氣吸式谷子排種裝置吸種孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 芳，呂 冰，王洪明，趙滿全

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氣吸式谷子排種裝置吸種孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 芳，呂 冰，王洪明，趙滿全※

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

為實(shí)現(xiàn)氣吸式谷子排種裝置的精少量穴播，解決播種時(shí)傷種、吸種孔堵塞、成穴性差等問(wèn)題，在研究了谷子機(jī)械物理特性的基礎(chǔ)上，對(duì)氣吸式排種裝置的排種盤進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了圓柱孔、倒角截頂圓錐體孔、截頂圓錐體孔和四棱臺(tái)孔4種結(jié)構(gòu)，并對(duì)排種裝置進(jìn)行了谷子排種效果對(duì)比試驗(yàn)以及排種性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在所設(shè)計(jì)的多種排種盤結(jié)構(gòu)中，吸種效果最好的排種盤吸種孔為四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，堵塞情況最少，相對(duì)成穴性最好，此時(shí)平均穴粒數(shù)3.3個(gè)，穴粒數(shù)合格率89%，穴距合格率94%，平均成穴距離1.24 cm。同時(shí)確定了排種器的最佳工作參數(shù)：真空度-2 kPa，排種軸轉(zhuǎn)速28 r/min。初步實(shí)現(xiàn)了采用氣吸式排種裝置下的谷子精少量穴播，對(duì)以后設(shè)計(jì)谷子精密排種裝置及相關(guān)研究提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；谷子；氣吸式排種裝置；吸種孔

0 引 言

中國(guó)谷子種植面積占世界80%左右，產(chǎn)量占世界谷子總產(chǎn)量90%左右，是中國(guó)的主要作物[1]。目前，中國(guó)谷子種植機(jī)械化程度較低，農(nóng)機(jī)具多為畜力谷物條播機(jī)或小型谷物條播機(jī)[2-5]，條播作業(yè)方式常常導(dǎo)致谷子播種量過(guò)多，大大超過(guò)留苗數(shù)。若谷子出苗后間苗少，過(guò)于密集，會(huì)直接影響谷子幼苗生長(zhǎng)，造成減產(chǎn)甚至出現(xiàn)苗荒問(wèn)題[6-7]。因此，精密播種成為提高糧食單產(chǎn)的一項(xiàng)現(xiàn)代化技術(shù)手段[8]。

國(guó)外越來(lái)越多的專家學(xué)者投入到小籽粒作物種子精密播種技術(shù)的研究當(dāng)中，把研究重點(diǎn)放在不斷提高小籽粒作物種子精密排種器的排種性能上。在小籽粒精密排種器的研制方面，發(fā)達(dá)國(guó)家已相對(duì)完善，精密排種裝置大都采用氣吸式工作原理，但國(guó)外谷子種植面積相對(duì)偏小，對(duì)谷子精密排種器的研究?jī)?nèi)容也不多[9-10]。

中國(guó)對(duì)于精密播種器的研制水平在不斷地提高，特別是對(duì)小籽粒播種器的研究，如油菜籽、油莎豆、蘿卜等，這類種子的共同特點(diǎn)是種子表皮較為堅(jiān)硬、無(wú)包衣或少包衣，而針對(duì)谷子這類有包衣糠皮、機(jī)械性能差、易破損的小籽粒播種機(jī)械，雖然目前有研究，但還是存在很多問(wèn)題，例如結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，輔助配套設(shè)備較多等[11-16]。樊立桃[17]通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的3種谷子排種裝置進(jìn)行對(duì)比分析，確定了氣吸雙圓盤槽縫式排種裝置結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果滿足谷子播種農(nóng)藝要求但有一定的滑移率；崔清亮等[18]對(duì)傾斜圓盤式谷子精少量排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了一定程度的精少量播種，減小了破損率，但排種器功能較多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

目前排種裝置存在谷子播量大且浪費(fèi)嚴(yán)重、排種過(guò)程中易對(duì)谷子造成機(jī)械損傷而導(dǎo)致不發(fā)芽、不適合高速作業(yè)等問(wèn)題。也有利用氣吸圓盤式谷子排種裝置進(jìn)行排種性能試驗(yàn)的相關(guān)研究，優(yōu)點(diǎn)是排種器對(duì)谷子的機(jī)械損傷小，排種效率高，存在的問(wèn)題是排種盤易堵孔、相對(duì)成穴性較差，均勻性較差等。針對(duì)以上問(wèn)題本文對(duì)排種裝置的吸種孔結(jié)構(gòu)及其分布形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)的方法，研制一種以氣吸式原理為基礎(chǔ)的谷子排種裝置，使研制后的排種裝置較好滿足谷子播種的各項(xiàng)農(nóng)藝要求，能夠較好的解決氣吸式排種裝置的吸種孔堵塞問(wèn)題，延長(zhǎng)排種裝置的有效工作時(shí)間，同時(shí)提高谷子的相對(duì)成穴性，實(shí)現(xiàn)谷子的精少量穴播。

1 谷子籽粒物理特性的測(cè)試與分析

1.1 試驗(yàn)材料

選擇國(guó)內(nèi)3種產(chǎn)量高、種植廣泛、品質(zhì)好、抗病性和抗倒伏性較強(qiáng)的谷子品種作為試驗(yàn)材料，分別為：噸谷1號(hào)、晉谷21號(hào)、冀谷22號(hào)。

1.2 谷子外形尺寸的測(cè)量

從每種谷子中各隨機(jī)取出100粒，用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺分別測(cè)量長(zhǎng)度、寬度和高度，并記錄數(shù)據(jù)。對(duì)不同谷子外形尺寸的測(cè)量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。谷子三軸尺寸的統(tǒng)計(jì)值在比較大的范圍內(nèi)近似符合正態(tài)分布規(guī)律[19]，由表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：冀谷22號(hào)谷子的外形尺寸在3種谷子中最小，噸谷1號(hào)和晉谷21號(hào)外形尺寸比較接近，但噸谷1號(hào)種子偏圓些。谷子籽粒小而不規(guī)則，三軸尺寸相差較大，種子尺寸特點(diǎn)可以為排種盤吸種孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

表1 谷子尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)

1.3 谷子球形度

將谷子的三軸尺寸代入球形度公式并計(jì)算[20]，再根據(jù)谷子在各個(gè)球形度大小區(qū)間內(nèi)的種子數(shù)目多少進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并對(duì)各種谷子球形度的值進(jìn)行計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 球形度值統(tǒng)計(jì)的結(jié)果

從表2可知，噸谷1號(hào)谷子是這3種谷子中球形度最大的，變異系數(shù)也最大。

1.4 谷子與鋼板的最大靜摩擦系數(shù)

排種盤的制作材料為Q235冷軋鋼板。谷子從吸種孔內(nèi)開(kāi)始滑出的最大角度可作為錐形結(jié)構(gòu)吸種孔坡度大小設(shè)計(jì)的依據(jù)。由于谷子體積小，質(zhì)量輕，容易出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果波動(dòng)過(guò)大的情況，故需進(jìn)行多次測(cè)量。設(shè)定每種谷子測(cè)量20粒，每粒谷子3種姿態(tài)下的滑動(dòng)摩擦角各測(cè)量3次，取平均值，作為每粒谷子對(duì)應(yīng)姿態(tài)下的滑動(dòng)摩擦角。比較后，確定每種谷子3種姿態(tài)下最大的滑動(dòng)摩擦角，最后代入靜摩擦系數(shù)f的公式[21]，得到谷子的最大平均靜摩擦系數(shù)。統(tǒng)計(jì)3種谷子的平均最大靜摩擦系數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 谷子與鋼板間的靜摩擦系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)

由表3可知，晉谷21號(hào)種子的平均最大靜摩擦系數(shù)最大，為0.757。噸谷1號(hào)的平均最大靜摩擦系數(shù)最小，為0.660，是三種谷子中最“圓”的，因晉谷21號(hào)谷子球形度相對(duì)來(lái)說(shuō)最小，平均最大靜摩擦系數(shù)最大，其在截頂錐體結(jié)構(gòu)吸種孔的通道內(nèi)最不易滑出，增加了堵孔可能，為了使所設(shè)計(jì)的吸種孔具有良好的適應(yīng)性，故選擇晉谷21號(hào)谷子進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2 排種裝置的設(shè)計(jì)

對(duì)于谷子這種小籽粒作物種子來(lái)說(shuō)，體積小、質(zhì)量輕，還有包衣糠皮易破損，不僅排種盤吸種孔孔徑設(shè)計(jì)的要小，其結(jié)構(gòu)和分布形式在設(shè)計(jì)的要求上也很高。若其中之一設(shè)計(jì)的不合理或相互之間不匹配，谷子的破皮、碎屑極易堵住吸種孔，造成漏播的情況，排種工作效率也隨之下降。現(xiàn)有氣吸圓盤式排種裝置排谷子時(shí)容易出現(xiàn)排種盤吸種孔堵塞問(wèn)題，因此，有必要對(duì)排種盤進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 排種盤的設(shè)計(jì)

1）排種盤的材質(zhì)

排種盤采用Q235冷軋鋼板為材質(zhì)制作而成，這也是國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校、科研院所等設(shè)計(jì)排種盤時(shí)采用的首選材料[22]。

2）排種盤孔徑及矩形孔的選擇

對(duì)于噸谷1號(hào)、晉谷21號(hào)、冀谷22號(hào)這3種谷子來(lái)說(shuō)，球形度均較大，在0.8以上，因此可以根據(jù)球形種子吸種孔直徑公式進(jìn)行吸種孔大小的設(shè)計(jì)。3種谷子的平均寬度在1.63 ～1.78 mm，吸種孔直徑為種子平均寬度的0.64～0.66 m，故排種盤吸種孔孔徑的范圍1.04～1.17 mm[23]。其中，錐體孔孔徑以最小直徑來(lái)計(jì)。矩形孔的尺寸選擇范圍寬度在1.04～1.17 mm[23]，長(zhǎng)度確定根據(jù)多次試驗(yàn)不堵孔所得尺寸確定。

3）排種盤吸種孔結(jié)構(gòu)

排種盤是氣吸圓盤式排種器的技術(shù)核心[24]。本文采用的排種盤均勻分布有18個(gè)孔穴。該排種盤具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、更換方便、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2a、2b、2c是本文設(shè)計(jì)的其中3種排種盤吸種孔，孔的結(jié)構(gòu)都是圓形。

圖2a排種盤吸種孔為圓柱孔，該盤成功申請(qǐng)實(shí)用新型專利[25]。圖2b為倒角截頂圓錐體孔，其一端加工成圓周倒角，假設(shè)該倒角結(jié)構(gòu)有利于提高吸種孔吸附谷子的效率，從而減少谷子漏吸而造成的空穴情況。另一端加工成錐體結(jié)構(gòu)，目的是使吸附的谷子糠皮、碎屑等能夠從下面直接掉落滑出，減少堵在吸種孔孔內(nèi)的情況。3種谷子滑動(dòng)摩擦角的范圍均在40°～45°之間[26]，為使谷粒及谷子碎屑等從吸種孔順利滑出從而完成排種工作，故錐形和倒角的坡度取最大值為45°。圖2c為截頂圓錐體，假設(shè)倒角結(jié)構(gòu)對(duì)增加吸種孔吸附谷子效率的作用極小，可以忽略，則將吸種孔直接設(shè)計(jì)為截頂錐體結(jié)構(gòu)，目的是將通過(guò)吸種孔的谷子碎屑等第一時(shí)間排出，從而減少吸種孔的阻塞。

圖1 排種盤

a. 圓柱孔 b. 倒角截頂圓錐體孔 c. 截頂圓錐體孔

4）排種盤吸種孔孔型及分布形式的設(shè)計(jì)

在氣吸圓盤式排種裝置的工作過(guò)程中，種子會(huì)被吸附到排種盤的吸種孔上，種子與吸種孔之間必定存在一定的間隙，不可能完全封閉，氣流會(huì)通過(guò)這些間隙繼續(xù)產(chǎn)生吸力。當(dāng)種子的質(zhì)量很小時(shí)，即使較小的吸附力也會(huì)吸附其它的種子，造成一個(gè)吸種孔吸附多粒種子的現(xiàn)象[21]，使穴粒數(shù)合格率下降。因而需要設(shè)計(jì)合理的吸種孔孔型及分布形式，這不僅有利于提高穴粒數(shù)合格率以及平均穴粒數(shù)指標(biāo)，還能控制成穴距離，改善穴內(nèi)種子的集中程度。基于此，本文設(shè)計(jì)了4種吸種孔孔型及分布形式：直徑分別為8、4、4 mm圓周分布的圓形孔4′1、4′1、2′1和1′1.8的矩形孔，如圖3所示。

2.2 吸種孔氣流場(chǎng)試驗(yàn)分析

為了分析排種盤吸種孔的氣流場(chǎng)，利用手持熱敏式數(shù)字風(fēng)速儀測(cè)量排種盤吸種孔入口處實(shí)際風(fēng)速的大小。文獻(xiàn)[26]利用FLUENT流體軟件對(duì)圓柱孔、倒角截頂圓錐體孔和截頂圓錐體孔的氣流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，得到壓力環(huán)境分別為–1、–2、–3 kPa。因此吸種孔氣流場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)置壓力環(huán)境為–1、–2、–3 kPa[26]，重復(fù)10次試驗(yàn)剔除誤差值大的然后取其均值，獲得倒角截頂圓錐體孔入口速度值分別為0.56、0.70、0.94 m/s；圓柱孔的入口速度值分別為0.51、0.63、0.84 m/s；截頂圓錐體孔入口速度值分別為0.49、0.60、0.81 m/s。由試驗(yàn)結(jié)果得知，吸種孔入口速度最大的為倒角截頂圓錐體孔，其次為圓柱孔，截頂圓錐體孔速度最小。

圖3 吸種孔的孔型及分布形式

3 排種效果試驗(yàn)

谷子排種性能試驗(yàn)在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行，模擬正常的排種作業(yè)。試驗(yàn)過(guò)程中，谷子落到噴灑有機(jī)油的條帶上，并途徑計(jì)算機(jī)視覺(jué)區(qū)域進(jìn)行圖像采集。試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，與田間試驗(yàn)相比，室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)艽蠓s短試驗(yàn)時(shí)間、降低成本、減少次要因素的干擾，且試驗(yàn)因素易做到條件可控，因而便于進(jìn)行重復(fù)的或是多次不同的試驗(yàn)，同時(shí)也利于試驗(yàn)方案的對(duì)比和影響因素的研究分析。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

排種裝置性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)由哈爾濱博納科技有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，型號(hào)為JPS-12，該機(jī)可用于各種類型排種裝置的精播、穴播以及條播性能的試驗(yàn)和檢測(cè)。該試驗(yàn)臺(tái)主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

試驗(yàn)標(biāo)定過(guò)程使用AS510型數(shù)字式差壓表測(cè)量氣真空室入口處的實(shí)際壓強(qiáng)值，DT-2234B型數(shù)字轉(zhuǎn)速表測(cè)量排種軸（即排種盤）的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

3.2 排種試驗(yàn)指標(biāo)

參考中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 6973-2005）[27]、中國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》（NY/T987-2006）[28]以及北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《蔬菜穴播播種機(jī)技術(shù)條件》[29]中的有關(guān)規(guī)定以及谷子排種性能試驗(yàn)，試驗(yàn)中需統(tǒng)計(jì)的指標(biāo)共有：平均穴粒數(shù)、穴粒數(shù)合格率、平均穴距、穴距合格率、單粒率、和平均成穴距離。

1. 臺(tái)架 2. 攝像機(jī)箱 3. 綜合操作臺(tái) 4. 電機(jī) 5. 排種器 6. 種床帶

3.3 試驗(yàn)方案

圓柱、倒角截頂圓錐體和截頂圓錐體吸種孔3種孔結(jié)構(gòu)都是圓形孔，區(qū)別于矩形孔的結(jié)構(gòu)，因此先進(jìn)行3種結(jié)構(gòu)的組內(nèi)排種效果比較試驗(yàn)，得到排種效果最佳的一種，再與吸種孔四棱臺(tái)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行組間對(duì)比試驗(yàn)，直到設(shè)計(jì)出最佳排種效果的排種盤。

3.3.1 圓柱、倒角截頂圓錐體和截頂圓錐體孔結(jié)構(gòu)3種排種盤排種效果比較試驗(yàn)

將圖2圓柱、倒角截頂圓錐體和截頂圓錐體3種吸種孔結(jié)構(gòu)排種盤的排種器依次裝在圖4的排種裝置性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)排種盤吸種孔結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)排種效果對(duì)比試驗(yàn)。

圖2中采用的排種盤均勻分布有18個(gè)孔穴，在直徑4 mm圓周上均勻分布有4個(gè)吸種孔，每種排種盤共有72個(gè)吸種孔。3種排種盤吸種孔孔徑均為1 mm，孔型相同都是直徑4 mm及分布形式相同。對(duì)該組排種盤進(jìn)行試驗(yàn)，在相同工作參數(shù)和工作時(shí)間下，進(jìn)行谷子排種效果與堵孔情況之間關(guān)系的分析，進(jìn)而選出吸種孔結(jié)構(gòu)最合理的一種排種盤。試驗(yàn)具體過(guò)程為：分別測(cè)量排種2、4、6、8和10 min谷子穴粒數(shù)指標(biāo)，每個(gè)間隔時(shí)間重復(fù)5次試驗(yàn)，取其平均值作為平均穴粒數(shù)，并在10 min末取下排種盤，對(duì)排種盤吸種孔進(jìn)行堵孔數(shù)目及堵孔雜物類別的統(tǒng)計(jì)，每個(gè)排種盤測(cè)量100穴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3.2 截頂圓錐體孔排種盤和四棱臺(tái)孔排種盤的排種效果比較試驗(yàn)

將截頂圓錐體吸種孔的3種分布形式和四棱臺(tái)孔結(jié)構(gòu)排種盤的排種器依次裝在圖4的排種裝置性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。4種排種盤的具體尺寸參數(shù)見(jiàn)圖3，盤A為8 mm、盤B為4 mm、盤C為4 mm直徑圓周依次分布有4′1、4′1、2′1的圓形孔，在吸種孔結(jié)構(gòu)相同的前提下（均加工成45°的坡度）；盤D上底面為1′1.8 mm的矩形孔，下底面在上底面基礎(chǔ)上加工成45°的坡度。盤A、B、C為截頂圓錐體孔（孔型為圓形），盤D為四棱臺(tái)孔（孔型為矩形），盤D孔型設(shè)計(jì)成矩形孔是根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》穴播方式的其中一種孔型就是矩形孔[23]。根據(jù)吸種孔孔型及分布形式的不同進(jìn)行排種效果比較試驗(yàn)，排種盤孔型及分布形式如圖5所示。

圖5 四種不同孔型及分布形式的排種盤

設(shè)置氣室真空度–2 kPa，排種軸轉(zhuǎn)速28 r/min，種床帶速度3 km/h的條件下，對(duì)以上2種結(jié)構(gòu)的排種器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表4。試驗(yàn)指標(biāo)有谷子的單粒率、平均穴粒數(shù)、穴粒數(shù)合格率和平均成穴距離。

表4 2種吸種孔不同分布結(jié)構(gòu)排種盤參數(shù)

3.4 排種效果結(jié)果及分析

3.4.1 圓柱、倒角截頂圓錐體和截頂圓錐體孔結(jié)構(gòu)3種排種盤排種效果比較試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6為3種吸種孔分別在不同時(shí)間內(nèi)平均穴粒數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

注：排種盤吸種孔分布圓直徑為4 mm，吸種孔孔徑為1 mm。

每個(gè)排種盤共有72個(gè)吸種孔，將堵孔情況分為谷?；蛩樾颊麄€(gè)堵住吸種孔和谷子碎屑部分堵住吸種孔2種情況（如圖7所示）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在排種器排種開(kāi)始工作10分鐘后，圓柱孔的排種盤堵孔數(shù)目為37個(gè)，谷粒或碎屑整個(gè)堵住吸種孔12個(gè)，其余為碎屑部分堵住吸種孔。倒角截頂圓錐體孔排種盤共堵住14個(gè)，其中谷?；蛩樾颊麄€(gè)堵住吸種孔的有9個(gè)，其余為碎屑部分堵住吸種孔。截頂圓錐體孔排種盤共堵住6個(gè)，2個(gè)被谷?；蛩樾既慷伦?，4個(gè)被碎屑部分堵住，部分被碎屑堵住的吸種孔還能進(jìn)行一定的排種工作。

1. 碎屑部分堵孔 2. 碎屑全部堵孔

從不同吸種孔結(jié)構(gòu)的氣流場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果知，倒角截頂圓錐體孔的入口速度最大，圓柱孔次之，截頂圓錐體孔最小。但倒角截頂圓錐體孔開(kāi)始時(shí)的平均穴粒數(shù)卻最小，平均穴粒數(shù)下降趨勢(shì)曲線居中。原因在于谷子形狀并非完全的球體，它吸附在吸種孔上時(shí)與之必定存在一定的間隙，氣流會(huì)通過(guò)這些間隙吸附其它種子，造成一孔多粒的情況。吸種孔的倒角結(jié)構(gòu)相當(dāng)于增加了吸種孔吸附谷子的表面積，谷子與吸種孔表面接觸的更加緊密，氣流吸附其它種子的能力變?nèi)?，因此，倒角截頂圓錐體孔自始至終平均穴粒數(shù)都最少。而其曲線下降趨勢(shì)居中表明，錐體結(jié)構(gòu)有利于減少堵孔，隨著排種器工作時(shí)間的增加，倒角截頂圓錐體孔中整粒谷子堵孔的情況會(huì)明顯變多，截頂圓錐體孔則不明顯。圓柱孔曲線下降的最快，因?yàn)閳A柱體結(jié)構(gòu)吸種孔孔內(nèi)的堵孔空間最大，容易導(dǎo)致各類堵孔問(wèn)題，而且堵孔后的雜物不易滑出。綜上，3種吸種孔結(jié)構(gòu)中，截頂圓錐體孔最好，能夠有效減少各類堵孔的情況，故選擇截頂圓錐體孔。

3.4.2 截頂圓錐體孔排種盤和四棱臺(tái)孔排種盤的排種效果比較試驗(yàn)結(jié)果分析

排種效果對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 截頂圓錐體孔和四棱臺(tái)孔結(jié)構(gòu)排種試驗(yàn)結(jié)果

從表5可知，若減少排種盤每穴內(nèi)的吸種孔孔數(shù)，谷子的單粒率指標(biāo)急劇上升，是造成穴粒數(shù)合格率指標(biāo)下降的主要原因。減小每穴內(nèi)吸種孔之間的距離可以一定程度上縮小平均成穴距離。圓周形分布的盤A、B、C吸種孔孔數(shù)較多時(shí)平均成穴距離偏大，孔數(shù)較少時(shí)平均成穴距離偏小。盤C減少排種盤吸種孔孔數(shù)，谷子的單粒率指標(biāo)急劇上升到20%，存在孔數(shù)減少單粒率急劇上升的問(wèn)題，是造成穴粒數(shù)合格率指標(biāo)下降的主要原因。盤D孔穴之間的距離小，平均成穴距離也小，為1.24 cm，相對(duì)成穴性變好；但若吸種孔之間的距離太小會(huì)導(dǎo)致平均穴粒數(shù)過(guò)大和穴粒數(shù)合格率過(guò)低的情況，如B盤。由此谷子排種效果最好的排種盤孔型為矩形，該形式的孔穴相當(dāng)于多個(gè)吸種孔連在一起，之間無(wú)間距，因而既保證了平均穴粒數(shù)指標(biāo)較好，為3.3；穴粒數(shù)合格率指標(biāo)較高，同時(shí)又使平均成穴距離指標(biāo)較小，有利于種群的集中，保證谷子的相對(duì)成穴性。矩形孔截面為相互平行的兩條漸開(kāi)線，可減少谷子種子由吸種孔下落時(shí)的相互碰撞，成穴性較好，攜種性能較好，能夠進(jìn)行谷子精良播種作業(yè)，可節(jié)省種子、減少谷子耕作工作量、提高農(nóng)民收入。

4 谷子排種性能試驗(yàn)

排種裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)好后，需要選擇合理的工作參數(shù)，如真空度和排種軸轉(zhuǎn)速，這樣才能使谷子排種裝置的工作效率達(dá)到最佳。

通過(guò)進(jìn)行3.3.1和3.3.2的谷子排種效果對(duì)比試驗(yàn)，確定了排種盤吸種孔的設(shè)計(jì)方案，最終確定為四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)吸種孔。對(duì)該結(jié)構(gòu)的吸種孔進(jìn)行谷子排種性能試驗(yàn)，通過(guò)確定排種器的最佳工作參數(shù)，使谷子的排種效果達(dá)到最好。排種器工作參數(shù)主要是氣吸室真空度和排種軸轉(zhuǎn)速，可進(jìn)行全因素試驗(yàn)。參考谷子排種相關(guān)試驗(yàn)[17]，確定氣吸室真空度因素的水平為1–2、–3 kPa，排種軸轉(zhuǎn)速為18.5、28、37 r/min。排種性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)吸種孔排種性能試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：當(dāng)氣吸室真空度達(dá)到–3 kPa時(shí)，平均成穴距離指標(biāo)明顯偏大，而穴距以理論穴距1.5 cm為合格[27]，故真空度大小在–1和–2 kPa下最為合適。隨著真空度的增加，平均穴粒數(shù)有逐漸增大的趨勢(shì)，但–2和–3 kPa下的平均穴粒數(shù)指標(biāo)比較接近，因此，真空度選擇–2 kPa。在–2 kPa下第5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穴粒數(shù)合格率指標(biāo)最好，排種性能指標(biāo)為平均穴粒數(shù)3.3個(gè)，穴粒數(shù)合格率89%，穴距合格率94%，平均成穴距離1.24 cm，平均穴距指標(biāo)在8 cm～10 cm的理想穴距范圍內(nèi)。綜上排種效果最好的排種器工作參數(shù)為真空度–2 kPa，排種軸轉(zhuǎn)速28 r/min。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)谷子物理特性的測(cè)試分析、氣吸式排種裝置設(shè)計(jì)、谷子排種效果對(duì)比試驗(yàn)和排種性能試驗(yàn)，得到如下主要結(jié)論：

1）即使同一品種谷子，三軸尺寸差異也較大。三種試驗(yàn)谷子的球形度介于0.815～0.829之間，其中，噸谷1號(hào)谷子球形度最大。谷子在不同姿態(tài)下測(cè)量的靜摩擦系數(shù)差異較大，谷子尖端朝向側(cè)面時(shí)計(jì)算的平均靜摩擦系數(shù)值最大。

2）設(shè)計(jì)了圓柱孔、倒角截頂圓錐體孔、截頂圓錐體孔和四棱臺(tái)孔4種結(jié)構(gòu)的排種盤吸種孔，并對(duì)其進(jìn)行了谷子排種效果對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：采用四棱臺(tái)吸種結(jié)構(gòu)孔的設(shè)計(jì)，谷子排種效果最理想，符合谷子播種的農(nóng)藝要求，堵孔問(wèn)題得到較好的解決。

3）排種性能試驗(yàn)結(jié)果表明：排種效果最好的排種器工作參數(shù)為真空度–2 kPa，排種軸轉(zhuǎn)速28 r/min，排種性能指標(biāo)為平均穴粒數(shù)3.3個(gè)，穴粒數(shù)合格率89%，穴距合格率94%，平均成穴距離1.24 cm。

[1] 邊胤，馬永康，張振國(guó). 往復(fù)式排種器用于谷子精密播種機(jī)的初探[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（2）：122－127 Bian Yin, Ma Yongkang, Zhang Zhenguo. Reciprocating feeder applied to precision seed-grain sowing machines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(2): 122－127. (in Chinese with English abstract)

[2] 梁蘇寧，金誠(chéng)謙，張奮飛，等. 4LZG-3.0 型谷子聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（12）：31－38. Liang Suning, Jin Chengqian, Zhang Fenfei, et al. Design and experiment of 4LZG-3.0 millet combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineer ing (Transactions of the CSAE), 2015, 31(12): 31－38. (in Chinese with English abstract)

[3] 張東光，郭玉明，鄭德聰. 谷子機(jī)械化精少量種植工藝的研究[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011(6)：563－567.Zhang Dongguang, Guo Yuming, Zheng Decong. Research on mechanized hill-drop planting processes for millet[J]. Shanxi Agricultural university: Natural Science Edition, 2011(6): 563－567. (in Chinese with English abstract)

[4] 劉月琴，趙滿全，劉飛，等. 基于離散元的氣吸式排種器工作參數(shù)仿真優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（7）：65－72. Liu Yueqin, Zhao Manquan, Liu Fei, et al. Simulation and optimization of working parameters of air suction metering device based on discrete element[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 65－72. (in Chinese with English abstract)

[5] 常金麗，張曉輝. 2BQ-10 型氣流一階集排式排種系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（1）：36－141. Chang Jinli, Zhang Xiaohui. Design and test of one-step centralized type pneumatic seeding system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 136－141. (in Chinese with English abstract)

[6] 段宏兵. 幾種國(guó)外小粒種子氣吸式精密排種器的結(jié)構(gòu)分析[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2008(2)：87－89. Duan Hongbing. The structure analysis of the precision seed metering device of many kinds of the small seeds of foreign country[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2008(2): 87－89. (in Chinese with English abstract)

[7] 田聰，劉占良，陳林. 谷子精量播種機(jī)的研究現(xiàn)狀與開(kāi)發(fā)設(shè)想[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013，35 (1)：10－13. Tian Cong, Liu Zhanliang, Chen Lin. Millet precision seeder research and development[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35 (1): 10－13. (in Chinese with English abstract)

[8] 許劍平，謝宇峰，徐濤. 國(guó)內(nèi)外播種機(jī)械的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，2(2)：234－237. Xu Jianping, Xie Yufeng, Xu Tao. The present technic status and developing tendency of the domestic and abroad drill[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 2(2): 234－237. (in Chinese with English abstract)

[9] Guarella P, Pellerano A, Pascuzzi S. Experimental and theore -tical performance of a vacuum seeder nozzle for vegetable seeds[J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1996(64): 29－36.

[10] Graven L M, Carter P R. Seed size/shape and tillagesystem effect on corn growth and grain yield[J]. Journal of Producti- on Agriculture, 1990, 3(4): 445－452.

[11] 楊冬冬，張晉國(guó)，周輝，等. 氣吸式油莎豆精量鋪膜播種機(jī)的研制[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013(8)：68－71. Yang Dongdong, Zhang Jinguo, Zhou Hui, et al.Design of air-suction cyperus beans precise laying seeder[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013(8): 68－71. (in Chinese with English abstract)

[12] 張義峰，楊景波，衣淑娟. 牧草免耕播種與液體施肥機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(4)：20－22. Zhang Yifeng, Yang Jingbo, Yi Shujuan.Design on machine of fodder grass zero-tillage seeding and liquid apply fertilizer[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 2011(4): 20－22. (in Chinese with English abstract)

[13] 張東光，郭玉明，鄭德聰，等. 2BX-10型小籽粒精少量播種機(jī)的研制[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010(5)：459－463.Zhang Dongguang, Guo Yuming, Zheng Decong, et al.Design of the 2BX-10 hill-drop drill for small grains [J]. Shanxi Agricultural university:Natural Science Edition, 2010(5): 459－463. (in Chinese with English abstract)

[14] 王學(xué)良. 多種類小籽粒氣吸式精量播種機(jī)的研制[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014. Wang Xueliang. Development of Little Size Seed for Some Types Laying Seeder[D].Baoding: Agricultural University of Hebei, 2014. (in Chinese with English abstract)

[15] 王磊，廖宜濤，韋躍培，等. 基于氣力式精量排種器的谷子吸種與排種試驗(yàn)[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，40(6)：655－659. Wang Lei, Liao Yitao, Wei Yuepei, et al. Seed-grain sucking and metering test based on pneumatic precision metering device[J]. Journal of Hunan Agricultural University:Natural Sciences, 2014, 40(6): 655－659. (in Chinese with English abstract)

[16] 曹慧鵬. 2BG-6型電子智能谷子精量播種機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備，2014(11)：55－56.

[17] 樊立桃. 氣吸式谷子精密穴播機(jī)的改進(jìn)研究[D]. 保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014. Fan Litao. Study on The Improvement of Pneumatic Precise Seeder of Millet[D]. Baoding: Agricultural University of Hebei, 2014. (in Chinese with English abstract)

[18] 崔清亮，侯華銘，鄭德聰，等. 傾斜圓盤式谷子精少量排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2016，32(12)：17－23. Cui Qingliang, Hou Huaming, Zheng Decong, et al. Design and test of tilt dise-type fine and small-amount seed metering device for foxtail millet[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(12): 17－23. (in Chinese with English abstract).

[19] 周祖鍔. 農(nóng)業(yè)物料學(xué)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1994.

[20] 王業(yè)成，邱立春，張文嬌，等. 摩擦型立式圓盤精密排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(1)：22－26. Wang Yecheng, Qiu Lichun, Zhang Wenjiao, et al. Design and experiment of friction vertical plate precision seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(1): 22－26. (in Chinese with English abstract)

[21] 楊宛章，郭輝，康秀生. 一種簡(jiǎn)單實(shí)用的橡膠條刮種機(jī)構(gòu)的研制[J]. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，27(1)：62－64. Yang Wanzhang, Guo Hui, Kang Xiusheng. Development of a simple and practical rubber bar scraper[J].Journal of Xinjiang Agricultural University, 2004, 27(1): 62－64. (in Chinese with English abstract)

[22] 邸穎. 兩種氣吸式精量播種機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)分析[J]. 當(dāng)代農(nóng)機(jī)，2008(5)：61－62.

[23] 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院. 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[24] 張明慧. 小粒蔬菜種子播種機(jī)的研制[D]. 吉林：吉林大學(xué)，2014. Zhang Minghui. Development of the Small Grain of Vegetable Seed Planter[D]. Jinlin: Jilin University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[25] 趙滿全，劉月琴，劉飛，等. 小粒種子精量排種盤：CN203934317U[P]. 2014-11-12.

[26] 呂冰. 氣吸式谷子排種裝置氣流場(chǎng)模擬與試驗(yàn)研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016. Lv Bing. Airflow Field Simulation and Experimental Study of Air-suction Millet Feed Mechanism of Seed[D]. Huhhot: Inner Mongolia Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[27] 國(guó)家質(zhì)檢總局(SBTS). 單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法：GB/T 6973-2005[S]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，2005：10.

[28] 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-農(nóng)業(yè)(CN-NY). 鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量：NY/T 987-2006[S]. 北京：農(nóng)業(yè)部旱田作農(nóng)機(jī)具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，2006：1.

[29] 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-農(nóng)業(yè)(CN-NY). 溫室蔬菜穴盤精密播種機(jī)技術(shù)條件：NY/T 1823-2009[S]. 北京：北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，2009：12.

Structural design and test of seed-suction hole of air-sucking seed-metering device for millet

Wang Fang, Lv Bing, Wang Hongming, Zhao Manquan※

(010018,)

Millet is the main crop in China. At present, due to the lower mechanization level of millet cultivation in China, it is easy to damage seeds and clog suction holes when sowing. In view of the problem of poor hole formation, precision sowing has become a modern technological means to improve grain yield. In order to realize precision sowing, the mechanical and physical properties of three domestic typical millets were firstly studied by measuring size, sphericity degree and the maximum coefficient of static friction between the millet and the steel plate. And to make our design of the suction hole have a good adaptability, the comparative analysis was performed in the Jingu 21 millet. According to the physical characteristics of the millet, air -sucking seeding disc was designed, and Q235 cold-rolled steel plate was selected as the material for making the seed plate. There were 18 holes evenly distributed in the circumferential direction of the seed plate, and the range of pore size was from 1.04 to 1.17 mm. Four kinds of structure of seed suction holes were designed, including cylindrical hole, chamfered truncated cone hole, truncated cone hole and four-prism hole. In order to test the seeding effect, the millet seeding experiment was carried out by using the JPS-12 seeding device performance test rig. The relevant national standard of the planter was cited and six test indices were selected: the average grains number per hill, the qualified rate of grains number per hole, the average hill distance, the qualified rate of hill distance, the single grain rate, and the average seed's quantity per hill. Three kinds of hole geometry on the seeding disc, such as cylindrical hole, chamfered truncated cone hole, truncated cone hole, were selected to test the seed selection efficiency, and the results showed that truncated cone hole was the best in the 3 kinds of adsorption pore structures, which could effectively reduce all kinds of plugging holes, so truncated cone hole was chosen to continue to compare. Two kinds of seed suction hole structures, such asthe truncated cone hole and four frustum pyramid, were selected to conduct the comparative experiment on the seeding efficiency. The results showed the optimal structure of seed suction hole was four-prism hole structure on the seeding disc, which had the best effect on seed sowing and solved the problems of serious seed damage, suction hole plugging, and cavitation. Through the millet seeding effect comparison test, the design scheme of the suction hole was ultimately determined as four-prism hole structure. The millet seeding performance test of this suction hole structure was carried out to determine the best seeding index. The seeding performance indices were the average number of seeds per hill of 3.3, the qualified rate of seeds per hill of 89%, and the qualified rate of hill space of 94%, and the average hole distance was 1.24 cm. Through the seeding performance test, the best working parameters of the seeder were determined: Vacuum degree was -2 kPa, and the rotation speed was 28 r/min. Precision hole sowing of millet seed was preliminarily realized by the use of air-suction seed-metering device in this study. The test results will provide a theoretical reference for the design and related research of millet precision seeding device.

agricutural machinery; design; experiments; millet; air -sucking seed- metering device; suction hole

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.004

S233.71

A

1002-6819(2017)-08-0030-07

2016-07-01

2017-04-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51365034）；內(nèi)蒙古自然基金（2014MS0538）；內(nèi)蒙古專利轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目資助（20140185）

王 芳，女，博士，副教授，從事農(nóng)牧業(yè)機(jī)械智能化研究。呼和浩特 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，010018。Email：nnwangfang@163.com

趙滿全，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械高新技術(shù)研究、基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用技術(shù)研究。呼和浩特 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，010018。Email：nmgzhaomq@163.com

王 芳，呂 冰，王洪明，趙滿全. 氣吸式谷子排種裝置吸種孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(8)：30－36. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.004 http://www.tcsae.org

Wang Fang, Lv Bing, Wang Hongming, Zhao Manquan. Structural design and test of seed-suction hole of air-sucking seed- metering device for millet[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 30－36. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.004 http://www.tcsae.org