中央集排式播種機排種輸種裝置設計

宋元萍

（山西省農業機械發展中心，山西太原 030031）

0 引言

近年來，精密播種技術發展速度快，機具類型多，其核心部件排種器可分為機械式和氣力式。機械式排種器結構簡單造價低，氣力式排種器在排種均勻性、穩定性、精確性以及對種子外形尺寸要求方面有優勢[1-3]。

隨著精密播種機研究的深入，為了得到更高的效率，精播機逐漸由小型化轉向大型化，由低速轉向高速，其他先進技術如液壓、電子、PLC等技術也應用到其中。在其他技術方面，也有探索，如傳統精播機的排種器多是一器一行，而滾筒型中央集排器可實現一器多行。此類排種器優點是結構簡化不臃腫，工作時不受開溝器振動的影響。

在育種方面，滾筒式排種器應用比較廣泛。由于是小籽粒播種，作業空間一般在室內，滾筒直徑小，種子離開滾筒后和苗床距離近，直接靠重力下落直達種溝，不存在輸種問題。而在田間作業時，從排種器到各行開溝器的距離較長，特別是針對玉米大豆等大籽粒種子的播種，要確保投種的均勻性，輸種投種問題亟待解決。同時，高速播種作業是未來發展趨勢，而高速播種瓶頸之一就是輸種環節，因此，輸種投種裝置的研究具有重要的意義。本文對氣吸式中央集排式播種機的排種輸種投種裝置進行了研究設計。

1 概述

國外氣力式精播機從20世紀50年代開始研究，德國、意大利、法國、英國都具有較成熟的產品，如馬斯奇奧播種機、Hamiliton播種機、格蘭播種機及Amazone公司的ED系列、John Deere公司的Maxemerge pianters系列的播種機等。國內氣力式播種機研究始于20世紀70年代，中國農機院引進研究了四臺國外精密播種機，經改進試制定型了我國精密播種機的雛形。80年代，各地科研機構開始研制，山西省農業機械化所研制了2BJ-4型氣吸式精密播種機，大連市農業機械化研究所研究試制2BJQ-4氣力式播種機，遼寧省農機所研制2BQ-6型氣吸式播種中耕通用機等。90年代，精播機除了向聯合作業機方向拓展如鋪膜播種、旋耕施肥播種等，也在提高速度方面進行了探究。如吉林工大的馬成林等研制的氣力輪式排種器，在種子進入充種區時，由氣流送入，在自重和氣力強制作用下充填，臺架試驗精播大豆粒距49 mm，作業速度8 km/h，粒距合格率96.9%，精播玉米粒距149 mm，作業速度 10 km/h，粒距合格率96.2%，提高了作業速度[4]。

2 排種輸種裝置的結構和工作原理

排種輸種裝置是氣吸式中央集排式播種機的排種機構，由滾筒、風機、排種裝置、輸種軟管、投種口和穩種輪組成（圖1）。吸附在排種滾筒上種子由卸種機構作用而離開滾筒表面，靠重力到達進種管口，風機產生的氣流在排種裝置作用下，把種子吸入排種裝置然后加速送進輸種軟管，輸種軟管中的氣固混合體在氣流作用下到達投種口，具有較大初速度的種子進入種溝時有彈跳的趨勢，穩種輪和土壤快速雙向擠壓種子進行定位，實現種子的單粒精播。

圖1 排種輸種裝置示意圖

3 排種裝置的設計

3.1 排種裝置的結構

排種裝置是在中央集排器充種和清種后把種子直接送入開溝器的關鍵部件，其結構（圖2），包括進氣管、收縮段、進種管和輸種段。進氣管和風機相連接，收縮段的收縮角用λ1表示，進種管與輸種段軸線的夾角用λ2表示（圖2）。

圖2 投種示意圖

3.2 排種裝置工作過程

排種裝置工作表現在受限流體在通過縮小的過流斷面時，流體出現流速增大的現象，流速與過流斷面成反比，由伯努利定律可知，流速增大，流體壓力降低。根據文丘里效應的原理，當氣體氣流吹過阻擋物時，在阻擋物的背面上方端口附近氣壓相對較低，從而產生吸附作用并導致空氣的流動。

氣流從文丘里管的入口進入，在文丘里管里面流動，把氣流由粗變細，以加快氣體流速，少部分通過截面很小的噴管排出。在經過管道的最窄處時，動態壓力達到最大值，靜態壓力達到最小值，氣體的速度因為通流橫截面面積減小而上升。整個涌流都要在同一時間內經歷管道縮小過程，因而壓力也在同一時間減小，進而產生壓力差，這個壓力差給流體提供了一個外在吸力。隨之截面逐漸減小，壓縮空氣的壓強減小，流速變大，這時就在吸附腔的進口內產生一個真空度，使氣體在文丘里管出口的后側形成一個“真空”區，真空區靠近工件時會對工件產生一定的吸附作用。

精量播種技術的發展趨勢是高速高效，作業過程要求投種必須平穩。因為高速作業遇到田間地理條件的變化會產生振動，排種器排出的種子和輸種管碰撞反彈，導致原來的粒距發生變化影響株距的一致性[5]。文丘里管利用氣流輔助投種，管內氣固混流，氣流加速種子運動，減少輸種過程種子與管壁碰撞的概率，從而保證輸種過程中粒距的變化。研究表明，尤其是高速作業時，氣流輔助投種優勢更加明顯[6]。風機產生的正壓氣流從進風口流入，遇到收縮段流向輸種管，由于文丘里效應，氣體流速增大，壓力降低，氣壓小于大氣壓形成負壓，進種口的真空將種子吸入并加速種子在進種口和輸種管的移動，從而達到氣流輔助輸種的效果。

3.3 排種裝置參數確定

文丘里排種裝置結構參數有進氣管直徑D1，收縮角λ1，進種管直徑D2，輸種段直徑D3，進種管和輸種段的安裝角λ2（圖3）。

圖3 排種裝置參數示意圖

D1的直徑選取和風機出口管的直徑一致36 mm。收縮角λ1過大氣流速度變化小，形成負壓小產生吸附力不夠，收縮角λ1過小，易產生氣流旋渦，對種子運動平穩不利。同時，收縮段作為和輸種管的過渡連接部分不易太長，研究表明，收縮角λ1為70°時壓強變化明顯，氣流場均勻。進種管直徑D2大于玉米的最大長度尺寸，經統計，試驗玉米種子的最大尺寸為12.98 mm，平均寬度8 mm，平均厚度5.09 mm，因管道里氣固混流并根據塑料管的規格，進種管直徑D2取 20 mm。同理，確定輸種管直徑D3，考慮到實際連接安裝需要，進種管和輸種段要相交連接，輸種段直徑略大于進種管，輸種段直徑D3取25 mm。由于種子從進種管被吸入后在輸種段流過，為使種子平滑過渡，安裝角λ2應小于90°，考慮到加工難易程度，選取λ2為70°[7]。

4 零速投種、投種口角度θ及投種口與壓種輪距離L

零速投種現象指種子出了投種口后沿水平方向上的絕對速度為0，種子沿鉛垂方向下落。為使投種過程減少種子在種溝的彈跳滾動，設投種口水平方向向后，當機具前進速度vq（m/s）與種子水平運動速度vx（m/s）相等時，種子僅有自由落體運動（圖4）。設種子在落地瞬間壓種輪壓住的條件：

圖4 投種示意圖

H'為種口向后時落種口與地面的垂直距離（m），L'為種口向后時投種口與壓種輪距離（m），t為落種時間（s），g為重力加速度（m/s2）。當播種機達到14 km/s時，L=1.79H1/2。經驗算，L值太小，即投種口沿水平方向向后不可取。設種子離開投種口時投種角為θ，且此時種子只受重力作用而不受其他力，則：

V為種子離開投種口時的絕對速度（m/s），θ為種子出口速度方向與垂直向下方向夾角（°），H為落種口與地面的垂直距離（m），L為投種口與壓種輪距離（m）。種子下落過程的水平位移主要與種子離開投種口時的速度v、機具前進速度vq以及投種角為θ有關，而種子離開投種口時的速度v與管道內正壓力產生的加速度有關。

壓種輪設置。理想狀況是種子落地瞬間，壓種輪正好和土壤雙向壓種，若壓種輪位置設置在種子無壓種輪時落地點的后方，即失去作用，設置在落地點前方，則種子在落地前，可完成壓種。因此，影響壓種效果的因素有管道內正壓力和種子運動方向，它們決定種子離開投種口時的速度v。機具前進速度vq和速度v決定種子的水平位移，而投種口與壓種輪距離決定能否有效壓種。

5 試驗條件及結果

5.1 試驗條件

試驗在山西省運城市夏縣裴介鎮進行，播種機正壓150～350 mba，機具前進速度8 km/h，理論株距 14 cm。試驗材料為大豆，橢圓形，黃色，百粒重28 g。試驗內容是考察三種投種口角度25°、30°和35°，三種正壓150 mbar、300 mbar、350 mbar與三種投種口與壓種輪距離60 mm、75 mm、90 mm情況下的粒距合格指數。

5.2 試驗結果

經試驗，正壓200～300 mbar，投種口角度φ為30°，投種口與壓種輪距離L為75 mm，當機具前進速度8 m/s時，試驗結果粒距合格指數為90%。JB/T10293-2013《單粒（精密）播種機技術條件》的作業性能指標要求是粒距合格指數需大于75%[8]，實驗結果符合國家機械行業標準。