氣吹式排種器氣流輔助充種裝置設計及試驗

楊春華，郝 勇，李軍宇，劉中峰

(山西省農業機械發展中心，山西 太原 030006)

0 引言

現代農業生產中播種是一個關鍵環節，播種的好壞決定了糧食是否會取得豐收，而播種的質量如何又取決于播種機的性能質量。播種機的核心部件是排種器，排種器的性能好壞直接影響播種質量[1]。目前播種機的排種器分為機械式和氣力式，氣力式又分氣吸式和氣吹式。以播種玉米為例，國內主要是勺輪機械式，國外幾乎是氣力式[2]。不論是機械式，還是氣力式，充種質量是排種質量的一個重要影響因素，甚至可以說充種質量直接決定了排種器的排種質量[3-4]。氣吹式排種器具有非常優良的性能，具有重播率低、漏播少、排種合格率高和不傷種等優點。現有的氣吹式排種器工作時，排種盤被驅動進行轉動，當排種盤上的錐形孔轉到充種區的底端時，錐型孔內會充入種子，種子是依靠自身重力和種子之間的摩擦力充入錐形孔的[5-6]。當充入種子的錐孔轉到風嘴下時，多余的種子被吹走，錐孔底部的種子被保留，錐孔內種子的充填好壞，直接影響到風嘴下清種的質量，也代表排種效果如何[7-9]。種子只是依靠自身重力和種子之間的摩擦力充填錐孔，存在充填速度慢、充種效率低等問題[6，8-9]。當排種盤轉動速度低時，可以保證充填效果，當排種盤轉速加快時，充填效果變差[10]。為了解決氣吹式排種器在充種過程中存在的以上問題，本文設計氣吹式排種器氣流輔助充種裝置，以提供間斷氣流的手段輔助提高充填合格率、充填性能和充種效率。

1 組成和結構

氣吹式排種器主要由氣流輔助充種裝置、種箱、排種盤、排種器箱體、排種器箱體蓋、清種刀片、風嘴、種子流調節板和排種軸等組成[11]。種箱與排種器箱體之間設有用來密封的橡膠墊，以防氣流流失，種箱下半部分為傾斜形狀，種子容易流動到排種器箱體內的充種區。排種器箱體內又分有充種區和清種區等，是個不規則的精密鑄鋁件。排種盤垂直設置，直徑251 mm，中間開有通孔并與排種軸相連，排種盤外圓周均勻布置了24個圓錐形孔，圓錐形孔的底部開有3 mm的底孔，沿底孔一周開有清種槽孔，清種刀片在排種口處經過清種槽孔將錐形孔里的種子由錐形孔的底孔往外清出。通過調整種子流調節板的開度，來控制排種器箱體充種區的種子量。排種器箱體蓋上設有出風口，從風嘴進入排種器的氣流最后絕大部分從這個出風口流出。

氣流輔助充種裝置由風扇組件、進氣管、上板、下板、左側板、右側板和柵欄條組成，風扇組件由風扇、風扇軸和風扇條形擋板組成，如圖1所示[12]。氣流輔助充種裝置位于氣吹式排種器充種箱腔體內的底部，并且是沿著充種箱體底部的斜面進行設置的。氣流輔助充種裝置的上板、下板、左側板和右側板通過固定連接形成矩形結構，矩形結構的上端與氣流的進氣管相連接，矩形結構的下端設置有使氣流均勻流出的柵欄條，同時可以阻擋種子進入氣流輔助充種裝置的腔體。矩形結構下端的柵欄條靠近氣吹式排種器內的排種盤，與之相隔距離30 mm。氣流輔助充種裝置的風扇組件位于矩形結構內的腔體中部，風扇軸的兩端固定在氣流輔助充種裝置的左側板和右側板上，風扇的中部具有與風扇軸適配的中心孔，風扇繞風扇軸輕松轉動，風扇外壁上均勻分布著4個呈輻射狀形成的條形擋板，并形成十字形結構。風扇在轉動時，每個風扇條形擋板的外端面與氣流輔助充種裝置的腔體內壁為間隙配合，風扇軸與風扇條形擋板均垂直于氣流的流動方向。

2 工作過程及原理

種子從種箱進入排種器箱體的充種區再進入排種盤上的錐形孔里，排種盤在排種軸的驅動下做旋轉運動，轉動到清種區時，高速氣流從風嘴流入排種盤上的錐形孔內，流入錐形孔的氣流一小部分從錐形孔的底孔流出，其余大部分沿錐形孔壁折向流出。錐形孔內的多粒種子，最底部的那顆種子在流入氣流和錐形孔底部流出氣流的壓力差，以及這顆種子上部折射氣流的作用下被牢牢壓向底部。當錐形孔底部堵上了一顆種子時，流入錐形孔的氣流將在這顆種子上改變方向，沿錐形孔壁流出，這時多余的種子不論是在錐形孔內的任何位置，都會隨著折射氣流飛出錐形孔。

1.進氣管 2.種箱 3.左側板 4.右側板 5.風扇軸 6.風扇 7.上板 8.下板 9.柵欄條 10.排種盤 11.錐孔 12.腔體圖1 氣流輔助裝置結構Fig.1 Structure of air flow auxiliary device

氣流輔助充種裝置工作時，氣流從風機出來大部分進入氣吹式排種器的風嘴，剩余的一部分進入氣流輔助充種裝置的進氣管，然后從進氣管進入氣流輔助充種裝置的腔體。進入腔體內的氣流經過腔體內中間位置的風扇時，風扇在氣流的作用下轉動，由于風扇的條形擋板間斷地隔斷氣流，從而使得氣流在經過風扇以后形成了一股一股的間隔氣流，形成的間隔氣流經過柵欄條流出氣流輔助充種裝置的腔體，流入氣吹式排種器腔體的充種區。

種子靠重力從種箱進入排種器腔體，堆積于氣流輔助充種裝置的上方及氣流輔助充種裝置與排種盤之間的區域，這個區域是充種區，充種區的底部是個斜面。種子靠自身重力作用，通過充種區底部的斜面進入排鐘盤上的錐形孔內，實現了充種。種子充填錐孔時，當排種盤轉速處于低速時，充填效果還可以，當排種盤轉速處于中速或高速時，充填效果就會變得越來越差。種子充填入錐形孔里，其分布狀態是任意的，概括起來有3種。第1種是錐形孔底部只存在一顆種子，這顆種子上疊加了被清走的種子，這種狀態是非常好的充填效果，多余的種子經過風嘴被清走，錐形孔內只保留一顆種子。第2種是種子雖然進了錐形孔，還沒來得及到達錐形孔底部時，已經轉到了風嘴下，這時錐形孔內全部種子都被清走，這種充填效果很差。第3種是兩顆或三顆種子頂在錐形孔的中間位置，這種狀態有可能都被清走或都留在錐形孔內，這種充填效果也不好。

當間隔氣流進入充種區，沿著氣吹式排種器充種區底部的斜面，將充種區底部的種子推向排種盤上的錐孔內，由于是間隔氣流，在間隔期內沒有輔助氣流作用的瞬間，充種區中部的種子流入到充種區底部，然后又被間隔氣流推向排種盤上的錐孔內，就這樣充種區內種子被一把一把地推向排種盤上的錐孔內，從而提高了種子充填錐孔的速度。充種區底部的種子在間隔氣流的作用下，快速地充填錐孔，同時也帶動和擾動了充種區中部和頂部的種子，這樣充種區底部、中部和頂部的種子在氣流輔助充種作用下也變得輕快起來。

3 試驗分析

2021年7月20日，在山西省農業機械化科學研究院重點實驗室的JPS-12型排種器性能檢測實驗臺上分別做一般氣吹式排種器和具有氣流輔助充種裝置的氣吹式排種器的試驗。通過JPS-12型排種器性能檢測的控制臺，對風壓、排種軸轉速、種子輸送帶等試驗參數進行調節設定；通過JPS-12型排種器性能檢測的高速攝像機，對從排種器落到輸送帶黃油上種子的排列情況進行成像取樣；最后通過JPS-12型排種器性能檢測軟件進行統計分析，獲得漏播指數、重播指數、粒距合格指數和排種合格指數等試驗數據。根據上述的試驗方法，選用玉米種子‘大豐30’為試驗用種子，在1.0～1.5 kPa的風壓區間內，在不同的排種盤轉速下獲得漏播指數、重播指數和排種合格指數的試驗數據，如表1所示。設玉米株距為33 cm，取最小速度3.6 km/h，排種盤為24孔，即排種盤轉速為7.5 r/min；取最大速度10.8 km/h，即排種盤轉速為21 r/min。在最小轉速和最大轉速區間內，取8個數值，共計10個轉速，獲得10組試驗數據。通過表1可以看出，具有氣流輔助充種裝置的氣吹式排種器的漏播指數、重播指數和排種合格指數均明顯優于一般氣吹式排種器。雖有個別在同樣的試驗參數下一般氣吹式排種器的排種合格指數略高于具有氣流輔助充種裝置的氣吹式排種器的排種合格指數，可能是試驗中個別不確定的因素影響導致，屬于正常現象。綜合分析，具有氣流輔助充種裝置的氣吹式排種器中的充種過程是積極的、主動的，比一般氣吹式排種器表現良好。

表1 試驗數據對比Tab.1 Comparison of test data

4 結論

一般氣吹式排種器充種過程中，種子從排種器箱體的充種區進入排種盤上的錐形孔時，會受到前進方向上的加速度、減速度、排種盤的線速度、種子自重下流動速度和各種摩擦力等因素的影響，相應的充填效果也受到影響。僅僅只靠種子自身重力去克服上述的各種影響因素，達到合格的充填效果是不現實的。氣吹式排種器氣流輔助充種裝置的氣流，可以將充種箱體底部的種子一把一把地推向充種箱體側面排種盤上的錐孔內，有助于種子快速填充進錐孔內，從而提高了充種的效率。采用間斷性氣流吹送種子，有助于使種子順序充填進排種盤上的錐孔內，達到充填合格率高的效果。輔助充種氣流使得充種區內的所有種子變得輕快，提高了種子充填的性能。