超窄行棉花精量排種器設計與性能試驗

康建明，陳學庚，王士國，顏利民

(新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子　832000)

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超窄行棉花精量排種器設計與性能試驗

康建明，陳學庚，王士國，顏利民

(新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子832000)

摘要：【目的】 針對目前新疆棉花播種行距大，噴灑脫葉劑受藥效果差，導致機械采收采凈率偏低的問題，研制了一種播種行距更窄，能實現(xiàn)高度密植的超窄行棉花精量排種器.【方法】 對超窄行精量棉花排種器的結構及參數(shù)進行理論分析，確定排種器的主要結構與性能參數(shù).以排種器的單粒率、重播率、漏播率為排種性能評價指標，在PSY-1200鴨嘴滾筒式排種器性能實驗臺上進行排種器轉速、負壓區(qū)相對壓力、落種角等運行參數(shù)的單因素及正交試驗.【結果】 經田間測試，當排種器轉速為41 r/min，負壓區(qū)相對壓力為-4500 Pa，落種角為60°時，排種器單粒率為93.5%，重播率為3.8%，漏播率為4.2%，單行株距均勻性變異系數(shù)為5.82%，雙行行距穩(wěn)定性變異系數(shù)為6.04%.【結論】 該排種器最小行距可調至4 cm，滿足超窄行種植農藝要求且能實現(xiàn)精量播種.

關鍵詞：棉花；精量排種器；超窄行

“矮、密、早、膜”是新疆棉花優(yōu)質高產的關鍵技術措施，目前66 cm+10 cm的帶狀種植模式實現(xiàn)了農機與農藝的結合，但存在脫葉效果差、采凈率低的問題[1].為提高脫葉效果，進一步適應采棉機結構，農業(yè)工作者提出了72 cm+4 cm，兩窄行棉苗呈三角型配置的帶狀種植方式[2-6].生產實踐表明，該配置模式能保證各植株養(yǎng)分的均勻分配，使脫葉催熟劑噴灑更為均勻，提高采凈率[7].然而，現(xiàn)有的棉花精量播種機一般為專用機具，針對特定的種植模式，最窄行距為10 cm[8].因此，應開展超窄行精量播種技術的研究，以滿足新疆棉花高密度種植的農藝要求.目前，國內外已有許多關于各類作物機械化密植種植模式的研究報道[9-12].

本文設計了一種棉花超窄行精量排種器，在并列的2個排種器之間安裝同步器以實現(xiàn)同步行走，利用負壓氣吸取種與強制斷氣投種組合的排種原理，實現(xiàn)精量取種和精確投種，保證播種精度，并通過縮小行距，使兩窄行之間的棉株交錯分布，呈三角形狀，滿足了標準化株距和行距的農藝要求.

1排種器結構及工作原理

超窄行棉花精量排種器主要包括穴播器殼體、進種管、成穴器、排種器A和排種器B等，結構示意如圖1所示.

1：排種殼體；2：進種管；3：排種器A；4： 成穴器；5：排種器B圖1　排種器結構示意圖Fig.1　Structure diagram of seed-metering device

工作時，吸種盤兩側在風機作用下形成壓力差，使充種區(qū)的棉種被吸附在吸種盤上，多余棉種則隨吸種盤轉動時被刷種器清除.當單粒棉種運動到投種區(qū)時，負壓消失，棉種脫離吸種盤落入分種盤，完成第1次投種；隨著排種器轉動，分種盤中的單粒棉種進入鴨嘴底部，當成穴器破膜入土開穴的同時，活動鴨嘴被強制打開，棉種在重力作用下落入種穴，完成第2次投種.

根據(jù)國際數(shù)據(jù)查新結果[13]，世界中耕作物播種機最小行距10 cm.超窄行精量排種器最小行距可調至4 cm，即寬行72 cm，窄行4 cm.

2主要結構及參數(shù)

2.1同步器

超窄行精量排種器是將排種器A和排種器B偏移若干角度后通過同步器連接在一起，工作時排種器A和B為一個整體.同步器即為排種器A上的凸起和排種器B上的凹腔.在排種器A和B的端蓋上分別設置有3個位置連線呈等邊三角形的凸起與凹腔，凸起與凹腔相配合后通過連接架與機架相連，如圖2所示(為便于觀察凸起和凹腔，將排種器A和排種器B拆卸).

圖2　同步器結構示意圖Fig.2　Structure of synchronizer

2.2吸種盤

2.2.1吸種盤直徑吸種盤的直徑和吸孔形狀決定了棉種受力、氣壓大小及排種器整體結構尺寸等參數(shù)[14].現(xiàn)有的排種盤直徑d一般為140～260 mm[15].考慮農藝株距的要求，吸種盤直徑d取200 mm.吸種盤鋼板制成，厚度為1.6 mm，表面光滑整潔.

2.2.2吸種盤吸孔直徑吸種盤吸孔直徑根據(jù)所播作物種子大小而定[15]，即：

d=(0.64-0.66)b

(1)

式中：d為吸孔直徑(mm)；b為種子的平均寬度(mm).

通過對新疆主要種植棉種(‘新陸早12號’)尺寸的測量，棉種寬度b約為4.89 mm，計算得出吸種盤吸孔直徑d=3.129～3.227 mm，本設計取吸孔直徑d=3.20 mm.

2.2.3吸種盤吸孔數(shù)量根據(jù)超窄行農藝要求，棉種單行的適宜株距為120～140 mm，依據(jù)公式

(2)

式中：Z為吸孔數(shù)；γ為株距(mm)；D為排種器直徑(mm)；δ為排種器滑移系數(shù)，取0.12；i為傳動比，取1.

計算得出吸種盤吸孔數(shù)為14～15，本設計取14.

2.3排種器

2.3.1排種器直徑排種器的直徑D主要與播種株距γ、播種深度H及成穴器個數(shù)P有關，單圈成穴器分布越多，直徑越大，反之越小.直徑過小，穴播器的滑移率就會增加，影響播種性能.在不考慮滑移率的條件下，排種器直徑D可根據(jù)以下公式計算：

(3)

根據(jù)超窄行棉花種植農藝要求，播種株距γ取120 mm，吸孔數(shù)Z取14，播種深度H取36 mm，可得排種器直徑D為463 mm.

2.3.2排種器轉速為提高播種機的工作效率，在保證播種質量的前提下應盡可能地提高排種器的轉速.但隨著轉速的增加，種子所受離心力也隨之增大，負壓室所需的相對壓力也相應增大；同時吸孔和種子的接觸時間縮短，造成吸孔來不及吸種或吸種不牢脫落而導致空穴，另外，負壓室相對壓力過大也會使重播率上升.因此排種盤的轉速的選擇應綜合考慮多方因素，其取值范圍為37～49 r/min.

2.4負壓室相對壓力

負壓室相對壓力與種子在吸孔處的受力密切相關，種子在吸孔處的受力情況，如圖3所示.

圖3　吸孔處種子受力分析Fig.3　Force diagram of seed in absorbing

假想種子為理想散粒體，忽略種子間相互作用力，要保證種孔能順利吸附一粒種子，應滿足以下條件：

(4)

式中：Fn為單個吸孔的吸力(N)；FR為重力和離心力的合力(N)；d為吸孔直徑(mm)；c為種子質心到吸種盤之間的距離(mm).

在實際作業(yè)中，穴播器受外界環(huán)境的影響，引入吸種可靠性系數(shù)K1和工作穩(wěn)定可靠系數(shù)K2，負壓室所需壓力的最大值為[15]：

(5)

式中：m為單粒種子質量(kg)；g為重力加速度(m/s2)；v為取種盤吸孔線速度(m/s)；r為吸種盤吸孔分布半徑(mm)；λ種子的摩擦阻力綜合系數(shù).

由上式可以看出，負壓室相對壓力的大小與種子形狀、大小、吸孔直徑和排種盤線速度有關.

2.5投種角度

投種是排種和落種運動的合成，忽略種子物理特性不同的影響，種子從排種器內同一點沿吸種盤吸孔分布圓的切向排出，受力分析如圖4所示.種子脫離取種盤時的運動方程為：

(5)

式中：vx為種子運動的水平分速度(m/s)；vy為種子運動的豎直分速度(m/s)；v為播種機前進速度(m/s)；ω為取種盤角速度(rad/s)；θ為投種角(°)；t為種子下落時間(s)；r為吸種盤吸孔分布半徑(mm).

圖4　種子臨界落種角的分析Fig.4　Analyses of critical seed drop-off angle

根據(jù)排種器設計要求，種子脫離種孔后應恰好落入相應的鴨嘴內，排種器轉過的弧長AC與種子下落到穴孔內經過的水平距離lx相等.

lx=vt=(v-vrsinθ)t+rcosθ

(6)

(7)

式中：lx為排種器在時間t內滾過的距離(mm)；vr為種子實際運動速度(m/s).

由公式(5)-(7)可導出：

由上式可以看出，投種角θ與前進速度v和排種器尺寸有關，經計算，當排種盤轉速為37～49r/min時，投種角范圍為50°～65°.

3排種器性能試驗

3.1單因素試驗

3.1.1試驗設計在前期試驗基礎上，以GB/T6973-2005為依據(jù)[16]，進行排種器轉速、負壓區(qū)相對壓力和投種角對排種器性能指標的影響規(guī)律的單因素試驗.試驗在PSY-1200鴨嘴滾筒式排種器性能實驗臺上進行，獲得了單粒率、重播率、漏播率等試驗指標.

3.1.2排種器轉速對排種性能的影響設定負壓區(qū)相對壓力為-4 500Pa，投種角為60°，根據(jù)播種機田間行駛速度確定排種器轉速的5個水平為37、41、45、49、53r/min.通過試驗獲得的排種滾筒轉速與排種性能各指標的關系曲線如圖5所示.

圖5　排種器轉速與試驗指標關系曲線Fig.5　Relationship between indexes and rotational speed of seeding cylinder

從圖5可知，在排種器轉速低于41 r/min時，隨著排種轉速的增大，單粒率和重播率一升一降，而漏播率略微下降.轉速為41 r/min時，單粒率高達91.8%，漏播率最低達2.6%.這是因為吸孔在轉速小于41 r/min時，充種時間較長，這導致部分吸孔吸附較多種子，從而造成重播率增高和單粒率降低.

當轉速超過41 r/min后，由于充種時間開始變短，種子來不及吸附，這使得單粒率和漏播率隨著轉速的升高分別出現(xiàn)劇降和劇升現(xiàn)象，而重播率緩慢降至4%(此時轉速為49%)之后再無明顯變化.

3.1.3負壓區(qū)相對壓力對排種性能的影響設定排種器轉速為41 r/min，投種角為60°，負壓區(qū)相對壓力的5個水平值為：-3 500、-4 000、-4 500、-5 000、-5 500 Pa.通過試驗獲得負壓區(qū)相對壓力與排種性能各指標的關系曲線如圖6所示.

圖6　負壓區(qū)壓力與試驗指標關系曲線Fig.6　Relationship between indexes and negative pressure

從圖6可知，隨著負壓區(qū)壓力的升高，吸孔對種子吸附能力增強，單粒率逐漸上升，漏播率逐漸下降，與此同時重播率也不斷升高；當負壓值超過-4 500 Pa時，重播率繼續(xù)升高，在負壓-5 000 Pa時達到最大值6%，并趨于穩(wěn)定，但單粒率可能因為吸孔吸附過量種子而出現(xiàn)下降趨勢.

3.1.4投種角對排種性能的影響設定排種器轉速為41 r/min，負壓區(qū)相對壓力值為-4500 Pa，投種角的5個水平值為：45°、50°、55°、60°、65°.通過試驗獲得投種角與排種性能各指標的關系曲線如圖7所示.

從圖7可以看出，隨著投種角度的增大，單粒率和漏播率分別一升一降，重播率逐漸減小，當投種角度超過60°后，單粒率和漏播率分別出現(xiàn)一降一升的趨勢.這是因為投種角過小時，種子脫離吸種口后下落時間較短，多粒種子滯留在排種口，造成漏播率和重播率都較高；當投種角度過大時，種子脫離吸種口后下落時間較長，當排種口打開時種子還在空中運動造成漏播率較高.

圖7　投種角度與試驗指標關系曲線Fig.7　Relationship between indexes and seed drop-off angle

3.2正交試驗

3.2.1試驗設計進行L16(45)正交試驗[17-18]，正交試驗因素水平見表1，每組試驗重復3次.計算出的不同條件下單行株距均勻性變異系數(shù)、雙行行距穩(wěn)定性變異系數(shù)，見表2；正交試驗極差分析見表3.

3.2.2試驗結果分析由試驗結果和極差分析可知，排種器轉速、負壓室相對壓力和投種角度對單行株距均勻性和雙行行距穩(wěn)定性的影響依次減弱，使單行株距均勻性變異系數(shù)和雙行行距穩(wěn)定性變異系數(shù)最低的參數(shù)組合均為A2B3C3.

表1　正交試驗因素水平

3.3驗證試驗

將超窄行精量排種器安裝于2BMQ-12型棉花播種機上，按照最優(yōu)試驗結果確定的各參數(shù)，于2015年4月13日在第六師102團進行田間播種試驗.在出苗后開展田間苗情株距測定.田間試驗結果表明，該排種器單粒率為93.5%，重播率為3.8%，漏播率為4.2%，單行株距均勻性變異系數(shù)為5.82%，雙行行距穩(wěn)定性變異系數(shù)為6.04%，可滿足超窄行棉花播種的農藝要求.

4結論

1)設計了一種超窄行精量排種器，確定了排種器的工作原理及其主要結構與性能參數(shù).

2)單因素試驗表明該排種器的單粒率、重播率和漏播率受排種器轉速、負壓室相對壓力和投種角度的影響顯著.當排種器轉速為41 r/min，負壓室相對壓力為-4 500 Pa，投種角度為60°時，排種效果最好，單粒率為93.5%，重播率為3.8%和漏播率為4.2%.

表2　正交試驗方案與結果

表3　正交試驗極差

3)超窄行精量排種器單行株距均勻性和雙行行距穩(wěn)定性的正交試驗表明，影響二者的主次因素依次為排種器轉速、負壓室相對壓力和投種角度.當排種器轉速為41 r/min，負壓室相對壓力為-4 500 Pa和投種角度為60°時，單行株距均勻性和雙行行距穩(wěn)定性的變異系數(shù)分別為5.82%和6.04%.

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(責任編輯胡文忠)

Design and experiment of precise metering device for cotton ultra narrow row

KANG Jian-ming,CHEN Xue-geng,WANG Shi-guo,YAN Li-min

(Mechanical Equipment Research Institute,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi 832000,China)

Abstract：【Objective】 To design a gas suction precise metering device to suitable for cotton ultra narrow row planting pattern,in order to meet the machine pick cotton planting patterns of 72 cm+4 cm strip cropping pattern and improve the harvest rate of cotton.【Method】 The key part construction and design parameters were analyzed.A set of single factor and orthogonal experiments were based on the metering device test bed PSY-1200,determined the relationship of metering device performance (single grain rate,leakage rate of seeding,replay rate) and factors affecting.【Result】 According to the field test,when the rotational speed of precise metering device was 41 r/min,the vacuum was -4500 Pa,and the seed drop-off angle was 60°,the single grain rate,replay rate and leak seeding rate was 93.5%,3.8% and 4.2%,respectively.Single row planting distance uniformity coefficient of variation was 5.82%,and the stability of the double line spacing variation coefficient was 6.04%.【Conclusion】 The metering device minimum spacing can be adjusted to 4 cm,satisfy the ultra narrow row planting agronomic requirements and can achieve precise seeding.

Key words：cotton；ultra narrow row；precise metering device；experiment

通信作者：王士國，男，副研究員，碩士，主要從事農業(yè)機械設計與裝備的研究.E-mail:362256015@qq.com

基金項目：國家科技支撐計劃“干旱半干旱區(qū)節(jié)水農業(yè)技術集成與示范”項目(2011BAD29B00).

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-11-17

中圖分類號：S 223.2

文獻標志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)02-0134-06

第一作者：康建明(1984-)，男，助理研究員，碩士，主要從事農業(yè)機械設計與裝備的研究.E-mail:kjm531@sina.com