氣吸式滾筒型排種器部件的設(shè)計(jì)

王啟芳

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西太原 030031）

0 引言

精密播種省種省工省地力，和傳統(tǒng)種植相比，苗齊苗全苗壯，達(dá)到增產(chǎn)的效果[1]。精密播種技術(shù)有機(jī)械式和氣力式，氣力式播種機(jī)特點(diǎn)是對(duì)種子的形狀要求不嚴(yán)，傷種少，作業(yè)速度高[2]，可滿足播種質(zhì)量高、適應(yīng)季節(jié)性強(qiáng)的農(nóng)藝要求。近年來(lái)，氣力式高速精密播種機(jī)的市場(chǎng)需求越來(lái)越大。

在氣力滾筒式精播機(jī)的研制方面，臺(tái)灣陳世銘研制了振蕩式多用途真空播種機(jī)，吉林農(nóng)大的盛江源研制了一種氣吸式精密排種器，中國(guó)農(nóng)大和廣西北海市農(nóng)機(jī)化所研制了2BZQ-300型氣吸式雙層滾筒水稻精密播種機(jī)。這類滾筒型排種器較多應(yīng)用于小籽粒播種或育種，滾筒轉(zhuǎn)速一般在10～20 rad/min，作業(yè)速度較低。在氣力滾筒式播種機(jī)的研究方面，山東理工大學(xué)王國(guó)松采用垂直型分配器以氣流為載體輸送種子，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張曉輝研究了排種管的長(zhǎng)度及波紋管的有無(wú)對(duì)各行一致性的影響，華中農(nóng)大雷小龍對(duì)集排器的導(dǎo)種管參數(shù)及供種速率進(jìn)行了研究。這類研究的種子對(duì)象主要是小麥等條播作物，作業(yè)速度較高。在國(guó)外，氣流輔助投種應(yīng)用于高速精量播種的研究較多，瑞典Vaderstad、荷蘭Kverneland、德國(guó)Amazone等播種機(jī)公司都是利用正壓式氣流一部分從型孔流出，一部分進(jìn)入導(dǎo)種管，進(jìn)行輔助投種[3]。

以上研究在氣力滾筒式排種器方面取得了一定成果，在育種、小籽粒及小麥的播種領(lǐng)域應(yīng)用多。和傳統(tǒng)機(jī)具相比，提高了作業(yè)速度，提升了生產(chǎn)效率，但對(duì)玉米大豆等大籽粒種子的精量高速播種的研究還比較少。隨著大豆需求量的增加，大豆的進(jìn)口量越來(lái)越大，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部全力推廣大豆玉米帶狀復(fù)合種植技術(shù)。而大豆玉米播種機(jī)具數(shù)量少，速度慢，嚴(yán)重制約了此項(xiàng)技術(shù)的推廣，因此研究適宜種植大豆玉米的播種機(jī)具有重要意義。本文主要研究設(shè)計(jì)一種播種大豆玉米的滾筒式排種器。

1 滾筒式排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

滾筒式排種器主要由鏈輪、空心軸、滾筒、卸種輥、前板、軸承及法蘭、投種裝置和種箱等組成（圖1）。排種器的滾筒是一個(gè)封閉室，通過(guò)滾筒上的通孔與室外大氣壓相通，若干排通孔與滾筒軸垂直，按一定間距排列。空心軸上有吸氣孔。排種器工作時(shí)，風(fēng)機(jī)負(fù)壓管通過(guò)空心管抽走滾筒內(nèi)腔的空氣，產(chǎn)生負(fù)壓，使?jié)L筒上通孔的兩端形成負(fù)壓差。空心軸固定在機(jī)架上，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)通孔經(jīng)過(guò)種箱時(shí)，滾筒內(nèi)腔的真空度使種子吸在通孔上，種子和滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)。在清種區(qū)，由清種裝置將多余種子清除，剩余單粒種子。種子轉(zhuǎn)到落種位置時(shí)，卸種輥堵塞滾筒內(nèi)壁的通孔，壓差消失，種子在自重作用下落入投種裝置的進(jìn)種口。投種裝置利用正壓氣流，輔助種子經(jīng)輸種管到達(dá)開(kāi)溝器處。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖

2 排種滾筒件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排種滾筒是排種器的關(guān)鍵部件。它用圓管制成，表面開(kāi)有若干排通孔，工作時(shí)靠滾筒內(nèi)外的壓力差吸附種子。其結(jié)構(gòu)參數(shù)有滾筒直徑D，吸附孔直徑d，每排吸附孔數(shù)量Z。

2.1 種子被吸附過(guò)程分析

在理論分析時(shí)，設(shè)定種子在光滑的滾筒表面被負(fù)壓吸附過(guò)程。由于種子大小形狀不同，在種箱里受力較為復(fù)雜。假設(shè)種子是尺寸一樣且均勻一致的球體，半徑為r（m），密度為ρ（kg/m3），質(zhì)量為m（kg），其運(yùn)動(dòng)是均勻加速度運(yùn)動(dòng)，被吸附過(guò)程用時(shí)t（s）。設(shè)吸附種子的力F大小方向一定，F(xiàn)的方向即在種子初始重心位置M和吸附完成時(shí)中心位置C的連線上。能把種子吸附到滾筒表面的必要條件是，滾筒在t時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)β角度，種子從M點(diǎn)到N點(diǎn)。忽略不計(jì)慣性力，種子的受力為吸附力F，重力G，摩擦力f（圖2）。

圖2 吸種過(guò)程受力示意圖

由式（1）可知：

因此，種子被吸附的條件：

種子運(yùn)動(dòng)的加速度：

設(shè)種子距離滾筒表面最近距離為PM=x，由圖1可知：

得吸附條件為：

式（8）中，得當(dāng)x一定時(shí)，β和γ也是定值，δ隨α的增大而增大，重力G在MN方向上的分力減小，種子產(chǎn)生的加速度增大，對(duì)吸種有利。由可知，滾筒轉(zhuǎn)速增大，轉(zhuǎn)過(guò)β的時(shí)間減小，來(lái)不及吸種或吸種不充分，漏播指數(shù)升高；隨著x的增大，MN的距離增大，F(xiàn)很快變小，不利于吸種。

2.2 確定滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.1 吸附孔直徑d

吸附孔的直徑越大，風(fēng)機(jī)負(fù)壓力越高，會(huì)吸附更多的種子容易產(chǎn)生重播，反之吸附力不夠會(huì)產(chǎn)生漏播。參照氣吸式排種器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）氣吸式玉米排種器型孔直徑參照表[4]，以及經(jīng)驗(yàn)公式，孔徑d=（0.64-0.66）b，b是種子的平均寬度[5]，以此進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。試驗(yàn)所用玉米平均寬度b為 8 mm，吸附孔直徑d確定為5 mm。

2.2.2 滾筒直徑D，每排吸附孔數(shù)量Z

滾筒直徑、每排吸附孔數(shù)量和滾筒線速度的關(guān)系：

式（9）中，vj為機(jī)具前進(jìn)速度（m/s）；

S為種子株距（m）；

Z為每排吸附孔數(shù)量；

vg為滾筒線速度（m/s）；

D為滾筒直徑（m）。

滾筒線速度越低，吸附孔在充種區(qū)停留的時(shí)間越長(zhǎng)，充種幾率越高，反之漏播幾率增加。式（9）中，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度和株距一定時(shí)，滾筒直徑越大和吸附孔數(shù)量越小時(shí)，滾筒線速度較大，不利于充種。因此，減少滾筒直徑，增加吸附孔數(shù)量，對(duì)充種有利。考慮到滾筒太小時(shí)氣流量不夠會(huì)造成吸附力不夠，也會(huì)制約每行吸附孔數(shù)量的增加，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，本文采取滾筒直徑D為0.28 m。設(shè)計(jì)機(jī)具前進(jìn)速度為 14 km/h，滾筒線速度為0.3 m/s目標(biāo)時(shí)，玉米試驗(yàn)株距為0.25 m，可得Z應(yīng)大于32.56，選取Z=36。

3 清種裝置的設(shè)計(jì)

3.1 清種裝置結(jié)構(gòu)

清種方法采用刮板式。清種裝置由清種板和清種架組成，二者用螺栓固定。清種架與種箱連接，清種板相對(duì)清種架左右方向可以調(diào)整，以利于A、B兩點(diǎn)中心和滾筒型孔中心線重合，旋轉(zhuǎn)調(diào)整清種架，可調(diào)整A、B點(diǎn)和滾筒表面的距離。A、B兩點(diǎn)之間的距離經(jīng)試驗(yàn)確定為1～1.5 b，大于此值，重播率增加，小于此值，則漏播率增加（圖3）。

圖3 清種裝置

3.2 卸種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

卸種機(jī)構(gòu)由卸種輥、伸縮管、定位板、彈簧、伸縮桿焊合組成。經(jīng)固定架和空心軸相連，卸種輥由彈簧緊壓在滾筒內(nèi)壁上，卸種輥表面增加一層聚四氟乙烯，大大降低了卸種輥和滾筒的摩擦系數(shù)。

3.3 種箱設(shè)計(jì)

根據(jù)種箱的設(shè)計(jì)要求，除了種箱要有足夠的容量、種子和箱體的摩擦角大于55°、箱體堅(jiān)固耐用之外，種箱還要有合理的結(jié)構(gòu)。種箱由鋼板折彎和焊接而成，應(yīng)保證種箱對(duì)滾筒有一定的包角。包角的作用有兩個(gè)。一是包角增大，使種子的充填和滾筒表面的接觸面積增大，種子堵塞使得通氣的型孔數(shù)量減少，從而減小動(dòng)力消耗，同樣功率的風(fēng)機(jī)對(duì)種子吸附力增強(qiáng)。二是包角增大，使充種的時(shí)間增加，提高了充種能力。包角的極限位置是種箱內(nèi)的種子最高位置，應(yīng)低于清種位置的5 cm，確保清種效果（圖4）。

圖4 種箱

4 試驗(yàn)條件及結(jié)果

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在山西省農(nóng)機(jī)研究院播種機(jī)試驗(yàn)室進(jìn)行。風(fēng)壓2 000～4 000 pa，機(jī)具前進(jìn)速度14 km/h，理論株距25 cm。試驗(yàn)材料為先玉335，半馬齒型，黃色，千粒重350 g，質(zhì)量含水率13%。試驗(yàn)內(nèi)容：考察在三種吸附孔直徑4.5 mm、5 mm、5.5mm和三種負(fù)壓2 500 pa、3 000 pa、3 500 pa情況下的指標(biāo)，依據(jù)GB/T6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》，要求指標(biāo)有粒距合格指數(shù)A=n1/N'×100%，重播指數(shù)D=n2/N'×100%，漏播指數(shù)M=n3/N'×100%。其中，n1為合格數(shù)，n2為重播數(shù)，n3為漏播數(shù)，N'為理論排種數(shù)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)，吸附孔直徑為5 mm、負(fù)壓為3 500 pa時(shí)效果最佳。粒距合格指數(shù)為97.2%，重播指數(shù)為2.09%，漏播指數(shù)為0.71%。根據(jù)JB/T10293-2013《單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件》的作業(yè)性能指標(biāo)，要求粒距合格指數(shù)大于75%，重播指數(shù)小于20%，漏播指數(shù)小于10%。因此，該排種器可滿足株距25 cm和速度14 km/h的高速精播要求。