一器雙排交錯排種器及開溝裝置的設計及其機制

王 玨， 楊 欣， 侯為康， 王建合， 何建華， 張 亮

(1.河北農業大學機電工程學院，河北保定 071001； 2.河北省農機化技術推廣服務總站，河北石家莊 051001)

通信作者：楊 欣，博士，教授，主要從事農業機械設計研究。E-mail：yangxin@hebau.edu.cn。

棉花是我國主要的經濟作物之一，是紡織工業的主要原料，也是人們的生活必需品，棉花生產在農業生產中占有重要地位[1]。河北省地處我國黃河流域優勢棉產區北界，棉花種植面積占全國的10%，具有十分重要的地位[2]。但近幾年，河北省棉花種植面積呈逐年下降趨勢。造成棉花種植面積減少的重要原因之一是棉花種植、管理和收獲等主要靠人工作業，該模式機械化程度低、勞動強度極大[3-4]。在國家棉花產業技術體系推動下，我國新疆地區棉花種植機械化水平得到大幅提升。2014年新疆地方系統棉花機播水平達99.31%，新疆生產建設兵團棉花機播達到100%[5]。據目前國內幾種主要使用的采棉機機型收獲作業技術要求，棉花種植行距必須是76 cm等行距種植模式，為了增加單位面積的株數和產量，新疆多采用(66+10)cm的種植模式。

為了使棉花實現機械化采收，河北省棉花產業技術體系借鑒新疆的種植模式，并結合河北省當地條件推行的(68+8)cm寬窄行種植模式，同時進行錯位種植使棉株呈規律性的等腰三角形排列[6]。

為了滿足新種植模式棉花的播種要求，設計一種一器雙排交錯排種器及開溝裝置。排種器的充排種能力、排種精度和排種效率等是衡量其設計和工作質量的重要指標[7-8]，基于這些指標進行理論分析，確定關鍵參數；并對棉花雙排交錯精量排種器進行排種機制的解析，構建排種器主要工作過程的充種、清種、護種、投種的運動學與動力學模型；最后進行田間試驗，驗證其性能指標。

1 結構及工作原理

1.1 主要結構理論基礎

根據機采棉種子的特性和棉花播種單體的技術要求，設計棉花一器雙排交錯排種器及開溝裝置[9]。該裝置由開溝器、箱體、排種輪、排種軸、毛刷輪、毛刷軸、護種板、清種板、清種合頁裝置、密封裝置組成(圖1)。

在箱體的空腔內通過排種軸錯位15°配裝左排種輪和右排種輪；左排種輪和右排種輪上分別均勻分布12個能存放2～3 粒棉花種子的窩眼，并且2排窩眼之間的距離是8 cm。在箱體側上方使用毛刷軸對稱配裝左右毛刷輪；左右護種板對稱配裝在箱體側壁上，左右護種板上端與左右毛刷輪緊貼，下方與左右排種輪相切；右清種板和左清種板放置在左右護種板的下端，通過雙頭螺栓對稱固定在箱體上，弧形端相切于排種輪的清種槽內，清理從護種板回轉下來的種子。開溝器配裝在箱體下端，其前連接板通過U型螺栓與機架前橫梁連接，牽引播種單體前進作業，為排種器開溝。合頁裝置安裝在箱體后下方，在播種完成后，可打開合頁，清理箱體里剩余的種子。

1.2 工作原理

機具作業時，開溝器提前開溝，左右排種輪隨著排種軸在外力的作用下作圓周回轉運動。由于自身的重力，棉籽分別進入左右排種軸窩眼內，且隨排種輪作圓周運動。左右毛刷輪可以清理掉多余的棉籽，只保留下窩眼內的2～3粒種子。緊接著左右護種板保護棉籽回轉到水平及以下位置(此時不會由于自身的重力和慣性提前掉落)，當棉籽到達左右清種板區域時，左右清種板清理掉窩眼內的棉籽，棉籽掉落在種槽內，完成1次播種周期。由于錯位15°配裝左排種輪和右排種輪，并且2排窩眼之間的距離是8 cm，最終實現雙行錯位播種。

2 一器雙排交錯排種器及開溝裝置結構參數

2.1 排種器基本結構參數

2.1.1 排種輪型孔形狀 排種輪型孔尺寸受不同作物、不同種子和不同播種精度的影響，種子的物理特征、參數直接影響型孔的大小和形狀。本研究選取新陸早32號棉籽進行研究，脫絨棉棉籽的外形接近橢球體，但棉籽兩端差異很大，其中一端呈錐形，另一端呈半圓球狀，而且脫絨棉棉籽籽皮有部分凹陷和凸起。根據棉籽的粒型特點將棉籽的粒型基本界定在圓錐形和橢圓形之間。

本研究選取的有助于充種和減輕清種板對種子的損傷的半球形形狀的型孔帶有倒角，根據技術要求，每個型孔須要容納(2±1)粒種子，設計計算時，按2粒分析計算，型孔的直徑d和高度h要滿足：

(1)

式中：d為型孔直徑，mm；h為型孔深度，mm；lmax為棉花籽最大尺寸，mm；lmin為棉花籽最小尺寸，mm；K為間隙，mm。

根據經驗，化簡得：

d≈1.1lmax～1.3lmax；

(2)

h≈0.9lmax～1.1lmax。

(3)

取lmax≈9 mm，代入公式(2)與公式(3)中，得d≈9.9～11.7 mm，h≈8.1～9.9 mm，實際設計中取d=10.0 mm，倒角為45°；h=8.5 mm。

2.1.2 排種輪直徑 排種輪直徑的設計也尤為重要，設計得較大會導致排種器及其他部件增大；設計得太小會導致充種困難。因此，排種輪直徑設計時，既要滿足種子良好的填充性能，又要保證相對合理的部件結構，窩眼式排種輪直徑一般為80～200 mm[10]，本研究選擇直徑為130 mm的排種輪。

2.1.3 型孔數 型孔數量與排種輪線速度vp，機具作業速度vm，排種輪直徑D等有以下關系：

E=πD(1+δ)vm/(vpL)。

(4)

式中：E為型孔數；D為排種輪直徑；δ為地輪滑移率；vm為機具作業速度；vp為排種輪線速度；L為穴距或株距。

由“3.1”節可知，排種輪線速度不能大于0.161 7 m/s，取vp=0.1 m/s，設計中取播種機前進作業速度vm=3.0 km/h，穴距L=28.0 mm，地輪滑移率δ=10%，得型孔數E=12。

2.2 開溝器基本結構參數

開溝器的結構簡圖如圖2所示，為了增加開溝器的耐磨性，使用3 mm厚的65錳鋼板制造。圖2中α為入土角，其值較小時，入土能力強，工作阻力小，但會導致鏵尖過長，強度和耐磨性差，同時溝槽深度也不夠；其值較大時，強度和溝槽深度能達到要求，但是入土能力不足，前進阻力也比較大。所以，必須選擇合適的入土角。試驗研究表明，芯鏵式開溝器入土角在15°～25°最合適，此設計選擇的入土角α=25°。

入土隙角ε是土壤表面和開溝器底面構成的夾角，開溝器入土性能也受ε值的影響。ε值過小，入土能力較差，增大了摩擦阻力致使底面磨損嚴重；ε值較大，致使溝槽底面不平，回土提前，ε值取5°～10°最合理，本研究中入土隙角ε=5°。γ為斜切角，芯鏵開溝器的斜切角過大，雜物不易通過，容易造成纏掛和堵塞；斜切角過小時，切斷雜物的能力較弱，斜切角一般取60°～75°，本設計中斜切角γ=60°。鏵高H過高會壅土增加工作阻力，本研究中鏵高取H=140 mm。開溝器幅寬B主要作用為控制壟作幅寬，由苗幅寬度決定，本開溝器幅寬B=120 mm。

3 排種過程力學分析

窩眼輪排種器作業時，可以分為充種過程、清種過程、護種過程和投種過程，且分別對應在4個區域內完成[11]，具體情況如圖3所示。設計排種器時，有必要對4個過程進行力學分析計算，為尺寸參數的進一步設計奠定理論基礎。

3.1 充種過程力學分析

充種過程中，種子群底層種子隨著排種輪的轉動而轉動，箱體內堆積的種子產生垂直壓力，從而產生摩擦力阻礙底層種子充種。此過程種子還受到諸多力的影響，為了便于分析計算，上層種子的厚度、空氣阻力和底層種子的轉矩等忽略不計[12]。

當排種輪作業轉動時，流經窩眼的棉籽，受重力G、離心力P和種群相互作用力F的作用，結果如圖4所示。

由圖4種子受力分析可得：

F+Gsinα-P=ma；

(5)

N-Gcosα=0。

(6)

由公式(5)、(6)可知，當轉速過大時，離心力P增大，大于重力G和F的合力，種子將無法落入型孔內，導致充種率下降。種子的中心恰巧運動到型孔的另一邊時是臨界狀態，把這時的轉速稱為極限圓周速度。

如圖5所示，由運動學原理可知，種子落入型孔的過程可分為沿型孔切線的勻速運動和法線的勻加速運動。假設尖端向下，種子充種用時為t，則通過的切線位移為

(7)

法向方向的位移為

(8)

合并公式(7)與公式(8)可得：

(9)

式中：v表示型孔的線速度，m/s；D表示型孔的直徑，m；h表示種子長度，m；棉花光籽尺寸為0.009 m；bmax表示最大寬度，m；t表示時間，s；棉籽尺寸為0.006 m；g表示重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2。

由“2.1.1”確定型孔直徑為10 mm，代入數據到公式(9)中，得型孔的極限線速度為v=0.161 7 m/s。

3.2 清種過程力學分析

在窩眼輪排種器中，清種過程存在3種互相作用的力，即種子、排種輪以及毛刷輪三者之間的作用力。多余的種子從排種輪與毛刷輪夾縫中被清除出來，種子破碎也多發生在此過程中[13]。因此，有必要研究種子在此狀況下的受力情況，結果如圖6所示。

毛刷輪切線與排種輪切線的夾角用β表示，種子與排種輪間的摩擦角用φ1表示，正壓力用N1表示，摩擦力用F1表示；O1、O2分別為種子與毛刷輪圓心；R1、R2分別為排種輪、毛刷輪對種子的支撐力與摩擦力的合力；r為毛刷輪半徑；種子與毛刷輪之間的摩擦角用φ2表示，正壓力用N2表示，摩擦力用F2表示。當種子處于平衡狀態時可得：

(10)

受力分析可知，棉籽不被夾住的力學關系為

F1≤N2sinα+F2cosα。

(11)

或者

(12)

則有

N1=N2cosα-F2sinα=N2cos(α+φ2)/cosφ2。

(13)

公式(12)與(13)變換后可得：

tanφ1≤tan(α+φ2)。

(14)

即

α≥φ1-φ2。

(15)

由公式(15)可得，種子不被毛刷輪與排種輪夾住，則夾角α值應該不小于φ1與φ2之差。為解決種子被夾住或夾壞，可以通過改變排種輪的材料來縮減動摩擦因數μ1，但這會增加種子相對排種輪的速度，從而影響充種性能，所以此方法不可用。另一種減小種子損傷的途徑是改變毛刷輪的反彈清種能力，加大毛刷輪摩擦力，或是減小毛刷輪直徑，用來加大α值。

由圖6的幾何關系可以求出：

(16)

式中：r0表示種子厚度，mm；r表示毛刷輪半徑，mm。

在本設計中r取值為70 mm，棉花種子厚度r0取值范圍為3.22～6.00 mm，代入數值到公式(16)得α取值在24.2°～32.9°，本研究取α=30°。

3.3 護種過程力學分析

種子在護種過程下的受力情況如圖7所示。由此可知，種子在護種過程中受到的合力為

F0=N0+G+P0=mRω2。

(17)

式中：F0表示種子所受合力，N；N0表示排種輪作用在種子上的力，N；G表示種子的重力，N；P0表示護種板作用在種子上的力，N；m表示種子的質量，kg；R表示種子與排種軸間的長度，mm；ω排種輪角速度，n/min。

種子作圓周運動，按“3.1”節的結果線速度按 0.161 7 m/s 計算，種子的千粒質量為95 g，可知F遠小于種子能夠承受的最小載荷13.7 N[14]，得在護種區種子不會被壓碎。

3.4 投種過程力學分析

種子在投種過程中的受力情況如圖8所示，由此可知種子在護種過程中受到的合力為

F=N+G+T。

(18)

式中：N表示排種輪作用在種子上的力，N；T表示清種板作用在種子上的力，N。當T=0時，即種子還沒有碰到清種板就下落，此種情況為理想效果，投種質量最好；當T≠0時，即種子沒有自由下落，而是依靠清種板推送強制下落，以防止漏播。

4 田間試驗

4.1 試驗條件及方法

參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[15]的標準，于2016年4月初棉花種植季節在河北省石家莊鹿泉試驗田進行作業試驗，結果如圖9所示。石家莊市鹿泉區(38°01′N，113°58′E)位于石家莊市西部，海拔492.0 m，年平均降水量578.5 mm，年平均溫度12.9 ℃，無霜期191 d，土壤類型為褐土，屬于半濕潤大陸性季風氣候[15]。試驗時，土壤含水率20%左右，地面坡度小于5°，比較平坦。空氣溫度平均為20°左右。

4.2 試驗結果與分析

4.2.1 穴粒數測定 根據農藝和旋播機技術要求，行距為(68+8)cm，穴距為28 cm，播深2～3 cm，每穴2～3粒種子，測定時按照雙粒播種試驗方法，種子之間小于10 cm按1穴計算，每穴種子多于3粒按多粒計算。

由于機具是膜下播種，作業完成后，把地塊分為5個長條區域，在每個區域中找到播種行，在中間選取1點，以此點為始。移開薄膜，撥走土壤，連續測50個種穴，記錄好每穴種粒數。分析計算數據可獲得雙粒率、3粒率、多粒率、單粒率以及空穴率(表1)。

由表1可知，在機具作業速度為3.0 km/h時，排種器的部分性能指標分別為雙粒率82.8%，3粒率9.6%，多粒率 2.0%，單粒率4.4%，空穴率1.2%。

4.2.2 穴距均勻性測定 測定范圍應在播種起始位置的 20 m 之外，測量長度大于理論設計的250個穴距長度。機具理論穴距Xr為280 mm。利用習慣統計法，反映穴距均勻性的指標有粒距合格率、漏播率、重播率。其中穴距在Xr±0.5Xr之間為合格，大于1.5Xr為漏播，小于0.5Xr為重播。本研究中小于140 mm為重播，大于420 mm為漏播。計算公式如下

(19)

(20)

(21)

式中：n1表示合格穴距數量；n2表示漏播穴距數量；n3表示重播穴距數量；N表示實測穴距數量。

把測量數據統計分析后代入公式(19)～(21)中，匯總結果如表2所示。

表2 播種質量指標

為更加直觀地判斷所測穴距與理論穴距的分布情況，對250個穴距樣本進行編號，繪制成圖10。從圖10可以看出，大部分測量值趨于理論值上下，不合格的樣本數較少，說明穴距合格率較高，粒距均勻性優良，機具播種性能良好。

4.2.3 播深一致性 為保證后期棉花出苗率，應滿足本地農藝要求的播深，播深合格，則相應苗期長勢好、整齊。依據GB/T6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[15]，檢測設備包括鋼尺、卷尺及取土鏟；沿播種幅寬，在田間依照S形選取5個樣本區段，1個樣本隨機選取20穴測定播深；總數為100個樣本，測量播深，統計數據見表3。

表3 播深合格率

雖然田間試驗可能會受到環境、操作、人為等一系列因素的影響，導致一些差異，但總體上來講，該機具播種性能達到了國家相關標準，符合棉花產業體系及農藝技術要求[16-17]，能夠滿足現階段棉花種植的需求。

5 結論

本研究結合河北省推行的種植模式，創新設計出一種棉花雙排交錯精量播種開溝組合裝置，通過排種軸錯位15°裝配左、右排種輪，實現錯位播種。通過分析計算，確定了棉花雙排交錯精量排種器和開溝裝置關鍵部件的參數；對棉花雙排交錯精量排種器進行排種機制解析，構建排種器主要工作過程的充種、清種、護種、投種的運動學與動力學模型。本研究進行了田間試驗和性能鑒定檢測，結果表明，棉花雙排交錯精量播種開溝組合裝置穴距合格指數為94.8%，重播指數為4.4%，漏播數為0.8%。性能指標均達到設計要求，滿足國家相關標準技術指標。

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