24穴棉花精量穴播器的設計與研究

彭 勇，溫浩軍※，潘佛雛，楊海濤

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.新疆科神農業裝備科技開發股份有限公司）

0 引言

新疆因其獨特的地理位置，夏季日照時間長、氣溫高，成為中國棉花最大的種植基地[1]。棉花的播種是棉花種植過程中最為關鍵的環節，目前新疆棉花種植機械主要采用機械式和氣吸式精量穴播器[2～3]，氣吸式穴播器結構復雜、易漏氣、耗能大；機械式穴播器結構簡單、加工成本低、配套適應性好，更適合新疆棉花種植發展的趨勢。但是，在目前常用的機械式穴播器中仍存在著卡種、漏種等現象，針對目前這一現狀，筆者設計了一種操作簡便、省時省力的24穴機械式精量穴播器。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

該機械式精量穴播器的結構如圖1所示，主要有鴨嘴、主軸、充種器、穴拐臂、取種器、腰帶、穴播器殼等組成。

1.2 工作原理

穴播器工作時，種子在穴播器內隨著腰帶轉動，在穴播器前進過程中利用種子自身的重力和慣性，通過取種器上的穴窩眼拾取種子，達到精量播種的目的。

種子進入充種腔后種子群由于重力的作用都聚集在穴播器的下部，在充種器的攪動下種子分布在取種器取種位置，穴播器整體轉動的過程中，種子落入取種器穴窩眼中，與定盤相配合的穴拐臂沿著定盤曲線面發生相對運動，種子在自身重力和慣性的作用下迅速脫離取種器窩眼，落入播種鴨嘴中，隨后鴨嘴入土打孔種子落入種穴內，完成播種過程。

圖1 精量穴播器機構示意

2 關鍵部件設計

2.1 取種器的設計

取種器是機械式精量穴播器實現精量播種的核心工作部件，其工作性能的好壞直接決定了穴播器播種質量。

該新型取種器主要由穴拐臂、穴取種座、穴窩眼座、穴窩眼組成，結構如圖2所示，取種器的底端截面呈V型狀，穴窩眼、穴拐臂通過穴窩眼座安裝于穴取種座上。

2.2 穴窩眼的設計

穴窩眼的大小可根據棉花種子的物理特性進行設計分析，經試驗數據統計分析，棉花種子平均直徑為4 mm，結構如圖3所示。

圖3 穴窩眼結構

圖4 腰帶結構示意

2.3 鴨嘴的設計

通過田間試驗，將腰帶設計成如圖4所示的結構形式，固定鴨嘴的成穴邊線與過鴨嘴根部的半徑成θ角，且θ在15°～25°時，具有良好的效果。穴播器在作業過程中滾動較平穩，利于保證對棉種的投種精度，保證投種質量，提高作業速度；鴨嘴出土過程中掛膜較小，通過性好，鋪膜效果較好。

3 三維建模

隨著CAD技術的迅速發展，SolidWorks可以通過數據轉化接口，非常簡便的將目前設計行業中幾乎所有的機械CAD軟件集成到本身的設計環境中來，也快速的被應用于各行各業的三維設計中[4]。

3.1 穴播器虛擬樣機的建立

利用SolidWorks軟件建立了穴播器各個零部件，其結構如圖5所示。

根據穴播器工作原理和已建立的零部件對其進行裝配，獲得了穴播器整體三維模型如圖6所示。

3.2 穴播器虛擬樣機的干涉檢查

穴播器中如果有的零件結構參數設計不合理或者裝配關系不對，將會存在零件之間的干涉現象，導致后面的生產制造出現重大問題。這種現象往往因為零部件的個數較多，我們肉眼無法觀察到，因此需要通過Solidworks零件裝配中的干涉檢查命令來用計算機檢查穴播器之間的裝配關系，確保穴播器安裝關系的正確性。

圖5 關鍵零部件三維模型

在Solidworks中完成穴播器的裝配后，在菜單欄中點擊“評估”→“干涉檢查”→“選擇裝配體”命令，點擊“確定”按鈕，如果存在零部件之間的干涉現象，需要重新進行結構參數的修改，再建立三維模型重新對裝配體干涉檢查。

圖6 穴播器三維模型

4 充種過程分析

棉花種子進入種子室呈散粒狀分布，通過內圈的帶動，在充種器的作用下種子匯集到充種區作半月形環流運動。此時種子進入取種器的方式主要有兩種[5～7]：（1）種子的自身重力、離心力及種子群的作用力共同作用下進入取種器V型槽；（2）種子從最高點通過種子群平面到種子室直接進入取種器。呈半月形環流分布的種子從最高點掉落時的角速度ki=0，離心力p=0，下落時種子在重力mg的作用下產生沖擊力Fi和種子的摩擦力Ff，進入取種器種子的速度則為v，與種子大小有關：

式中 hi—種子環流被帶起的高度；s—種子的滑移長度；m—種子的質量；ti—沖擊力Fi的作用時間；g—重力加速度。

5 結論

（1）針對現有的機械式棉花精量穴播器，利用棉花種子的物理特性設計了新型取種器，通過三維軟件Solidworks建立了穴播器三維虛擬模型，通過干涉檢查設計合理，所設計的穴播器，排種性能滿足新疆棉花膜上精量播種的農藝要求。

（2）研究分析了穴播器充種作業的過程，種子主要有兩種方式進入取種器，得出進入速度與種子大小有關