油菜精量播種機(jī)氣力式排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

油菜精量播種機(jī)氣力式排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)吳小偉;武文娟;鐘志堂;史志中;趙敏【摘要】根據(jù)油菜精量播種技術(shù)的農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝要求，提出了氣力式油菜精量播種機(jī)排種器的設(shè)計(jì)方案，對(duì)排種器結(jié)構(gòu)和工作過程進(jìn)行了分析。以秦油10號(hào)為試驗(yàn)用種，種子發(fā)芽率在85%左右，設(shè)計(jì)播量為0.63-4.41kg/hm2，取播量為1.8kg/hm2、拖拉機(jī)行進(jìn)速度為2.6km/h進(jìn)行田間試驗(yàn)。結(jié)果表明，油菜播種機(jī)田間實(shí)際出苗數(shù)與設(shè)計(jì)播量之間播種均勻性變異系數(shù)為2.4%，說明該播種機(jī)排種器播種均勻性好，達(dá)到播種質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。%Accordingtotherequirementsofagriculturalandagronomicofrapeseedprecisionmeteringtechnology,thisstudyproposedthedesignschemeofpneumaticprecisionmeteringdeviceforrapeseedandanalyzedthestructureandworkingprocessofthemeteringdevice.Fieldexperimentconditionsasfollows:takeQinYouNo.10forthetestedseed,seedgerminationabout85%,thedesignseedingrateis0.63~4.41kg/hm2,take1.8kg/hm2astestseedingnumber,thetractorspeedis2.6km/h.Aftertested,thesowinguniformityvariationcoefficientbetweentheactualnumberofrapesproutinfieldanddesignseedingrateis2.4%,thisresultindicatethattheseederhaveagooduniformity,andmeettheseedqualitystandards.【期刊名稱】《天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2016(023)001【總頁數(shù)】6頁(P28-33)【關(guān)鍵詞】油菜;氣力式;排種器;均勻性;性能試驗(yàn)【作者】吳小偉;武文娟;鐘志堂;史志中;趙敏【作者單位】江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，南京210017;南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，南京211188;江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，南京210017;江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，南京210017;江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，南京210017【正文語種】中文【中圖分類】S223.2目前，油菜產(chǎn)區(qū)機(jī)械直播技術(shù)一直處于示范階段［1］，且價(jià)格昂貴，極大地影響了農(nóng)民種植油菜的積極性。采用油菜精量播種技術(shù)［2］，可省種、省工、壯苗增產(chǎn)，節(jié)約種子60%~70%，節(jié)約間、定苗用工270~345h/hm2，增產(chǎn)12%以上。國外對(duì)油菜變量播種技術(shù)研究較早，且多是大型聯(lián)合作業(yè)機(jī)具［3-4］,較難適應(yīng)我國農(nóng)田分散經(jīng)營模式。我國專家學(xué)者在排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后期試驗(yàn)驗(yàn)證方面做了大量工作，如設(shè)計(jì)了偏心輪式變幅寬變量排種器［5］、以電磁力為動(dòng)力源的自動(dòng)供種系統(tǒng)和正負(fù)氣壓組合式精量播種機(jī)等［6-9］,確定了排量與轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型及種子在流場(chǎng)中受力情況［10-14］,并對(duì)排種器的性能進(jìn)行了田間試驗(yàn)［15］。雖然多位專家在油菜精量播種機(jī)方面進(jìn)行了大量研究，但與播種機(jī)匹配的多為專用拖拉機(jī)，增加了小型生產(chǎn)農(nóng)戶的作業(yè)成本，較難實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)方式。針對(duì)上述油菜播種技術(shù)研究進(jìn)展及油菜精量播種技術(shù)存在的問題，文中設(shè)計(jì)了一種新型的油菜播種機(jī)排種器，生產(chǎn)效率高且方便選擇匹配的拖拉機(jī)，真正做到了一機(jī)多用，降低了生產(chǎn)成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益。1.1單排氣力式排種器參照其他排種器結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合油菜播種的播量等技術(shù)條件，設(shè)計(jì)了單排氣力式排種器，其優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)緊湊，不影響氣室的密封效果，只要改變排種盤的傳動(dòng)比即可改變株距，實(shí)現(xiàn)一穴一粒的精量播種，適用于中小顆粒種子播種，節(jié)種率達(dá)40%以上，且播種后不需間苗，結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1看出，排種器主要由排種盤和垂直地面的基座組成，排種盤上安裝了12個(gè)空心管，對(duì)應(yīng)均勻設(shè)置了12個(gè)貫穿圍堰的氣孔，排種盤圍堰與基座之間設(shè)有密封圈，同時(shí)基座上設(shè)有與排種盤圍堰配合的環(huán)形凸堰，基座與排種盤圍堰之間形成一個(gè)負(fù)壓倉。真空泵的吸氣口通過管路與基座上的吸氣孔連接，真空泵的出氣口通過管路與凸臺(tái)中的吹氣孔連接。1.2雙排氣力式排種器雙排排種器可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)排種盤進(jìn)行雙排播種，同時(shí)N個(gè)排種器可以串接形成多級(jí)排種器，具有效率較高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。與單排氣力式排種器相比，減少因漏吸帶來的漏播，播種后不需要補(bǔ)苗，可以保證基本苗。雙排氣力式排種器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見，基座與排種盤同心設(shè)置，基座的中心設(shè)有軸孔，傳動(dòng)軸穿過軸孔與排種盤固定連接，排種盤端面中心設(shè)有鏈輪；排種盤與基座之間形成負(fù)壓倉；基座沿排種盤內(nèi)壁向前延伸一凸臺(tái)，凸臺(tái)中含有一正壓倉，從正壓倉到基座軸心的連線與垂線的夾角Q為±5°。當(dāng)采用多個(gè)排種盤時(shí)，它們之間的動(dòng)力傳遞如下：傳動(dòng)軸端穿過基座的軸孔與本級(jí)排種盤固定連接，另一端與下一級(jí)排種盤端面固定連接，形成串接的多級(jí)排種器。根據(jù)對(duì)上述兩種排種器的分析，單排的單個(gè)排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但一個(gè)排種機(jī)構(gòu)只能播種一行，而且每穴理論排種只有1粒，在遇到氣壓不穩(wěn)漏吸或者所播種子存缺陷時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。雙排的單個(gè)排種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造困難，單體成本增加，每穴理論排種有2粒，在遇到所播種子存在缺陷時(shí)，可以減少空穴現(xiàn)象產(chǎn)生的幾率。同時(shí)在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，雙排結(jié)構(gòu)的排種器對(duì)加工制造以及安裝精度要求較高，稍有偏差正壓倉和負(fù)壓倉將會(huì)產(chǎn)生漏氣和串氣現(xiàn)象，導(dǎo)致氣泵的吹氣口與正壓倉相接后，對(duì)吸種效果影響很大；但若不接吹氣，吸種孔若吸上雜質(zhì)后容易堵塞。因此結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，排種器本體結(jié)構(gòu)選用單排排種器的結(jié)構(gòu)，但將與其配套的空心管上的小孔數(shù)量進(jìn)行改變，加工出一管一孔、一管兩孔和一管三孔3種型號(hào)的空心管以供不同種植情況下使用，結(jié)構(gòu)如圖1所示。排種器對(duì)于密封要求高，因此設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，未設(shè)置軸傳動(dòng)，而是采用撥片帶動(dòng)排種器的動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。排種器的播量調(diào)節(jié)可通過更換傳動(dòng)鏈輪改變傳動(dòng)比或更換具有不同吸種孔數(shù)量的吸種針來實(shí)現(xiàn)，兩種調(diào)節(jié)方式配合使用，播種量調(diào)節(jié)范圍為15~105萬粒/hmZ。其播量范圍不僅可滿足油菜直播要求，還可滿足蕃茄等其他作物的直播要求。由于氣力式油菜排種器主要靠吸力把種子從充種區(qū)吸出來，完成吸種、攜種、投種過程，因此需要根據(jù)排種器正常吸種、排種的工作條件及油菜籽本身特點(diǎn)，對(duì)排種器吸、排種工作區(qū)域進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，找出能夠?qū)崿F(xiàn)工作的邊界條件。按照排種器工作特點(diǎn)，將工作過程劃分為正壓區(qū)、負(fù)壓區(qū)和過渡區(qū)3個(gè)工作區(qū)（圖3）。正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)通過氣管與氣泵相連，可實(shí)現(xiàn)第一、第三區(qū)域內(nèi)形成負(fù)壓，第二、第五區(qū)域內(nèi)形成正壓，第四、第六為工作過渡區(qū)。排種器內(nèi)設(shè)負(fù)壓倉和正壓倉，通過氣路管道，負(fù)壓倉與真空泵的吸氣口相連，正壓倉與吹氣口相連。排種器通過中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由鎮(zhèn)壓輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)吸種管隨排種器轉(zhuǎn)動(dòng)至吸種區(qū)時(shí)，吸種管與排種器負(fù)壓倉連通，油菜種子被吸種管上的吸種孔吸上，當(dāng)吸種管隨排種器轉(zhuǎn)至排種區(qū)時(shí)，油菜種子失去負(fù)壓并被排種器正壓倉內(nèi)的氣流吹離吸種管，落入土壤。排種器工作時(shí)，排種盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，攜吸種孔進(jìn)入第一工作區(qū)，油菜籽在重力和負(fù)壓作用下落入充種區(qū)；排種盤繼續(xù)進(jìn)入第二工作區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)，在正壓力的作用下，充種區(qū)內(nèi)多余的種子被吹出落入種箱內(nèi)；排種盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入第三工作區(qū)，由于該區(qū)域具有一定的負(fù)壓真空度，油菜籽可以克服離心力和重力的影響繼續(xù)留在排種器的護(hù)種區(qū)；排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過過渡區(qū)IV（第四區(qū)）時(shí)，負(fù)壓吸附作用逐漸消失；排種盤進(jìn)入正壓區(qū)V（第五工作區(qū)）時(shí)，油菜籽在重力和正壓力作用下落入投種區(qū)；排種盤接著轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過過渡區(qū)VI（第六區(qū)）再次進(jìn)入充種區(qū)第一工作區(qū)（I區(qū)），開始下一個(gè)排種過程。一般負(fù)壓區(qū)I、H、B角度為225°[16],正壓區(qū)V角度為50°,過渡區(qū)IV、VI角度為85°。2.1吸種過程種子受力分析要使油菜籽順利地吸附到吸種管上并隨排種器轉(zhuǎn)動(dòng)完成投種過程，排種器氣室必須具有足夠的真空度。在滿足足夠真空度的條件下，同時(shí)還要滿足最小功耗要求，因此需要求出正常工作時(shí)所需要的最小臨界真空度值。有研究表明，吸種時(shí)，被吸附種子受到種子群摩擦力的影響，同時(shí)種子間摩擦力大于自身重力[11]，因此排種器正常工作條件下，需要的臨界真空度值產(chǎn)生在吸種區(qū)，求出能保證正常吸種的臨界真空度值即可。吸種過程中種子受力情況如圖4所示。種子能被吸種孔吸附并隨其運(yùn)動(dòng)不發(fā)生滾落脫離必須保證N存在，即：N只有在的條件下才存在，當(dāng)時(shí)，N=0，時(shí)，種子脫離吸種孔。因此，種子完全被吸附并順利完成吸種過程應(yīng)滿足如下條件：式中：d為吸種孔直徑（m）;C為種子重心與吸種管之間的距離（在此為種子半徑），（m）;Q為G、F、J合力（N）;P為吸力（Pa）;N為吸種孔孔對(duì)種子的反作用力（N）。引入吸力P與真空度Hc的關(guān)系式：式中：S為吸種孔面積（m2）,為真空度（Pa）。由式（1）、式（2）可計(jì)算出最小真空度Hc應(yīng)滿足如下條件：根據(jù)平行四邊行法則求得：種子重力G與離心力J的合力為：式中：A為吸種角度。同理得出種子間摩擦力F與種子重力G與離心力J的合力R的合力為：式中：B為摩擦力F與R之間的夾角。計(jì)算得出：由式（3）、式（6）得出真空度Hc應(yīng)滿足的條件為：在油菜播種實(shí)際工作中，排種器工作性能還受種子本身?xiàng)l件等因素影響，因此在計(jì)算真空度時(shí)還需考慮以下影響因素：吸種可靠性系數(shù)K1.T作穩(wěn)定性可靠性系數(shù)K2和種子含水率影響系數(shù)K3，由此計(jì)算得：要確定最小真空度Hc的臨界值，即式（8）的右邊要取最大值，則cosA=1,cosB=1，代入化簡(jiǎn)得：則氣室真空度Hc的最小取值為：式中：Hcmin為最小臨界真空度（Pa）;d為排種器吸種孔直徑（m）;c為排種器吸種管與種子重心之間的距離，一般取種子半徑（m）;G為種子的重量（N）;J為離心力，J=mw2r;F為種子間摩擦力，其中l(wèi)為油菜種子摩擦阻力綜合系數(shù)［17］,。為油菜種子自然休止角，經(jīng)試驗(yàn)得0=26.5。，計(jì)算得出其他相關(guān)系數(shù)確定如下：K1為吸種可靠性系數(shù)，K1=1.8~2.0;K2為工作穩(wěn)定性可靠性系數(shù)，K2=1.6~2.0;K3為種子含水率影響系數(shù)，K3=1.1~1.2。要使種子能可靠地吸附在排種器吸種管上，排種器氣室里的真空度必須大于真空度臨界值Hcmin，在攜種過程中，由于少了種子間摩擦阻力F的影響，攜種過程所需要的真空度臨界值小于充種區(qū)，因此滿足充種時(shí)的氣室真空度值即可滿足攜種時(shí)的氣室真空度工作條件，取攜種時(shí)的真空度值為充種時(shí)真空度值。根據(jù)設(shè)計(jì)分析，選擇200mm作為排種盤直徑試驗(yàn)研究參數(shù)，取1mm孔徑作為試驗(yàn)研究參數(shù)，油菜籽按每千粒4.2g，種子直徑按較大的2mm計(jì)算［6］，取機(jī)具行進(jìn)速度為2.6km/h［18］，將相關(guān)參數(shù)代入式（10）得最小真空度為3.24kPa,因此選擇370W真空泵作為試驗(yàn)對(duì)象。2.2投種過程種子分析排種器投種過程采用氣力推種，當(dāng)排種器吸種管轉(zhuǎn)到水平位置且種子和吸種孔都朝下時(shí)進(jìn)行投種。投種時(shí)，種子自身初速度為隨排種器旋轉(zhuǎn)的線速度和機(jī)器前進(jìn)速度的合速度，受到自身重力G、推種氣流氣力T和空氣阻力F的作用，投種時(shí)油菜籽受力情況如圖5所示。由圖5看出，r為種子旋轉(zhuǎn)半徑，種子所受力的合力方向與rw方向都是垂直向下，在合力的作用下，種子下落的速度將快速增加，而種子在前進(jìn)方向的水平速度與機(jī)器前進(jìn)速度一致，將使種子在落種管中下落時(shí)與落種管的相對(duì)速度只有垂直方向的速度，因此不會(huì)與落種管發(fā)生碰撞，保證了投種精度。3.1試驗(yàn)條件試驗(yàn)用種為秦油10號(hào)，作業(yè)行數(shù)為6行，設(shè)計(jì)播量為15~105萬m/hm2（按每千粒4.2g[6],計(jì)算得出播量為0.63-4.41kg/hm2），取播量1.8kg/hm2為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取行進(jìn)速度為2.6km/h[18]。試驗(yàn)田塊為全喂入聯(lián)合收割機(jī)收獲后的晚稻田，砂性土壤，試驗(yàn)用地0.5hm2;播種作業(yè)前先對(duì)田塊進(jìn)行耕翻，耕深12cm以上，地表無殘茬、雜草；地塊平整、土壤松碎，含水率32%。3.1.1試驗(yàn)方法試驗(yàn)田出苗后，各取8個(gè)試樣點(diǎn)[5],每個(gè)試樣點(diǎn)以3m為取樣段，每段分3節(jié)，每1m為一節(jié)，數(shù)出每一節(jié)的出苗株數(shù)。在油菜長(zhǎng)到3片葉齡時(shí)，隨機(jī)將邊長(zhǎng)為1m的正方形框放到地面上，記錄每單位面積框內(nèi)的幼苗株數(shù)，然后換算成每公頃的出苗數(shù)。采樣結(jié)果見表1。按照播量計(jì)算公式[21]:播量誤差按計(jì)算公式為：式中，A為樣段中平均出苗數(shù)（株），A=36;B為行距，B=350mm;N0為油菜籽千粒重（g）；8為播種量誤差（%）；L為取樣長(zhǎng)度（m）,L=3m;G為實(shí)際出苗量（kg/hm2）；G0為設(shè)計(jì)播量（kg/hm2）,G0=1.8kg/hm2。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（11）、式（12），計(jì)算出實(shí)際出苗量G=1.44kg/hm2，實(shí)際出苗量與設(shè)計(jì)播種量的誤差8=20%。3.1.2播種均勻性變異系數(shù)播種均勻性是指種子在行內(nèi)縱向分布的均勻程度，是衡量作物田間分布質(zhì)量的主要指標(biāo)，試驗(yàn)時(shí)，往往測(cè)定單位長(zhǎng)度上種子粒數(shù)，用各段種子數(shù)的變異系數(shù)來比較。根據(jù)表1中油菜田間出苗分布情況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)即可計(jì)算出播種均勻性變異系數(shù)，公式如下：其中：式中，X為每段種子粒數(shù)（粒）；X為每段平均種子數(shù)（粒），X=38;n為分段個(gè)數(shù)，n=8；S為標(biāo)準(zhǔn)差（粒）；V為播種均勻性變異系數(shù)（%）。經(jīng)計(jì)算得出，油菜田間播種均勻性變異系數(shù)為2.4%，說明所設(shè)計(jì)的油菜排種器滿足精量播種要求。3.2結(jié)果分析（1）從田間實(shí)際出苗數(shù)與設(shè)計(jì)播量看，田間實(shí)際出苗數(shù)與設(shè)計(jì)播量之間的誤差為20%，分析原因可能是：排種器在排種過程中存在少量的種子破碎導(dǎo)致不能出苗，另外由于天氣、種子純度等非人為因素也會(huì)對(duì)種子的出苗率造成一定的影響。同時(shí)，—般油菜種子發(fā)芽率在85%左右，經(jīng)過綜合分析，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符。（2）經(jīng)過計(jì)算，排種器播種均勻性變異系數(shù)為2.4%，說明排種器排種均勻性良好，達(dá)到了播種質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。所設(shè)計(jì)的油菜精量播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝容易，機(jī)具經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，無需對(duì)用戶的輪拖進(jìn)行任何改造，可以很容易地與輪拖進(jìn)行連接安裝，且工作穩(wěn)定可靠。采用氣力式排種器，每個(gè)針孔上可只吸附1粒種子且吸種可靠，重播漏播率低，可以精確地實(shí)現(xiàn)每行、每畝精量播種，各行播量均勻，總體播量穩(wěn)定，誤差范圍小，排種精度高，大大減少了后期間苗的工作量。經(jīng)試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的油菜排種器播種均勻性變異系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，說明該播種機(jī)播種均勻性好，達(dá)到了播種質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，如大面積推廣可獲得較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。【相關(guān)文獻(xiàn)】張宇文，孟慶立，張文超，等.我國油菜播種機(jī)械的現(xiàn)狀和問題[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2012(1)：107-109.張宇文，李秋孝，王西紅，等.油菜精量播種技術(shù)研究[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2002,11(2):93-96.YazgiA,DegirmenciogluA.Optimisationoftheseedspacinguniformityperformanceofavacuum-typeprecisionseederusingresponsesurfacemethodology[J].BiosystemsEngineering,2007,97(3):347-356.GaikwadBB,SirohiNPS.Designofalow-costpneumaticseederfornurseryplugtrays[J].BiosystemsEngineering,2008,99(3):322-329.吳明亮，官春云，湯楚宙，等.2BYF-6型油菜免耕直播聯(lián)合播種機(jī)田間試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007,23(11):172-175.田波平，廖慶喜，