傾斜拋物線型孔輪式小麥供種裝置設計與試驗

李兆東 王晴晴 張亞蘭 王韋韋 楊 洋 陳黎卿

(1.安徽農業(yè)大學工學院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農機裝備工程實驗室， 合肥 230036)

0 引言

淮北平原糧食種植以小麥- 玉米輪作為主。因秸稈還田有助于減少霧霾和農田水土流失、提高土壤肥力等優(yōu)點，同時農村土地分散經營逐漸向適度規(guī)模經營轉變，該區(qū)域實施玉米秸稈還田下小麥高速精量聯合直播作業(yè)已成趨勢[1-4]。高速集中排種系統(tǒng)多采用機械供種與氣流輸送分配成行組合技術，可將種箱內的無序種群成行且均勻的播入田間，該技術具有簡化整機結構、提高工作效率和降低種子破損率等優(yōu)點[5-7]。由于小麥種子球形度低、流動性差，供種裝置的供種性能對實現小麥精量播種至關重要，其影響后續(xù)的種子流輸送和均勻分配，制約了小麥播種機的可靠性和實用性。

為改善小麥種子的流動性，提高其集排供種性能，一些機構和相關學者對此進行了研究。意大利Maschio Gaspardo公司、德國Amazone公司、加拿大Fiexi- Coil公司以及美國John Deere和Case IH公司等研制集排氣力式播種機，其供種裝置多為帶有攪種機構的槽輪式排種器實現精量供種[8]。常金麗等[9]研制的2BQ- 10型氣流一階式小麥排種系統(tǒng)，其采用軸推式外槽輪機構實現供種量調節(jié)；劉立晶等[10]設計了一種帶有星形給料裝置的氣力式排種系統(tǒng)；趙曉順等[11]采用梯形槽縫與負壓吸附組合技術實現小麥的精量供種；雷小龍等[12-13]設計了一種具有傾斜錐孔輪與雙螺旋攪種機構組合式小麥供種裝置，可有效提高小麥的供種性能。上述研究表明，小麥集排氣力式供種裝置仍以外槽輪式供種機構為主，且多采用增設機械或氣力輔助機構提高供種性能，其不足之處是供種裝置結構較復雜且供種量調節(jié)范圍不大。因此，簡化供種裝置結構和增大供種范圍仍是需要解決的問題。

本文根據小麥種子物料特性和農藝種植要求，設計一種結構簡單、供種范圍大的小麥精量供種裝置，確定其主要結構參數，開展型孔錐角、工作轉速、型孔輪數目對供種速率和穩(wěn)定性變異系數影響的研究，為研制適應淮北平原玉米秸稈覆蓋地高性能小麥變量播種機提供依據。

1 供種裝置結構與工作原理

1.1 小麥電控氣送式變量直播機

直播機主要由旋耕裝置、主機架、風泵驅動裝置、氣流輸送裝置、供種裝置、精量分配器、輸種管道、肥箱、種肥組合開溝裝置和鎮(zhèn)壓輥等組成，如圖1所示。

圖1 小麥電控氣送式變量直播機結構圖Fig.1 Structure diagram of electric control air-assisted direct seeder for wheat1.旋耕裝置 2.主機架 3.風泵驅動裝置 4.氣流輸送裝置 5.供種裝置 6.精量分配器 7.輸種管道 8.肥箱 9.種肥組合開溝裝置 10.鎮(zhèn)壓輥

直播機工作時，電動機直接驅動供種裝置轉動，均勻種子流與風泵產生的正壓氣流在料氣室混合輸送，經由增壓管將種子輸送至分配器，分配器再將統(tǒng)一的種子流按行分配，被分配的種子流經由輸種管道播入開溝器開出的種溝內，完成播種的一個循環(huán)。

1.2 供種裝置

小麥供種裝置主要由種箱、供種殼體、充種室、充種調節(jié)板和供種機構等組成，如圖2a所示。其中供種機構為核心工作部件，主要包括型孔輪、填充輪、隔板和傳動軸等，如圖2b所示。

圖2 小麥供種裝置Fig.2 Structure diagrams of seed feeding device for wheat1.種箱 2.充種調節(jié)板 3.供種殼體 4.充種室 5.卸種板 6.供種口 7.供種機構 8.密封板 9.填充輪 10.型孔輪 11.隔板 12.傳動軸

供種裝置工作區(qū)域包括充種區(qū)Ⅰ、攜種區(qū)Ⅱ和供種區(qū)Ⅲ。工作時，種子箱里的小麥種子在重力作用下進入充種室，充種室內的種子在種群側向壓力和鋸齒擾動攜帶作用下充入型孔，并隨型孔一起轉動，通過控制充種調節(jié)板與供種機構的間隙，保證精量充填概率。攜有小麥種子的型孔運動至投種區(qū)時，種子在重力和離心力共同作用下經供種口進入料氣混合室，完成精量供種。

以工作幅寬為2 200 mm的直播機中的小麥供種裝置為研究對象，其主要技術參數如表1所示。

表1 小麥供種裝置主要技術參數Tab.1 Main parameters of seed feeding device for wheat

2 關鍵部件設計與參數分析

2.1 型孔輪直徑

型孔輪顯著影響小麥精量供種效果，其直徑是確定型孔數、型孔輪線速度和種子慣性離心力等參數的依據。由小麥供種裝置可提供播量與種植農藝所需播量可知

(1)

式中Qx——農藝要求小麥播量，粒/s

B——直播機工作幅寬，m

vm——直播機前進速度，m/s

a——直播行距，m

b——直播粒距，m

Qs——供種裝置播量，粒/s

M——供種裝置個數

N——型孔輪個數

Z——單個型孔輪徑向型孔數

λ——單個型孔充入種子數

n——型孔輪轉速，r/min

小麥供種裝置提供播量與小麥種植農藝要求播量一致，由式(1)得

(2)

由式(2)可知，當播種幅寬、行距、株距和機組前進速度一定時，單個型孔輪徑向型孔數與型孔輪轉速成反比，當轉速超過一定范圍可通過增加型孔輪數降低轉速。滿足小麥種植農藝要求時，型孔輪直徑不宜過大與過?。盒涂纵喼睆竭m當增大，徑向型孔數增加，可適當降低轉速提高充種時間，改善充種性能，但相同轉速時型孔輪直徑過大種子線速度顯著增加，為避免投種時種子與供種殼體碰撞，以致供種裝置整體尺寸增大；型孔輪直徑過小，型孔數減少，轉速增加以致充種時間較短，供種性能顯著下降。根據前期研究型孔充種時間與型孔輪直徑大小無關，現用于直播小麥的傳統(tǒng)外槽輪直徑一般為50～80 mm，考慮供種裝置整體設計，本文設計的型孔輪直徑為65 mm。

2.2 型孔設計

小麥種子呈橢球體、流動性差，以致“平躺”、“側臥”和“豎立”充入型孔種子姿態(tài)存在隨機性[12,14-15]。理論分析表明，種子充入型孔的姿態(tài)概率與其截面面積成正比[16]，即

(3)

式中WP——種子平躺姿態(tài)概率，%

WC——種子側臥姿態(tài)概率，%

WL——種子豎立姿態(tài)概率，%

SP——種子平躺姿態(tài)截面積，mm2

SC——種子側臥姿態(tài)截面積，mm2

SL——種子豎立姿態(tài)截面積，mm2

種子充入型孔的姿態(tài)為完全隨機獨立事件，其概率總和為

WP+WC+WL=100%

(4)

聯立式(3)和式(4)，得

(5)

小麥3種姿態(tài)截面近似橢圓形，其截面積為

(6)

式中l(wèi)——小麥種子長度，mm

w——小麥種子寬度，mm

t——小麥種子厚度，mm

隨機選取淮北平原3個常規(guī)品種100粒種子，測定其三軸尺寸，結合式(5)和式(6)計算出種子充入型孔的姿態(tài)概率，見表2。

表2 小麥種子三軸尺寸與姿態(tài)概率Tab.2 Triaxial size and postural probability ofwheat seeds

圖3 小麥型孔輪結構簡圖Fig.3 Structure diagrams of cell wheel for wheat1.軸孔 2.型孔 3.鋸齒 4.減重孔 5.型孔支撐體

根據表2可知，小麥種子“平躺”與“側臥”姿態(tài)概率之和約80%，其在充種區(qū)主要依靠自重以平躺與側臥的姿態(tài)充入型孔。小麥種子球形度低、流動性差且易產生“卡種”現象，已有研究表明，對顆粒流擾動可顯著提高充種性能[17-19]，而傳統(tǒng)外槽式型孔易產生脈動現象，降低供種均勻性[20]。為改善種子流連續(xù)充種與投種性能，避免投種環(huán)節(jié)“卡種”，兼顧簡化供種裝置結構，結合已有研究基礎[14-15,21]，本文設計了易于種子“平躺”與“側臥”姿態(tài)充種與投種的拋物線形型孔，其截面形狀如圖3所示。

為使2粒最大小麥種子以“平躺”或“側臥”姿態(tài)充入型孔且確保單個型孔至少充入3粒種子，同時便于種子在供種區(qū)順利從型孔中投出，根據已有研究[22]，本文型孔長度lk、型孔寬度bk和型孔深度hk分別為

(7)

式中l(wèi)k——型孔長度，mm

lmax——小麥種子最大長度，mm

bk——型孔寬度，mm

wmax——小麥種子最大寬度，mm

kb——寬度調整系數，取1.3～2.0

hk——型孔深度，mm

kh——深度調整系數，取0.7～1.1

根據表2中小麥種子三軸尺寸，確定型孔長度lk為10 mm，型孔寬度bk為7 mm，型孔深度hk為3 mm。

拋物線型孔可確保種子在型孔內以“平躺”或“側臥”姿態(tài)流動，避免投種時存在“卡種現象”。為獲取拋物線曲線，需結合拋物線特殊點位置坐標與型孔結構關鍵尺寸確定。如圖4a所示，起始充種角α應小于卸種角φ，卸種角需大于小麥自然休止角θ，根據上述小麥品種獲得小麥自然休止角θ≤35°，由此設計起始充種角α=35°；β為投種位置角，為簡化供種裝置結構和有效降低種子破損率，本文無增設護種裝置，同時兼顧避免“卡種”以及減少種子投出與供種殼體碰撞，則設計投種位置角β=40°。如圖4b所示，建立以拋物線對稱軸為y軸，拋物線底部切線為x軸的坐標系，便于求解。根據型孔寬度為7 mm，最大深度為3 mm，兩切線夾角ζ與α、β的關系，可獲得限制方程

(8)

式中k——兩焦點連線所在直線斜率

x1、x2——兩焦點對應橫坐標值

γ——拋物線曲線兩焦點分別與中心點連線所夾銳角，(°)

圖4 型孔截面形狀曲線分析Fig.4 Curve analysis of section shape for type hole1.充種調節(jié)板 2.型孔輪 3.供種殼體 4.型孔

由式(8)可得

(9)

由式(9)可知，型孔曲線設計不是唯一的，k值越大型孔形狀越細深，k值越小型孔形狀越粗淺，細深的型孔容易“卡種”，粗淺的型孔充種能力有限，為確保設計型孔可容納不少于3粒種子且避免“卡種”現象，結合前期試驗選取k=1可獲得較好的充種和投種效果。令k=1，解得x1=-1.540 2 mm，x2=2.839 3 mm。由此，得出型孔曲線方程

y=x2(x∈[-1.540 2 mm,2.839 3 mm])

(10)

2.3 型孔數量

供種輪采用拋物線形型孔交錯布置方式，以改善外槽輪存在的脈動現象和提高小麥顆粒擾動性能。當供種輪直徑確定時，適當增加型孔數，可提高小麥充種性能，故型孔間距應大于1倍型孔寬度且小于2倍型孔寬度，即

(11)

式中T——孔距，mm

Dp——型孔輪直徑，mm

由式(11)取整，得15

為提高充種時間和確保加工精度，本文試驗確定型孔數Z為24，交錯布置型孔對應中心角為15°。為滿足淮北平原不同時期小麥播量，可通過供種輪數和供種轉速調節(jié)。供種裝置可一次布置5個供種輪同時供種，供種輪材料為ABS工程塑料，采用3D打印技術試制。

2.4 型孔錐角與極限供種轉速分析

改善小麥種子充種性能是提高供種穩(wěn)定性和適應變量播種的重要途徑，進行充種過程分析對探究種子充填機理尤為重要[23]。由于小麥種子在充種室內以散體顆粒形式連續(xù)運動，型孔隨型孔輪轉動可主動拾取多顆種子，以多顆種子充入型孔組成的質點系為研究對象，假定種子為材質均勻的剛體，不考慮研究對象與種群間摩擦力及振動，受力分析如圖5所示。根據質點系運動的法向和切向建立輔助坐標系，其受力方程為

(12)

式中N1——型孔側壁對質點系支撐力，N

Np——充種室內種群對質點系的側壓力，N

Ff——質點系與型孔側壁間摩擦力，N

Fl——慣性離心力，N

G——質點系重力，N

m——質點系質量，kg

σ——型孔錐角，(°)

ω——型孔輪角速度，rad/s

R——型孔輪半徑，m

μ——種子與型孔輪接觸表面摩擦因數，取0.55[24]

np——型孔輪工作轉速，r/min

圖5 小麥充種過程力學分析簡圖Fig.5 Mechanics analysis diagram of seed-filling process1.型孔 2.型孔支撐體 3.鋸齒 4.種子

根據式(12)得出

(13)

其中a=cosσ-μsinσb=μcosσ+sinσ

由式(13)得知，起始充種角α與型孔錐角σ、小麥種子物料特性μ、型孔輪角速度ω、型孔輪直徑等有關。當角速度確定時，起始充種角α與型孔錐角σ呈反比例變化；在起始充種角α相同時，型孔錐角σ與型孔輪角速度ω呈正相關。為確保充種區(qū)存量較少種子也能較好充入型孔，起始充種角α應小于等于卸種角φ，即α≤35°，再結合供種機構設計轉速10～100 r/min，可計算出型孔錐角σ范圍為8.02°～50.42°。

前期試驗觀察，當型孔輪工作轉速持續(xù)增加，充種區(qū)上部易發(fā)生“飛種”現象，將飛出型孔的種子視為質點系，以質點系脫離型孔后的臨界為研究對象，此時該質點系受重力和慣性離心力作用，根據達朗貝爾原理建立受力方程

(14)

式中αp——最大充填角，(°)

ωp——型孔輪極限角速度，rad/s

npM——極限供種轉速，r/min

Flmax——最大慣性離心力，N

由式(14)可得

(15)

根據上述結構設計并結合前期試驗，該供種機構最大充填角αp∈[25°,45°]。為確保該供種裝置工作穩(wěn)定性，現取最大充填角的平均值，即αp=35°，將其代入式(15)，該小麥供種裝置極限供種轉速為125.6 r/min。

3 供種性能試驗

3.1 試驗材料與設備

以淮北平原常用小麥品種百農207為試驗材料，其千粒質量為51.19 g，含水率為8.07%。本試驗在自行設計的主動供種試驗平臺上進行，如圖6所示。

圖6 主動供種試驗平臺Fig.6 Test platform of seed feeding device 1.種箱 2.供種裝置 3.排種驅動電動機 4.平臺支架 5.編碼器控制電動機 6.編碼器 7.排種控制器 8.車速模擬控制器

3.2 試驗設計與方法

為驗證理論分析的合理性，進行了型孔錐角驗證試驗，型孔錐角分別為10°、20°、30°、40°、50°，共5個梯度，工作轉速20、40、60 r/min取3個梯度；供種裝置工作性能試驗，工作轉速分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 r/min，共10個梯度，供種輪數量1、2、3、4、5，共5個梯度；為滿足淮北平原玉米秸稈覆蓋下小麥在不同播期的供種量，開展了主動供種驗證試驗，供種裝置提供的供種量分別為150、225、300、375、450 kg/hm2，共5個梯度，機組前進速度分別為3.8、5.1、6.3、7.8、8.6、9.8 km/h，共6個梯度。上述試驗均以供種速率、供種速率穩(wěn)定性變異系數和種子破損率為試驗指標

參照GB/T 9478—2005《谷物條播機 試驗方法》，開展供種裝置性能試驗。試驗時，用量杯收集供種口排出的小麥種子，采集時間為1 min，稱量其凈質量，再拾取出破碎損傷種子稱量其質量，重復6次，計算出不同處理下的供種速率、供種速率穩(wěn)定性變異系數和種子破損率

(16)

式中mv——平均供種速率，g/min

mvi——第i次的供種速率，g/min

j——試驗次數，j=6

Pz——種子破損率，%

mp——破損種子質量，g

mz——每個處理供種總質量，g

CV——供種速率穩(wěn)定性變異系數，%

3.3 試驗結果與分析

3.3.1型孔錐角驗證試驗結果分析

由表3可知，在轉速為20～60 r/min條件下，小麥供種速率隨傾角的增大呈先增加后減小趨勢，變異系數隨傾角的增大呈先降低后上升趨勢，傾角為40°拋物線型孔的供種穩(wěn)定性較優(yōu)，其穩(wěn)定性變異系數小于1.8%，該結果與型孔設計理論分析相吻合。試驗中小麥種子破損率均低于0.2%，采用拋物線型孔交錯布置設計的供種機構完成充種、攜種和供種3個過程，簡化了供種環(huán)節(jié)。

3.3.2主動供種性能結果分析

為明確小麥供種范圍、適應主動供種要求，進行了型孔輪數量與轉速對供種性能影響的試驗，試驗結果如表4所示。結果表明：小麥供種速率隨型孔輪數目和轉速增加呈上升趨勢，其供種速率范圍為30～1 500 g/min；供種速率穩(wěn)定性變異系數隨型孔輪數量增加呈下降趨勢；工作轉速在10～100 r/min內，其穩(wěn)定性變異系數均小于2.0%，種子破損率均不大于0.2%。

表3 不同錐角的小麥供種性能Tab.3 Seed feed performance for wheat atdifferent cone angle

3.3.3主動供種試驗驗證

為提高供種能力、實現主動供種，以工作幅寬2.2 m直播機上安裝5個拋物線型孔輪的供種機構獲取的試驗結果為例，以工作轉速、機組前進速度為自變量，以單位面積播量為因變量，構建主動供種預測模型

(17)

式中ms——播種機單位時間播量，kg/h

tb——播種機工作效率，h/hm2

mQ——單位面積播種量，kg/hm2

由式(17)得出安裝5個型孔輪的小麥供種量方程

(18)

結合式(18)，為驗證小麥供種裝置主動供種的精確度，在相同車速下對播量進行測試，以步進電動機帶動編碼器旋轉模擬播種機行駛，排種控制系統(tǒng)采集編碼器模擬車速變化量，實時調節(jié)脈沖信號輸出頻率，控制步進排種電動機轉速，測試過程如圖7所示。

表4 不同轉速與型孔輪數量時的供種性能Tab.4 Seed feeding performance for wheat at differentsawtooth-hole units and rotational speeds

圖7 主動供種測試過程Fig.7 Test process of active sowing

匹配試驗的動力選用約翰迪爾- 854型拖拉機。設定不同的機組前進速度和播種量，采集時間間隔1 min，重復6次取平均值，結果如表5所示。試驗表明，模擬機組前進速度不大于9.8 km/h時，供種輪式小麥供種裝置主動供種較為準確，其穩(wěn)定性變異系數均小于2.0%，滿足淮北平原變量播種需要。

表5 主動供種匹配性能試驗結果Tab.5 Matching test result of variable seed feeding

4 田間試驗

為進一步驗證該供種裝置主動供種性能，于2017年10月29日在安徽省蒙城縣秸稈還田正負效應實驗示范區(qū)進行，田間試驗如圖8a所示，前茬作物為玉米，其秸稈覆蓋量為450～500 kg/hm2，試驗以自行開發(fā)的小麥電控氣送式變量直播機為平臺，實際幅寬為2 m，播種10行，行距200 mm，型孔輪數目為5，牽引動力為黃海金馬1304A- 1型拖拉機，機組前進速度為6.1 km/h，根據農戶需要試驗播種量設定300 kg/hm2。2018年3月9日對小麥種植密度進行測定，苗情長勢如圖8b所示，每行選取5段，每段測量長度為1 m，測定10行的小麥種植密度為230～270株/m2，其均勻性變異系數為21.97%，滿足JB/T 6274.1—2013《谷物播種機 技術條件》和小麥種植農藝要求。

圖8 田間試驗及苗情長勢Fig.8 Field test and growing tendency of wheat

5 結論

(1)設計了一種帶有傾斜型孔輪的小麥精量供種裝置，闡述了其結構組成和供種原理，確定了型孔和型孔輪關鍵結構參數。建立了型孔曲線限制方程，構建了小麥充種過程力學模型，確定了型孔錐角較優(yōu)范圍為8.02°～50.42°，型孔輪穩(wěn)定工作極限供種轉速應不大于125.6 r/min。

(2)臺架試驗表明：在工作轉速20～60 r/min條件下，傾角為40°拋物線型孔的供種穩(wěn)定性較優(yōu)，其供種速率穩(wěn)定性變異系數小于1.8%，種子破損率低于0.2%；在型孔輪數量1～5、工作轉速10～100 r/min條件下，小麥供種速率隨型孔輪數目和轉速增加呈上升趨勢，其供種速率范圍為30～1 500 g/min；供種速率穩(wěn)定性變異系數隨型孔輪數量增加呈下降趨勢；工作轉速為10～100 r/min條件下，其穩(wěn)定性變異系數均小于2.0%，種子破損率均不大于0.2%。

(3)以安裝5個拋物線型孔輪供種機構建立單位面積播種量數學模型進行的主動供種匹配試驗得出，模擬機組前進速度不大于9.8 km/h時，可實現較大范圍的主動供種，其穩(wěn)定性變異系數均小于2.0%。該裝置用于實際直播小麥種植密度為230～270株/m2，均勻性變異系數為21.97%，滿足淮北平原小麥播種需要。

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