葉菜精量直播部件氣力式窩眼排種器設計

鄒 嵐，張曉文，白洪濤

(北京市農業機械研究所有限公司，北京 100096)

0 引言

我國是小粒徑種子作物種植大國，尤其是蔬菜種植。2018年我國農作物總播種面積16 590.24萬hm2，2019年我國農作物總播種面積16 593.07萬hm2，比上年末增加2.83萬hm2，同比增長0.02%。蔬菜是我國種植業中僅次于糧食的第2大農作物。據統計，目前我國蔬菜面積為0.22億hm2(3.35億畝)左右，產量達7.69億t，一年產能可以滿足150億人的吃菜需求[1-2]。蔬菜種植經濟效益顯著，但是目前小粒徑蔬菜種子的播種方式仍以半機械化或人工播種為主，作業效率低、成本高、田間后期管理勞動強度大，致使綜合效益低，成為小粒徑蔬菜播種規模擴大的技術瓶頸。

根據葉菜機械化生產的農藝要求，對現有露地直播機型進行調研，發現存在的問題如下。一是播種方式采用窩眼式集排器，存在播種精度不高的問題[3]。二是穩定性及播種均勻性(深淺、粒數等)有待提高。三是因地塊及土壤等作業環境變化，播種過程的控制系統及控制精度不完善。

針對小粒徑作物種子粒徑小、易破損、精播難及傳統排種器屬一器一行、結構復雜等問題，設計一種氣力式窩眼精量排種器，該排種器采用正負氣壓組合式排種原理，可簡化播種機的排種器結構與數量，提高排種器工作效率與工作質量，性能測試效果良好，滿足設計要求[4-8]。

1 總體方案設計

1.1 播種機功能要求

研發的起壟鋪膜播種機一次作業可完成起壟、施肥、鋪滴灌帶、覆膜、播種和覆土等工序，部分組件可拆卸組裝。播種機由拖拉機動力輸出軸驅動，關鍵部件排種器是精密窩眼輪式排種器；打孔機構為凸輪機構與曲柄滑塊機構的組合；投種采用鴨嘴式機構，結構簡單，能夠實現入土最低點強制開啟，保證投種的穩定性和低空穴率。

1.2 農藝要求

要求畦高10～15 cm，畦形近梯形，中間可鋪1條滴灌帶，覆膜后直接在膜上進行穴播，每畦播種2行，每穴播種2粒，播種深度最小為0.5 cm，播種后可覆土0.5 cm，播種3～5 d出苗。

2 排種器設計與性能測試

2.1 種子物理參數

選取大白菜種子作為機具播種對象，種子經過包衣后直徑為3～5 mm，測得其物理參數如表1所示。

表1 大白菜種子物理參數

2.2 排種器結構設計

為了縮短窩眼的充種時間、減少對種子的損害，設計一種負壓充種、正壓排種的精密窩眼排種器，主要由種箱、排種輪、種刷、分壓盒、傳動軸和排種管等部分組成，其結構如圖1～2所示。

1.種刷 2.窩眼 3.負壓區 4.正壓區 5.排種管 6.傳動軸7.分壓盒 8.種箱 9.排種輪 10.種子圖1 氣力式窩眼排種器結構Fig.1 Structure of pneumatic hole seed metering device

1.種子 2.種箱 3.傳動軸 4.排種輪 5.分壓盒 6.排種器架 7.排種器蓋圖2 排種器側面剖視圖Fig.2 Side sectional view of seed metering device

種箱、排種輪、種刷、傳動軸和排種管按傳統的窩眼排種器布置，在傳統的排種輪上，在受種窩眼的底部鉆通氣孔，孔徑不影響種子進入或者脫離窩眼，但能保障氣流通過。在排種輪輪轂與加工出窩眼的輪緣之間加工出環形槽，槽的軸向深度使窩眼底部的通氣孔與該空間貫通。排種輪結構如圖3所示。

圖3 排種輪結構Fig.3 Structure of seed metering wheel

分壓盒是靜止的環形圓盤，盤中心的圓孔套裝在排種輪的輪轂上，排種輪的輪轂可在該孔內自由轉動。分壓盒內部是相互隔開的2個扇形空間，正壓空間始于排種管起始點、終于種箱入口處，余者為負壓空間。正負壓空間分別通入正負壓空氣。在分壓盒的輪緣上開有環形凹槽，該凹槽分為兩段，每段與正負壓空間對應，且與相應的空間用通氣孔連通[9-11]。分壓盒結構如圖4所示。

圖4 分壓盒結構Fig.4 Structure of pressure distribution box

2.3 排種器工作原理

播種機工作時，傳動軸帶動排種輪轉動，輪緣上的窩眼轉動到分壓盒的正壓區和負壓區時分別和正壓空氣和負壓空氣接通。假設窩眼從正壓區順時針開始向種箱內轉動，當轉入種箱內時，窩眼與負壓空氣接通吸入種子，然后繼續轉動，到種刷時，多余的種子被種刷刷掉，窩眼載一粒種子繼續轉動，當該窩眼進入排種管上方時，與正壓空氣接通，種子被吹入排種管，窩眼繼續繞行，再一次進入種箱前，窩眼內總有正壓空氣吹出，窩眼中吸入的雜物被不斷吹出。當該窩眼旋入種箱內時，再一次與負壓空氣接通，進入下一個負壓吸種正壓排種的工作循環。

該排種器的優點是，負壓將種子保持在窩眼內，不用護種板遮蔽種子，取種時間短。用正壓氣流吹出種子，不用剛性的推種桿，避免損傷種子；正壓空氣吹出窩眼時清理窩眼，利于再次吸入種子[12-14]。

2.4 排種器性能測試

2.4.1 排種過程分析

根據試驗種子的特性分析氣力式窩眼排種器排種過程力學特征，將排種過程劃分為3個弧段(圖5)。α為吸種弧段，β為攜種弧段，γ為投種弧段。

圖5 排種器工作過程示意Fig.5 Working process schematic diagram of seed metering device

排種過程中，排種器的動盤繞定盤旋轉，在α弧段吸種孔與吸室負壓相通，依靠吸力取種，β段種子仍處于吸附狀態，起到護種作用。在γ位置解除負壓，同時施加正壓完成投種過程。排種器行距、株距可調，可根據種子大小調整種勺，控制下種量。

2.4.2 吸種孔流場分析

吸種孔內氣流場的穩定與否直接影響充種質量。吸種孔圓柱段直徑為1.1 mm，排種盤厚度1 mm，在氣室真空度為5、10、15、20 kPa情況下(排種器工作時要求真空度為5～20 kPa)，對其流場進行模擬分析得出，圓柱型結構的吸種孔，流場速度變化比較平穩，吸種端氣流速度比較均勻，接近孔的平均流速，其流場分布有很好的均勻穩定性，接近理想充種條件。

2.4.3 排種器性能測試

根據JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機技術條件》，利用JXP-1型排種器性能檢測試驗臺開展單因素試驗研究。選用0.3 mm孔徑的圓形吸嘴，播種時間設定如表2所示，不同播種時間下的性能測試結果如表3所示。

表2 播種時間設定

表3 不同播種時間下的播種性能

由表2～3可知，在低速下播種時，即吸嘴吸種時間為1.2 s、氣吹吸嘴時間為0.4 s、氣針清嘴時間為0.4 s時，播種生產率最低，為12 481.04穴/h，但重播率和空穴率都相對較好，分別為3.89%、3.22%。在高速下播種時，即吸嘴吸種時間為0.8 s、氣吹吸嘴時間為0.2 s、氣針清嘴時間為0.2 s時，播種生產率最高，為12 882.3穴/h，但重播率和空穴率相對較高，分別為4.73%、5.02%。在吸嘴吸種時間為1.0 s、氣吹吸嘴時間為0.3 s、氣針清嘴時間為0.3 s時，生產率、重播率及空穴率綜合性能最優[15-16]。

3 結論

設計一種氣力式窩眼排種器應用于葉菜精量直播機，可實現負壓充種、正壓投種，滿足起壟、覆膜后直接膜上穴播，適用于中小籽粒球狀種子的播種作業。性能測試結果表明，該排種器滿足設計要求，其優點如下。

(1)排種精度高，重播率、漏播率低。采用氣力排種，每個播種窩眼吸附一粒種子且吸種可靠，實現精量播種；播量均勻，總體播量穩定，誤差范圍小。在吸嘴吸種時間為1.0 s、氣吹吸嘴時間為0.3 s、氣針清嘴時間為0.3 s時，生產率、重播率及空穴率綜合性能最優，分別為12 800穴/h、3.98%、3.95%。

(2)行距、穴距和穴粒數可調，可實現一穴一粒、一穴兩粒和一穴三粒的精確播種。

(3)種子破損率低。排種器和種子接觸時擠壓受力小，只有種子被吸到吸種孔上時，與吸種孔之間存在由于負壓吸力而產生的擠壓，幾乎不存在排種時種子破損情況。

(4)可通過更換傳動鏈輪或更換具有不同吸種孔數量的吸種管實現播種量的調節，兩種調節相配合，可以靈活調節播種量。