油菜排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

趙明明，胡 軍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319 )

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油菜排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

趙明明，胡 軍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319 )

北方春油菜多數(shù)以條播為主，但此播種方法浪費(fèi)種子，不能達(dá)到油菜的播種要求。為此，以北方油菜種子雜303號(hào)油菜種子為試驗(yàn)材料，通過對(duì)油菜種子物理特性的研究，設(shè)計(jì)了窩眼輪式排種器，并對(duì)排種器進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，研究了轉(zhuǎn)速、種子盒內(nèi)種子容積對(duì)排量和破損率的影響。試驗(yàn)表明：窩眼輪轉(zhuǎn)速和種子盒內(nèi)種子容積對(duì)排量和破損率影響顯著；窩眼輪轉(zhuǎn)速為35.73r/min時(shí)，窩眼輪的排種量隨種子盒內(nèi)種子容積的增加而增大，種子的破損率隨種子盒內(nèi)種子容積的增加而增大；當(dāng)種子盒內(nèi)種子的容積占種子盒容積的2/3時(shí)，窩眼輪的排種量隨窩眼輪轉(zhuǎn)速的增大而減少，種子的破損率隨窩眼輪轉(zhuǎn)速的增大而增大。該排種器播種精度高，可滿足春油菜的播種要求。

油菜；排種器；轉(zhuǎn)速；破損率

0 引言

播種作為作物生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，播種質(zhì)量在很大程度上決定作物的產(chǎn)量[1]。我國(guó)是油菜種植大國(guó)，油菜常年種植面積在0.07億hm2左右，總產(chǎn)量約1 200萬t。油菜不但出油率高，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，而且是很好的輪作倒茬作物[2]。

排種器是播種機(jī)的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)的播種機(jī)排種器有外槽輪式、氣力式、磨紋式、型孔盤式、窩眼輪式及指夾式等[3]，常用于玉米、大豆及小麥等大中粒種子播種，其播種質(zhì)量效果穩(wěn)定，但在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)油菜、花卉等小粒種子難以精量播種，功能單一，通用性差[4]。許多專家和學(xué)者對(duì)油菜播種進(jìn)行研究，并取得了一些成果。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)徐金剛設(shè)計(jì)了雙低油菜精準(zhǔn)直播窩眼式排種器，得到了轉(zhuǎn)速越高，排種均勻性越差、播量越不穩(wěn)定、破損指數(shù)也越大的結(jié)論[5]。 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙進(jìn)輝設(shè)計(jì)了油菜免耕直播排種器，并進(jìn)行試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：隨著轉(zhuǎn)速的增加，油菜排種器的播量減少，而油菜排種器的均勻性變異系數(shù)和破碎率增大[6]。雖然許多排種器能夠?qū)崿F(xiàn)油菜的機(jī)械播種，但破損率高、播種精度較低，不能大面積推廣和使用。

針對(duì)上述問題，根據(jù)油菜的物理特性，本文設(shè)計(jì)了窩眼輪式排種器。窩眼輪式排種器具有通用性好、排種性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投種高度低等優(yōu)點(diǎn)，適合油菜的播種要求。

1 排種器的結(jié)構(gòu)及工作原理

窩眼輪式油菜排種器主要由排種器殼體、排種輪、排種輪軸和護(hù)種板或者清種毛刷等構(gòu)成[7]，如圖1所示。

1.種子盒 2.刮種舌 3.毛刷輪 4.護(hù)種板 5.排種輪軸 6.排種輪 7.支架

工作時(shí)，種子從種子盒1經(jīng)輸種管靠自重流入并充滿排種器的容種腔中，進(jìn)而充入窩眼輪上的型孔中；當(dāng)種子被窩眼輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)至與刮種舌接觸時(shí)，刮種舌將型孔周圍未充入型孔及半充入型孔的種子清除并使之返回容種腔中重新充種；充入型孔中的種子隨著轉(zhuǎn)動(dòng)窩眼輪的帶動(dòng)轉(zhuǎn)過刮種舌后，在離心力和重力的作用下逐漸脫離型孔與護(hù)種板接觸，進(jìn)而被導(dǎo)入導(dǎo)種筒內(nèi)，種子在導(dǎo)種筒拋物線工作面滑過，以“零速”被平穩(wěn)地投入種床,再經(jīng)過覆土裝置進(jìn)行覆土，完成播種作業(yè)[8]。

2 排種器主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

我國(guó)油菜主要分為冬油菜和春油菜兩大類。春油菜主要種植在華北長(zhǎng)城一帶及東北地區(qū)，占全國(guó)種植面積的15%左右。近年來，由于油菜的具有油率高、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高及抗焊性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大農(nóng)民的青睞。通過對(duì)雜303號(hào)油菜種子的物理特性進(jìn)行研究，針對(duì)春油菜的物理特性，本文設(shè)計(jì)了窩眼輪式排種器，來專門適應(yīng)我國(guó)春油菜的播種農(nóng)藝要求。

2.1 窩眼輪型孔形狀的選擇

提高排種器充種性能是改善單粒排種精度和提高播種速度的有效方法[9]。 窩眼輪型孔按照形狀分為錐柱形和圓柱形，如圖2所示。錐柱形型孔便于種子充填，減少刮種時(shí)種子損傷，所以具有較好的充種能力。錐柱形型孔采用開口錐形設(shè)計(jì)，其錐面能夠減小種子的滑出阻力，降低種子堵塞型孔的概率，進(jìn)而減小種子受擠壓破損的可能，降低種子的破損率。所以，本設(shè)計(jì)中的窩眼輪型孔形狀選擇錐柱形型孔。

圖2 窩眼輪型孔形狀示意圖

2.2 窩眼輪型孔數(shù)目的計(jì)算

窩眼輪同一圓周上型孔的數(shù)目與窩眼輪直徑、機(jī)組前進(jìn)速度、窩眼輪轉(zhuǎn)速和株距都有直接關(guān)系。設(shè)同一圓周上分布的型孔數(shù)目為Z，則[5-10]

(1)

式中n—地輪上的鏈輪和排種器上的鏈輪的傳動(dòng)比；

D1—地輪直徑，此處取D1=560mm；

S—播種穴距(m)；

δ—地輪的滑移率(一般取5%～12%)，此處取δ=12%。

窩眼輪的半徑R=50mm是一定的，如果同一圓周上分布的型孔數(shù)太多，就會(huì)使兩個(gè)型孔間的距離過小，會(huì)影響株距的準(zhǔn)確性；如果型孔數(shù)量過少，則相同轉(zhuǎn)速下播種量較少。因此，本設(shè)計(jì)中選定窩眼輪同一圓周上型孔的數(shù)量為Z=24，然后根據(jù)不同的株距S確定傳動(dòng)比，即通過改變傳動(dòng)比來改變窩眼輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變株距，同時(shí)播量也會(huì)改變[11]。

表1 排種系統(tǒng)的工作參數(shù)

2.3 窩眼輪型孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

型孔結(jié)構(gòu)是影響充種率的主要因素[12]。春油菜的播種農(nóng)藝要求是5 250g/hm2，已知雜303號(hào)油菜種子的千粒質(zhì)量為3.03g,窩眼輪的型孔數(shù)目為24個(gè)時(shí)，每個(gè)型孔所容納的種子數(shù)目為5粒。油菜種子三軸平均直徑為1.7mm，那么當(dāng)型孔直徑為φ4mm、深2.5mm、底部成120°角時(shí)，排種盤轉(zhuǎn)50轉(zhuǎn)的理論排種量為18.18g；而對(duì)加工出來的型孔進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，測(cè)得排種量為19.1g, 相當(dāng)于平均每個(gè)型孔中容納種子的粒數(shù)為5.34粒種子，比理論值多0.34粒種子。因此，在此試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了3種不同尺寸的型孔進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以確定最終的型孔結(jié)構(gòu)[13]。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

表2 不同型孔尺寸的試驗(yàn)結(jié)果

這3種型孔的卡種次數(shù)依次為3、2、1，說明型孔的錐度越大，種子排種時(shí)越容易從型孔中下落，且要求實(shí)際排量與理論排量相一致。最后，本設(shè)計(jì)的窩眼輪結(jié)構(gòu)確定為型孔頂部圓直徑為φ4.6mm，型孔底部圓直徑為φ3.5mm，孔深2.8mm ，型孔底部成120°角。型孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.4 導(dǎo)種筒的設(shè)計(jì)

導(dǎo)種筒是實(shí)現(xiàn)精密播種的關(guān)鍵性部件之一，能夠減少種子在種床內(nèi)的彈跳，提高種子在種床內(nèi)粒距分布的均勻性。按“零速投種”原理，就要使種子在水平方向的分速度為0，即種子著床時(shí)的絕對(duì)速度與地面的夾角β(著地角)為90°。經(jīng)過前人反復(fù)地進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)證明：在著地速度不是很小的情況下，種子的著地角β不是90°最佳，而是明顯地小于90°，約80°左右[14]。其工作參數(shù)如表3所示。

圖3 型孔結(jié)構(gòu)示意圖

窩眼輪直徑D/mm轉(zhuǎn)速n/r·min-1種子與導(dǎo)種筒摩擦系數(shù)μ著地角β/(°)著地速度va/m·s-1播種機(jī)前進(jìn)速度vm/m·s-110054．80．4771．21．94

根據(jù)以下公式，求出導(dǎo)種筒工作曲線的方程，確定導(dǎo)種筒的工作面的形狀。

相對(duì)初速度值為

(2)

種子離開導(dǎo)種筒出口的相對(duì)速度vr為

(3)

取導(dǎo)種筒出口點(diǎn)的坐標(biāo)為圓點(diǎn)(X=0.15m，Y=0.27m)，則在這個(gè)坐標(biāo)下種子離開導(dǎo)種筒口的相對(duì)速度為

(4)

用速度三角形表示，如圖4所示。

圖4 速度三角形

(5)

根據(jù)公式(2)～式(5)[15]，得到v0=0.287m/s,vr=2.04m/s,v=2.05m/s,β=77.6°。利用式(6)～式(7)確定曲線參數(shù)，拋物線頂點(diǎn)的縱坐標(biāo)h和拋物線頂點(diǎn)的橫坐標(biāo)b，則

(6)

(7)

解得：b=197.680 5mm,h=286.689 2mm。

導(dǎo)種筒工作曲線方程為

Y=2.9X-0.007 3X2

圖5 導(dǎo)種筒工作變化曲線圖

根據(jù)工作曲線得到導(dǎo)種筒的坐標(biāo)如表4所示。

表4 導(dǎo)種筒工作曲線坐標(biāo)

3 臺(tái)架試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 儀器和設(shè)備

電子天平(精度為0.001g),游標(biāo)卡尺(精度為0.02mm),窩眼輪式排種器，機(jī)架，調(diào)速電機(jī)，JTZ1控制器(調(diào)速范圍為0～1 200r/min),電動(dòng)機(jī)等。

3.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選擇的油菜種子為雜303號(hào)油菜種子，清潔度99.25%。該油菜種子產(chǎn)量高、籽粒大，種植面積廣，含油率在40%～45%之間,是較好的油菜品種。雜303號(hào)油菜種子的物理特性如表5所示。

表5 油菜種子物理特性

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 排量的測(cè)定

每一組測(cè)定時(shí)間60s，用塑料杯收集排出的種子分別稱量，試驗(yàn)轉(zhuǎn)分別為 26.75、35.73、54.84r/min取3個(gè)水平，每個(gè)水平下重復(fù)5組。利用電子天平稱出各出排出種子的凈質(zhì)量，并記錄試驗(yàn)結(jié)果[16]。

轉(zhuǎn)速和種子盒內(nèi)種子容積對(duì)排量的影響顯著，如圖6所示。

圖6 排量隨種子容積的變化規(guī)律

由圖6可知：曲線呈上升趨勢(shì)，即當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著種子容積的增大，窩眼輪相同轉(zhuǎn)數(shù)的排種量不斷增大。這是因?yàn)楫?dāng)種子容積變大時(shí)，與窩眼輪表面接觸的種子受到種子間相互擠壓力的作用增大，種子充入型孔的機(jī)率較大，被帶入到護(hù)種區(qū)的種子增多，進(jìn)而使得排種量變大。

排量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)種子盒內(nèi)種子容積一定時(shí)，隨著窩眼輪轉(zhuǎn)速的增大，其排種量不斷減少。這是由于轉(zhuǎn)速增大時(shí)，在充種區(qū)內(nèi)種子的充種時(shí)間縮短，種子進(jìn)入型孔的機(jī)率減小，所以被帶入到護(hù)種區(qū)的種子減少，進(jìn)而造成排種量減少。

圖7 排量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

3.3.2 破損率的測(cè)定

每一組測(cè)量時(shí)間300s，將排出的種子收集到一起，選出其中破碎損傷的種子稱其質(zhì)量，計(jì)算破碎種子質(zhì)量占樣本總質(zhì)量的百分比，再減去試驗(yàn)前測(cè)定的原始破碎率[16]。

破損率隨種子容積的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知：隨著種子盒內(nèi)種子容積的增加，種子破損率加大。這是因?yàn)楫?dāng)種子容積增大時(shí)，還沒有完全進(jìn)入型孔中的種子受到種子間相互擠壓力的作用增大，當(dāng)窩眼輪轉(zhuǎn)到清種區(qū)時(shí)，受到型孔與刮種舌下邊沿的剪切作用較大，因而破損率增大。

圖8 破損率隨種子容積的變化規(guī)律

破損率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知：隨著窩眼輪轉(zhuǎn)速的升高，破損率會(huì)隨之升高，特別是高轉(zhuǎn)速工作下破損率明顯增大。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，還沒有完全進(jìn)入型孔的種子進(jìn)入護(hù)種區(qū)受窩眼輪和外殼的擠壓摩擦造成的破損越嚴(yán)重，還有型孔與刮種舌下邊沿的剪切作用，導(dǎo)致其破損率增大。

圖9 破損率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

4 結(jié)論

1)通過對(duì)不同尺寸型孔的充排種性能試驗(yàn)可知：當(dāng)窩眼輪型孔結(jié)構(gòu)為型孔頂部圓直徑φ4.6mm、型孔底部圓直徑φ3.5mm、孔深2.8mm、型孔底部成120°時(shí)，型孔的充排種性能較好，并且隨著錐度的增大，種子在型孔中卡種的幾率變小。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)窩眼輪轉(zhuǎn)速為35.73r/min、種子盒內(nèi)裝滿種子時(shí)，排種器每公頃排種量為3 360.15g，種子破損率為1.49%，滿足油菜播種要求。

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Design and Experimental Research on Metering Device for Rape Seed

Zhao Mingming, Hu Jun

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319， China)

In general, most northern spring rape is given priority with drilling, but this sowing method is a waste of seed, and cannot meet the requirements of rape seeds. In this paper, taking the northern rape seeds 303 hybrid rape seeds as the experimental material, through the study of physical characteristics on rape seed, the eye socket wheel device has been designed, and static test was carried out on the metering device with the speed, the seed box volume on the displacement and the influence of the damaging rate. Test results showed that: the eye socket wheel speed and seed box volume have a significantly influence on displacement and the damaging rate. Eye socket wheel speed is 35.73 r/min, with the increase of the seed box volume, the eye socket round metering quantity increases, with the increase of the seed box volume, the damage rate of corn seed increases; when the seed box volume accounts for two-thirds of the seed box volume, eye socket round metering quantity decrease with litter of eye wheel speed increase, damage rate of corn seed with eye wheel speed increases. The sowing device is in high precision, it is easy to satisfy the requirement of the spring rape planting.

rape seed; metering device; speed; the damaging rate

2016-06-18

黑龍江省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目 (2014TD010)

趙明明(1991-),女，黑龍江肇東人，碩士研究生，(E-mail) 1812107200@qq.com。

胡 軍(1972-)，男，江蘇新沂人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)gcxykj@126.com。

S223.2+6；S220.3

A

1003-188X(2017)08-0127-06