2）根据排种原理配置相关装置该播种机机体由清种装置、二次清种装置、护种装置、投种装置、种子收集装置等配套部件及传动系统、保护罩等部分组成。
（3）组装形式和装置调整播种机各个组件采用各自独立的结构。其中种子收集装置、盛种箱、护种装置、投种装置在打开机器保护罩后都可方便的拆装和更换，二次清种装置和种门大小可根据实际生产对其进行合理微调。
（4）传动装置选择行走驱动电机与行走轮之间通过齿轮传动，排种驱动电机与窝眼排种滚筒之间通过同步带传动，扫种滚筒与窝眼排种滚筒之间通过皮带传动。
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2.2 结构组成
玉米钵盘育秧播种机由播种窝眼滚筒、导种板、刮种刷、刮种盒、行走驱动电机、排种驱动电机、种门调节装置、扫种滚刷、盛种箱、PLC 可编程控制系统等组成。整机结构如图 2-1 所示。窝眼滚筒圆周方向上均布型孔窝眼，并且滚筒轴向等距分列多排窝眼可以同时完成多个秧盘的播种任务。整个窝眼滚筒分为充种区、清种区、护种区、投种区和无种区共 5 个区域。在充种区、清种区和护种区，分别由刮种刷、扫种滚刷和护种板来保证在种子随窝眼滚筒运动到达投种区前，每个窝眼内有且只有一粒玉米种子，然后由护种板保证在种子达到投种区前不会脱离滚筒窝眼。最后在投种区，种子在重力或重力和护种板刮擦力的共同作用下脱离滚筒窝眼，经导种板落入钵盘中，从而实现“一穴一粒”的投种要求。
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第三章 播种机关键部件结构设计..........13
3.1 窝眼型孔尺寸设计....13
3.1.1 玉米种子形态分析.......... 13
3.1.2 玉米籽粒筛选及型孔参数选择 ...... 14
3.2 窝眼滚筒结构参数设计....15
3.3 扫种滚刷结构参数设计....19
3.4 护种板结构参数设计........ 22
3.5 导种板结构参数设计........ 24
3.6 本章小结.... 25
第四章 虚拟样机的建立和仿真模拟 ......27
4.1 虚拟样机的建立........ 27
4.2 仿真模拟.... 28
4.3 本章小结.... 33
第五章 玉米钵盘育秧播种机的性能试验 ......35
5.1 试验材料及设备........ 35
5.2 播种机性能评价标准........ 36
5.3 试验方法.... 36
5.4 验证试验.... 40
5.5 本章小结.... 40
第五章玉米钵盘育秧播种机的性能试验
通过理论计算、三维虚拟样机的建立及仿真模拟验证了设计的合理性。按照相关设计参数进行了物理样机的试制。为能够达到较好的使用性能，确定合理的结构参数，本文使用正交试验方法找出合理的结构参数组合方案。
5.1 试验材料及设备
为尽可能的模拟真实播种环境，试验采用该播种机正常播种的工作模式。考虑到试验的可重复性和避免因真实秧盘的尺寸误差影响播种机性能评价结果的情况，采用具有相同尺寸规格的纸质模拟秧盘进行播种试验。本文以第三章和第四章中选定的窝眼型孔结构参数和播种作业速度作为试验因素。三因素分别为：窝眼型孔直径、窝眼型孔深度和播种作业速度。在播种机作业速度因素水平的选择上，对实际工作过程中播种效率、播种机功耗及高速作业下可能产生的震动等播种不利因素考量，选择 60mm/s、80mm/s 和 100mm/s 作为因素水平进行正交试验，设计正交试验因素水平表如表 5-2 所示。
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结论
本文以研制适用于高速移栽作业的玉米钵盘育苗播种机为目的，通过对玉米钵盘育苗移栽特点和条件的分析，结合国内外相关机具与核心部件的研究成果和研究方法，总结并分析了相关设计的优缺点，确定了本文的设计方案。文中详细阐述了玉米钵盘育秧播种机的工作原理和工作过程，通过理论分析选定了关键部件的主要技术参数和结构参数，并对整个设计过程进行了详细阐述和说明。本文将三维设计手段应用到设计过程中，并对导种板的设计进行了仿真验证。根据设计参数试制了物理样机和试验用窝眼滚筒，通过对正交试验的结果分析，确定了最优因素水平组合。利用验证试验证明了最优组合方案的合理性，能够满足玉米钵盘育苗播种的农艺要求，具体如下：
（1）通过对种子特性、玉米秧盘播种农艺要求及大棚播种环境特点的分析，结合排种器相关文献资料，确定了该播种机采用先摆盘后播种的育秧模式，以机械式窝眼滚筒作为其核心部件。
（2）通过对播种过程中种子与相关部件相互作用关系的理论分析，结合建立的虚拟样机，对该机的结构参数进行了设计和验证，得出了窝眼滚筒直径为 160mm、圆周方向窝眼个数为 20 个以及各部件相对位置关系等主要结构参数并验证了结构的合理性。
（3）利用正交试验对未确定的因素水平进行了试验研究，分析得出影响播种质量的主次因素顺序为：窝眼型孔直径＞播种机作业速度＞窝眼型孔深度。最佳因素水平组合为：窝眼型孔直径 12.5mm，播种机作业速度 100mm/s，窝眼型孔深度 6.5mm。
（4）利用验证试验，对最佳因素水平组合进行样机试验，得到的试验结果为：平均播种合格率 90.4%，平均播种重播率 6%，平均播种漏播率 3.6%。试验结果表明，该机能够满足玉米钵盘育秧播种的农艺和设计要求。
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参考文献（略）