氣吸式播種機(jī)氣力系統(tǒng)研究

蘇 微，王福林，陳海濤，賴慶輝

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

氣力系統(tǒng)是氣吸式播種機(jī)的關(guān)鍵部分，主要包括氣吸式排種器、氣管和風(fēng)機(jī)。氣吸式精密排種器優(yōu)點(diǎn)是對種子要求不嚴(yán)，不傷種，不需精選分級，排種性能好，能適應(yīng)較高速的播種作業(yè)。氣吸式排種器的排種機(jī)理一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。Jafari Far等研究人員對排種盤的轉(zhuǎn)速、型孔直徑、真空度等因素對排種質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究[2－6]；中國農(nóng)機(jī)研究院李林、吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)盛江源、新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)楊宛章、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)龐昌樂和黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院謝宇峰等研究了氣吸式排種器的排種理論以及排種盤厚度、型孔直徑、真空度等主要參數(shù)對播種合格指數(shù)的影響規(guī)律[7－11]；但以上研究人員未對風(fēng)量及播種機(jī)氣力系統(tǒng)進(jìn)行研究。本文將對此問題開展研究。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用種籽為大豆，粒徑尺寸5～8 mm，千粒重為166.7 g，自然休止角25°。

1.2 儀器設(shè)備及方法

儀器設(shè)備：JPS－12計(jì)算機(jī)視覺精密排種器性能檢測試驗(yàn)臺（種距測量精度：±2 mm；種床帶速度：3.6～12 km·h－1）和加野KA31型熱敏式風(fēng)速儀（風(fēng)速測量范圍：0～50 m·s－1；精度：±2%）。

排種試驗(yàn)和風(fēng)量試驗(yàn)均在JPS－12計(jì)算機(jī)視覺精密排種器性能檢測試驗(yàn)臺進(jìn)行，如圖1所示。風(fēng)速儀探頭的安裝位置如圖2所示。理論株距為6.7 cm。試驗(yàn)按照GB6973－1986,“單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法”進(jìn)行排種器性能試驗(yàn)和檢定。

圖1 試驗(yàn)場景Fig.1 Experiment scene

圖2 風(fēng)速儀安裝位置Fig.2 Sketch of mounted position for anemometer

風(fēng)量的測定：利用風(fēng)速儀測定出風(fēng)速v，按照下式進(jìn)行計(jì)算。

其中，D－通風(fēng)管直徑，0.035 m。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣室真空度和作業(yè)速度對播種合格率的影響

氣室真空度和作業(yè)速度對播種合格率影響如圖3所示。由圖3可知，在同一真空度下，隨著作業(yè)速度的升高，播種合格率均呈降低趨勢。氣室真空度為3和4 kPa時，作業(yè)速度由4 km·h－1增至9 km·h－1時，播種合格率由97%降至91%，由于作業(yè)速度增大，排種盤的轉(zhuǎn)速增加，種子的慣性離心力增大導(dǎo)致大豆種子脫落，播種合格率下降；氣室真空度為5 kPa時，作業(yè)速度由4 km·h－1增至9 km·h－1時，播種合格率由97%降至94%，播種合格率略有下降；氣室真空度為6 kPa時，作業(yè)速度由4 km·h－1增至9 km·h－1時，播種合格率由94.5%降至90%，由于氣室真空度較高，排種孔上吸附的種子數(shù)為1個以上，導(dǎo)致重播率上升，播種合格率下降；可知當(dāng)氣室真空度為5 kPa時，播種合格率下降趨勢最緩，是較合適的真空度。

圖3 真空度和作業(yè)速度對播種合格率的影響Fig.3 Effect of qualification percent on vacuum degree and operating speed

2.2 氣室真空度和作業(yè)速度對漏播率的影響

氣室真空度和作業(yè)速度對漏播率的影響如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)作業(yè)速度小于6 km·h－1時，氣室真空度由3 kPa增至6 kPa時，對漏播率的影響較小，漏播率均在1.5%～2.5%之間，表明作業(yè)速度較低時，氣室真空度對漏播率影響較小；當(dāng)作業(yè)速度由6 km·h－1增加至9 km·h－1時，隨著氣室真空度的增加，漏播率呈上升趨勢，氣室真空度為3和4 kPa時，漏播率從2%增加到6.5%，上升趨勢明顯，說明隨著排種盤的轉(zhuǎn)速增加，慣性力增大，真空度小于4 kPa時，種子與種盤的吸附力小，種子從排種盤上脫落，導(dǎo)致漏播率下降；氣室真空度為5和6 kPa時，漏播率從2%增加到3.5%，上升趨勢不明顯，略有上升，表明雖然作業(yè)速度增大，排種盤轉(zhuǎn)速增加，同時慣性力增大，但由真空度為5和6 kPa產(chǎn)生的負(fù)壓足可以使種子脫落的可能性較小，保證漏播率小于3.5%。

綜合各真空度對播種合格率和漏播率的影響，可以看出，對于播種合格率而言，當(dāng)真空度為4和5 kPa時，播種合格率在91%至97%之間，優(yōu)于真空度為3和6 kPa，達(dá)到了排種器優(yōu)等品的標(biāo)準(zhǔn)；對于漏播率而言，當(dāng)真空度為5和6 kPa時，漏播率在1%至3.5%之間，優(yōu)于真空度為3和4 kPa；可知，氣室真空度為4、5和6 kPa時，確保了播種合格率大于90%，漏播率小于6%，保持良好的工作性能，考慮到在實(shí)際播種作業(yè)的振動影響，選定了5和6 kPa的氣室真空度為較優(yōu)的真空度。

圖4 真空度和作業(yè)速度對漏播率的影響Fig.4 Effect of miss percent on vacuum degree and operating speed

2.3 風(fēng)量的研究

由于真空度為5和6 kPa時，排種器在播種大豆工作性能較好，測量了在5和6 kPa真空度下隨作業(yè)速度變化風(fēng)量的變化情況，見圖5。由圖5可知，排種器的風(fēng)量隨著作業(yè)速度的略有上升的趨勢；當(dāng)氣室真空度為5 kPa時，隨著作業(yè)速度增加，排種器的風(fēng)量由 7.4×10－3m3·s－1增至 8.0×10－3m3·s－1；當(dāng)氣室真空度為 6 kPa時，隨著作業(yè)速度增加，排種器的風(fēng)量由 8.0×10－3m3·s－1增至8.8×10－3m3·s－1。

圖5 風(fēng)量曲線Fig.5 Curve of air flow

2.4 真空度和風(fēng)量特性曲線

以10行氣吸式大豆窄行密植平作高速精密播種機(jī)為例，設(shè)計(jì)了播種機(jī)風(fēng)管的布置形式，布置簡圖如圖6所示，氣力系統(tǒng)主要由主風(fēng)管、排種器、支風(fēng)管和風(fēng)機(jī)組成。

圖6 10行氣吸式播種機(jī)氣力系統(tǒng)布置Fig.6 Arrangement sketch of pneumatic system for 10-rows vacuum planter

10行氣吸式播種機(jī)風(fēng)量Q為：

Q=kQ1N

式中，k－泄漏系數(shù)，這里取1.05；Q1－一個排種器所需風(fēng)量，由圖5可得；N－排種器個數(shù)，這里取10。

10行氣吸式播種機(jī)真空度p為：

p=p1+p2+p3

式中，p1－一個排種器所需真空度，取5 000～6 000 Pa；p2－沿程壓力損失（Pa）；p3－局部壓力損失（Pa）。

式中，λ－阻力系數(shù)，值約為0.01－0.03，這里取0.02；L－管子長度（m）；d－管子內(nèi)徑（m）；v－管內(nèi)氣體流速（m·s－1）。

式中，γ－空氣比重（kg·m－3）；v1－小管中的平均速度（m·s－1）；v2－大管中的平均速度（m·s－1）。

通過以上公式，計(jì)算并繪制了10行氣吸式播種機(jī)氣力系統(tǒng)的真空度和風(fēng)量特性曲線如圖7所示。由圖7可知，真空度的較優(yōu)范圍應(yīng)在5.1 kPa至 6.2 kPa，風(fēng)量在 7.5×10－2m3·s－1至 9.28×10－2m3·s－1。

圖7 真空度和風(fēng)量特性曲線Fig.7 Characteristic curve of air flow and vacuum

3 結(jié)論

通過對氣吸式播種機(jī)氣力系統(tǒng)的研究，得到了當(dāng)作業(yè)速度在4～9 km·h－1時，排種器氣室真空度為5、6 kPa，排種器的播種合格率大于90%，漏播率小于6%，保證了良好的作業(yè)性能，測定了氣室真空度為5 kPa時，排種器的風(fēng)量為7.4×10－3～8.0×10－3m3·s－1；真空度為 6 kPa時，排種器的風(fēng)量為8.0×10－3～8.8×10－3m3·s－1，給出了 10行氣吸式播種機(jī)氣力系統(tǒng)的真空度和風(fēng)量特性曲線，為氣吸式播種機(jī)作業(yè)性能的提高和風(fēng)機(jī)參數(shù)確定提供依據(jù)。

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