一種雙氣道的氣吸式棉花排種器的試驗研究

楊 進，張晉國，趙 金，周國龍，王洪偉，趙曉順，韓子樂

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

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一種雙氣道的氣吸式棉花排種器的試驗研究

楊 進，張晉國，趙 金，周國龍，王洪偉，趙曉順，韓子樂

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

介紹一種具有雙氣道的氣吸式棉花排種器，通過開閉兩條氣道中的一條或同時開啟兩條氣道，可以在1～3粒的穴播粒數之間快速調整；通過測量不同品種棉花種子的三維尺寸確定排種盤的尺寸；根據影響排種器性能和效率的主要因素在實驗室進行臺架試驗，得出該氣吸式棉花排種器在排種盤吸種孔直徑為3mm、轉速為30r/min及真空度為4.5kPa時使用效果較好的結論。

棉花；排種器；穴播粒數；雙氣道；臺架試驗

0 引言

棉花的種植由來已久，棉花為我國的主要經濟作物之一。棉花為了提高播種的效率，提出了精量播種。精量播種是一種即省種又省工的播種方式，具有極高的經濟效益，已成為今后農作物播種作業的發展方向，精密播種機是播種的關鍵，排種器又是精密播種機的核心部件[1]。

相對于其他農作物，棉花的播種作業因不同棉籽的發芽率有差別，需要調節其穴播粒數。目前，氣吸式排種器的穴粒數調節裝置是通過一個可滑動撥片撥去吸種孔上吸附的多余種子，并在排種時集合多個吸種孔所吸附的種子到一起進行排種[2]。

本文設計出一種具有雙氣道的氣吸殼體，并設置兩條獨立的氣吸管路，兩條氣吸管路可以自由開閉且互不影響。通過開閉兩條氣道中的一條或同時開啟兩條氣道，并配合具有內外兩圈的排種盤能夠使穴播粒數在1～3粒之間快速調整。

1 排種器結構

氣吸式排種器是通過風機吸走氣道中的空氣使氣道中形成負壓，同時旋轉軸帶動排種盤旋轉，排種盤上的吸種孔旋轉到對應的氣道位置則吸附種子，排種盤上的吸種孔旋轉到沒有對應氣道的位置則種子靠自重落下，進行排種。在種子室內還裝有清種片，工作時可以剔除吸附的多余的種子；經過清種區時，清種片會將多余攜帶的種粒清回充種區[3]。經過清種，可以更好地保證精度，使每個型孔只留1粒種子。

氣吸式排種器的主體結構有排種盤、兩側殼體、密封及管路等。

1.1 排種盤

因排種器具有雙氣道結構，因此排種盤(見圖1)也設計成有兩圈吸種孔的結構。對應外側氣道，排種盤外圈有相鄰的兩個吸種孔，即當外側氣道單獨打開時，每穴排種數量為2粒；對應內側氣道，排種盤內圈有一個吸種孔，即單獨打開內側氣道時，每穴播種數量為1粒；當兩條氣道同時打開時，吸種孔全部能夠吸附種子，即每穴播種數量為3粒。

排種盤的直徑直接影響穴播器的作業速度，當線速度一定時，排種盤直徑較大，會使排種器的作業速度降低；但如果排種盤直徑的選擇過大，排種器的結構就越大，綜合考慮，選取排種盤直徑200mm[4]。

圖1 排種盤

測量3種不同的棉花種子的三維尺寸(見表1)取平均值。從表1中可看出：如果想使兩條氣道對應的吸種孔上吸附的種子互不影響，內外圈吸種孔的間距應該≥10mm，外圈相鄰的兩個吸種孔之間的間距應大于5mm。

根據機械手冊中確立吸種孔直徑的公式[4]，有

D=(0.64～0.66)b

其中，b為種子的平均寬度。

吸種孔的直徑加工出2mm和3mm兩種，以進行進一步試驗。

表1 種子尺寸

1.2 氣道殼體

氣道殼體具有雙氣道結構(見圖2)，兩條氣道相鄰，在氣道殼體的另一側加工出對應并獨立的氣道孔，引出連接管路。

氣道部位加工出凹面，用來安裝密封墊和排種盤，且凹面的尺寸正好等于密封墊和排種盤尺寸之和。當密封墊和排種盤安裝好后，用螺栓固定上種子殼體使其之間無縫隙連接。

圖2 氣道殼體

1.3 種子殼體

種子殼體(見圖3)是用來儲存并提供排種盤工作時所需的種子，殼體右側為吸種區域，排種盤旋轉到左側為護種區域，下端為排種區域。通常來說，排種器應盡可能地加大吸種區域，以保證充種率。

當排種盤旋轉到上方區域時，受到震動等因素影響，吸附不牢固的種子會掉落到殼體內部的斜面上，并落回到吸種區。

圖3 種子殼體

1.4 排種器整體結構

整個排種器裝配爆炸圖，如圖4所示。

1.螺栓 2.種子殼體 3.排種盤 4.密封墊 5.卡簧 6.氣道殼體 7.軸承 8.旋轉軸 9.鏈輪 10.定位銷 11.氣道密封墊 12.氣道堵板 13.管路

2 影響排種器的因素

據相關資料，氣吸式排種器的排種均勻性和作業效率主要受氣道的真空度、吸種孔的尺寸、排種盤的轉速及投種高度等影響[5]。

2.1 氣道真空度的影響

真空度的大小是影響排種器吸種率的決定因素，真空度越大時，種子的吸附能力越強；但會增加吸種孔吸附多余種子的概率，從而導致重播率增加。

2.2 吸種孔尺寸的影響

吸種孔的尺寸在種子允許范圍內增加時，吸附能力增加，致使吸附多余種子，重播率增加。

2.3 排種盤的轉速影響

排種盤旋轉速度和機具前進速度共同作用影響了排種粒距的均勻性。

排種盤的旋轉速度過大時，吸種孔在種子室停留的吸種時間就會減少，也就是說，減小了吸種區面積，所以要合理降低轉速。

對以上影響因素進行分析，需要通過理論計算和試驗研究結合的方法，得出一個適合棉花播種作業的理論依據，再通過試驗臺試驗和田間試驗的檢驗，最終高效應用于農業生產。

3 種子受力分析和臺架試驗

3.1 種子的受力分析

隨著排種盤的旋轉，吸種孔轉到充種區時，種子吸附在吸種孔后主要受到種子重力、慣性力、吸附力和吸種孔支持力的作用[6，8]，如圖5所示。

圖5 種子吸附受力分析

隨著排種盤的不斷轉動，種子所受的慣性力J的大小不變但方向持續變化，種子自身所受重力G的大小和方向都不變。如圖5可見，種子所受重力和慣性力的合力T的大小和方向也在不斷變化。

從吸種時最大后開始減小，當此吸種孔旋轉到正上方時，種子重力和慣性力方向恰好相反，即此時吸種孔所需的吸附力最小。當種子在此吸種孔上繼續旋轉，所需要的吸附力又逐漸增大[6-8]。

因此，想要使吸種孔吸住種子不掉落，必須滿足

F·D/2≥T·h

式中F—吸附力；

D—吸種孔的直徑；

T—最大合力；

h—種子重心與排種盤的距離。

當種子脫離吸種孔后作具有初速度的自由落體運動(見圖6)，沿排種器吸種孔分布圓的切向排出。

種子在脫離吸種孔后，下落過程不考慮空氣阻力的因素，其下落時的運動方程為

式中 Vx—種子的水平絕對速度(m/s)；

Vy—種子的鉛直絕對速度(m/s)；

ω—排種盤轉速(rad/s)；

r—排種盤吸種孔分布圓半徑(m)。

當落種時，種子速度的水平分量等于機具速度時，投種效果最好。

圖6 種子脫離吸種孔的運動

3.2 臺架試驗臺

本次用于試驗的試驗臺(見圖7、圖8)可以調節影響排種器排種工作的多種影響因素，如可以調節負壓大小(氣道的真空度)、排種盤旋轉速度、傳送帶的速度(即模擬機具前進速度大小)和排種器固定架的高度(即模擬投種高度)。

試驗臺的傳送帶上刷油膜來模擬土田條件，可以防止種子彈跳，且整個試驗臺可以隨時停止試驗和急停。

圖7 試驗臺

3.3 試驗及數據分析

檢驗排種器性能是否優秀的最重要的指標就是粒距準確。也就是說，合格率在試驗中所占比例是否高于國家標準，且漏播率和重播率是否低于國家規定的比例。

通常查驗漏播和重播是規定在大于1.5倍的種子設定粒距上沒有播到種子就記錄為漏播；而在0.5倍設定粒距中間有多余預設播種穴粒數的種子就記錄為重播[6]。對于本試驗，預設的穴粒數為1～3粒。

試驗針對影響排種器的兩個主要因素下進行，并對兩種吸種孔(2mm和3mm)和兩個氣道(以下稱一次排兩粒種子的外側氣道為氣道1，另為氣道2)的開閉分別進行試驗，取得試驗數據。

圖8 控制臺

3.3.1 試驗1

當真空度為3～5.5kPa時，進行不同吸種孔直徑(2mm和3mm)下的吸種性能試驗，試驗中選取排種盤運轉平穩時的中間段共計100個吸種孔進行統計，作為統計樣本，如圖9所示。漏吸和重吸比值均從排種盤上直接讀取，重吸讀取值為經過清種片后的結果。

圖9 試驗

從圖9中可以看出：在不同的真空度的試驗條件下，吸種孔尺寸為3mm的排種盤比尺寸為2mm的排種盤在吸種時漏吸率要好。而且，在重吸的問題上，因為有清種片的原因，差別并不明顯。因此，以下試驗選擇排種盤上吸種孔為3mm的進行試驗。

3.3.2 試驗1

選擇吸種孔為3mm的排種盤并對兩條氣道分別進行試驗。當氣吸室真空度設定為4kPa，選取排種盤轉速 20、25、30、35、40r/min，并分別進行臺架試驗。

在試驗開始后，操作控制臺確定真空度是否達到設定值，打開油泵刷油膜，最后旋轉排種器。在觀察排種器運行平穩后，首先停止試驗臺的傳送帶，再停止油泵及排種器旋轉。選取運行平穩的時段作為記錄點，每一種試驗各測 100 個粒距進行統計，如表2所示[6-7]。

表2 試驗2

當設定氣道真空度為定值時，隨轉速的提高，合格率在排種盤轉速為30 r/min以前波動并不明顯；但是，當達到一定轉速后再繼續增加轉速會造成漏播率成倍數增長，合格率受此影響也會降低。

觀察試驗的吸種過程，在排種盤旋轉的低轉速區域內吸種孔吸取種子的數量會遠高于高轉速區域，但因清種裝置的存在，在合理轉速區域內，對于排種的重播率影響并不是很大。因此，在合適轉速區域內，可以通過增加排種盤上吸種孔的數量降低轉速。

3.3.3 試驗3

選擇吸種孔為3mm的排種盤并對兩條氣道分別進行試驗，當排種盤轉速設定為 30r/min，選取選取真空度值為 3、3.5、4、4.5、5kPa，并分別進行臺架試驗。

重復試驗2的過程進行不同工況的試驗，并記錄數據,如表3所示[6-7]。

表3 試驗3

當排種盤轉速一定時，隨著真空度值的不斷增加，漏播現象得到很大改善，真空度值越高則漏播現象越低；而對于重播率，因清種裝置的原因還是會表現不明顯。

4 結論

1)通過試驗，證明該排種器可以在兩個氣道之間自由切換，兩個氣道之間互不影響。

2)針對棉花種子，當吸種孔直徑為3mm時，能在更寬值的排種盤轉速和真空度區間內平穩工作。

3)當排種盤轉速在合理的速度且定值的情況下，隨著真空度的提高，播種合格率先是顯著上升，然后又降低，重播率也提高了。當真空度在合理且定值時，隨著排種盤轉速的上升，播種合格率呈下降趨勢，漏播率顯著提高。當氣吸室真空度在適當的范圍，排種盤轉速較低時，有利于提高排種器的排種質量。

[1] 于永良.結合新疆實際的棉花雙膜覆蓋機械式精量播種機的研發與應用[J].湖南農機,2013(7):3-5.

[2] 王鳳花. 2BMP-2棉花鋪膜播種機的排種器結構設計分析[J].山東農機,2002(4):12-13.

[3] 劉哲良.垂直圓盤氣吸式排種器攫取種子過程分析[J].農機化研究,2012(7):70-72.

[4] 中國農機研究所.實用機械設計手冊(上)[K].北京:機械工業出版社,1998.

[5] 陳立東.氣吸式排種器性能參數設計及其對排種質量影響的試驗研究[D].大慶：黑龍江八一農墾大學,2006.

[6] 劉文忠.氣吸式排種裝置排種性能試驗研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學大學,2008.

[7] GB/T6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法[S].中華人民共和國標準.

[8] 趙湛.氣吸滾筒式排種器吸種過程的動力學分析[J].農業工程學報,2011(7):112-113.

Experimental Study on a Kind of Double Air-way Suction Cotton Seeder

Yang Jin, Zhang Jinguo, Zhao Jin, Zhou Guolong, Wang Hongwei, Zhao Xiaoshun, Han Zile

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China)

Introduce a kind of double air-way suction cotton seeder, through open one of air-way or both of them at the same time,it can rapid adjust grain number from one to three. By measuring the three dimensions size of different varieties of cotton seeds, we determine the size of the metering plate; According to the main factors that influence the performance and efficiency of seed-metering device, we had a test in the laboratory, according to the test data, it is concluded that the air suction cotton seeder is be used better when diameter of suction hole is 3 mm, rotational speed is 30 r/min and vacuum degree is 4.5 kPa.

cotton;seed-metering device; number of dibbling grain; double air-way; bench test

2016-04-07

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B00)

楊 進(1987-)，男，河北秦皇島人，碩士研究生， (E-mail)yangjinbcd@163.com。

張晉國(1957-)，男，石家莊人，教授，博士生導師，(E-mail)zhangjinguo@hebau.edu.cn。

S223.2+5;S220.3

A

1003-188X(2017)05-0176-05