新一代負(fù)壓式谷子精量穴播機(jī)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 張樂(lè) 李紫源 張新雨 何天昊 王子沖

引言

谷子常年生長(zhǎng)在高溫環(huán)境，是一種耐旱穩(wěn)重作物，具有耐受性差、適應(yīng)性廣、水利效益高、化肥、農(nóng)藥使用少等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)糧食小經(jīng)濟(jì)作物谷子的需求將會(huì)增加，成為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的支柱作物[3]。因谷子播種難度高，特研制出一臺(tái)播種效率高、均勻、成穴性好、穴距和穴粒合理的負(fù)壓式谷子精量穴播機(jī)。

1 谷物種子的物理特性試驗(yàn)研究

為了使負(fù)壓谷子精量穴播機(jī)更適合包衣谷子的播種和農(nóng)藝要求[4]，對(duì)谷物種子的物理特性進(jìn)行了研究，可為負(fù)壓型谷子精密排種器的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供依據(jù)。

1.1 谷物種子物理特性試驗(yàn)的材料選取

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，谷物種子被包衣。種子包衣主要優(yōu)點(diǎn)如下[5]：

（1）有效降低病蟲(chóng)害、省種省藥。

（2）高營(yíng)養(yǎng)、活力大、高生長(zhǎng)率、具有強(qiáng)耐貯性。

（3）具有高球形度，流動(dòng)性能好。

1.2 測(cè)定谷物種子物料特性

1.2.1 外形尺寸的測(cè)量

測(cè)量球形度，用X、Y、Z三軸對(duì)顆粒進(jìn)行分類，并測(cè)量相應(yīng)的三種形狀和尺寸，代入球形度公式[6]：

1.2.2 測(cè)量千粒重

種子活力的重要指標(biāo)是千粒重。種子顆粒飽滿，即種子中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相對(duì)較多，發(fā)芽整齊，發(fā)芽率高，并且植物的生命力很強(qiáng)[7]。在一定的條件下，1000粒種的重量是指千粒的重量[8]。千粒重的測(cè)量是采用科學(xué)的方法對(duì)谷種進(jìn)行相應(yīng)的檢驗(yàn)、分析和鑒定。

2 排種器的設(shè)計(jì)與研究

2.1 新一代負(fù)壓式谷子精量排種器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

主要裝配：風(fēng)室蓋、風(fēng)室體、排種軸、排種板、軸承、排種器、密封圈、傳動(dòng)裝置等結(jié)構(gòu)組裝成。其基本結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 新一代負(fù)壓式谷子精量排種器結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 工作原理

由螺栓將風(fēng)室體和風(fēng)室蓋連接在一起，即為排種器。排種器內(nèi)置密封圈，形成良好的密封的風(fēng)室。如圖2，排種器有三個(gè)工作區(qū)段：種子填充區(qū)、攜帶種子區(qū)以及澆出種子區(qū)。最開(kāi)始在種子填充區(qū)，種子填充區(qū)是真空區(qū)域，利用負(fù)壓吸附谷種；然后谷種脫離谷堆，到真空區(qū)域的邊緣處，即攜帶種子區(qū)；到達(dá)攜帶種子區(qū)后卸掉谷物種子，即澆出種子區(qū)。此時(shí)，負(fù)壓消失，重力作用于谷物種子，并自動(dòng)落入種子孔中。這個(gè)位置還有刮擦將未掉落的谷物從種子盤(pán)上刮下來(lái)，確保種子掉落。為吸種孔下一次順利吸附谷種提供方便，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

圖2 排種器的三個(gè)工作區(qū)段

3 排種器的臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，可通過(guò)人為性地加載各種環(huán)境和試驗(yàn)條件來(lái)模擬田間試驗(yàn)。與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相比，臺(tái)架試驗(yàn)方便、快捷、成本低，不受季節(jié)天氣的影響，并可依靠自動(dòng)控制手段對(duì)播種效果進(jìn)行在線檢測(cè)和處理，可進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，并且可以更容易、更可靠地對(duì)試驗(yàn)效果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)[9]。

3.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采取JPS-12計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種器試驗(yàn)臺(tái)。本試驗(yàn)臺(tái)包括風(fēng)機(jī)、調(diào)速電動(dòng)機(jī)、氣流管道、風(fēng)壓測(cè)量設(shè)備、臺(tái)架、控制臺(tái)等裝置。

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要分三部分進(jìn)行。第一步是通過(guò)單因素試驗(yàn)確定風(fēng)室真空度和排種軸轉(zhuǎn)速的最佳取值范圍；第二步，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，分析各試驗(yàn)因素對(duì)單行播種性能指標(biāo)影響的主次順序，并獲得最優(yōu)組合。第三步，對(duì)優(yōu)化后的排種器進(jìn)行綜合性能測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與穴播標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，判斷是否符合精確穴播的要求。

3.3 正交試驗(yàn)試驗(yàn)方案

依據(jù)文獻(xiàn)[10]和[11]，本正交試驗(yàn)通過(guò)對(duì)風(fēng)室真空度的研究、排種軸轉(zhuǎn)速和吸種孔徑對(duì)穴粒數(shù)合格指標(biāo)、穴距合格指標(biāo)、空穴指數(shù)和穴距變異系數(shù)的影響可以獲得主次順序和較好的水平組合。

4 整機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

4.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)設(shè)計(jì)要求[12]：

（1）一次完成種植溝、種植、將土覆蓋等過(guò)程。

（2）機(jī)器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于操作。

（3）安全性高，便于田間作業(yè)運(yùn)輸。

（4）鎮(zhèn)壓輪的滑移率符合農(nóng)藝要求。

（5）工作時(shí)振動(dòng)小，具有好的穩(wěn)定性，行距保持一致，播種的深度和播種量都很均勻。

（6）傷種的概率相較很低。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該課題采用了Solidworks三維制圖軟件對(duì)整機(jī)各個(gè)部件進(jìn)行了三維建模和裝配，并且進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化，最終在河北哈哈機(jī)械集團(tuán)有限公司完成整機(jī)的研制。播種機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)由機(jī)架、風(fēng)機(jī)、開(kāi)溝器、排種器、覆土、鎮(zhèn)壓裝置、傳動(dòng)裝置和種箱等組成。

4.2 其他關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

4.2.1 機(jī)架

播種機(jī)的機(jī)架就是骨架，是機(jī)器的重中之重，每個(gè)組成部件要想穩(wěn)定的展開(kāi)工作，都需要機(jī)架的支撐。機(jī)架是由矩形管切割和焊接加工而成的，強(qiáng)度和剛度到位，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于其他構(gòu)件的安卸。機(jī)架的前端通過(guò)三點(diǎn)懸掛結(jié)構(gòu)和拖拉機(jī)相連接，傳動(dòng)系統(tǒng)和排種裝置與其后端相連接，種箱與其上方相連接。

4.2.2 風(fēng)機(jī)

負(fù)壓式谷子精量穴播機(jī)不能缺少風(fēng)機(jī)和氣管，風(fēng)機(jī)和氣管是排種器吸附谷物種子的動(dòng)力來(lái)源。風(fēng)機(jī)是由拖拉機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生吸力，而氣管是風(fēng)機(jī)和排種器的連接樞紐，在兩者之間傳遞吸力，從而使排種器可負(fù)壓吸種。

4.2.3 開(kāi)溝器、覆土及鎮(zhèn)壓裝置

開(kāi)溝器在種植溝[13]中起著作用。我們必須選擇合適的開(kāi)溝機(jī)，以確保播種的質(zhì)量。鎮(zhèn)壓裝置主要作用是均勻地覆蓋和覆蓋種子孔內(nèi)的谷物。

4.2.4 傳動(dòng)裝置和種箱

機(jī)組在拖拉機(jī)的牽引力下前進(jìn)，鎮(zhèn)壓輪與地表接觸并旋轉(zhuǎn)，經(jīng)傳動(dòng)裝置最終帶動(dòng)排種軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)播種。可以看出，鎮(zhèn)壓輪不僅僅是鎮(zhèn)壓裝置，更是驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置是播種機(jī)排種器的動(dòng)力來(lái)源。

種箱在播種時(shí)，為種子提供存放空間，容量合適的種箱可縮短播種作業(yè)時(shí)間，為播種提供便利。

5 結(jié)論與展望

本課題根據(jù)對(duì)谷子播種難度大的農(nóng)藝特點(diǎn)，研制了負(fù)壓型谷子精量穴播種機(jī)，其性能指標(biāo)達(dá)到了文獻(xiàn)[10]和[11]的技術(shù)要求。本課題研制的負(fù)壓式谷子精量穴播機(jī)將精量穴播技術(shù)應(yīng)用到了谷子的播種過(guò)程中，克服了機(jī)械式播種機(jī)的缺點(diǎn)。這將在農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展中展現(xiàn)新的篇章，對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)改善具有重要意義。本課題的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：

（1）條播改為穴播。將穴播技術(shù)應(yīng)用到了谷子播種的領(lǐng)域，滿足了穴粒數(shù)要求，解決了缺苗斷垅、間苗勞動(dòng)量過(guò)大等問(wèn)題。

（2）改進(jìn)吸種孔。采用排種量大的吸種圓孔，合理的孔徑、孔數(shù)及排列方式解決了難吸種、易堵塞、易傷種等問(wèn)題。

（3）谷種包衣。對(duì)谷種進(jìn)行包衣不僅提高了谷種的球形度，而且減少了堵塞，更便于播種。