小區(qū)播種機(jī)凈種系統(tǒng)的研究

周家鵬，王延耀

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島　266109)

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小區(qū)播種機(jī)凈種系統(tǒng)的研究

周家鵬，王延耀

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266109)

摘要：小區(qū)播種機(jī)的性能是種子新品種培育的重要保障，其凈種系統(tǒng)尤為重要。為此,就目前小區(qū)播種機(jī)上采用的幾種凈種方式進(jìn)行研究，分析其組成結(jié)構(gòu)和工作原理，同時(shí)對(duì)各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行剖析，以確定各種方式所適用的種子類型，為今后的小區(qū)播種機(jī)凈種系統(tǒng)的研制提供一些參考。主要介紹了3種凈種方式：①插裝式，即采用可拆卸式排種裝置，每次換種之前進(jìn)行人工凈種；②機(jī)械結(jié)構(gòu)自動(dòng)凈種，利用特殊的結(jié)構(gòu)造型在排種過程中自動(dòng)清理剩余種子；③氣吸式，根據(jù)氣吸原理將剩余種子從排種器中吸出去。

關(guān)鍵詞：小區(qū)播種機(jī)；凈種；氣吸式

0引言

糧食是人們賴以生存的基本生活資源，糧食產(chǎn)量關(guān)系到一個(gè)國(guó)家的穩(wěn)定發(fā)展，而土地荒漠化、水土流失使得土地資源正在流失，同時(shí)大量的農(nóng)用耕地荒廢或植樹讓本就不堪重負(fù)的耕地再度縮水，高產(chǎn)作物品種成為提高糧食產(chǎn)量的重要因素，使小區(qū)育種試驗(yàn)的工作越來越重要。我國(guó)小區(qū)試驗(yàn)大多采用傳統(tǒng)的人力手工播種，勞動(dòng)的繁重、工序的繁瑣、播種效率的低下、播種質(zhì)量的不均衡，以及小區(qū)面積、數(shù)量的小且少，嚴(yán)重地影響了小區(qū)試驗(yàn)研究的準(zhǔn)確性、科學(xué)性及普遍性。針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)有些科研機(jī)構(gòu)也進(jìn)行過研究，但成果不顯著，雖然能解決人工勞動(dòng)強(qiáng)度大和作業(yè)效率低的問題，但并沒有解決培育新品種過程中的核心問題，即播種精度不夠的問題。

在小區(qū)試驗(yàn)過程中不僅要保證行距，還要有合理的株距，在育種試驗(yàn)中對(duì)以上兩點(diǎn)的要求就更加嚴(yán)格。同時(shí)，同小區(qū)中播種同一品種的種子，不同小區(qū)之間品種不同，要求播種機(jī)在一個(gè)小區(qū)播種完之后機(jī)器內(nèi)不能留存有上個(gè)小區(qū)的種子，一旦出現(xiàn)混種將造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不可靠或者誤導(dǎo)研究人員的判斷，使試驗(yàn)失去意義。因此，凈種系統(tǒng)的工作是否可靠是關(guān)系到育種工作成敗的重要因素[1-4]。

為此，研究了現(xiàn)有的幾種凈種系統(tǒng)，分析其工作原理、工作過程及適用情況，希望為以后小區(qū)播種機(jī)凈種系統(tǒng)的研發(fā)提供參考。

1插裝式凈種系統(tǒng)

手動(dòng)式凈種即采用人工清理每個(gè)小區(qū)播完后排種器中剩余的、未播完種子的一種凈種系統(tǒng)。具體的操作方式是：采用一種特殊的快速拆裝的排種裝置，在播種完一個(gè)小區(qū)的時(shí)候由操作人員在播種機(jī)走過小區(qū)間隔區(qū)域的時(shí)間內(nèi)將排種裝置從機(jī)器上拆下，然后進(jìn)行殘余種子的清理，同時(shí)換上下個(gè)小區(qū)要播種的種子品種。

插裝式凈種系統(tǒng)是一種目前較常見的手動(dòng)式凈種系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，主要靠插裝式排種器和機(jī)架連接機(jī)構(gòu)兩大工作部件間的快速插裝完成凈種過程。

1.1　插裝式凈種裝置

插裝式凈種裝置的特點(diǎn)在于其能在工作過程中快速拆裝，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.箱體　2.前導(dǎo)套　3.彈簧柱銷　4.后導(dǎo)套

圖1中，箱體是整個(gè)排種器的工作空間，同時(shí)也是排種器與機(jī)架連接機(jī)構(gòu)的連接部件；前導(dǎo)套和后導(dǎo)套主要起到快速插裝時(shí)的導(dǎo)向作用，且限制排種器在水平面中的移動(dòng)；彈簧柱銷在排種器安裝在機(jī)架上后起到限制排種器在豎直方向上位移的作用[5]。

1.2　插裝式結(jié)構(gòu)工作過程分析

插裝式排種器和機(jī)架配合過程如圖2所示。

1.彈簧柱銷　2.前導(dǎo)柱　3.導(dǎo)套套管

圖2中，前導(dǎo)套和后導(dǎo)套裝配在排種器箱體上，導(dǎo)套套管焊接在前導(dǎo)套上面，且導(dǎo)套套管一側(cè)加工有螺紋孔，彈簧柱銷通過螺紋孔與導(dǎo)套套管配合。前導(dǎo)柱和后導(dǎo)柱安裝在機(jī)架連接機(jī)構(gòu)上。

在安裝排種器的過程中，首先前導(dǎo)柱與導(dǎo)套套管配合，在前導(dǎo)柱深入的過程中彈簧柱銷的頂端受到來自前導(dǎo)柱表面的壓力，彈簧受力壓縮彈簧導(dǎo)柱后退，前導(dǎo)柱繼續(xù)插入；當(dāng)排種器箱體與機(jī)架連接機(jī)構(gòu)相接時(shí)，排種器箱體停止向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)彈簧導(dǎo)柱與前導(dǎo)柱上的凹槽處在同一水平面上，在彈簧的作用下彈簧導(dǎo)柱向里運(yùn)動(dòng)，彈簧導(dǎo)柱的頂端與前導(dǎo)柱的凹槽配合。在排種器箱體下落后期，后導(dǎo)柱也與后導(dǎo)套配合。各個(gè)配合部件成功配合后，前導(dǎo)柱與導(dǎo)套套管之間的配合及后導(dǎo)柱與后導(dǎo)套之間的配合能夠限制排種器箱體在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，彈簧柱銷與前導(dǎo)柱凹槽間的配合加上整個(gè)排種器的重力能夠防止排種箱體的上下震動(dòng)，從而保證排種器內(nèi)部工作部件之間的傳動(dòng)穩(wěn)定和排種工作的正常進(jìn)行[6-7]。

在一個(gè)小區(qū)播種完成需要清種和換種時(shí)，操作員向上提拉排種器。排種器箱體向上運(yùn)動(dòng)前導(dǎo)柱做向下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，彈簧柱銷頂端下表面受到前導(dǎo)柱凹槽下表面的壓力向外運(yùn)動(dòng)，彈簧柱銷與前導(dǎo)柱配合解除；排種器箱體繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)與機(jī)架脫離完成拆卸過程。在人工將上個(gè)小區(qū)殘留的種子清除后，加入下個(gè)小區(qū)要播種的種子品種，重復(fù)安裝和拆卸完成整個(gè)播種作業(yè)[8]。

利用插裝結(jié)構(gòu)形成的凈種系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)就是保證排種器中無種子殘留，完全避免了小區(qū)試驗(yàn)中混種的弊端；但小區(qū)的長(zhǎng)度決定了在小區(qū)播種作業(yè)過程中要頻繁的更換種子品種，這就使操作員的工作量非常大，從而影響到整個(gè)播種作業(yè)的效率。

2機(jī)械式凈種系統(tǒng)

本文介紹的機(jī)械式凈種系統(tǒng)是指一種利用特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)特定的曲面或空間，使排種器在播種完本小區(qū)后里面沒有殘留種子的排種系統(tǒng)，也叫自動(dòng)凈種系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠保證在排種器完成排種工作后排種器種沒有種子殘留防止混種。小區(qū)育種過程中，混種是必須要優(yōu)先解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。精量播種是精確科學(xué)數(shù)據(jù)的重要前提，機(jī)械式凈種系統(tǒng)的發(fā)展將大大加快小區(qū)育種機(jī)械化進(jìn)程[9]。

本文主要研究?jī)煞N常見的機(jī)械式裝置：錐體格盤裝置和錐體皮帶裝置。20 世紀(jì) 60 年代，Egil Oyjord 教授發(fā)明了錐體格盤式裝置，并研制了一臺(tái)應(yīng)用此排種裝置的小區(qū)條播播種機(jī)；此后，隨著田間育種模式和要求的變化，衍生出了錐體皮帶式裝置[10-11]。

2.1　錐體格盤裝置

錐體格盤裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.落種漏斗　2.錐體　3.格盤

圖3結(jié)構(gòu)是在排種的過程中同時(shí)完成凈種的。種子由落種漏斗進(jìn)入整個(gè)裝置，后經(jīng)錐體的分種使種子基本均勻地進(jìn)入格盤與格盤盤底組成的扇形空間內(nèi)；扇形空間只有上面開口，格盤與底盤及外面圓筒配合緊密，動(dòng)力由錐齒輪傳入該裝置，錐體格盤在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)[12-13]。

種子在錐體格盤裝置工作過程中受力如圖4所示。錐體格盤在工作過程中按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，格盤對(duì)種子的推力F克服摩擦力Fp對(duì)種子做功，推動(dòng)種子前進(jìn)；錐體格盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)種子還受到向心力的作用，在合力的作用下種子由掉落位置運(yùn)動(dòng)到落種口，由落種口落下；格盤與底盤和圓筒內(nèi)壁緊密貼合，種子全部受到合力作用，在格盤轉(zhuǎn)到落種口時(shí)該扇形區(qū)域所有種子全部由落種口落下，不發(fā)生扇形區(qū)域存種現(xiàn)象。

圖4　種子受力圖

2.2　錐體皮帶裝置

錐體皮帶裝置是在錐體格盤的基礎(chǔ)上根據(jù)小區(qū)種植模式和農(nóng)藝的變化衍生來的，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.錐體　2.皮帶　3.張緊銷軸　4.滾動(dòng)銷軸　5.種子

與錐體格盤不同的是：種子由落種漏斗下落后并非是落在格盤中，而是落在皮帶帶和錐體之間的縫隙中，如圖5所示。整機(jī)前進(jìn)過程中，地輪帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給錐齒輪傳動(dòng)軸，再通過錐齒輪帶動(dòng)錐體轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶與錐體緊密配合在一起，其間的摩擦力帶動(dòng)皮帶一起轉(zhuǎn)動(dòng)。皮帶表面粗糙，與種子之間的摩擦力較大，一個(gè)小區(qū)播種完成后，剩余種子在皮帶摩擦力的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)。滾動(dòng)銷軸保證皮帶與錐體之間只在落種口處有間隙，種子通過間隙由落種口落下。張緊銷軸保證皮帶與錐體之間的張緊程度，皮帶不打滑，從而更好地保證凈種效果[14]。

錐體格盤式的結(jié)構(gòu)具有理想的自凈能力，只要格盤能夠轉(zhuǎn)到落種口處，種子就能落進(jìn)排種管。但此種裝置要求在小區(qū)播種結(jié)束到下個(gè)小區(qū)播種前必須保證格盤能夠轉(zhuǎn)完1周，讓所有格盤在落種口上方轉(zhuǎn)過1次，保證沒有種子殘留。格盤如果沒有轉(zhuǎn)夠1周，將可能會(huì)有種子殘留，這在傳動(dòng)上的要求就比較高，傳動(dòng)不夠精確將會(huì)影響凈種效果，從而影響小區(qū)試驗(yàn)的精度。

錐體皮帶式結(jié)構(gòu)在傳動(dòng)系統(tǒng)上的要求相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)較格盤式裝置也簡(jiǎn)單；但自凈能力不夠理想且對(duì)皮帶帶的要求較高，種子的運(yùn)動(dòng)靠與皮帶之間的摩擦力帶動(dòng)，作業(yè)過程中皮帶裸露在外作業(yè)環(huán)境的變化容易影響皮帶的摩擦因數(shù)，從而影響凈種效果。

3氣吸式凈種系統(tǒng)

氣吸式凈種系統(tǒng)原理是利用風(fēng)機(jī)將剩余種子從排種器存種腔吸出，再將種子存于集種盒內(nèi)。該系統(tǒng)主要與氣吸組合式排種器配合使用。

排種器上的存種腔與兩個(gè)口連接：落種口與凈種口，凈種口的另一端與風(fēng)管相接，在一個(gè)小區(qū)播種完成后，凈種口通風(fēng)，氣流流向如圖6所示，氣流將種子帶往集種盒。集種盒結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.落種口　2.凈種口　3.存種腔

1.吸氣管　2.吸氣腔　3.隔離網(wǎng)　4.集種腔　5.盒體　　6.收種管

由圖7可知：集種盒主要由盒體、收種管、吸氣管和隔離網(wǎng)4部分構(gòu)成。種盒內(nèi)腔被隔離網(wǎng)分成上下兩部分：上半部分為吸氣腔與吸氣管相連，下半部分為集種腔與收種管相連。排種器中的殘留種子由收種管進(jìn)入集種腔，隔離網(wǎng)阻隔了種子進(jìn)入吸氣腔，種子停留在了集種腔內(nèi)。

氣吸式凈種系統(tǒng)的整個(gè)工作過程如圖8所示。

1.播種閥門　2.風(fēng)機(jī)　3.排種器無種腔接口

風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)口連接有播種閥門和凈種閥門兩個(gè)電控閥門：播種閥門與排種器無種腔相連，凈種閥門與集中盒上的吸氣管接口連接，集種盒的收種管與排種器上存種腔的凈種口接口相連。

風(fēng)機(jī)由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)。當(dāng)1個(gè)小區(qū)播種作業(yè)完成整機(jī)進(jìn)入兩個(gè)小區(qū)間隔時(shí)，電控播種閥門關(guān)閉，電控凈種閥門打開，播種機(jī)凈種系統(tǒng)開始工作。排種器存種腔內(nèi)的未播完的種子在氣流的帶動(dòng)下由凈種口流出，經(jīng)過連接管路由集種盒的收種口進(jìn)入集種盒，在隔離網(wǎng)的作用下氣流繼續(xù)前進(jìn)，種子被阻隔在隔離網(wǎng)下面的集種腔內(nèi)；在播種機(jī)進(jìn)入下個(gè)小區(qū)時(shí)，電控清種閥門關(guān)閉，播種閥門開啟，完成一次凈種過程。下個(gè)小區(qū)播種完成后重復(fù)上述工作過程保證播種機(jī)連續(xù)作業(yè)[15-17]。

氣吸式凈種系統(tǒng)工作效率高，凈種效果好，但成本較高[18]。

4結(jié)論

1)插裝式凈種系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)在大豆播種機(jī)上使用較多, 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院利用插裝結(jié)構(gòu)的方式發(fā)明和研制了2BZXJ-1型大豆小區(qū)育種精密播種機(jī)[19]。插裝式凈種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，但插裝費(fèi)時(shí)、工作效率相對(duì)較低。插裝式結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)于所有的種子類型，但小區(qū)的規(guī)模和種植模式成為制約其應(yīng)用的關(guān)鍵因素，人工插裝的工作模式使得播種小區(qū)長(zhǎng)度不能太短，小區(qū)個(gè)數(shù)不能太多。

2)錐體格盤和錐體皮帶式裝置多用于小區(qū)條播機(jī)上，適用于小麥等中小粒作物種子條播作業(yè)，在點(diǎn)播機(jī)或穴播機(jī)上運(yùn)用較少。小區(qū)播種的精確性使得這兩種結(jié)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求很高，作業(yè)效率較插裝式有了明顯的提升。新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)機(jī)所研制的 2XBX-2.0 型懸掛式小區(qū)條播機(jī)采用了錐體格盤式結(jié)構(gòu)[20]，效果良好。

3)在高速的小區(qū)育種播種作業(yè)中多采用氣吸式凈種系統(tǒng)，因?yàn)樾枰钆滹L(fēng)機(jī)使用，多與采用氣吸式的精密排種器搭配使用。氣吸式凈種系統(tǒng)工作效率高，可靠性好，但造價(jià)相對(duì)較高。在小區(qū)規(guī)模較大、種植品種較多時(shí)可采用這種系統(tǒng)，高速作業(yè)能夠既保證作業(yè)精度又能使得播種時(shí)間相差不大。2014年，中機(jī)美諾科技股份有限公司研制的全自動(dòng)化小區(qū)精量播種機(jī)采用了該種系統(tǒng)。

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Plot Seeder Seed-clearing System Research

Zhou Jiapeng, Wan Yanyao

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：Plot seeder performance is the important guarantee of seed breeding new varieties especially net system is particularly important. Net in this paper, the current community seeding machine adopts several kinds of ways to study, analyze its composition structure and working principle, analyzes the advantages and disadvantages of all kinds of ways and seed types, applicable to the various ways for future net kind of system to provide some references for the development of plot seeder. This paper mainly introduces the three ways:①Net cartridge, namely the removable type metering device, every time before another manual net.②Net, automatic mechanical structure with special structure model in the process of seed automatically clean up the rest of the seed.③Gas suction, according to the principle of suction seed balance will be sucked out of the seed metering device.

Key words：plot seedey; seed-clearing; gas suction

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0109-05

作者簡(jiǎn)介：周家鵬(1990-)，男，山東日照人，碩士研究生，(E-mail)1169583171@qq.com。通訊作者：王延耀(1957-)，男，山東青州人，教授，碩士生導(dǎo)師。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203028)

收稿日期：2015-12-07