油菜精量播種機氣力式排種器設(shè)計與試驗

吳小偉，武文娟，鐘志堂，通信作者，史志中，趙敏

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣站，南京 210017； 2.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，南京211188）

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油菜精量播種機氣力式排種器設(shè)計與試驗

吳小偉1，武文娟2，鐘志堂1，通信作者，史志中1，趙敏1

（1.江蘇省農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣站，南京 210017； 2.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，南京211188）

摘 要：根據(jù)油菜精量播種技術(shù)的農(nóng)機、農(nóng)藝要求，提出了氣力式油菜精量播種機排種器的設(shè)計方案，對排種器結(jié)構(gòu)和工作過程進行了分析。以秦油10號為試驗用種，種子發(fā)芽率在85%左右，設(shè)計播量為0.63～4.41 kg/hm2，取播量為1.8 kg/hm2、拖拉機行進速度為2.6 km/h進行田間試驗。結(jié)果表明，油菜播種機田間實際出苗數(shù)與設(shè)計播量之間播種均勻性變異系數(shù)為2.4%，說明該播種機排種器播種均勻性好，達到播種質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：油菜；氣力式；排種器；均勻性；性能試驗

目前，油菜產(chǎn)區(qū)機械直播技術(shù)一直處于示范階段[1]，且價格昂貴，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270～345 h/hm2，增產(chǎn)12%以上。國外對油菜變量播種技術(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)計和后期試驗驗證方面做了大量工作，如設(shè)計了偏心輪式變幅寬變量排種器[5]、以電磁力為動力源的自動供種系統(tǒng)和正負(fù)氣壓組合式精量播種機等[6-9]，確定了排量與轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型及種子在流場中受力情況[10-14]，并對排種器的性能進行了田間試驗[15]。雖然多位專家在油菜精量播種機方面進行了大量研究，但與播種機匹配的多為專用拖拉機，增加了小型生產(chǎn)農(nóng)戶的作業(yè)成本，較難實現(xiàn)一機多用的經(jīng)濟生產(chǎn)方式。針對上述油菜播種技術(shù)研究進展及油菜精量播種技術(shù)存在的問題，文中設(shè)計了一種新型的油菜播種機排種器，生產(chǎn)效率高且方便選擇匹配的拖拉機，真正做到了一機多用，降低了生產(chǎn)成本，增加了經(jīng)濟效益。

1 排種器總成設(shè)計

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)計了單排氣力式排種器，其優(yōu)點在于：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比即可改變株距，實現(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40%以上，且播種后不需間苗，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單排氣力式排種器結(jié)構(gòu)和配針（注：l.基座；2.排種盤；3.圍堰；4.氣孔；5.空心管；6.吸種小孔；7.負(fù)壓倉；8.吸氣孔；9.吹氣孔；10.環(huán)形凸堰；11.凸臺；12.密封圈；13.軸承；14.短軸）

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個空心管，對應(yīng)均勻設(shè)置了12個貫穿圍堰的氣孔，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

雙排排種器可以實現(xiàn)一個排種盤進行雙排播種，同時N個排種器可以串接形成多級排種器，具有效率較高、成本較低等優(yōu)點。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。

圖2 雙排氣力式排種器結(jié)構(gòu)（注：1.吸種小孔；2.圍堰；3.環(huán)形圍堰；4.吸氣孔；5.基座；6.傳動軸；7.吹氣孔；8.密封圈；9.空心管；10.正壓倉；11.軸承；12.鏈輪；13.排種盤；14.負(fù)壓倉；15.氣孔）

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，凸臺中含有一正壓倉，從正壓倉到基座軸心的連線與垂線的夾角Q 為±5°。當(dāng)采用多個排種盤時，它們之間的動力傳遞如下：傳動軸端穿過基座的軸孔與本級排種盤固定連接，另一端與下一級排種盤端面固定連接，形成串接的多級排種器。

根據(jù)對上述兩種排種器的分析，單排的單個排種器結(jié)構(gòu)簡單，但一個排種機構(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，將會產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。雙排的單個排種器結(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，可以減少空穴現(xiàn)象產(chǎn)生的幾率。同時在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，雙排結(jié)構(gòu)的排種器對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，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)量進行改變，加工出一管一孔、一管兩孔和一管三孔3種型號的空心管以供不同種植情況下使用，結(jié)構(gòu)如圖1所示。排種器對于密封要求高，因此設(shè)計驅(qū)動方式時，未設(shè)置軸傳動，而是采用撥片帶動排種器的動盤轉(zhuǎn)動。排種器的播量調(diào)節(jié)可通過更換傳動鏈輪改變傳動比或更換具有不同吸種孔數(shù)量的吸種針來實現(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/hm2。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。

2 排種器工作過程分析

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，對排種器吸、排種工作區(qū)域進行動力學(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，將工作過程劃分為正壓區(qū)、負(fù)壓區(qū)和過渡區(qū)3個工作區(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)。

圖3 排種器工作過程各段示意圖（注：1.排種盤；2.排種盒；3.清種裝置；4.氣室隔板）

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機構(gòu)由鎮(zhèn)壓輪帶動轉(zhuǎn)動，當(dāng)吸種管隨排種器轉(zhuǎn)動至吸種區(qū)時，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，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，排種盤順時針轉(zhuǎn)動，攜吸種孔進入第一工作區(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)進入第二工作區(qū)轉(zhuǎn)動，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)動進入第三工作區(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)留在排種器的護種區(qū)；排種盤轉(zhuǎn)動經(jīng)過過渡區(qū)IV（第四區(qū)）時，負(fù)壓吸附作用逐漸消失；排種盤進入正壓區(qū)V（第五工作區(qū)）時，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)動經(jīng)過過渡區(qū)VI（第六區(qū)）再次進入充種區(qū)第一工作區(qū)（I區(qū)），開始下一個排種過程。一般負(fù)壓區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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，同時還要滿足最小功耗要求，因此需要求出正常工作時所需要的最小臨界真空度值。有研究表明，吸種時，被吸附種子受到種子群摩擦力的影響，同時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。

圖4 吸種過程種子受力分析

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為吸種孔孔對種子的反作用力（N）。

引入吸力P與真空度Hc的關(guān)系式：

由式(1)、式(2)可計算出最小真空度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：

在油菜播種實際工作中，排種器工作性能還受種子本身條件等因素影響，因此在計算真空度時還需考慮以下影響因素：吸種可靠性系數(shù)K1、工作穩(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，代入化簡得：

則氣室真空度Hc的最小取值為：

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)，因此滿足充種時的氣室真空度值即可滿足攜種時的氣室真空度工作條件，取攜種時的真空度值為充種時真空度值。

根據(jù)設(shè)計分析，選擇200 mm作為排種盤直徑試驗研究參數(shù)，取1 mm孔徑作為試驗研究參數(shù)，油菜籽按每千粒4.2 g，種子直徑按較大的2 mm計算[6]，取機具行進速度為2.6 km/h[18]，將相關(guān)參數(shù)代入式（10）得最小真空度為3.24 kPa，因此選擇370 W真空泵作為試驗對象。

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進行投種。投種時，種子自身初速度為隨排種器旋轉(zhuǎn)的線速度和機器前進速度的合速度，受到自身重力G、推種氣流氣力T和空氣阻力F的作用，投種時油菜籽受力情況如圖5所示。

圖5 油菜籽投種受力情況

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，而種子在前進方向的水平速度與機器前進速度一致，將使種子在落種管中下落時與落種管的相對速度只有垂直方向的速度，因此不會與落種管發(fā)生碰撞，保證了投種精度。

3 排種器田間試驗

3.1 試驗條件

試驗用種為秦油10號，作業(yè)行數(shù)為6行，設(shè)計播量為15～105萬粒/hm2（按每千粒4.2 g[6]，計算得出播量為0.63～4.41 kg/hm2），取播量1.8 kg/hm2為試驗數(shù)據(jù)，取行進速度為2.6 km/h[18]。試驗田塊為全喂入聯(lián)合收割機收獲后的晚稻田，砂性土壤，試驗用地0.5 hm2；播種作業(yè)前先對田塊進行耕翻，耕深12 cm以上，地表無殘茬、雜草；地塊平整、土壤松碎，含水率32%。

3.1.1 試驗方法

試驗田出苗后，各取8個試樣點[5]，每個試樣點以3 m為取樣段，每段分3節(jié)，每1 m為一節(jié)，數(shù)出每一節(jié)的出苗株數(shù)。在油菜長到3片葉齡時，隨機將邊長為1 m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。

表1 油菜田間出苗數(shù)

按照播量計算公式[21]：

播量誤差按計算公式為：

式中，A為樣段中平均出苗數(shù)（株），A＝36；B 為行距，B＝350 mm；N0為油菜籽千粒重（g）；δ為播種量誤差（%）；L 為取樣長度（m），L＝3 m；G 為實際出苗量（kg/hm2）；G0為設(shè)計播量（kg/hm2），G0＝1.8 kg/hm2。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（11）、式（12），計算出實際出苗量G＝1.44 kg/hm2，實際出苗量與設(shè)計播種量的誤差δ＝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)，試驗時，往往測定單位長度上種子粒數(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數(shù)據(jù)即可計算出播種均勻性變異系數(shù)，公式如下：

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）從田間實際出苗數(shù)與設(shè)計播量看，田間實際出苗數(shù)與設(shè)計播量之間的誤差為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對種子的出苗率造成一定的影響。同時，一般油菜種子發(fā)芽率在85%左右，經(jīng)過綜合分析，與試驗數(shù)據(jù)基本相符。

（2）經(jīng)過計算，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，達到了播種質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

所設(shè)計的油菜精量播種機結(jié)構(gòu)簡單、安裝容易，機具經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，無需對用戶的輪拖進行任何改造，可以很容易地與輪拖進行連接安裝，且工作穩(wěn)定可靠。

采用氣力式排種器，每個針孔上可只吸附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，所設(shè)計的油菜排種器播種均勻性變異系數(shù)滿足設(shè)計要求，說明該播種機播種均勻性好，達到了播種質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，如大面積推廣可獲得較顯著的經(jīng)濟效益。

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Design and Experiment of Pneumatic Precision Metering Device for Rapeseed

WU Xiao-wei1,WU Wen-juan2,ZHONG Zhi-tang1，Corresponding Author,SHI Zhi-zhong1,ZHAO Min1
（1.Agricultural Machinery Technology Extension Station of Jiangsu Province,Nanjing 210017,China; 2.Department of Automobile Engineering,Nanjing Communications Institute of Technology,Nanjing 211188,China）

Abstract:According to the requirements of agricultural and agronomic of rapeseed precision metering technology,this study proposed the design scheme of pneumatic precision metering device for rapeseed and analyzed the structure and working process of the metering device.Field experiment conditions as follows: take Qin You No.10 for the tested seed,seed germination about 85%,the design seeding rate is 0.63～4.41 kg/hm2,take 1.8 kg/hm2as test seeding number,the tractor speed is 2.6 km/h.After tested,the sowing uniformity variation coefficient between the actual number of rape sprout in field and design seeding rate is 2.4%,this result indicate that the seeder have a good uniformity,and meet the seed quality standards.

Key words:rapeseed; pneumatic; metering device; uniformity; performance test

通信作者：鐘志堂（1964-），男，江蘇南京人，研究員，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)方向研究。E-mail：Zhongzhitang64@sina.com。

作者簡介：吳小偉（1985-），男，江蘇南京人，工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)及裝備方向研究。E-mail：wxw0920@163.com。

基金項目：江蘇省農(nóng)機三項工程項目“油菜生產(chǎn)機械化技術(shù)集成推廣”（NJ2013-34、NJ2014-27）；農(nóng)業(yè)部2011年優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品重大技術(shù)推廣項目“農(nóng)機農(nóng)藝結(jié)合示范與推廣”（2130106）

收稿日期：2015-08-30

文章編號：1008-5394（2016）01-0028-06

中圖分類號：S223.2

文獻標(biāo)識碼：A