一器雙排交錯(cuò)排種器及開(kāi)溝裝置的設(shè)計(jì)及其機(jī)制

王 玨， 楊 欣， 侯為康， 王建合， 何建華， 張 亮

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定 071001； 2.河北省農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)總站，河北石家莊 051001)

通信作者：楊 欣，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究。E-mail：yangxin@hebau.edu.cn。

棉花是我國(guó)主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，是紡織工業(yè)的主要原料，也是人們的生活必需品，棉花生產(chǎn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[1]。河北省地處我國(guó)黃河流域優(yōu)勢(shì)棉產(chǎn)區(qū)北界，棉花種植面積占全國(guó)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(shì)。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(yè)，該模式機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度極大[3-4]。在國(guó)家棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系推動(dòng)下，我國(guó)新疆地區(qū)棉花種植機(jī)械化水平得到大幅提升。2014年新疆地方系統(tǒng)棉花機(jī)播水平達(dá)99.31%，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)棉花機(jī)播達(dá)到100%[5]。據(jù)目前國(guó)內(nèi)幾種主要使用的采棉機(jī)機(jī)型收獲作業(yè)技術(shù)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(shù)和產(chǎn)量，新疆多采用(66+10)cm的種植模式。

為了使棉花實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采收，河北省棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系借鑒新疆的種植模式，并結(jié)合河北省當(dāng)?shù)貤l件推行的(68+8)cm寬窄行種植模式，同時(shí)進(jìn)行錯(cuò)位種植使棉株呈規(guī)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(shè)計(jì)一種一器雙排交錯(cuò)排種器及開(kāi)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(shè)計(jì)和工作質(zhì)量的重要指標(biāo)[7-8]，基于這些指標(biāo)進(jìn)行理論分析，確定關(guān)鍵參數(shù)；并對(duì)棉花雙排交錯(cuò)精量排種器進(jìn)行排種機(jī)制的解析，構(gòu)建排種器主要工作過(guò)程的充種、清種、護(hù)種、投種的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型；最后進(jìn)行田間試驗(yàn)，驗(yàn)證其性能指標(biāo)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)

根據(jù)機(jī)采棉種子的特性和棉花播種單體的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)棉花一器雙排交錯(cuò)排種器及開(kāi)溝裝置[9]。該裝置由開(kāi)溝器、箱體、排種輪、排種軸、毛刷輪、毛刷軸、護(hù)種板、清種板、清種合頁(yè)裝置、密封裝置組成(圖1)。

在箱體的空腔內(nèi)通過(guò)排種軸錯(cuò)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(gè)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(cè)上方使用毛刷軸對(duì)稱配裝左右毛刷輪；左右護(hù)種板對(duì)稱配裝在箱體側(cè)壁上，左右護(hù)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(hù)種板的下端，通過(guò)雙頭螺栓對(duì)稱固定在箱體上，弧形端相切于排種輪的清種槽內(nèi)，清理從護(hù)種板回轉(zhuǎn)下來(lái)的種子。開(kāi)溝器配裝在箱體下端，其前連接板通過(guò)U型螺栓與機(jī)架前橫梁連接，牽引播種單體前進(jìn)作業(yè)，為排種器開(kāi)溝。合頁(yè)裝置安裝在箱體后下方，在播種完成后，可打開(kāi)合頁(yè)，清理箱體里剩余的種子。

1.2 工作原理

機(jī)具作業(yè)時(shí)，開(kāi)溝器提前開(kāi)溝，左右排種輪隨著排種軸在外力的作用下作圓周回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于自身的重力，棉籽分別進(jìn)入左右排種軸窩眼內(nèi)，且隨排種輪作圓周運(yùn)動(dòng)。左右毛刷輪可以清理掉多余的棉籽，只保留下窩眼內(nèi)的2～3粒種子。緊接著左右護(hù)種板保護(hù)棉籽回轉(zhuǎn)到水平及以下位置(此時(shí)不會(huì)由于自身的重力和慣性提前掉落)，當(dāng)棉籽到達(dá)左右清種板區(qū)域時(shí)，左右清種板清理掉窩眼內(nèi)的棉籽，棉籽掉落在種槽內(nèi)，完成1次播種周期。由于錯(cuò)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(shí)現(xiàn)雙行錯(cuò)位播種。

2 一器雙排交錯(cuò)排種器及開(kāi)溝裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 排種器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

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(shù)直接影響型孔的大小和形狀。本研究選取新陸早32號(hào)棉籽進(jìn)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(jù)棉籽的粒型特點(diǎn)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(duì)種子的損傷的半球形形狀的型孔帶有倒角，根據(jù)技術(shù)要求，每個(gè)型孔須要容納(2±1)粒種子，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，按2粒分析計(jì)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(jù)經(jīng)驗(yàn)，化簡(jiǎn)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(shí)際設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)也尤為重要，設(shè)計(jì)得較大會(huì)導(dǎo)致排種器及其他部件增大；設(shè)計(jì)得太小會(huì)導(dǎo)致充種困難。因此，排種輪直徑設(shè)計(jì)時(shí)，既要滿足種子良好的填充性能，又要保證相對(duì)合理的部件結(jié)構(gòu)，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(shù) 型孔數(shù)量與排種輪線速度vp，機(jī)具作業(yè)速度vm，排種輪直徑D等有以下關(guān)系：

E=πD(1+δ)vm/(vpL)。

(4)

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

由“3.1”節(jié)可知，排種輪線速度不能大于0.161 7 m/s，取vp=0.1 m/s，設(shè)計(jì)中取播種機(jī)前進(jìn)作業(yè)速度vm=3.0 km/h，穴距L=28.0 mm，地輪滑移率δ=10%，得型孔數(shù)E=12。

2.2 開(kāi)溝器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，為了增加開(kāi)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(shí)，入土能力強(qiáng)，工作阻力小，但會(huì)導(dǎo)致鏵尖過(guò)長(zhǎng)，強(qiáng)度和耐磨性差，同時(shí)溝槽深度也不夠；其值較大時(shí)，強(qiáng)度和溝槽深度能達(dá)到要求，但是入土能力不足，前進(jìn)阻力也比較大。所以，必須選擇合適的入土角。試驗(yàn)研究表明，芯鏵式開(kāi)溝器入土角在15°～25°最合適，此設(shè)計(jì)選擇的入土角α=25°。

入土隙角ε是土壤表面和開(kāi)溝器底面構(gòu)成的夾角，開(kāi)溝器入土性能也受ε值的影響。ε值過(guò)小，入土能力較差，增大了摩擦阻力致使底面磨損嚴(yán)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(kāi)溝器的斜切角過(guò)大，雜物不易通過(guò)，容易造成纏掛和堵塞；斜切角過(guò)小時(shí)，切斷雜物的能力較弱，斜切角一般取60°～75°，本設(shè)計(jì)中斜切角γ=60°。鏵高H過(guò)高會(huì)壅土增加工作阻力，本研究中鏵高取H=140 mm。開(kāi)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(kāi)溝器幅寬B=120 mm。

3 排種過(guò)程力學(xué)分析

窩眼輪排種器作業(yè)時(shí)，可以分為充種過(guò)程、清種過(guò)程、護(hù)種過(guò)程和投種過(guò)程，且分別對(duì)應(yīng)在4個(gè)區(qū)域內(nèi)完成[11]，具體情況如圖3所示。設(shè)計(jì)排種器時(shí)，有必要對(duì)4個(gè)過(guò)程進(jìn)行力學(xué)分析計(jì)算，為尺寸參數(shù)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

3.1 充種過(guò)程力學(xué)分析

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

當(dāng)排種輪作業(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，流經(jīng)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(jié)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(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，離心力P增大，大于重力G和F的合力，種子將無(wú)法落入型孔內(nèi)，導(dǎo)致充種率下降。種子的中心恰巧運(yùn)動(dòng)到型孔的另一邊時(shí)是臨界狀態(tài)，把這時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為極限圓周速度。

如圖5所示，由運(yùn)動(dòng)學(xué)原理可知，種子落入型孔的過(guò)程可分為沿型孔切線的勻速運(yùn)動(dòng)和法線的勻加速運(yùn)動(dòng)。假設(shè)尖端向下，種子充種用時(shí)為t，則通過(guò)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(zhǎng)度，m；棉花光籽尺寸為0.009 m；bmax表示最大寬度，m；t表示時(shí)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(shù)據(jù)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(guò)程力學(xué)分析

在窩眼輪排種器中，清種過(guò)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(lái)，種子破碎也多發(fā)生在此過(guò)程中[13]。因此，有必要研究種子在此狀況下的受力情況，結(jié)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(duì)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(dāng)種子處于平衡狀態(tài)時(shí)可得：

(10)

受力分析可知，棉籽不被夾住的力學(xué)關(guān)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(yīng)該不小于φ1與φ2之差。為解決種子被夾住或夾壞，可以通過(guò)改變排種輪的材料來(lái)縮減動(dòng)摩擦因數(shù)μ1，但這會(huì)增加種子相對(duì)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(lái)加大α值。

由圖6的幾何關(guān)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(shè)計(jì)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(shù)值到公式(16)得α取值在24.2°～32.9°，本研究取α=30°。

3.3 護(hù)種過(guò)程力學(xué)分析

種子在護(hù)種過(guò)程下的受力情況如圖7所示。由此可知，種子在護(hù)種過(guò)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(hù)種板作用在種子上的力，N；m表示種子的質(zhì)量，kg；R表示種子與排種軸間的長(zhǎng)度，mm；ω排種輪角速度，n/min。

種子作圓周運(yùn)動(dòng)，按“3.1”節(jié)的結(jié)果線速度按 0.161 7 m/s 計(jì)算，種子的千粒質(zhì)量為95 g，可知F遠(yuǎn)小于種子能夠承受的最小載荷13.7 N[14]，得在護(hù)種區(qū)種子不會(huì)被壓碎。

3.4 投種過(guò)程力學(xué)分析

種子在投種過(guò)程中的受力情況如圖8所示，由此可知種子在護(hù)種過(guò)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(dāng)T=0時(shí)，即種子還沒(méi)有碰到清種板就下落，此種情況為理想效果，投種質(zhì)量最好；當(dāng)T≠0時(shí)，即種子沒(méi)有自由下落，而是依靠清種板推送強(qiáng)制下落，以防止漏播。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件及方法

參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[15]的標(biāo)準(zhǔn)，于2016年4月初棉花種植季節(jié)在河北省石家莊鹿泉試驗(yàn)田進(jìn)行作業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示。石家莊市鹿泉區(qū)(38°01′N(xiāo)，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(wú)霜期191 d，土壤類(lèi)型為褐土，屬于半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候[15]。試驗(yàn)時(shí)，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(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 穴粒數(shù)測(cè)定 根據(jù)農(nóng)藝和旋播機(jī)技術(shù)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(cè)定時(shí)按照雙粒播種試驗(yàn)方法，種子之間小于10 cm按1穴計(jì)算，每穴種子多于3粒按多粒計(jì)算。

由于機(jī)具是膜下播種，作業(yè)完成后，把地塊分為5個(gè)長(zhǎng)條區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域中找到播種行，在中間選取1點(diǎn)，以此點(diǎn)為始。移開(kāi)薄膜，撥走土壤，連續(xù)測(cè)50個(gè)種穴，記錄好每穴種粒數(shù)。分析計(jì)算數(shù)據(jù)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(jī)具作業(yè)速度為3.0 km/h時(shí)，排種器的部分性能指標(biāo)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(cè)定 測(cè)定范圍應(yīng)在播種起始位置的 20 m 之外，測(cè)量長(zhǎng)度大于理論設(shè)計(jì)的250個(gè)穴距長(zhǎng)度。機(jī)具理論穴距Xr為280 mm。利用習(xí)慣統(tǒng)計(jì)法，反映穴距均勻性的指標(biāo)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(jì)算公式如下

(19)

(20)

(21)

式中：n1表示合格穴距數(shù)量；n2表示漏播穴距數(shù)量；n3表示重播穴距數(shù)量；N表示實(shí)測(cè)穴距數(shù)量。

把測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后代入公式(19)～(21)中，匯總結(jié)果如表2所示。

表2 播種質(zhì)量指標(biāo)

為更加直觀地判斷所測(cè)穴距與理論穴距的分布情況，對(duì)250個(gè)穴距樣本進(jìn)行編號(hào)，繪制成圖10。從圖10可以看出，大部分測(cè)量值趨于理論值上下，不合格的樣本數(shù)較少，說(shuō)明穴距合格率較高，粒距均勻性優(yōu)良，機(jī)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(yīng)滿足本地農(nóng)藝要求的播深，播深合格，則相應(yīng)苗期長(zhǎng)勢(shì)好、整齊。依據(jù)GB/T6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[15]，檢測(cè)設(shè)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(gè)樣本區(qū)段，1個(gè)樣本隨機(jī)選取20穴測(cè)定播深；總數(shù)為100個(gè)樣本，測(cè)量播深，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 播深合格率

雖然田間試驗(yàn)可能會(huì)受到環(huán)境、操作、人為等一系列因素的影響，導(dǎo)致一些差異，但總體上來(lái)講，該機(jī)具播種性能達(dá)到了國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，符合棉花產(chǎn)業(yè)體系及農(nóng)藝技術(shù)要求[16-17]，能夠滿足現(xiàn)階段棉花種植的需求。

5 結(jié)論

本研究結(jié)合河北省推行的種植模式，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出一種棉花雙排交錯(cuò)精量播種開(kāi)溝組合裝置，通過(guò)排種軸錯(cuò)位15°裝配左、右排種輪，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)位播種。通過(guò)分析計(jì)算，確定了棉花雙排交錯(cuò)精量排種器和開(kāi)溝裝置關(guān)鍵部件的參數(shù)；對(duì)棉花雙排交錯(cuò)精量排種器進(jìn)行排種機(jī)制解析，構(gòu)建排種器主要工作過(guò)程的充種、清種、護(hù)種、投種的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型。本研究進(jìn)行了田間試驗(yàn)和性能鑒定檢測(cè)，結(jié)果表明，棉花雙排交錯(cuò)精量播種開(kāi)溝組合裝置穴距合格指數(shù)為94.8%，重播指數(shù)為4.4%，漏播數(shù)為0.8%。性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)。

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