氣吸式平貝母播種機的研制

李曉明 陳維剛 鄒雪劍

摘要：平貝母為密集型種植模式，目前只能人工播種。為解決平貝母機械化播種問題，研究設計一種氣吸式平貝母播種機。闡述該機的結構型式、工作原理及關鍵部件的參數設計，通過性能試驗證明該機可以滿足平貝母播種使用要求。

關鍵詞：平貝母；播種機；氣吸式排種器；充種角度；投種角度；傳動比

中圖分類號：S223.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2018）02-0017-04

平貝母為密集型種植模式，目前市場上并沒有能滿足種植農藝要求的平貝母播種機，只能采用人工播種，存在效率低、勞動強度大、成本高、耗時長、損傷表皮、株距不均勻等問題。為解決平貝母機械化播種問題，研究設計一種氣吸式平貝母播種機，填補國內在這方面的空白，為平貝母種植開辟新途徑。

1 整機結構與工作原理

平貝母播種機主要由機架、風機、種箱、推土鏟、鎮平輥、排種器、變速箱、地輪等部件組成（如圖1所示）。

機架為基礎部件，其余部件直接或間接固定在機架上。前部的推土鏟有兩部分鉸接點，拉桿調整端與機架前橫梁連接，定位端與鎮平輥支架連接，整體以斜角形式前行，完成清平畦面、整理種床。鎮平輥在機架下方通過支板與機架連接，在推土板后側，通過被動回轉的形式鎮平壓實種床。鎮平輥與推土鏟配合，為排種器投種提供平整的種床，避免因地勢不平而出現種子落地后繼續翻滾的情況，從而保證株距準確性。風機固定在上懸掛，為排種器提供負壓。地輪為排種器提供旋轉動力，并起到支撐整機的作用。變速箱針對不同株距調整相應的傳動比，將從地輪輸入的轉速轉換成不同的轉速傳遞給排種器。排種器在負壓的作用下由充種室將種子吸住，轉到投種點投放種子，完成吸排種作業。

2 關鍵部件設計

2.1 推土鏟

推土鏟要求既能平整畦面，又能防止兩側土回流，還能防止因土量大而從推土板上側翻越到后側。畦寬為800～850 mm，所以設計推土板的尺寸為：兩側翼板夾角130 °，兩側翼板末端相距1 065 mm，翼板高度195 mm（如圖2所示）。

2.2 鎮平輥

畦寬為800～850 mm，種床有效寬度應大于850 mm，并具有一定越障能力，所以確定鎮平輥的外形尺寸為：長度915 mm，外徑216 mm（如圖3所示）。

2.3 排種器

平貝母排種器主要由排種器固定架、排種輥、氣腔、充種室、定位板、刻度盤等組成（如圖4所示）。氣腔兩端與風機相連接，為排種器提供負壓，充種室中的平貝母種子在負壓的作用下被吸到吸種孔上，隨著排種輥一起轉動，當轉至投種區時，平貝母種子被投放，從而完成吸排種過程。定位板與排種器內部的卸風機構在同一橫向界面上，這樣在外側查看定位板的位置，就能確定卸風機構在排種器內部的位置。

2.4 卸風裝置

卸風裝置采用外層包有橡塑海綿管的滾輪組合結構型式（如圖5所示）。滾輪外側包裹的橡塑海綿管與排種輥內壁接觸形成一個密閉空間，當充種孔經過橡塑海綿管時，橡塑海綿管將充種孔覆蓋住，使充種孔處負壓瞬間消失，種子脫離排種輥，從而完成投種。

2.5 排種輥

播種過程中既要降低排種輥對種子表面的機械損傷，又要實現高速播種作業，還要保證充種率。針對以上幾點要求進行排種輥的結構設計（如圖6所示）。

2.5.1 排種輥外形尺寸 畦寬為800～850 mm，選定排種輥長度為840 mm；為降低排種輥旋轉的線速度，并考慮安裝空間和耗風量的限制，選定排種輥外徑為300 mm，壁厚為2 mm。

2.5.2 孔數 播種行距為40 mm（共20行），且需要滿足株距調節范圍，因此確定周向分布30排孔，軸向分布20排孔，相鄰軸向兩排孔位置周向交錯排列，軸向孔距為40 mm排布。

2.5.3 孔徑 平貝母種子大小不一，圍繞直徑D為8～10 mm的種子進行設計，吸種孔直徑d參考經驗公式d=（0.6～0.7）D，因此確定吸種孔直徑為5 mm。

2.6 氣力系統主通道

氣力系統主通道位于平貝母排種器芯部，其結構設計需要考慮負壓區分布均勻性、氣力輸送與控制等因素，并通過試驗確定。采用均布長槽孔的空心管作為主通道，既能起到通風作用，又能起到支承作用。確定氣腔外形尺寸為：外徑95 mm，壁厚8 mm，長度

1 250 mm（如圖7所示）。

3 主要參數分析

3.1 平貝母排種器充種角度

平貝母排種器充種過程中種子受力分析如圖8所示。

由圖8可以看出：充種過程中，種子在負壓的作用下被排種輥吸在排種輥表面，并隨排種輥一起轉動。F1為排種輥提供給平貝母的摩擦力；F2為平貝母自身的重力；F3為平貝母所受的離心力；F為排種輥的吸力；α為充種角。

排種輥的吸力要克服種子自身的重力和種子之間相互的摩擦力，因此排種輥的吸力要大于F1與F2的合力。受力公式為：

種子所受的吸力實質上是由于吸種孔內外壓差形成的，公式為：

由式（3）可知，平貝母種子能否被吸附在排種輥上，與種子物料特性、排種輥轉速、充種角度、負壓相關。結合大量的試驗數據得出，負壓值為4.5～5.0 kPa、充種角度為27 °時，充種效果最好。

3.2 平貝母排種器投種角度

平貝母種子被吸在排種輥上并隨之一起轉動，當轉到投種區時，由于外層包有橡塑海綿管的滾輪堵住了吸種孔，瞬間使得吸種孔內外壓力一致，失去吸附力的平貝母種子脫離排種輥，下落的種子在慣性作用下一方面保持所在吸種孔處的線速度，另一方面在自身重力的作用下做自由落體運動。投種過程中種子運動分析如圖9所示，β為投種角度，V1為平貝母播種機的行進速度，V2為平貝母隨排種輥旋轉的線速度。

理想的投種狀態為零速投種，即下落過程中種子在前進方向的合速度為0。分析所得公式為：

由以上公式可知，投種角度需要根據平貝母播種機的前進速度、排種輥轉速及排種輥直徑來確定。平貝母播種機的前進速度在0.72～1.10 m/s之間，排種輥直徑為0.3 m，在理想的零速投種狀態下，計算得出投種區域為15～39 °之間。結合大量的試驗數據得出，投種角度為19 °時投種效果最好。

3.3 傳動比

根據平貝母播種農藝要求，前后株距S分別為2，3，4 cm，地輪直徑D1為60 cm，排種輥外徑D2為30 cm，整機采用鏈傳動，其中地輪選用14齒、21齒鏈輪配比，平貝母排種器上的鏈板在空間準許情況下盡量增多齒數，經過多次驗證選用50齒，中間經過2次變速。因此，在設定地輪旋轉1周的情況下，求得傳動比公式為：

1=（14/21）×i1×i2×i3×（π×D1）/30S

整機的傳動比經理論數據與試驗所得（如圖10所示）。一級傳動為14，21齒，二級傳動為三鏈板塔輪（19，21，26齒）與兩鏈板塔輪（14，26齒），三級傳動為兩鏈板塔輪（14，26齒）與50齒。

4 結論

根據平貝母種植農藝要求，結合理論與試驗數據，設計一種平貝母播種機。該機具有平整畦面、鎮壓種床、氣吸式排種器播種等功能。其主要工作機構均為可調模式，可以適應不同的農藝要求：推土鏟可在縱向上以15 mm的間距調整3個高度等級；鎮平輥可在縱向上以10 mm的間距調整3個高度等級；平貝母排種器的投種角度為無極可調模式，可根據不同的行進速度調整相應的投種角度，依據行進速度在0.72～1.10 m/s之間得出最佳投種角度為19 °。經過多次試驗測得該機充種率≥93%，重播率≤14%，可以滿足平貝母播種使用要求。

參考文獻

[1] 高筱鈞，周金華，賴慶輝.中草藥三七氣吸滾筒式精密排種器的設計與試驗[J].農業工程學報，2016（2）：20-28.

[2] 高筱鈞.氣吸式三七精密排種器設計與充種性能研究[D].昆明：昆明理工大學，2016.

[3] 周金華.動力式三七精密播種機的設計與試驗研究[D].昆明：昆明理工大學，2016.

[4] 周金華，賴慶輝，高筱鈞.滾輪圓刷式三七精密排種器的仿真分析與試驗驗證[J].浙江大學學報：農業與生命科學版，2016（4）：509-516.