氣吸式棉花精量播種器裝置設計與試驗

河北農業大學機電工程學院 孟令帥 馬爾嵐 范亞祖 張彥濤 謝明豪

前言

我國是世界上最大的棉花生產、消費國，又是棉紡織品、服裝出口大國[1]。棉花既是我國重要的經濟、作物，又是紡織、精細化工材料。不僅如此，棉花產業是農業生產中產業鏈最長、從業人員最多、商品化水平最高的產業。綜上所述，棉花是關系國計民生的重要戰略物資，促進棉花產業持續健康發展任務緊要。

棉花種植管理復雜，生產成本高、效率低下。近年來，隨著中國城市現代化的快速發展，農村勞動力數量銳減，雇工費用大幅度增加，農民植棉積極性逐年下挫，棉花生產面臨嚴峻挑戰，棉花生產全程機械化迫在眉睫。

全程機械化植棉過程中播種環節是關鍵，而精量播種作為精準農業的一項重要內容不可忽視。影響播種機播種精密性的主要結構就是排種器，播種量和播種均勻性多種性能指標均與工作性能的優劣有關[2]。

排種器一般可分為兩種：機械式排種器與氣力式排種器[3]。二者中應用較廣泛的是機械式排種器，其優點如下：結構簡單、造價低廉、調節便利。但是由于機械式排種器存在排種脈動性、傷種率高、對播種均勻性、一致性、穩定性有不利影響，很難落實棉花的精量播種。

針對我國目前棉花播種機存在的以上問題，本項目研制了一款適用于棉花精量播種的氣吸式播種器。其中的核心構件，氣吸式棉花精密排種器的排種性能比機械式排種器的性能好很多。它具有省種、不傷種、通用于不同尺寸種子以及播種均勻性高，易實現精密播種等諸多優點[4]。

2 播種整體結構及工作原理

氣吸式棉花播種器主要由排種、開溝、固定和傳動裝置四部分組成，結構如圖1所示；排種裝置內的種子由清種片側面推離排種器，沿導種槽排出，或者由清種片直接引出排種器；開溝器可開出寬度和深度均適宜的種溝，引導種子掉入栽培溝，用濕土覆蓋；固定傳動裝置使工作地面平整，保證播種深度的一致。

在整個工作過程中，氣吸式播種機的風機產生負壓后，由風機傳送到播種機單體真空腔內。托盤吸附種子，在真空室的負壓作用下一起轉動。當種子轉移出來之后，播種器就不再承受負壓，種子在刮種器或重力的作用下落入溝里。

圖1 棉花播種器結構圖

3 播種器主要結構部件

3.1 排種器裝置結構

氣吸式排種器由負壓氣管、刮種片、密封墊片、真空室、氣吸孔、密封和氣吸圓盤等組成，結構如圖2所示。

進氣管與大氣之間壓力的差值稱為氣管負壓，發動機進氣管負壓的大小與氣缸活塞零件的磨損、進氣管的密封性和供油系的調整有關。密封墊片用于設備、管道以及有流體的地方，可以起到密封作用。密封墊片經切割等多道工序制成，還可用于管道之間和機器設備的機件與機件之間的連接。等離子體運行的場所為真空室，在運行期間不僅要承受自身構件的重力及各種電場力，還要為真空室各構件提供相應的支撐。

圖2 排種器裝置圖

3.2 固定裝置結構

鎮壓裝置由鎮壓輪、固定和支架組成，在鎮壓輪和固定架之間安裝方管并在豎架上安裝固定架，如圖3所示。

圖3 鎮壓裝置圖

4 試驗臺試驗

4.1 試驗設計

本試驗利用試驗臺測定核心構件氣吸式棉花精量排種器在不同作業參數下的排種效果，選“冀棉2016”棉花種子為試驗材料，試驗結果以粒距合格、重播、漏播等性能指標作評價指標。試驗使用硬件設備JPS-12排種器性能檢測試驗臺一臺。理論株距為250mm，經公式（1）計算得每一種床帶速度下的排種器轉速。

式中：np為排種器轉速，r/min;

vm為播種機前進速度，km/h；

S為株距，mm；

Z為排種盤型孔數。

試驗各種選取作業前進速度與負壓值兩因素做單因素試驗，每個試驗進行多次以消除偶然性，每次試驗均使用至少500粒棉花種子。據《單粒（精密）播種機技術條件》（JB/T 10293-2013）中規定，在種子、整地質量滿足播種農藝要求的情況下，排種器的主要性能應能滿足粒距合格、重播、漏播等性能指標要求。

4.2 試驗結果與分析

如下圖4、圖5所示，在設定的三個不同的作業速度下，排種器重播指數、漏播指數和合格粒距變異系數三項指標隨著作業速度的變化有些許波動，但總體來看仍較為平穩。當速度達到9km/h時，排種的粒距合格指數最高，排種效果最優；在設定的三個不同的工作負壓壓強值下，排種器的漏播指數隨著負壓的增加而漸漸變低，而重播指數則恰恰相反，隨著負壓值的增加重播率逐漸上升。在實際作業中應該根據播種效果恰當選擇合適的負壓值。綜上所述，隨著壓強增加，排種器的合格粒距變異系數漸小，這說明負壓值為-3.5kPa時排種器的株距變動幅度更小一些，排種效果更穩定優良。

圖4 作業速度試驗結果

圖5 工作負壓壓強試驗結果

5 性能試驗

2022年4月在河北省衡水市、滄州市等棉花主產區進行田間試驗，棉花精量播種機參數如表1所示。播種行數為3行，適宜行距為76cm可調，播種深度為1～3cm可調，穴距為10～20cm可調[5]，穴粒數3～5粒。2022年5月進行查苗試驗，試驗中隨機地選擇3個小區，每個小區中又隨機選取3行作為試驗樣本進行測量，每行選取10m的距離，測取并記錄10m內棉花植株的株距，收集完數據后，根據所得的測量數據計算平均合格粒距X、合格指數A、漏播指數M等參數，并選擇粒距合格指數、重播指數、漏播指數、合格粒距變異系數作為播種精度的評價指標[6]。

表1 田間試驗結果表

據《單粒（精密）播種機技術條件》JB/T 10293-2013中給出的單粒精密播種器的主要性能指標要求得出，播種器各項性能應滿足：粒距合格指數≥80%，重播指數≤15%，漏播指數≤8%，合格粒距變異系數≤30%[7]。將田間試驗所得的各項數據結果與以上指標做比對，可得此棉花精密播種機在三個小區內共9個樣本里的試驗結果滿足標準中的性能指標要求，由此，播種機的播種精度達到了預期。