楊 進(jìn)，張晉國(guó)，趙 金，周國(guó)龍，王洪偉，趙曉順，韓子樂

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

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一種雙氣道的氣吸式棉花排種器的試驗(yàn)研究

楊 進(jìn)，張晉國(guó)，趙 金，周國(guó)龍，王洪偉，趙曉順，韓子樂

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

介紹一種具有雙氣道的氣吸式棉花排種器，通過開閉兩條氣道中的一條或同時(shí)開啟兩條氣道，可以在1～3粒的穴播粒數(shù)之間快速調(diào)整；通過測(cè)量不同品種棉花種子的三維尺寸確定排種盤的尺寸；根據(jù)影響排種器性能和效率的主要因素在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，得出該氣吸式棉花排種器在排種盤吸種孔直徑為3mm、轉(zhuǎn)速為30r/min及真空度為4.5kPa時(shí)使用效果較好的結(jié)論。

棉花；排種器；穴播粒數(shù)；雙氣道；臺(tái)架試驗(yàn)

0 引言

棉花的種植由來已久，棉花為我國(guó)的主要經(jīng)濟(jì)作物之一。棉花為了提高播種的效率，提出了精量播種。精量播種是一種即省種又省工的播種方式，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益，已成為今后農(nóng)作物播種作業(yè)的發(fā)展方向，精密播種機(jī)是播種的關(guān)鍵，排種器又是精密播種機(jī)的核心部件[1]。

相對(duì)于其他農(nóng)作物，棉花的播種作業(yè)因不同棉籽的發(fā)芽率有差別，需要調(diào)節(jié)其穴播粒數(shù)。目前，氣吸式排種器的穴粒數(shù)調(diào)節(jié)裝置是通過一個(gè)可滑動(dòng)撥片撥去吸種孔上吸附的多余種子，并在排種時(shí)集合多個(gè)吸種孔所吸附的種子到一起進(jìn)行排種[2]。

本文設(shè)計(jì)出一種具有雙氣道的氣吸殼體，并設(shè)置兩條獨(dú)立的氣吸管路，兩條氣吸管路可以自由開閉且互不影響。通過開閉兩條氣道中的一條或同時(shí)開啟兩條氣道，并配合具有內(nèi)外兩圈的排種盤能夠使穴播粒數(shù)在1～3粒之間快速調(diào)整。

1 排種器結(jié)構(gòu)

氣吸式排種器是通過風(fēng)機(jī)吸走氣道中的空氣使氣道中形成負(fù)壓，同時(shí)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)排種盤旋轉(zhuǎn)，排種盤上的吸種孔旋轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的氣道位置則吸附種子，排種盤上的吸種孔旋轉(zhuǎn)到?jīng)]有對(duì)應(yīng)氣道的位置則種子靠自重落下，進(jìn)行排種。在種子室內(nèi)還裝有清種片，工作時(shí)可以剔除吸附的多余的種子；經(jīng)過清種區(qū)時(shí)，清種片會(huì)將多余攜帶的種粒清回充種區(qū)[3]。經(jīng)過清種，可以更好地保證精度，使每個(gè)型孔只留1粒種子。

氣吸式排種器的主體結(jié)構(gòu)有排種盤、兩側(cè)殼體、密封及管路等。

1.1 排種盤

因排種器具有雙氣道結(jié)構(gòu)，因此排種盤(見圖1)也設(shè)計(jì)成有兩圈吸種孔的結(jié)構(gòu)。對(duì)應(yīng)外側(cè)氣道，排種盤外圈有相鄰的兩個(gè)吸種孔，即當(dāng)外側(cè)氣道單獨(dú)打開時(shí)，每穴排種數(shù)量為2粒；對(duì)應(yīng)內(nèi)側(cè)氣道，排種盤內(nèi)圈有一個(gè)吸種孔，即單獨(dú)打開內(nèi)側(cè)氣道時(shí)，每穴播種數(shù)量為1粒；當(dāng)兩條氣道同時(shí)打開時(shí)，吸種孔全部能夠吸附種子，即每穴播種數(shù)量為3粒。

排種盤的直徑直接影響穴播器的作業(yè)速度，當(dāng)線速度一定時(shí)，排種盤直徑較大，會(huì)使排種器的作業(yè)速度降低；但如果排種盤直徑的選擇過大，排種器的結(jié)構(gòu)就越大，綜合考慮，選取排種盤直徑200mm[4]。

圖1 排種盤

測(cè)量3種不同的棉花種子的三維尺寸(見表1)取平均值。從表1中可看出：如果想使兩條氣道對(duì)應(yīng)的吸種孔上吸附的種子互不影響，內(nèi)外圈吸種孔的間距應(yīng)該≥10mm，外圈相鄰的兩個(gè)吸種孔之間的間距應(yīng)大于5mm。

根據(jù)機(jī)械手冊(cè)中確立吸種孔直徑的公式[4]，有

D=(0.64～0.66)b

其中，b為種子的平均寬度。

吸種孔的直徑加工出2mm和3mm兩種，以進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

表1 種子尺寸

1.2 氣道殼體

氣道殼體具有雙氣道結(jié)構(gòu)(見圖2)，兩條氣道相鄰，在氣道殼體的另一側(cè)加工出對(duì)應(yīng)并獨(dú)立的氣道孔，引出連接管路。

氣道部位加工出凹面，用來安裝密封墊和排種盤，且凹面的尺寸正好等于密封墊和排種盤尺寸之和。當(dāng)密封墊和排種盤安裝好后，用螺栓固定上種子殼體使其之間無(wú)縫隙連接。

圖2 氣道殼體

1.3 種子殼體

種子殼體(見圖3)是用來儲(chǔ)存并提供排種盤工作時(shí)所需的種子，殼體右側(cè)為吸種區(qū)域，排種盤旋轉(zhuǎn)到左側(cè)為護(hù)種區(qū)域，下端為排種區(qū)域。通常來說，排種器應(yīng)盡可能地加大吸種區(qū)域，以保證充種率。

當(dāng)排種盤旋轉(zhuǎn)到上方區(qū)域時(shí)，受到震動(dòng)等因素影響，吸附不牢固的種子會(huì)掉落到殼體內(nèi)部的斜面上，并落回到吸種區(qū)。

圖3 種子殼體

1.4 排種器整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)排種器裝配爆炸圖，如圖4所示。

1.螺栓 2.種子殼體 3.排種盤 4.密封墊 5.卡簧 6.氣道殼體 7.軸承 8.旋轉(zhuǎn)軸 9.鏈輪 10.定位銷 11.氣道密封墊 12.氣道堵板 13.管路

2 影響排種器的因素

據(jù)相關(guān)資料，氣吸式排種器的排種均勻性和作業(yè)效率主要受氣道的真空度、吸種孔的尺寸、排種盤的轉(zhuǎn)速及投種高度等影響[5]。

2.1 氣道真空度的影響

真空度的大小是影響排種器吸種率的決定因素，真空度越大時(shí)，種子的吸附能力越強(qiáng)；但會(huì)增加吸種孔吸附多余種子的概率，從而導(dǎo)致重播率增加。

2.2 吸種孔尺寸的影響

吸種孔的尺寸在種子允許范圍內(nèi)增加時(shí)，吸附能力增加，致使吸附多余種子，重播率增加。

2.3 排種盤的轉(zhuǎn)速影響

排種盤旋轉(zhuǎn)速度和機(jī)具前進(jìn)速度共同作用影響了排種粒距的均勻性。

排種盤的旋轉(zhuǎn)速度過大時(shí)，吸種孔在種子室停留的吸種時(shí)間就會(huì)減少，也就是說，減小了吸種區(qū)面積，所以要合理降低轉(zhuǎn)速。

對(duì)以上影響因素進(jìn)行分析，需要通過理論計(jì)算和試驗(yàn)研究結(jié)合的方法，得出一個(gè)適合棉花播種作業(yè)的理論依據(jù)，再通過試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)和田間試驗(yàn)的檢驗(yàn)，最終高效應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3 種子受力分析和臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 種子的受力分析

隨著排種盤的旋轉(zhuǎn)，吸種孔轉(zhuǎn)到充種區(qū)時(shí)，種子吸附在吸種孔后主要受到種子重力、慣性力、吸附力和吸種孔支持力的作用[6，8]，如圖5所示。

圖5 種子吸附受力分析

隨著排種盤的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，種子所受的慣性力J的大小不變但方向持續(xù)變化，種子自身所受重力G的大小和方向都不變。如圖5可見，種子所受重力和慣性力的合力T的大小和方向也在不斷變化。

從吸種時(shí)最大后開始減小，當(dāng)此吸種孔旋轉(zhuǎn)到正上方時(shí)，種子重力和慣性力方向恰好相反，即此時(shí)吸種孔所需的吸附力最小。當(dāng)種子在此吸種孔上繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，所需要的吸附力又逐漸增大[6-8]。

因此，想要使吸種孔吸住種子不掉落，必須滿足

F·D/2≥T·h

式中F—吸附力；

D—吸種孔的直徑；

T—最大合力；

h—種子重心與排種盤的距離。

當(dāng)種子脫離吸種孔后作具有初速度的自由落體運(yùn)動(dòng)(見圖6)，沿排種器吸種孔分布圓的切向排出。

種子在脫離吸種孔后，下落過程不考慮空氣阻力的因素，其下落時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程為

式中 Vx—種子的水平絕對(duì)速度(m/s)；

Vy—種子的鉛直絕對(duì)速度(m/s)；

ω—排種盤轉(zhuǎn)速(rad/s)；

r—排種盤吸種孔分布圓半徑(m)。

當(dāng)落種時(shí)，種子速度的水平分量等于機(jī)具速度時(shí)，投種效果最好。

圖6 種子脫離吸種孔的運(yùn)動(dòng)

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)

本次用于試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)(見圖7、圖8)可以調(diào)節(jié)影響排種器排種工作的多種影響因素，如可以調(diào)節(jié)負(fù)壓大小(氣道的真空度)、排種盤旋轉(zhuǎn)速度、傳送帶的速度(即模擬機(jī)具前進(jìn)速度大小)和排種器固定架的高度(即模擬投種高度)。

試驗(yàn)臺(tái)的傳送帶上刷油膜來模擬土田條件，可以防止種子彈跳，且整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)可以隨時(shí)停止試驗(yàn)和急停。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)

3.3 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

檢驗(yàn)排種器性能是否優(yōu)秀的最重要的指標(biāo)就是粒距準(zhǔn)確。也就是說，合格率在試驗(yàn)中所占比例是否高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，且漏播率和重播率是否低于國(guó)家規(guī)定的比例。

通常查驗(yàn)漏播和重播是規(guī)定在大于1.5倍的種子設(shè)定粒距上沒有播到種子就記錄為漏播；而在0.5倍設(shè)定粒距中間有多余預(yù)設(shè)播種穴粒數(shù)的種子就記錄為重播[6]。對(duì)于本試驗(yàn)，預(yù)設(shè)的穴粒數(shù)為1～3粒。

試驗(yàn)針對(duì)影響排種器的兩個(gè)主要因素下進(jìn)行，并對(duì)兩種吸種孔(2mm和3mm)和兩個(gè)氣道(以下稱一次排兩粒種子的外側(cè)氣道為氣道1，另為氣道2)的開閉分別進(jìn)行試驗(yàn)，取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖8 控制臺(tái)

3.3.1 試驗(yàn)1

當(dāng)真空度為3～5.5kPa時(shí)，進(jìn)行不同吸種孔直徑(2mm和3mm)下的吸種性能試驗(yàn)，試驗(yàn)中選取排種盤運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)時(shí)的中間段共計(jì)100個(gè)吸種孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，作為統(tǒng)計(jì)樣本，如圖9所示。漏吸和重吸比值均從排種盤上直接讀取，重吸讀取值為經(jīng)過清種片后的結(jié)果。

圖9 試驗(yàn)

從圖9中可以看出：在不同的真空度的試驗(yàn)條件下，吸種孔尺寸為3mm的排種盤比尺寸為2mm的排種盤在吸種時(shí)漏吸率要好。而且，在重吸的問題上，因?yàn)橛星宸N片的原因，差別并不明顯。因此，以下試驗(yàn)選擇排種盤上吸種孔為3mm的進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3.2 試驗(yàn)1

選擇吸種孔為3mm的排種盤并對(duì)兩條氣道分別進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)氣吸室真空度設(shè)定為4kPa，選取排種盤轉(zhuǎn)速 20、25、30、35、40r/min，并分別進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。

在試驗(yàn)開始后，操作控制臺(tái)確定真空度是否達(dá)到設(shè)定值，打開油泵刷油膜，最后旋轉(zhuǎn)排種器。在觀察排種器運(yùn)行平穩(wěn)后，首先停止試驗(yàn)臺(tái)的傳送帶，再停止油泵及排種器旋轉(zhuǎn)。選取運(yùn)行平穩(wěn)的時(shí)段作為記錄點(diǎn)，每一種試驗(yàn)各測(cè) 100 個(gè)粒距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示[6-7]。

表2 試驗(yàn)2

當(dāng)設(shè)定氣道真空度為定值時(shí)，隨轉(zhuǎn)速的提高，合格率在排種盤轉(zhuǎn)速為30 r/min以前波動(dòng)并不明顯；但是，當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后再繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速會(huì)造成漏播率成倍數(shù)增長(zhǎng)，合格率受此影響也會(huì)降低。

觀察試驗(yàn)的吸種過程，在排種盤旋轉(zhuǎn)的低轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)吸種孔吸取種子的數(shù)量會(huì)遠(yuǎn)高于高轉(zhuǎn)速區(qū)域，但因清種裝置的存在，在合理轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，對(duì)于排種的重播率影響并不是很大。因此，在合適轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)，可以通過增加排種盤上吸種孔的數(shù)量降低轉(zhuǎn)速。

3.3.3 試驗(yàn)3

選擇吸種孔為3mm的排種盤并對(duì)兩條氣道分別進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為 30r/min，選取選取真空度值為 3、3.5、4、4.5、5kPa，并分別進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。

重復(fù)試驗(yàn)2的過程進(jìn)行不同工況的試驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù),如表3所示[6-7]。

表3 試驗(yàn)3

當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著真空度值的不斷增加，漏播現(xiàn)象得到很大改善，真空度值越高則漏播現(xiàn)象越低；而對(duì)于重播率，因清種裝置的原因還是會(huì)表現(xiàn)不明顯。

4 結(jié)論

1)通過試驗(yàn)，證明該排種器可以在兩個(gè)氣道之間自由切換，兩個(gè)氣道之間互不影響。

2)針對(duì)棉花種子，當(dāng)吸種孔直徑為3mm時(shí)，能在更寬值的排種盤轉(zhuǎn)速和真空度區(qū)間內(nèi)平穩(wěn)工作。

3)當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速在合理的速度且定值的情況下，隨著真空度的提高，播種合格率先是顯著上升，然后又降低，重播率也提高了。當(dāng)真空度在合理且定值時(shí)，隨著排種盤轉(zhuǎn)速的上升，播種合格率呈下降趨勢(shì)，漏播率顯著提高。當(dāng)氣吸室真空度在適當(dāng)?shù)姆秶欧N盤轉(zhuǎn)速較低時(shí)，有利于提高排種器的排種質(zhì)量。

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Experimental Study on a Kind of Double Air-way Suction Cotton Seeder

Yang Jin, Zhang Jinguo, Zhao Jin, Zhou Guolong, Wang Hongwei, Zhao Xiaoshun, Han Zile

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China)

Introduce a kind of double air-way suction cotton seeder, through open one of air-way or both of them at the same time,it can rapid adjust grain number from one to three. By measuring the three dimensions size of different varieties of cotton seeds, we determine the size of the metering plate; According to the main factors that influence the performance and efficiency of seed-metering device, we had a test in the laboratory, according to the test data, it is concluded that the air suction cotton seeder is be used better when diameter of suction hole is 3 mm, rotational speed is 30 r/min and vacuum degree is 4.5 kPa.

cotton;seed-metering device; number of dibbling grain; double air-way; bench test

2016-04-07

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B00)

楊 進(jìn)(1987-)，男，河北秦皇島人，碩士研究生， (E-mail)yangjinbcd@163.com。

張晉國(guó)(1957-)，男，石家莊人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)zhangjinguo@hebau.edu.cn。

S223.2+5;S220.3

A

1003-188X(2017)05-0176-05