新一代負壓式谷子精量穴播機的設計與改進

河北農業大學 張樂 李紫源 張新雨 何天昊 王子沖

引言

谷子常年生長在高溫環境，是一種耐旱穩重作物，具有耐受性差、適應性廣、水利效益高、化肥、農藥使用少等優點[1-2]。我國作為農業大國，對糧食小經濟作物谷子的需求將會增加，成為我國農業發展的支柱作物[3]。因谷子播種難度高，特研制出一臺播種效率高、均勻、成穴性好、穴距和穴粒合理的負壓式谷子精量穴播機。

1 谷物種子的物理特性試驗研究

為了使負壓谷子精量穴播機更適合包衣谷子的播種和農藝要求[4]，對谷物種子的物理特性進行了研究，可為負壓型谷子精密排種器的設計和試驗提供依據。

1.1 谷物種子物理特性試驗的材料選取

在這個實驗中，谷物種子被包衣。種子包衣主要優點如下[5]：

（1）有效降低病蟲害、省種省藥。

（2）高營養、活力大、高生長率、具有強耐貯性。

（3）具有高球形度，流動性能好。

1.2 測定谷物種子物料特性

1.2.1 外形尺寸的測量

測量球形度，用X、Y、Z三軸對顆粒進行分類，并測量相應的三種形狀和尺寸，代入球形度公式[6]：

1.2.2 測量千粒重

種子活力的重要指標是千粒重。種子顆粒飽滿，即種子中營養物質相對較多，發芽整齊，發芽率高，并且植物的生命力很強[7]。在一定的條件下，1000粒種的重量是指千粒的重量[8]。千粒重的測量是采用科學的方法對谷種進行相應的檢驗、分析和鑒定。

2 排種器的設計與研究

2.1 新一代負壓式谷子精量排種器的設計結構與工作原理

2.1.1 設計結構

主要裝配：風室蓋、風室體、排種軸、排種板、軸承、排種器、密封圈、傳動裝置等結構組裝成。其基本結構如圖1。

圖1 新一代負壓式谷子精量排種器結構圖

2.1.2 工作原理

由螺栓將風室體和風室蓋連接在一起，即為排種器。排種器內置密封圈，形成良好的密封的風室。如圖2，排種器有三個工作區段：種子填充區、攜帶種子區以及澆出種子區。最開始在種子填充區，種子填充區是真空區域，利用負壓吸附谷種；然后谷種脫離谷堆，到真空區域的邊緣處，即攜帶種子區；到達攜帶種子區后卸掉谷物種子，即澆出種子區。此時，負壓消失，重力作用于谷物種子，并自動落入種子孔中。這個位置還有刮擦將未掉落的谷物從種子盤上刮下來，確保種子掉落。為吸種孔下一次順利吸附谷種提供方便，進行下一個循環。

圖2 排種器的三個工作區段

3 排種器的臺架試驗

臺架試驗在室內進行，可通過人為性地加載各種環境和試驗條件來模擬田間試驗。與現場試驗相比，臺架試驗方便、快捷、成本低，不受季節天氣的影響，并可依靠自動控制手段對播種效果進行在線檢測和處理，可進行多次重復試驗，并且可以更容易、更可靠地對試驗效果進行分析和評價[9]。

3.1 試驗材料及試驗裝置

本試驗采取JPS-12計算機視覺排種器試驗臺。本試驗臺包括風機、調速電動機、氣流管道、風壓測量設備、臺架、控制臺等裝置。

3.2 試驗方案

試驗主要分三部分進行。第一步是通過單因素試驗確定風室真空度和排種軸轉速的最佳取值范圍；第二步，根據單因素試驗結果，設計正交試驗方案，分析各試驗因素對單行播種性能指標影響的主次順序，并獲得最優組合。第三步，對優化后的排種器進行綜合性能測試，并將測試結果與穴播標準進行比較，判斷是否符合精確穴播的要求。

3.3 正交試驗試驗方案

依據文獻[10]和[11]，本正交試驗通過對風室真空度的研究、排種軸轉速和吸種孔徑對穴粒數合格指標、穴距合格指標、空穴指數和穴距變異系數的影響可以獲得主次順序和較好的水平組合。

4 整機的設計與研究

4.1 整機結構

整機設計要求[12]：

（1）一次完成種植溝、種植、將土覆蓋等過程。

（2）機器設計簡單，便于操作。

（3）安全性高，便于田間作業運輸。

（4）鎮壓輪的滑移率符合農藝要求。

（5）工作時振動小，具有好的穩定性，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。

根據設計要求，該課題采用了Solidworks三維制圖軟件對整機各個部件進行了三維建模和裝配，并且進行了結構參數的改進和優化，最終在河北哈哈機械集團有限公司完成整機的研制。播種機的整機結構由機架、風機、開溝器、排種器、覆土、鎮壓裝置、傳動裝置和種箱等組成。

4.2 其他關鍵部件的結構和特點

4.2.1 機架

播種機的機架就是骨架，是機器的重中之重，每個組成部件要想穩定的展開工作，都需要機架的支撐。機架是由矩形管切割和焊接加工而成的，強度和剛度到位，設計簡單，便于其他構件的安卸。機架的前端通過三點懸掛結構和拖拉機相連接，傳動系統和排種裝置與其后端相連接，種箱與其上方相連接。

4.2.2 風機

負壓式谷子精量穴播機不能缺少風機和氣管，風機和氣管是排種器吸附谷物種子的動力來源。風機是由拖拉機帶動旋轉產生吸力，而氣管是風機和排種器的連接樞紐，在兩者之間傳遞吸力，從而使排種器可負壓吸種。

4.2.3 開溝器、覆土及鎮壓裝置

開溝器在種植溝[13]中起著作用。我們必須選擇合適的開溝機，以確保播種的質量。鎮壓裝置主要作用是均勻地覆蓋和覆蓋種子孔內的谷物。

4.2.4 傳動裝置和種箱

機組在拖拉機的牽引力下前進，鎮壓輪與地表接觸并旋轉，經傳動裝置最終帶動排種軸旋轉，從而實現播種。可以看出，鎮壓輪不僅僅是鎮壓裝置，更是驅動裝置，驅動裝置是播種機排種器的動力來源。

種箱在播種時，為種子提供存放空間，容量合適的種箱可縮短播種作業時間，為播種提供便利。

5 結論與展望

本課題根據對谷子播種難度大的農藝特點，研制了負壓型谷子精量穴播種機，其性能指標達到了文獻[10]和[11]的技術要求。本課題研制的負壓式谷子精量穴播機將精量穴播技術應用到了谷子的播種過程中，克服了機械式播種機的缺點。這將在農業裝備的發展中展現新的篇章，對農業發展的戰略結構改善具有重要意義。本課題的創新點主要包括：

（1）條播改為穴播。將穴播技術應用到了谷子播種的領域，滿足了穴粒數要求，解決了缺苗斷垅、間苗勞動量過大等問題。

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

（3）谷種包衣。對谷種進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。